3真空玻璃传热系数及结露温度的计算

3真空玻璃传热系数及结露温度的计算 真空玻璃传热系数及结露温度的计算 建设部中建机门窗幕墙设计专家组专家 北京新立基真空玻璃技术有限公司 唐健正教授.技术总监、研究所长 真空玻璃是新型玻璃深加工产品，是我国玻璃工业中为数不多的具有自主知识产权的前沿产品，它的研发推广符合我国鼓励自主创新的政策，也符合国家大力提倡的节能政策，具有良好的发展潜力和前景。 从原理上看真空玻璃可比喻为平板形保温瓶，二者相同点是两层玻璃的夹层均为气压低-1于10Pa的真空，使气体传热可忽略不计;二者内壁都镀有低辐射膜，使辐射传热尽可能小。二者不同点:一是真空玻璃用于门窗必须透明或透光，不能像保温瓶一样镀不透明银膜，镀的是不同种类的透明低辐射膜;二是从可均衡抗压的圆筒型或球型保温瓶变成平板，必须在两层玻璃之间设置“支撑物”方阵来承受每平方米约10吨的大气压力，使玻璃之间保持间隔，形成真空层。“支撑物”方阵间距根据玻璃板的厚度及力学参数设计，在20mm-40mm之间。为了减小支撑物“ 热桥”形成的传热并使人眼难以分辨，支撑物直径很小，目前产品中的支撑物直径在0.3mm-0.5mm之间，高度在0.1-0.2mm之间。真空玻璃的结构如图1所示: 焊料 0.1-0.2mm 图 1 真空玻璃的基本结构 由于结构不同，真空玻璃与中空玻璃的传热机理也有所不同。图2为简化的传热示意图，真空玻璃中心部位传热由辐射传热和支撑物传热及残余气体传热三部分构成，而中空玻璃则由气体传热(包括传导和对流)和辐射传热构成。 真空玻璃 中空玻璃 图2 真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图 由此可见，要减小因温差引起的传热，真空玻璃和中空玻璃都要减小辐射传热，有效的是采用镀有低辐射膜的玻璃(LOW-E玻璃)，在兼顾其它光学性能要求的条件下，膜的发射率(也称辐射率)越低越好。二者的不同点是真空玻璃不但要确保残余气体传热小到可忽略的程度，还要尽可能减小支撑物的传热，中空玻璃则要尽可能减小气体传热。为了减小气体传热并兼顾隔声性及厚度等因素，中空玻璃的空气层厚度一般为9-24mm，以12mm居多，要减小气体传热，还可用大分子量的气体(如惰性气体:氩、氪、氙)来代替空气，但即便如此，气体传热仍占据主导地位。 一(真空玻璃热导和热阻及传热系数的简单计算方法 1(两平行面之间的辐射热导可由下式估算 C辐射=ε有效σ(T14-T24)/(T1-T2)…………………………………„„„(1) 式中 T1，T2是两表面的绝对温度，单位为K ε有效是表面有效辐射率 σ是斯忒芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数，其数值为5.67×10-8Wm-2K-4。 在两平行表面温差不大(如数十度)的条件下，可用下面公式(2)计算，误差在百分之一以 C辐射=4ε有效σT3 ………………(2) T是两表面的平均绝对温度。1)和(2)式中ε有效为有效辐射率，由下式(3)计算: ε有效=(ε1-1+ε2-1-1)-1…………(3) 式中 ε1是表面1的半球辐射率。 ε2是表面2的半球辐射率。 计算例:真空玻璃的一片玻璃是4mmLOW-E玻璃，辐射率为0.10，另一片是4mm普通白玻，辐射率为0.84， 则可算出ε有效=(10+1.19-1)-1=0.098 按我国测试，室室外侧温度:T2=-20+273=253K 平均温度:T=272K 公式(2)可简化为C辐射=4.564ε有效 据此可算出C辐射=0.447 Wm-2K-1 R辐射=1/C辐射,2.237 W-1m2K 2( 圆柱支撑物热导可由公式(4)计算 …… ……………………………………„„„(4) 式中 λ玻为玻璃导热系数，约为0.76 