節能窗傳熱性能試驗研究

王 卓，楊 寧，王曉紅，徐秀靈，王 雪

1吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118 2大連理工大學,大連 116024 3吉林市生態環境局，吉林 132002 4吉林建筑大學圖書館，長春 130118

0 引言

在我國能源消費領域中建筑能耗高達27.6 %[1], 其中建筑門窗作為外圍護結構保溫性能中的薄弱環節,其能耗占到圍護結構總能耗的50 %左右[2].玻璃窗戶的發展經歷了3個階段:第1階段是單玻窗,只具備窗戶的最基本的透明性及遮風擋雨的作用,保溫性能較差;第2階段是中空玻璃窗,根據玻璃層數的不同可劃分為兩玻窗、三玻窗以及四玻窗.在玻璃夾層內可填充干燥(稀有)氣體或抽取夾層內空氣制成真空玻璃窗,均可相應降低窗戶的傳熱系數,提高其保溫性能;第3階段是鍍膜玻璃,鍍膜玻璃是在玻璃的表面鍍上一層金屬或者金屬氧化物的薄膜,使玻璃對可見光具有較高的反射能力.就窗框而言,鋁窗框是以往應用較多的型材,但由于鋁的導熱系數較高、熱量傳遞過快故逐漸被取代.聚氯乙烯因其導熱系數較低且價格低廉得到廣泛用.

以往的研究中,Rubin課題組于1982年建立了玻璃傳熱計算模型和太陽光性能計算模型,隨后開發出了計算程序[3].目前,已開發了多種模擬軟件,包括外窗熱工性能模擬軟件Window和Therm,以及玻璃光學性能模擬軟件Optics,并收集了各大廠家玻璃產品的性能參數,建立了玻璃性能數據庫NFRC[4-5].Dariush Arasteh等[6]人采用Therm進行門窗模擬,通過更換保溫性能優異的材料,設計保溫性能更加突出的節能門窗,并提出零能耗門窗的概念.Gan[7]利用CFD模擬分析了多層外窗的傳熱情況,并得出整窗的傳熱系數以及玻璃表面對流換熱隨室內外玻璃表面溫差的變化情況.徐春濤[8]利用Therm對塑料窗熱工性能進行了模擬,并將實驗結果與模擬結果進行對比,發現外窗中玻璃間隔條處容易形成冷橋,且實驗結果與模擬結果相比較誤差較小.Muneer等[9]人研究了玻璃之間夾層的對流以及換熱情況,并在之后沖入稀有氣體分析窗戶的節能情況.Griffith等[10]人采用紅外熱像法測試了3種不同類型外窗的表面溫度,并結合相應軟件分析了表面溫度的分布情況.但是,在雙玻窗的基礎上采取相應措施減少整窗的傳熱系數的研究較少,故本文以雙玻窗為基礎,在實驗測試的基礎上利用紅外熱像法與數值模擬相結合,通過尋找不同類型外窗的熱工缺陷,對熱工缺陷部位提出優化方案并進行實驗測試.

1 塑鋼雙玻窗實驗測試

1.1 實驗裝置

在門窗的檢測標準方面,我國有《建筑外門窗保溫性能分級及其檢測方法》(GB/T8484-2008)[11],《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》(GB/T2680-1994)[12]等.根據檢測原理的不同,外窗的傳熱系數測定可以分為穩態傳熱法與非穩態傳熱法.非穩態傳熱法是在溫度和濕度難以控制的現場測試時使用,由于存在熱惰性,所以測量存在偏差.穩態傳熱是在溫度、濕度可控的穩態環境下進行,使傳熱過程達到高度平衡.由于對環境條件的要求過高,所以穩態傳熱法一般用于實驗室檢測.

本文利用JTMC-24建筑外門窗保溫性能測定實驗平臺,該平臺是以穩態傳熱原理為基礎的標定熱箱法.實驗臺的一側為熱箱,模擬夏季空調室外環境或冬季供熱室內環境;另一側為冷箱,模擬夏季空調室內環境或冬季室外環境.在對窗框與試件框、窗框與填充板、填充板與試件框之間做嚴格密封的基礎上,維持冷熱室恒定的溫濕度、氣流速度、輻射等條件,通過計量加熱器的加熱功率及熱箱外壁、試件框、填充板的熱損失,自動計算外窗的平均傳熱系數.

外窗平均傳熱系數計算公式:

(1)

式中,K為實驗外窗的平均傳熱系數,W/(m2·K);Q為實驗穩定時加熱裝置的電功率,W;M1為熱箱壁的熱流系數,W/K;Δθ1為熱室內外表面溫差,K;M2為試件框的熱流系數,W/K;Δθ2為試件框兩側表面溫差,K;S為填充板的面積,m2;k′為填充板的平均傳熱系數,W/(m2·K);Δθ3為填充板兩側表面溫差,K;A為按試件外緣尺寸計算的試件面積,m2;ΔT為冷熱室空氣溫差,K.

