节能玻璃设计的相关技术要点

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节能玻璃设计的相关技术要点

返回列表 来源:发布日期:2020-05-25 15:58 | 加入收藏关注:5

玻璃通常占到整窗面积的70%-80%以上,因此,玻璃部分的隔热保温能力对整窗的保温性能影响至关重要;玻璃是热的良导体,其导热系数约为0.9W/(m·K),单层玻璃的热阻非常小;因此,如果使用单层玻璃,室内外热量直接通过传导的方式进行传递,玻璃的传热系数较高,热量流失极快;6mm单层玻璃的传热系数为5.8 W/(m2·K);

假定:冬季室外环境温度 To=-5℃, 室内温度Ti=26℃, 

室内相对湿度Rh=60%

黑龙江快乐十分走势图我们可以计算出玻璃室内面表面的温度T;

Ug·(Ti-To)=hi·(Ti-T) (1)

其中hi 为玻璃室内表面的换热系数;

hi=3.6+4.4 e/0.837;普通白玻 hi取值8 W/(m2·K)

通过计算得出:T=3.5℃  室内的结露点温度Dew=17.6℃

因此,对于单层玻璃窗,冬季室内表面的温度远远低于室内露点温度,而产生凝露;而且,当人站在室内窗前,会感受到明显的温差效应,非常不舒适;而这种温差效应随着向室内移动的距离增大而降低,因此,室内舒适的使用空间被明显的压缩;同时,这种玻璃会带来大量的能耗,因为温差存在而在单位时间内流失的热量高达145 W/m2 。因此,这种使用单层玻璃的门窗在国家及一些地方的节能门窗规范中已经被限制或禁止使用;

那么,为了提高节能效率,改善玻璃的保温性能,降低门窗玻璃的传热系数,我们可以通过以下几种途径进行玻璃的综合优化设计:

1.1 使用中空玻璃

由于两片玻璃间空气层的存在,使得室内外热量传递方式发生了改变,由单片玻璃的热传导,转变成辐射和对流传热为主;中空玻璃系统的热导ht可以通过下方公式(1)计算:

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hs:中空玻璃气体间隙层热导W/(m²·K)

黑龙江快乐十分走势图N:中空玻璃气体层数量

黑龙江快乐十分走势图d:组成中空玻璃的单层玻璃厚度和(m)

λ:玻璃导热系数W/(m²·K)

可见,中空玻璃的热导,与玻璃的导热系数及气体间隙层热导正相关,与玻璃厚度负相关;而气体间隙层热导是包括间隙层气体热导及组成间隙层的两片玻璃的辐射热导;从而我们可以得出,使用中空玻璃,由于气体间隙层的存在,使得中空玻璃的传热系数主要决定于气体热导及玻璃的辐射热导,从而大大减低了中空玻璃系统的传热系数;对于6mm+12A+6mm的普通中空玻璃,其传热系数为Ug=2。9 W/(m2·K);我们通过计算可以得到:在假定条件下,冬季室外环境温度 To=-5℃, 室内温度Ti=26℃ ,室内相对湿度Rh=60%;室内玻璃表面的温度T=14。8℃,较普通单层玻璃室内表面温度提升11。3℃。

玻璃的节能特性得到明显的改善;但室内表面温度仍低于室内环境的结露点温度Dew=17.6℃;在寒冷的冬季仍然会出现结露问题;因此,还需要对中空玻璃性能进行优化。

途径1。 使用充入惰性气体的中空玻璃

由公式(1)的说明可以得出,中空玻璃的传热系数,与气体的热导相关;因此,将中空玻璃空腔内充入大分子、粘滞度高的惰性气体,如氩气、氪气、氙气等等,这些惰性气的比重比空气大,气体流动性差,导热系数低,由气体对流及传导而传递的热量大大降低;

下表(表1)是不同气体的特性指标

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从表1中数据可以看出,氪气的导热系数最低,对中空玻璃的保温性能改善效果最好,对于6LOW-E+12A+6的中空玻璃,充入氪气可以使玻璃传热系数降低0.6 W/(m2·K)左右,但氪气价格非常昂贵,单位面积增加成本甚至在百元以上,在建筑玻璃上进行应用不具备经济性,不易被推广使用,但在某些高端产品及特种工业玻璃领域中有所使用;氩气作为价格低廉的惰性气体,可以直接从空气中分离获得,同时也具备较好的热工性能,因此在建筑节能门窗玻璃中得以广泛使用;

黑龙江快乐十分走势图充入惰性气体的中空玻璃必须确保其良好的密封特性,以避免昂贵的、高效的惰性气体不会随着使用时间延长而泄露,带来中空玻璃性能的衰减;一般来说,对于充入惰性气体的中空玻璃,如果使用硅酮结构胶作为次密封胶的话,就必须采取严格的措施控制丁基胶宽度、丁基胶涂敷量、间隔条接口背封等加工工艺外,正常工艺下生产的中空玻璃,气体年泄露率不应超过1%。同时必须按照最新的GB/T 11944 规定进行气体密封耐久性检测。

那么,对于中空玻璃,充入氩气到底能够对中空玻璃的性能带来多少改善呢?