Wm-1K-1 h为支撑物高度，单位为m a为支撑物半径，单位为m b为支撑物方阵间距，单位为m λ支撑物为支撑物材料的导热系数，单位为Wm-1K-1 目前国P„„„„„„„„„„„„„“„„„„„„(6) 式中(1- )] 为气体综合普适常数 其中和分别为两个表面的气体普适常数 P是气体压强，单位为Pa γ是气体的比热容比 T为间隔…………………………………………………………„„(7) C气单位:Wm-2K-1 由此可见 当P=0.1Pa时 C气=0.0375 Wm-2K-1 当P=1Pa时 C气=0.375 Wm-2K-1 以1中计算例的辐射率为0.10的单LOW-E膜真空玻璃的计算结果: 辐射热导:C辐射=0.447 Wm-2K-1 由2中支撑物热导C支撑物=0.50 Wm-2K-1 如果P=0.1Pa，则真空玻璃热导: C真空= C辐射+C支撑物+C气 =0.447+0.50+0.0375=0.9845(Wm-2K-1) 可算出C气在C真空中占的比例约为百分之四 如果P=1Pa，则可算出此比例将接近30%，此时C气的值已接近C辐射或C支撑物，而且随着真空玻璃R真空为真空玻璃热阻 如果残余气体热导C气很小， 则很大，可忽略其影响，这样真空玻璃热阻R真空可由公式(8)计算: 1R辐射R支撑物R,气R真空(8) C气R辐射支撑物1真空玻璃热导 C真空则上面1中计算例的真空玻璃的R辐射=2.237 由2中取R支撑物,2W-1m2K 由表1取 R1=R2 =0.005 W-1m2K 则由公式(8)可算出真空玻璃热阻R真空,1.066W-1m2K = 0.94 Wm-2K-1 真空玻璃热导C真空 6(真空玻璃传热系数的计算 传热系数定义为当室 K,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(8) R传R内，R真空，式中 C真空为真空玻璃热导 R外 K1 或 1 R真空 为真空玻璃热阻 C内为内表面换热系数 R内为内表面换热阻 C外为外表面换热系数 R外为外表面换热阻 R传 称为传热阻 K(或U)为传热系数 计算传热系数时要注意因各国标准不同，因此计算结果也略有不同，表2列出各国对计算传热系数的边界条件。 计算K值或U值时应注意两点，一点是各国对于(R内+R外)规定不同: 中国:1/8.7+1/23=0.1584 欧洲:1/8+1/20=0.175 美国:1/8.3+1/30=0.1538 另一点注意是各国对于环境温度规定不同，因此在计算辐射热阻时采用的温度是不同的。因而算出的辐射热阻值不同，真空玻璃热阻R也不同。 应该指出，上述的规定只是为了给传热系数的测量和计算制定一个统一标准，也使产品 的性能标示具有可比性。实际应用时，传热系数值因时因地而异，可根据实际情况计算。 表3所列的是目前国内市场可用于真空玻璃生产的三种LOW-E玻璃，此三种LOW-E玻璃上镀有“在线”LOW-E膜或带保护层的“离线”“硬”LOW-E膜，二者均可耐500?高温。 表5给出表4中四种真空玻璃按不同标准算出的传热系数 的两表面温度与标准规定差别较大，则测出的真空玻璃热导值也会差别较大。例如当两表面分别为10?和30?时，表4中序号1真空玻璃辐射热导数值将由0.88升为1.10。以此算出的传热系数将由1.12升为1.26。此值显然不是标准规定的K值，应该对辐射热导值1.10进行温度修正后再计算K值。 7(真空玻璃的“表观导热系数” 一般均匀材料用导热系数(热导率)λ表征其导热性能。其定义为:在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温度差为1K时，单位时间内通过1m2 面积传递的热量。我国法定单位为Wm-1K-1。 真空玻璃不是均匀连续材料，是一薄片结构。