节能窗传热性能试验研究

王 卓，杨 宁，王晓红，徐秀灵，王 雪

1吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118 2大连理工大学,大连 116024 3吉林市生态环境局，吉林 132002 4吉林建筑大学图书馆，长春 130118

在我国能源消费领域中建筑能耗高达27.6 %[1], 其中建筑门窗作为外围护结构保温性能中的薄弱环节,其能耗占到围护结构总能耗的50 %左右[2].玻璃窗户的发展经历了3个阶段:第1阶段是单玻窗,只具备窗户的最基本的透明性及遮风挡雨的作用,保温性能较差;第2阶段是中空玻璃窗,根据玻璃层数的不同可划分为两玻窗、三玻窗以及四玻窗.在玻璃夹层内可填充干燥(稀有)气体或抽取夹层内空气制成真空玻璃窗,均可相应降低窗户的传热系数,提高其保温性能;第3阶段是镀膜玻璃,镀膜玻璃是在玻璃的表面镀上一层金属或者金属氧化物的薄膜,使玻璃对可见光具有较高的反射能力.就窗框而言,铝窗框是以往应用较多的型材,但由于铝的导热系数较高、热量传递过快故逐渐被取代.聚氯乙烯因其导热系数较低且价格低廉得到广泛用.

以往的研究中,Rubin课题组于1982年建立了玻璃传热计算模型和太阳光性能计算模型,随后开发出了计算程序[3].目前,已开发了多种模拟软件,包括外窗热工性能模拟软件Window和Therm,以及玻璃光学性能模拟软件Optics,并收集了各大厂家玻璃产品的性能参数,建立了玻璃性能数据库NFRC[4-5].Dariush Arasteh等[6]人采用Therm进行门窗模拟,通过更换保温性能优异的材料,设计保温性能更加突出的节能门窗,并提出零能耗门窗的概念.Gan[7]利用CFD模拟分析了多层外窗的传热情况,并得出整窗的传热系数以及玻璃表面对流换热随室内外玻璃表面温差的变化情况.徐春涛[8]利用Therm对塑料窗热工性能进行了模拟,并将实验结果与模拟结果进行对比,发现外窗中玻璃间隔条处容易形成冷桥,且实验结果与模拟结果相比较误差较小.Muneer等[9]人研究了玻璃之间夹层的对流以及换热情况,并在之后冲入稀有气体分析窗户的节能情况.Griffith等[10]人采用红外热像法测试了3种不同类型外窗的表面温度,并结合相应软件分析了表面温度的分布情况.但是,在双玻窗的基础上采取相应措施减少整窗的传热系数的研究较少,故本文以双玻窗为基础,在实验测试的基础上利用红外热像法与数值模拟相结合,通过寻找不同类型外窗的热工缺陷,对热工缺陷部位提出优化方案并进行实验测试.

1.1 实验装置

在门窗的检测标准方面,我国有《建筑外门窗保温性能分级及其检测方法》(GB/T8484-2008)[11],《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》(GB/T2680-1994)[12]等.根据检测原理的不同,外窗的传热系数测定可以分为稳态传热法与非稳态传热法.非稳态传热法是在温度和湿度难以控制的现场测试时使用,由于存在热惰性,所以测量存在偏差.稳态传热是在温度、湿度可控的稳态环境下进行,使传热过程达到高度平衡.由于对环境条件的要求过高,所以稳态传热法一般用于实验室检测.

本文利用JTMC-24建筑外门窗保温性能测定实验平台,该平台是以稳态传热原理为基础的标定热箱法.实验台的一侧为热箱,模拟夏季空调室外环境或冬季供热室内环境;另一侧为冷箱,模拟夏季空调室内环境或冬季室外环境.在对窗框与试件框、窗框与填充板、填充板与试件框之间做严格密封的基础上,维持冷热室恒定的温湿度、气流速度、辐射等条件,通过计量加热器的加热功率及热箱外壁、试件框、填充板的热损失,自动计算外窗的平均传热系数.

外窗平均传热系数计算公式:

(1)

式中,K为实验外窗的平均传热系数,W/(m2·K);Q为实验稳定时加热装置的电功率,W;M1为热箱壁的热流系数,W/K;Δθ1为热室内外表面温差,K;M2为试件框的热流系数,W/K;Δθ2为试件框两侧表面温差,K;S为填充板的面积,m2;k′为填充板的平均传热系数,W/(m2·K);Δθ3为填充板两侧表面温差,K;A为按试件外缘尺寸计算的试件面积,m2;ΔT为冷热室空气温差,K.