我们由公式(1)看出,中空玻璃的热导与间隙层气体热导hg正相关;

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公式(2)显示出,间隔层气体的热导又与努塞尔准数Nu正比,努塞尔准数是一个与两片玻璃腔体内表面温度差及气体的不同物理特性相关的参数。因此,充入惰性气体对中空玻璃的传热系数的影响与不同气体的物理性能、气体浓度、气体层厚度等因素相关。我们根据不同的标准体系,对常见配置的充氩气中空玻璃进行模拟计算,得到结果如表2所示

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通过表2的计算数据我们可以看出,无论基于哪个标准体系计算,对不同间隔条宽度的中空玻璃,充氩气比不充氩气的传热系数降低值在0。25-0。40之间;一般来说,空气层越薄,充氩气对中空玻璃的传热系数改善就越明显;

对于充氩气的玻璃,需要非常关注中空玻璃的密封特性。明框结构的窗或幕墙使用水汽渗透率较低的聚硫胶作为二道密封胶;玻璃的生产工艺尤其关注丁基胶的操作工艺,确保其主密封胶的作用。最新的中国玻璃国家标准也更加关注中空玻璃的气体密封特性及惰性气体保持率的控制,根据GB/T11944-2012,严格检测气体密封耐久性能。

另外,无论中空玻璃充入惰性气体与否,我们在门窗设计时都需要关注一个窗子使用角度问题。对于采光用的天窗或屋面斜窗,在计算整窗热工性能时,需要考虑到室内外的实际温差及玻璃角度对腔体内对流形式的影响。如图2所示为中空玻璃水平状态下的内部对流传热状况。由于产生对流传热循环路径变小,传热效率增大,使得水平状态下的玻璃传热系数大于竖直状态下传热。在冬季,室内温度高于室外,形成朝上的热流;在夏季,室内温度低于室外温度,不会产生向上的热流,因此,在冬季,大角度使用的窗子的实际传热系数要比竖直窗更大,这一点是需要我们热工计算中特别注意的。

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途径2。调整中空玻璃的腔体厚度

我们通过公式(2)可以了解到,中空玻璃的传热系数的影响因素有充入气体的物理性能、气体浓度、气体层厚度、两片玻璃腔体内表面温度差等因素相关,当然也与玻璃的表面辐射率、玻璃的厚度等因素有关;所以,对于既定的两片基片玻璃,调整两片玻璃的间距,即设定不同的间隔条宽度,可以获得玻璃的最佳传热系数,而这个最佳传热系数是依据不同的环境条件而有明显差异的。如表2所示,我们看到,基于EN673标准计算,16A的空气层U值最低,且对于该配置,16A的U值要比12A的U值低0.14~0.24,即性能提升10%-15%;当选用宽度大于16A的间隔条时,因为气体层过宽,带来了更多的对流传热,从而使得玻璃的U值进一步增大。基于JGJ151标准进行计算,12A的间隔层U值最低,且对于该配置,12A的U值要比16A的U值低0.04~0.06,即性能提升2%-4%;所以,我们通常说,12A到16A的中空间隔条宽度,可以获得极佳的中空玻璃传热系数,这也是我们经常看到,对于中空玻璃的间隔条的规格,往往会在12A到16A比较集中的原因。图3是不同气体、不同厚度的中空玻璃传热系数的线性比对图表。

EN 673标准与JGJ151标准的测试条件存在较大差异。两个标准的边界条件如表3;之所以在不同的标准条件下计算结果不同,与标准体系的测试环境条件有关。因此,我们说对于确定的充入气体类型,哪个间隔条的宽度能够使中空玻璃获得最佳的传热系数,要根据具体的气体类型,以及产品的使用标准体系(测试环境条件)来确定。设计最优的中空玻璃结构,需要参考产品使用地点的实际气候条件。

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途径3.使用低辐射镀膜玻璃

中空玻璃系统的热导ht可以通过下式计算

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式中hs是中空玻璃气体间隙层热导,其值大小取决于气体间隙层气体热导hg及中空玻璃气体间隙层内两片玻璃的辐射热导hr;其中hr可按照下式计算求得