为了便于与其它保温材料比较其性能，常引用“表观导热系数”或称“折算导热系数”的概念。其含义可想象成将许多片真空玻璃叠合到1m厚时，其导热系数的值。 11m 以表4中序号3的真空玻璃为例，其厚度dd0.008m在1m厚度中等效地可叠放真空玻璃数为: 0.943-1-1 表倍，热阻将增大倍。 125 125故表观导热系数为 实际上根据下式(9)即可方便地算出表观导热系数 表C真空d =……………………………………………………………(9) 式中d为真空玻璃厚度，单位为m 表6 列出几种常见建筑材料的导热系数 GB4272-92标准规定的保温材料导热系数界定值0.12Wm-1K-1 小十多倍，是性能极优良的保温隔热体。 如果以表6中红砖墙为例形象地比喻，不难算出表4中序号1至4的4种真空玻璃分别相当于厚为0.60m,0.66m,0.86m和1.10m红砖墙的保温性能。 8(真空玻璃的综合性能优势 由于中空玻璃的气体热导超过真空玻璃的支撑物热导，所以在玻璃原片类型相同的条件下，真空玻璃的热阻总是高于中空玻璃，传热系数则总是低于中空玻璃。 ,表7序号1至4给出表4中同样4组玻璃制成的普通中空玻璃的参数，序号58则是同样4组玻璃制成充氩气中空玻璃的参数。 表7 八种中空玻璃的热阻和传热系数(K值) 12Ar表示12mm氩气 4表示4mm白玻 *表不存在中空玻璃水平放置时气体热导变化问题 不存在中空玻璃运到高原低气压地区的胀裂问题 3. 由于两片玻璃形成刚性连结，抗风压强度高于同等厚度玻璃构成的中空玻璃。比如，4mm玻璃构成的真空玻璃，抗风压强度高于8mm厚玻璃，是两片4mm 玻璃构成的中空玻璃的一倍半以上。 4. 由于是全玻璃材料密封，内部又加有吸气剂，所用的LOW-E膜是“硬膜”，不是易氧化变质变色的离线“软膜”，只要制造工艺和设备先进，真空玻璃使用寿命远比用有机材料密封的中空玻璃长得多。 5. 厚度比中空玻璃薄一倍以上，不仅可节省窗框材料，而且可以当成一片玻璃配合其它玻璃深加工技术组合成夹层真空、“真空+中空”、“自洁真空”等具有各种性能的“组合真空玻璃”。这种与其它深加工技术的兼容性，不仅可促进其它技术的发展，同时也正好可弥补真空玻璃的不足之处。例如目前还不能制造钢化真空玻璃，但可利用组合技术来解决安全性问题。 因此，真空玻璃的特点使其具有综合性能优势。 随着科学技术发展，新材料、新工艺、新技术不断出现，真空玻璃本身的质量将会不断提高。生产工艺和设备也将不断更新，产量会不断扩大，成本也会不断降低。组合真空玻璃的品种也会不断增多。国目前，已生产或正研发的夹层玻璃有两种，如图5所示 加玻璃板 加玻璃板聚碳酸 真空B 防盗型空玻璃真空A 安全型空玻璃 图5 真空夹层玻璃结构示意图 图5所示的是单面夹层结构，也可以做成双面夹层结构， EVA膜(也称EN膜)厚度约为0.4和0.7mm两种。聚碳酸酯板厚度约为1.2mm。附加玻璃板在2.5mm到5mm之间选用，也可用钢化玻璃。其特点是安全性和防盗性，同时其传热系数、隔声及抗风压等性能也优于真空玻璃原片，总厚度也比较薄。计算此类组合真空玻璃的热阻和热导时，只要将图3所示玻璃板的热阻R1和R2加以修正即可。如以R″表示图5A中上部二片玻璃及夹胶的热阻之和，即R1″= R1 +R胶+R附加玻璃 可以根据胶的导热系数和厚度算出，R附加玻璃 由表1查出。 R胶 用R1″代替公式(6)中的R1，就可算出图5A中真空夹层玻璃的热阻，进而算出其传热系数。 由于R1″在真空玻璃热阻中所占比例很小，算出的真空玻璃热阻变化不会很大，因而传热系数也不会变化很大。 2(“真空+中空”组合真空玻璃 其结构如图6所示 加玻璃板 体层6-24mm 真空层 真空玻璃 图6 “真空，中空”组合真空玻璃的基本结构示意图 此种结构相当于把真空玻璃当成一片玻璃再与附加玻璃板合成中空，附加玻璃板厚度一般选5或6mm的钢化玻璃，放在建筑物外侧，也可以做成“中空+真空+中空”的双面中空组合形式。 