1.1.1 试验装置组成

试验装置主要由热室、冷室、试件框热室温控系统、冷室温控系统、数据采集系统、数据处理系统和报告生成部分组成,如图1～图2所示.

图1 试验装置的平面、侧面图Fig.1 Plane and side drawings of test apparatus

图2 JTMC检测试验装置Fig.2 Test apparatus for JTMC detection

检测试验装置冷、热室外壁选用100 mm厚聚氨酯夹芯板,试件框部分因需要较高的保温性能,故采用300 mm厚的聚氨酯夹芯板,其表面发射率为ε=0.9.

热室为2 430 mm × 2 730 mm(宽×高),进深为2 000 mm的长方体结构,内部设有加热装置、除湿装置和传感器,可控制室内的温湿度.冷室通过安装在其上方的制冷系统降温,同时配备加热装置,使冷室内的温度恒定,并利用强风板和风机进行强制对流,以使在试件表面形成由上至下的均匀气流,其流速为3 m/s.

试验装置的测温系统采用铂电阻Pt 1000作为温度传感器,根据试验要求,共设置200个高精度测温点,以此测量试验室内空气、冷热室内空气、热室内外壁面、试件框内外侧面和填充材料冷热表面等处的温度.

1.1.2 试验平台主要性能参数

检测平台主要性能参数见表1.

表1 检测平台主要性能参数Table 1 Main performance parameters of the test platform

1.2 塑钢双玻窗传热系数

塑钢双玻璃尺寸为1 700 mm×1 600 mm×60 mm,窗框型材采用硬质聚氯乙烯,中空玻璃规格为5 mm+12 mm+5 mm,玻璃间填充干燥空气,单片玻璃为普通白玻,窗框扇及其他密封材料采用改性PVC密封胶条,待测试件安装区洞口总面积为3.17 m2,塑钢外窗面积为2.72 m2,洞口填料面积为0.45 m2,填充材料选取50 mm厚的聚苯乙烯泡沫板,传热系数K=0.76 W/(m2·K).

经5次试验检测,塑钢双玻窗的平均传热系数为K=2.2 W/(m2·K),与数值模拟结果K=1.71 W/(m2·K)比较接近,但存在一定偏差.测量后采用红外热像仪检测热工缺陷部位,红外热像仪为Tesco 890-1手持式热成像仪,它是通过非接触式测量显示被测构件表面的温度分布,其主要性能参数见表2.

利用红外热像仪,采集生成红外热像图,并通过Tesco-IR软件分析图像,如图3～图4所示.

图3 塑钢双玻窗红外热像图Fig.3 Infrared thermal image of a double glass plastic steel window

图4 塑钢双玻窗温度分布直方图Fig.4 Temperature distribution histogram of a double glass plastic steel window

表2 Tesco 890-1主要性能参数Table 2 Main performance parameters of Tesco 890-1

其中图4是处理后的整窗温度分布直方图.由图4可知,tmin=-2.4 ℃,tmax=18.8 ℃,tavg=7.0 ℃,整窗温度主要集中在5 ℃ ～ 14 ℃之间,整窗温度分布的平均值低于热室温度.

2.1 塑钢双玻窗外侧加贴玻璃

2.1.1 塑钢双层窗外侧加贴普通玻璃

根据模拟与热红外图结果显示,整窗系统中玻璃胶条部分和玻璃区域温度较低.采取在塑钢双玻窗外表面加贴玻璃的措施,其主要原因是:

(1) 增加空气层数量,从而增加热阻,减少空气层中温差传热.

(2) 外侧贴平板玻璃可以起到密封和保温的作用,从而减少冷风渗透.

具体做法为将5 mm厚的普通平板玻璃通过聚氨酯泡沫胶贴在塑钢双玻窗框扇可开启侧,边缘使用2 mm～3 mm厚的硅酮耐候密封胶密封,其增加的空气层厚度为20 mm,图5是改进后的玻璃.经5次试验,测得在外面加贴普通玻璃改进后的塑钢双玻窗传热系数K=2.02 W/(m2·K),较塑钢双玻窗传热系数降低了11.7 %.

图5 外侧贴普通玻璃Fig.5 Common glass on the outside 图6 外侧贴镀膜玻璃Fig.6 Coated glass on the outside 图7 塑钢双层四玻窗Fig.7 A double-layer four-glassplastic steel window

2.1.2 塑钢双玻窗外侧加贴镀膜玻璃

低辐射膜玻璃的原理是通过降低玻璃表面的辐射率来达到降低玻璃传热系数的目的,故加贴镀膜玻璃是在加贴普通玻璃的基础上降低透过外窗的辐射换热量.具体做法是将5 mm厚的镀膜玻璃通过聚氨酯泡沫胶直接外贴在塑钢双玻窗可开启侧,边缘处用2 mm ～ 3 mm厚的硅酮耐候密封胶密封,其新增空气层厚度为20 mm.经过5次试验测试,其平均传热系数K=1.94 W/(m2·K),其传热系数较普通塑钢双玻窗降低了15.2 %,此法有效地降低了整窗传热系数.如图6所示.