1.1.1 試驗裝置組成

試驗裝置主要由熱室、冷室、試件框熱室溫控系統、冷室溫控系統、數據采集系統、數據處理系統和報告生成部分組成,如圖1～圖2所示.

圖1 試驗裝置的平面、側面圖Fig.1 Plane and side drawings of test apparatus

圖2 JTMC檢測試驗裝置Fig.2 Test apparatus for JTMC detection

檢測試驗裝置冷、熱室外壁選用100 mm厚聚氨酯夾芯板,試件框部分因需要較高的保溫性能,故采用300 mm厚的聚氨酯夾芯板,其表面發射率為ε=0.9.

熱室為2 430 mm × 2 730 mm(寬×高),進深為2 000 mm的長方體結構,內部設有加熱裝置、除濕裝置和傳感器,可控制室內的溫濕度.冷室通過安裝在其上方的制冷系統降溫,同時配備加熱裝置,使冷室內的溫度恒定,并利用強風板和風機進行強制對流,以使在試件表面形成由上至下的均勻氣流,其流速為3 m/s.

試驗裝置的測溫系統采用鉑電阻Pt 1000作為溫度傳感器,根據試驗要求,共設置200個高精度測溫點,以此測量試驗室內空氣、冷熱室內空氣、熱室內外壁面、試件框內外側面和填充材料冷熱表面等處的溫度.

1.1.2 試驗平臺主要性能參數

檢測平臺主要性能參數見表1.

表1 檢測平臺主要性能參數Table 1 Main performance parameters of the test platform

1.2 塑鋼雙玻窗傳熱系數

塑鋼雙玻璃尺寸為1 700 mm×1 600 mm×60 mm,窗框型材采用硬質聚氯乙烯,中空玻璃規格為5 mm+12 mm+5 mm,玻璃間填充干燥空氣,單片玻璃為普通白玻,窗框扇及其他密封材料采用改性PVC密封膠條,待測試件安裝區洞口總面積為3.17 m2,塑鋼外窗面積為2.72 m2,洞口填料面積為0.45 m2,填充材料選取50 mm厚的聚苯乙烯泡沫板,傳熱系數K=0.76 W/(m2·K).

經5次試驗檢測,塑鋼雙玻窗的平均傳熱系數為K=2.2 W/(m2·K),與數值模擬結果K=1.71 W/(m2·K)比較接近,但存在一定偏差.測量后采用紅外熱像儀檢測熱工缺陷部位,紅外熱像儀為Tesco 890-1手持式熱成像儀,它是通過非接觸式測量顯示被測構件表面的溫度分布,其主要性能參數見表2.

利用紅外熱像儀,采集生成紅外熱像圖,并通過Tesco-IR軟件分析圖像,如圖3～圖4所示.

圖3 塑鋼雙玻窗紅外熱像圖Fig.3 Infrared thermal image of a double glass plastic steel window

圖4 塑鋼雙玻窗溫度分布直方圖Fig.4 Temperature distribution histogram of a double glass plastic steel window

表2 Tesco 890-1主要性能參數Table 2 Main performance parameters of Tesco 890-1

其中圖4是處理后的整窗溫度分布直方圖.由圖4可知,tmin=-2.4 ℃,tmax=18.8 ℃,tavg=7.0 ℃,整窗溫度主要集中在5 ℃ ～ 14 ℃之間,整窗溫度分布的平均值低于熱室溫度.

2 塑鋼雙玻窗的改進及實驗再測試

2.1 塑鋼雙玻窗外側加貼玻璃

2.1.1 塑鋼雙層窗外側加貼普通玻璃

根據模擬與熱紅外圖結果顯示,整窗系統中玻璃膠條部分和玻璃區域溫度較低.采取在塑鋼雙玻窗外表面加貼玻璃的措施,其主要原因是:

(1) 增加空氣層數量,從而增加熱阻,減少空氣層中溫差傳熱.

(2) 外側貼平板玻璃可以起到密封和保溫的作用,從而減少冷風滲透.

具體做法為將5 mm厚的普通平板玻璃通過聚氨酯泡沫膠貼在塑鋼雙玻窗框扇可開啟側,邊緣使用2 mm～3 mm厚的硅酮耐候密封膠密封,其增加的空氣層厚度為20 mm,圖5是改進后的玻璃.經5次試驗,測得在外面加貼普通玻璃改進后的塑鋼雙玻窗傳熱系數K=2.02 W/(m2·K),較塑鋼雙玻窗傳熱系數降低了11.7 %.

圖5 外側貼普通玻璃Fig.5 Common glass on the outside 圖6 外側貼鍍膜玻璃Fig.6 Coated glass on the outside 圖7 塑鋼雙層四玻窗Fig.7 A double-layer four-glassplastic steel window

2.1.2 塑鋼雙玻窗外側加貼鍍膜玻璃

低輻射膜玻璃的原理是通過降低玻璃表面的輻射率來達到降低玻璃傳熱系數的目的,故加貼鍍膜玻璃是在加貼普通玻璃的基礎上降低透過外窗的輻射換熱量.具體做法是將5 mm厚的鍍膜玻璃通過聚氨酯泡沫膠直接外貼在塑鋼雙玻窗可開啟側,邊緣處用2 mm ～ 3 mm厚的硅酮耐候密封膠密封,其新增空氣層厚度為20 mm.經過5次試驗測試,其平均傳熱系數K=1.94 W/(m2·K),其傳熱系數較普通塑鋼雙玻窗降低了15.2 %,此法有效地降低了整窗傳熱系數.如圖6所示.