此类组合除解决安全性外，其隔热隔声性能也都有提高。特别是附加玻璃板也选用 Low,E钢化玻璃时更使传热系数降低。 计算这种组合真空玻璃时首先要从原理上认识到，在我们所讨论的温度和温差范围…………………………………„„„……………„(10) R中空 是用两块与附加玻璃板等厚的玻璃制成的中空玻璃的热阻，各种中空玻璃和真空玻璃的热阻和传热系数参考数据可由 由(10)式算出的R组合只多算了一片玻璃的热阻，误差很小。 算出R组合后再用它代替公式(8)中的R真空，即可算出传热系数值。 例如，用表4中序号3的真空玻璃与表7中序号3 的中空玻璃组合成 4L+0.15V+4+12A+4L的“真空+中空”玻璃时，由式(10) R组合=(1.06+0.385)W-1m2K=1.46W-1m2K 将R组合代入公式(8)代替R真空,计算出K值为0.63 Wm-2K-1. 北京天恒大厦及清华大学超低能耗示范楼等建筑都使用了“中空+真空+中空” 结构,都达到K值<1的目标。其隔声量也都达到36dB以上水平。 3(“真空夹层+中空”结构 此结构如图7所示。 气层 附加玻璃板 真空层 EVA膜 图7“真空夹层+中空”结构示意图 此种结构传热系数与“真空+中空”相近，计算方法只需把二、1，二、2两种结构的计算结合即可，此结构的优点除传热系数低之外，厚度比“中空+真空+中空”薄，而且由于真空玻璃两侧不对称，减小了声音传播的共振，使隔声性能提高。 曾为北京某工程制作了样品为6+0.38EVA+4L+0.15V+4+12A+6结构，尺寸为1500mm×1200mm，总厚度32.5mm,经清华大学建筑物理实验室实测计权隔声量为42dB，离玻璃幕墙国家标准计权隔声量最高级只差3dB。传热系数可在0.7,0.9Wm-2K-1之间，由LOW-E玻璃的选取来确定。 4(双真空层真空玻璃 其结构如图8所示 Low-E膜真空层 AB-E 膜 图8 双真空层玻璃结构示意图 依据二.2中提到的原理，此种结构的总热阻可看成两片真空玻璃热阻之和，如果是相同结构的真空玻璃，总热阻则为单一真空玻璃的两倍 即 R双真空=2 R真空………………………(11) 例如仍以表4序号3 的真空玻璃为例，构成如图8A“4L+0.15V+4+0.15V+4L” 或如图B“4L+0.15V+4L+0.15V+4”的双真空玻璃. 根据式(11) R双真空=2×1.06W-1m2K=2.12 W-1m2K 以此结果代入公式(8)代替R真空算出K值为0.44 Wm-2K-1 应该,图8中A和B两种结构中LOW-E膜的位置不同,不影响K值,只影响实际使用时三片玻璃的温度分布。 中空玻璃也可以制作成三片玻璃构成的“双中空”玻璃，例如在表7中序号3和序号7的中空玻璃基础上制成“双中空”玻璃，其性能如表8序号2和3所示: 表中中空玻璃数据由window4.1软件计算所得。 由表8数据可见，序号2和3的双中空玻璃的K值与表4中序号2和3的单真空玻璃相近，与采用同样玻璃原片的双真空层玻璃相比，则K值还相差甚远。 双真空玻璃的热阻高,K值低,而且很薄,可做到约9mm厚,也可以制成双真空层夹层安全玻璃,具有很好的发展潜力。 三(组合真空玻璃T 为室 T外 为室外空气温度 TT外表 为组合真空玻璃的外表面温度 R 为 R外 为外表面换热阻 R组合 为组合真空玻璃热阻 在稳态传热情况下，通过图9各热阻的热流量相同，即 T 由此可进行各表面温度计算。 例如:当组合真空玻璃采用前文二2例题中“真空+中空”组合时， =(1.06+0.385)W-1m2K=1.46 W-1m2K，如果按我国冬季K值计算的标 R组合 准条件，取 T T外表,T外， R外 T假设真空玻璃装在室内侧，即如图10所示 T 内表 T R 真空 中 T 中空 外 表 R 图10 T中,T内表, R真 T内表,T外表),T内表, T内表,T外表),? R组合R真 R真，R中空 以上计算得到的温度分布如图11所示 15.3?