277中空玻璃空气夹层捏的自然对流换热.docx

中空玻璃空气夹层内的自然对流换热重庆大学 黄春勇 王厚华摘要：本文从传热学的角度论述和分析了中空玻璃空气夹层内的自然对流换热采用商业软件 FLUENT 对中空玻璃空气夹层厚度为 6mm、9mm、12mm、14mm、16mm 时的自然对流换热进行数值模拟， 并将所获得的对流换热量与采用经验公式计算的结果作了对比分析结果表明，在设定条件下，中空 玻璃空气夹层对流换热在上述空气夹层厚度下可以近似作纯导热处理，误差不是很大由此说明，自 然对流换热经验公式对于计算中空玻璃空气夹层内的对流换热系数是能够很好地满足工程要求关键词：建筑节能 中空玻璃 空气夹层 对流换热系数1 前言随着国家标准《民用建筑热工设计规范》(GB50176-1993)及《民用建筑节能设计标准(采暖居住 建筑部分)》(JGJ26-1995)等技术法规的出台，民用建筑节能，已成为建筑设计中的一项重要内容从节能角度来讲, 整个建筑的能量损失中约 50%是从门窗上损失，对于整幢建筑来说, 门窗的面 积占建筑面积的比例超过20%, 玻璃在门窗中约占70%以上而在建筑围护结构中，门窗的能耗约为墙 体的4倍，屋面的5倍，地面的20多倍，约占建筑围护结构总能耗的40%~50%[1。

]因此, 增强门窗 的保温隔热性能, 减少门窗的能耗, 是改善室内热环境和提高建筑节能的重要环节, 而其中减少通过 玻璃的能量损失尤为重要因此，中空玻璃作为一种节能环保型产品,在建筑上得到了越来越广泛的应用建设部2001年发布的《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》(JGJ134-2001)中，对窗墙面积比大于0.45且小于0.5的外窗传热系数限制指标到了 2.5 W/m2□K,夏热冬暖地区这一指标在部分条件下到了 2.0W/m2□K这对普通中空玻璃节能性能提出了更高的要求目前，中空玻璃的研究资料中普遍认为，当空气夹层厚度为12mm时中空玻璃的节能效果最佳随 着住宅建筑低飘窗的面积不断增大，空气夹层的最佳厚度是否会发生变化呢？因此，本文主要通过经 验公式和数值模拟寻找影响中空玻璃空气层内的对流换热因素，并通过计算对流换热量来考虑中空玻 璃空气夹层的最佳厚度2 中空玻璃 K 值计算方法中空玻璃的主要热工性能参数包括传热系数K值和遮阳系数SC值其中传热系数K值是指单位时 间、单位壁面积上，冷热流体间每单位温度差时传递的热量，也就是说，K值是中空玻璃系统总热阻R 的倒数中空玻璃系统的总热阻包括室外对流侧换热热阻、室外侧玻璃单片导热热阻、气体层热阻、 室内侧玻璃单片导热热阻以及室内侧对流换热热阻，即：R 二 1 +hout1+hin1)式中：h 、h —玻璃系统室内、外侧对流换热系数,W /(m2 DK) ；r.—空气层的热阻,m2 DK / W；out in iR , ——每层玻璃单片的导热热阻， m2DK/W。

g,i因此，要计算中空玻璃的K值，首先要解决玻璃内气体夹层的传热计算问题从传热学的角度分析，由于玻璃的高度与宽度远大于空气夹层厚度，则空气夹层传热计算可以看做是有限封闭空间的一 维传热问题空气夹层的传热可分成两部分，一是气体的对流传热，二是两片玻璃单片间的辐射传热2.1 空气层对流传热封闭空间内自然对流换热问题，与气体层厚度5和高度1的影响较大在较小的空间里流体的受 热或冷却，是在彼此靠得很近的地方发生的靠近热面的流体受热上升，靠近冷面的流体则下降用 干涉仪所拍的干涉照片［2可］ 清楚地显示有限空间内气体的干涉条纹，说明气体处于纯导热时的状态 当冷、热两面温差加大时，气体流动加剧，产生对流换热因此，空气夹层内的对流换热部分可以采 用有限空间竖直夹层自然对流换热的经验公式来计算为了计算方便，引入当量导热系瘀，根据文 e献［3］的计算公式：q (［ _t2) (2)式中：q为单位面积的对流换热量，W/m2 ； 5为气体层厚度，m ； t 分别为空气层冷热c 1 2两壁面温度，°c当量导热系数九用瑞利数Ra作为其判断准则，瑞利数Ra定义为：e3)1/ K ； a为气体热扩4)( 5)1 /Op、式中：g为重力加速度，m2/s；卩为热流体膨胀系数，卩=一0(石)° 散系数或导温系数，mils ； v为气体的运动粘度系数，mils0根据Ra的数量级，对于空气的当量导热系数九计算如下： e九二九， Ra< 2000；e九=0.18Ra4(—)9 九，Ra 二 6 x10? ~ 2 x105九二0.065Ra3(—)9九，Ra二 2xlCh 〜11x106式中：九为气体导热系数，W /(mK) ； 1为气体层高度，m O2.2 空气层辐射传热中空玻璃空气层辐射传热部分与两片玻璃的发射率£有关。