2.2 塑鋼雙玻窗外側加貼雙玻窗

試驗測試的塑鋼雙層四玻窗由塑鋼雙玻窗組合而成,其尺寸為1 700 mm×1 600 mm×300 mm,雙層窗框型材采用鋼襯硬質聚氯乙烯,玻璃為普通白玻,框扇及其他區域密封材料采用改性PVC密封膠條,單層窗框玻璃系統為5 mm+12 mm+5 mm,空氣夾層填充氣體為干燥空氣,如圖7所示.

經5次試驗測試,塑鋼雙玻窗的平均傳熱系數K=1.24 W/(m2·K),較在塑鋼雙玻窗外側加貼普通玻璃和鍍膜玻璃分別降低了36 %和38.6 %,可見,塑鋼雙層窗節能效果最佳.

由圖8～圖9可知,tmin=9.8 ℃,tmax=21.5 ℃,tavg=15.6 ℃,整窗溫度主要集中在13 ℃～18 ℃之間,整窗溫度較塑鋼雙玻窗有很大提升.

圖8 塑鋼雙層四玻窗紅外熱像Fig.8 Infrared thermal image of a double-layer four-glass plastic steel window

圖9 塑鋼雙層四玻窗溫度分布直方圖Fig.9 Temperature distribution histogram of a double-layer four-glass plastic steel window

2.3 冷熱側加貼塑料薄膜的塑鋼四玻窗

由圖8還可看出,外窗密封區域的冷橋傳熱在保溫性能得到提升后有較大改善.因此考慮冷風滲透對其影響,在塑鋼四玻窗冷熱側同時加貼透明塑料玻璃,如圖10所示.薄膜厚度為0.1 mm,由于薄膜厚度很小,故因薄膜產生的導熱、對流和輻射可忽略不計.經5次試驗測試,貼薄膜的塑鋼四玻窗平均傳熱系數K=1.24 W/(m2·K),測試結果如圖11所示.圖11顯示,外側加貼塑料薄膜對傳熱效果影響不大.

圖10 冷熱側加貼塑料薄膜的塑鋼四玻窗Fig.10 Four-glass plastic steel window with plastic film on hot and cold sides

圖11 節能窗傳熱系數Fig.11 Heat transfer coefficient of energy-saving window

3 窗戶節能性分析

通過Window模擬分析了空氣層厚度及單片玻璃厚度對傳熱系數的影響,從結果可以看出,增加玻璃厚度以及空氣層厚度可以降低傳熱系數.但是,過度增加空氣層厚度會使空氣在空氣層內發生熱對流,增加傳熱,故空氣層厚度在15 mm～20 mm為最佳.同時,玻璃片厚度不易過大,若過大會使建筑物的荷載過大,故3 mm～6 mm為玻璃最佳厚度.Therm模擬結果顯示,熱側密封區 - 玻璃間隔條 - 冷側密封區形成比較集中的熱流,這是造成室內側密封條溫度低的原因.此外,玻璃系統溫度較低是需要重點改進的部位.在試驗測試部分測試了塑鋼雙玻窗的傳熱系數,并通過紅外熱像儀分析了其溫度分布,玻璃系統是需要重點改善區域.采用在外側加貼玻璃形成空腔,減少對流換熱;加貼鍍膜玻璃,同時減少對流與輻射換熱.所以,要想降低整窗傳熱系數,玻璃系統是關鍵因素,減少玻璃系統的對流與輻射換熱是減少傳熱的主要途徑.而窗框型材與玻璃密封區域產生的冷橋與冷風滲透需要加強密封.

4 未來與展望

窗戶是圍護結構重要組成部分,也是能源消耗的關鍵部位.若想降低建筑耗能,窗戶是不可忽視的關鍵因素.窗戶的構成在過去的幾年中也發生了較大的改變,從木質單玻窗發展到塑鋼中空雙玻窗、三玻窗以及塑鋼、木質真空玻璃窗.解決窗戶節能問題主要是降低整窗傳熱系數,傳熱過程包括對流、傳導與輻射,增加空氣層個數與厚度以減少對流傳熱,在玻璃上鍍膜可以減少輻射傳熱.這兩種方法是中空玻璃較少傳熱降低傳熱系數的關鍵因素.對于真空玻璃,玻璃間為真空層沒有空氣的對流與傳導,在目前的建筑中,多數應用的還是塑鋼雙玻窗,傳熱系數大概在2.7 W/(m2·K)左右[13],并且存在冷風滲透.在未來的發展中,真空玻璃應廣泛應用于建筑中,而如何降低造價,是需要解決的主要問題.