2.2 塑钢双玻窗外侧加贴双玻窗

试验测试的塑钢双层四玻窗由塑钢双玻窗组合而成,其尺寸为1 700 mm×1 600 mm×300 mm,双层窗框型材采用钢衬硬质聚氯乙烯,玻璃为普通白玻,框扇及其他区域密封材料采用改性PVC密封胶条,单层窗框玻璃系统为5 mm+12 mm+5 mm,空气夹层填充气体为干燥空气,如图7所示.

经5次试验测试,塑钢双玻窗的平均传热系数K=1.24 W/(m2·K),较在塑钢双玻窗外侧加贴普通玻璃和镀膜玻璃分别降低了36 %和38.6 %,可见,塑钢双层窗节能效果最佳.

由图8～图9可知,tmin=9.8 ℃,tmax=21.5 ℃,tavg=15.6 ℃,整窗温度主要集中在13 ℃～18 ℃之间,整窗温度较塑钢双玻窗有很大提升.

图8 塑钢双层四玻窗红外热像Fig.8 Infrared thermal image of a double-layer four-glass plastic steel window

图9 塑钢双层四玻窗温度分布直方图Fig.9 Temperature distribution histogram of a double-layer four-glass plastic steel window

2.3 冷热侧加贴塑料薄膜的塑钢四玻窗

由图8还可看出,外窗密封区域的冷桥传热在保温性能得到提升后有较大改善.因此考虑冷风渗透对其影响,在塑钢四玻窗冷热侧同时加贴透明塑料玻璃,如图10所示.薄膜厚度为0.1 mm,由于薄膜厚度很小,故因薄膜产生的导热、对流和辐射可忽略不计.经5次试验测试,贴薄膜的塑钢四玻窗平均传热系数K=1.24 W/(m2·K),测试结果如图11所示.图11显示,外侧加贴塑料薄膜对传热效果影响不大.

图10 冷热侧加贴塑料薄膜的塑钢四玻窗Fig.10 Four-glass plastic steel window with plastic film on hot and cold sides

图11 节能窗传热系数Fig.11 Heat transfer coefficient of energy-saving window

通过Window模拟分析了空气层厚度及单片玻璃厚度对传热系数的影响,从结果可以看出,增加玻璃厚度以及空气层厚度可以降低传热系数.但是,过度增加空气层厚度会使空气在空气层内发生热对流,增加传热,故空气层厚度在15 mm～20 mm为最佳.同时,玻璃片厚度不易过大,若过大会使建筑物的荷载过大,故3 mm～6 mm为玻璃最佳厚度.Therm模拟结果显示,热侧密封区 - 玻璃间隔条 - 冷侧密封区形成比较集中的热流,这是造成室内侧密封条温度低的原因.此外,玻璃系统温度较低是需要重点改进的部位.在试验测试部分测试了塑钢双玻窗的传热系数,并通过红外热像仪分析了其温度分布,玻璃系统是需要重点改善区域.采用在外侧加贴玻璃形成空腔,减少对流换热;加贴镀膜玻璃,同时减少对流与辐射换热.所以,要想降低整窗传热系数,玻璃系统是关键因素,减少玻璃系统的对流与辐射换热是减少传热的主要途径.而窗框型材与玻璃密封区域产生的冷桥与冷风渗透需要加强密封.

窗户是围护结构重要组成部分,也是能源消耗的关键部位.若想降低建筑耗能,窗户是不可忽视的关键因素.窗户的构成在过去的几年中也发生了较大的改变,从木质单玻窗发展到塑钢中空双玻窗、三玻窗以及塑钢、木质真空玻璃窗.解决窗户节能问题主要是降低整窗传热系数,传热过程包括对流、传导与辐射,增加空气层个数与厚度以减少对流传热,在玻璃上镀膜可以减少辐射传热.这两种方法是中空玻璃较少传热降低传热系数的关键因素.对于真空玻璃,玻璃间为真空层没有空气的对流与传导,在目前的建筑中,多数应用的还是塑钢双玻窗,传热系数大概在2.7 W/(m2·K)左右[13],并且存在冷风渗透.在未来的发展中,真空玻璃应广泛应用于建筑中,而如何降低造价,是需要解决的主要问题.