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双中空玻璃间距设计方案优化的研究

 东北地区处于我国的高纬度地区,冬天气温极低,室内外温差很大,为了满足居民冬天的生活要求,需要对建筑物进行良好的保温设计。其中,窗户的保温性能是建筑物保温性能中很重要的环节。而窗户的组成中玻璃的设计尤为重要,是窗户保温性能的关键环节。

  建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位,它的长期使用能耗约占整个建筑物长期使用能耗的50%,因此,提高门窗保温性能是降低建筑物长期使用能耗的重要途径。窗户的保温性能不但明显地影响建筑物的采暖能耗,而且对室内热环境、舒适感以及室内的卫生状况也有明显的影响。如果窗户的保温质量不佳,通过窗户的传热热损失和通过窗户缝隙的空气渗透热损失就会显著增加,进而引起采暖能耗显著增加。目前广泛使用的中空玻璃是一种隔热、隔音、美观适用、并可降低建筑物自重的新型建筑材料。本项目旨在对双中空玻璃间距的设计方案进行研究,力求得出能够使保温性能达到较高水平的优化间距方案,并进行实验验证,为今后东北地区建筑物窗户保温设计提供一定的科学参考。

  1 实验方案

  玻璃窗户的保温性能由传热系数K 值直接反应,传热系数越低,说明散热越少,窗户的保温性能越好。因此本实验主要探究在现有技术条件下使传热系数最小的玻璃间距组合。通过拟定渐变拟定的间距组合,进行传热系数测定的实验,绘制间距组合与传热系数的变化图像,根据图像研究间距组合与才传热系数之间的关系,提出满足较优保温性能的最优间距组合,完成研究。在探究组合的研究过后,研究δ1,δ2的朝向问题,即玻璃安装的过程中的安置方向问题,研究不同朝向对窗户保温性能的影响。在确定最后间距组合后,进一步探索最优朝向,使窗户的保温性能进一步提升,对建筑建设过程中窗户的安装问题提供依据。根据以往的实验数据得知,双玻间距在10 mm以下时,间距和热阻几乎成直线关系; 当双玻间距在10 mm~30 mm 时,间距和热阻的关系成曲线;当间距超过30 mm 时,由于对流与辐射热交换的综合作用,使空气层的热阻增加十分缓慢。

  设计应根据热阻的需要和框材的经济尺度,适当确定玻璃的间距,一般不宜小于9 mm。目前市面上广泛使用的两玻玻璃窗户,有塑料窗,木窗,铝合金窗,铝塑复合窗,传热系数均在2.4 ~2.5 W·m-2·K-1,质量稍差的高达2.8 W·m-2·K-1,再加上冬季供暖等方面条件的误差,普通居民生活环境肯定没有实验室的优良条件,这一系数在实际中肯定还会更高。我们也对校园内学生寝室进行了走访,测定了室内温度,有的地方室内温度只有15℃,不难得出大多数热量由窗户散失,造成供暖更大的压力和资源更多的浪费。窗户玻璃由单玻变成双玻或三玻,玻璃保温性能会明显提高。这并不是玻璃热阻起作用,而是玻璃间的空气层是热阻增加的主要原因,因为静止的空气其传热系数比任何材料都要低。

  因此,顺应玻璃窗户技术发展水平的提高,为更好的提高门窗的保温性能,可制作三玻玻璃窗户。根据密闭空气层的热阻与空气层厚度的关系,研究满足较优的保温性能的净间距厚度,并且研究玻璃不同间距的朝向问题,完成此项目的研究。

  2 实验过程及结果

  根据空气流动、玻璃厚度等因素对玻璃窗户传热系数的影响,等分的间距能够达到最好的保温效果。若两个间距一个过大一个过小,根据双玻玻璃K 值变化趋势可知,过大的间距承担了大部分的保温任务,但玻璃间距过大时传热系数并不会大幅减小,减幅会越来越小,因此过大的间距只能是一种浪费,而过小的间距对保温效果敏感性太大,稍微一点间距增加就会引起传热系数大幅度的降低,因此不宜采用过小的间距,过大或过小的间距最终都会导致保温性能的恶化,因此假设等分的间距使窗户传热系数达到最低。

  调研得知,目前市场上广泛通用的为3 mm+3 mm,6 mm + 6 mm,9 mm + 9 mm 以及12 mm +12 mm 规格的三玻玻璃窗户。较小间距的玻璃窗户主要用于卫生间等辅助房间较小的洞口,而较大间距的玻璃窗户主要用于客厅,卧室等对保暖要求很高的主要房间的较大洞口。

  同时,笔者对黑龙江省旱地科学研究院进行了调研,实际参与了传热系数测定的实验,获取了部分实验数据,通用的这几种规格的三玻玻璃窗户,以12 mm+ 12 mm 导热系数最低,主要材质为塑料窗的导热系数为1. 7~1. 8 W·m-2·K-1,三玻木窗: 1.7~1. 8W·m-2·K-1,铝塑复合三玻: 2.0~ 2. 1W·m-2·K-1。

  市场上通用的是等间距组合的三玻玻璃窗户,那么不等间距的呢?因为玻璃间距在10 mm 以前时传热系数呈直线递减,因此排除3 mm 可能的组合,它并不能发挥静止空气导热系数很低的优势。同时考虑过薄的三玻玻璃窗户也会使导热系数接近两玻,根据12 mm + 12 mm 拟定了几组组合: 6 mm + 18 mm,9 mm + 15 mm,并对这两组间距组合进行了实验。实验与假设基本吻合。6 mm + 18 mm 间距组合传热系数为2. 2 W·m-2·K-1,9 mm+ 15 mm 组合传热系数为2. 0W·m-2·K -1。将之与12 mm+ 12 mm 规格的三玻玻璃窗户进行传热系数比较,不难看出12 mm+ 12 mm 组合的三玻玻璃窗户传热系数在这些组合里最低,因此可以得出目前最优的间距组合为该等分间距组合。设想宽的间距组合,比如15 mm+ 15 mm,但是根据目前热阻的需要、技术水平和框材的经济尺寸,总计间距组合为24 mm,15 mm + 15 mm 这样的间距组合甚至更高的间距组合不符合经济原理,因为在目前的技术水平下这会导致窗户框架制作成本突然陡增,因此排除这样的可能。

  3 结束语

  根据调研,实验,分析,数据整理,得出间距组合为12 mm+ 12 mm的三玻玻璃窗户为目前最经济最保温的间距组合。这样的窗户应该广泛使用与各种建筑的大型洞口,以替换传热系数远低于它的两玻玻璃窗户或者其他间距组合的三玻玻璃窗户。对保温性能要求没有客厅,卧室等主要房间高的卫生间,储物间,厨房,楼道等辅助房间,可以采用9 mm+ 9 mm 或者更低的间距组合。它们虽然没有12 mm+ 12 mm 间距保温,但这些房间对保温的要求本来就没有主要房间高,这样的间距可以满足这些辅助房间的保温要求,而且高于两玻玻璃窗户的保温性能,更加经济。

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