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式中ε1与ε2为中空玻璃内外片内表面的校正辐射率;由此可知,中空玻璃的传热系数大小,与组成中空玻璃单元的内外基片的表面辐射率关系密切;因此为了获得更加优秀的保温性能,我们通常会选用辐射率低(Low- emissivity)的镀膜玻璃做为中空玻璃基片,以获得更加优秀的保温性能;

LOW-E节能玻璃作为建筑的外维护结构所选用的关键材料,主要原因在于:建筑维护结构所要实现的功能性包括---保温、遮阳、美观,而LOW-E玻璃能够平衡这几大要素之间的矛盾;它既可以实现建筑的保温,避免大量的热量通过玻璃流失,又可以实现良好的遮阳特性,让更多的太阳光谱中可见光部分进入到室内,而让更少的太阳辐射的热量通过玻璃进入;同时,它有具备更加宽泛的选择空间,各种各样的性能参数匹配、多种色彩以满足不同区域、不同建筑风格的设计需求。LOW-E膜可以通过其功能层银层的光谱选择性,实现了对太阳辐射的有效利用;太阳辐射中的热量直接透过玻璃及玻璃吸收再次辐射通过的量越低,玻璃的隔热性能就越好,遮阳性能越优秀;物体的热辐射被玻璃吸收再次辐射的比例越小,辐射率越低,玻璃的保温性能就越好。

高性能LOW-E中空玻璃可以获得极低的传热系数。表4是各种不同中空玻璃组合获得的参数比对(low-e牌号选自Saint-Gobain的产品)。

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途径4.特种玻璃技术应用

随着玻璃技术的不断发展,节能玻璃工艺日新月异,已经有非常多的特种深加工工艺的节能玻璃,并且取得了很好的应用效果,例如真空玻璃,热镜玻璃,内悬膜玻璃,智能调光低辐射节能玻璃,气凝胶中空玻璃等等。

a)真空玻璃应用:

传统真空玻璃是两片平板玻璃之间使用微小的支撑物隔开,玻璃周边采用纤焊加以密封,通过抽气孔将中间的气体抽至真空,然后封闭抽气孔保持真空层的特种玻璃。真空玻璃的保温性能非常优秀,主要是由于真空层的存在大大削减了热量的对流和传导损失;同时,真空玻璃还可以复合LOW-E玻璃组合成真空复合中空玻璃获得极佳的性能参数。一片6mm的真空玻璃的保温性能相当于370mm厚的实心黏土砖墙,与单层玻璃相比,每年每平方米可以节约700MJ的能源,相当于192千瓦时的电量,1000吨的标准煤,其节能效率极高。理想的真空玻璃还具有很好的隔音性能,6mm厚度的真空玻璃可以将室内噪音降低到45dB以下(降噪值在33-35dB左右)。真空玻璃技术近年来发展较快,性能也在不断提升。逐步改善了支撑点的固定、低传热,抽气孔密封工艺,封边工艺等技术问题,以及对于基片钢化问题,也已经有了极大的突破,可以大大降低玻璃安装后破碎的安全隐患。

黑龙江快乐十分走势图对于真空玻璃本身而言,具备极低的传热系数。但对于真空玻璃整窗系统,我们需要认真对待玻璃边部的热桥问题。真空复合中空玻璃若真正发挥其综合性能的优势,玻璃边部建议使用暖边间隔条,以解决边部热桥问题,从而实现整窗更加优秀的保温性能。单片真空玻璃与型材嵌入节点的设计如果能够得以解决,实现边部无热桥的处理,这将是未来一个具有很大发展空间的解决方案。

b)气凝胶中空玻璃应用

在中空玻璃腔体内,不充入空气或其他惰性气体,也不抽成真空状态,而是填充透明的固体保温材料,这样的途径仍然可以获得保温性能更加的中空玻璃。硅气凝胶材料具备非常低的导热性,其硅粒子中包含有多微孔材料,而且比可见光的波长小得多。气凝胶中空玻璃的导热性能检测资料如图4所示。

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目前正在开发的多种更高性能的气凝胶玻璃产品,具备更高的可见光透过率,更低的传热系数,更好的隔音性能及更加优良的可靠性和耐久性;厚度27mm的气凝胶中空玻璃可以获得Ug值在0.7 W/(m2·K)左右,但该产品的发展还受到价格以及产能等因素的制约。

摘自:微信门窗城

【本文标签】:门窗节能
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