室温18? -17? 室外,20? 图11 应该指出，以上计算结果在以下两个条件同时成立时才是正确的: 除温差造成的传热外，无阳光照射，也没有其它能源影响。 计算所用的室 ff由于涉及的温度变化范围不大，在建筑热工计算中，可近似认为f与P成正比，max与max Ps成正比，可用式(12)计算相对湿度: (12) 式中P为空气中水蒸气分压强，单位Pa Ps为同温度下的水蒸气饱和蒸气压，单位Pa 式(12)中，相对湿度Φ可直接测出(如使用干湿球温度计)或由资料给出，不同温度下的饱和蒸气压Ps可由附录3查出，由此可方便地进行有关露点的计算。 计算例: 例1(用干湿球温度计测得某采暖居室气温为18?，相对湿度Φ=61.1%，试求该室空气的露点。 [解] 由附录3查得气温18?时，饱和蒸气压Ps=2062.5Pa 由式(12)可得P=PsΦ=1260 Pa 再由附录3查出对应于1260 Pa的温度10.4?，此温度即为该室空气的露点，也就是说如果该室温度降到10.4?时就开始结露，也可以说如果该室玻璃的 由附录3查得气温26?时，饱和蒸气压Ps=3361Pa 由式(12)可得 P=PsΦ=2353 Pa 再由附录3查出对应于2353Pa的露点近似为20?。也就是说，要玻璃 由图9可写出 T内外 R内组合外内内表R内 上式中TT外=-10? T R Thermal resistance 热量传递的规律可与电学中电量传递的规律“欧姆定律”类比。 欧姆定律为: I, R 式中I是电流，代表电路传递的电量;?U为电路两端的电压差，是电量传递的动力;R是电阻，代表电量传递的阻力，在平面导热过程中，类似的公式为: , R T为两端的温度差，是热量传递的动力;R是热阻， 式中Φ为传递的热流量;? 代表热量传递的阻力。 热阻概念的建立对传热过程的分析和计算带来很大方便，比如可以类比使用串并联电路电阻的计算公式来计算传热过程的合成热阻，从而方便地再算出传热系数等参数。热阻的单位为W-1m2K 2(热导 C Thermal conductance 热阻的倒数，即 C,1 R 单位为WmK-2-1 3(导热系数(热导率) λ Thermal conductivity 在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1k时，单位时间 K Coefficient of heat transfer (heat transfer coefficient) 在稳态条件下，围护结构两侧空气温差为1k时，单位时间 R传 Heat transfer resistance 传热系数的倒数 单位 W-1m2K R=1/K 1=R . K 附录2. 传热系数的三种单位及其换算关系 表1 换算关系 表2 换算中涉及的单位 附录3 标准大气压下不同温度时的饱和水蒸气分压强Ps 表1 温度 0 ~ - 40?(与冰面接触) (单位:Pa) 表2. 温度0~ 40?(与水面接触) ( 单位:Pa) 附录4. 表1.中空玻璃热阻及传热系数(K值) 注:4,5,6分别代表厚度为4mm,5mm,6mm的普通浮法玻璃; L0.2,L0.17,L0.1,L0.08,L0.05分别代表发射率为0.2，0.17,0.1,0.08,0.05的低辐射玻璃 A表示空气，Ar表示氩气，6、9、12表示中空玻璃间隔分别为6mm、9mm、12mm 热阻单位:W-1m2K K值单位:Wm-2K-1 传热系数计算的边界条件按GB10264规定，两侧温度为-20?和18?，由Window5软件计算得出。