根据文献［3］,空气层可按两无限大平 行灰表面计算辐射换热，其计算公式为：q =£ o (T4 -T4) ⑺r s b 1 2其中，8si~~r-; + -18812式中：8s为空气夹层系统发射率；81、82分别为室内外侧玻璃单片的发射率；° b为黑体辐射常数，° = 5.67x10-8W/(m2DK4)b因此，中空玻璃气体夹层的传热量q为以上两部分之和，即:9)q 二 q + qcr2.3 中空玻璃室内外侧对流换热系数hin=3.6 + 440.83W /(m2 DK)10)文献［4］中规定中空玻璃室外侧换热系数h = 23W/(m2DK)，室内侧换热系数h为: out in式中：8为室内侧玻璃单片的发射率，普通玻璃的发射率为0.84〜0.94因此，室内侧换热系数hi in可以取 8W /(m2DK) 3 中空玻璃实例计算分析3.1 中空玻璃物理模型重庆地区，中空玻璃内充空气；选择建筑上常用的窗户高度1.2m ；以及目前国内常用的中空玻璃 空气层厚度6mm、9mm、12mm、14mm和16mm；即中空玻璃空气夹层模型考虑5种尺寸忽略玻璃厚度, 假设空气夹层冷热壁面温度条件分别为室内外的温度，即夏季室内空调设计温度tj26°C和夏季空气 调节日平均温度t2=32.5C［5］来计算。

3.2 按经验公式计算为简化计算，采用定性温度T=30C，查相关的热物性参数如下：p= 1.165g/m3 ； c = 1.005kJ/(kgDK) ； a 二 2.29x10-5m2 / s ； 16.00x10-6m2 /s ；pPr 二 0.701； g 二 9.8m2 /s ；九二 0.0267W/(mDK)卩=T = 273.16+ 30 = 3.3x10-31/ K经计算，除了空气夹层厚度5 =16mm时的瑞利数Ra>2000之外，其余4种空气夹层厚度的瑞利数Ra均小于2000,见表1为了更好作比较，5种不同空气夹层厚度的当量导热系数九均按公式(4)e计算，计算结果见表1显然，随着空气夹层厚度的增大，对流换热量逐渐减小3.3 FLUENT 数值模拟由于商业软件 FLUENT 对封闭空腔自然对流换热模拟方法的可行性以及正确性［6］，为了对比对流换 热量，利用商业软件FLUENT直接对中空玻璃空气夹层自然对流换热进行数值模拟以求取对流换热量所使用的热物性参数与上述一致本文利用GAMBIT对空气夹层进行网格剖分，采取非均匀网格节点，壁面处加密，壁面网格剖分见 图1空气夹层顶部和低部采用绝热边界条件；空气的物性设置密度采用Boussinesq假设。

压力项、 动量方程与能量方程的松弛因子分别设为0.3、0.7与 0.8，其余参数的松弛因子为1；压力插值方案 选择PRESTO!格式，压力-速度耦合方程用SIMPLE算法，动量、能量方程选用二阶迎风格式迭代次 数在 300 次内均达到收敛表1.计算结果（其中q单位：W/m2）c56mm9mm12mm14mm16mmRa1244189911573234920.02670.02670.02670.02670.0267q28.9319.2814.4612.4010.85空气夹层模型5种不同尺寸的对流换热量模拟结果见表2，其中冷热壁面换热量误差均<5%,满足 要求，即可用其平均换热量值作为对流换热量的模拟结果模拟结果显示：随着空气夹层厚度的逐渐 增大，对流换热量模拟结果逐渐减小自然对流模拟结果与按经验公式计算结果的比较见表3由表3 可以发现，不同的模型尺寸，其模拟结果与按经验公式计算结果之间的误差却相近，均在16.66%~ 16.68%之间变化因此可以说明，空气夹层的对流换热近似按纯导热处理计算误差不大这说明在R <2000下，将中空玻璃空气层的对流换热近似作为纯导热过程处理，是可以接受的即使在空气a夹层厚度达到16mm，瑞利数Ra =2349时，也是可以接受的。

表 2. 空气夹层自然对流模拟结果（单位： W/m2）空气夹层尺寸1200mmx6mm1200mmx9mm1200mmx12mm1200mmx14mm1200mmx16mm热壁面换热量34.7123.1417.3514.8713.01冷壁面换热量34.7223.1417.3614.8913.03冷热壁面差值0.010.000.010.020.02平均换热量值34.7223.1417.3614.8813.02目前，工程上推荐的中空玻璃最佳空气夹层厚度12mm当室内外侧玻璃单片温度一定时，玻璃之 间的辐射换热量不随其空气夹层厚度变化，即辐射换热量可认为是一个常数因此，中空玻璃的最佳 空气夹层厚度应该是使换热量达到最小时的空气夹层厚度由表2可知，随着空气夹层厚度§的增大， 对流换热量q逐渐减小；在5二16mm时，q达到最小值，即空气夹层的最佳厚度为§二16mmcc此外，以此类推，再继续增大5仍能够减小qc采用FLUENT模拟空气夹层内空气的温度分布如图2~6,可以发现，不同尺寸的空气夹层内空气温 度近似为直线变化，这都很好的证明了中空玻璃空气夹层的对流换热部分可以做纯导热处理表3.经验公式计算结果与模拟结果对比空气夹层尺寸1200mmx6mm1200mmx9mm1200mmx12mm1200mmx14mm1200mmx16mm模拟结果34.7223.1417.3614.8813.02经验公式计算结果28.9319.2814.4612.4010.85误差16.67%16.67%16.66%16.68%16.68%3.06-^023.05c*023.04-1*023.03c*023.01c*02Static"emperature s.oa^oas.oot+oa图 1.空气夹层模型壁面网格剖分局部图3.06c*i：i23.i：i5c*023J：i4c+i：ia3.03c*i：i2StaticTemperature 和殆,汕吉(k)3.oic*oa3.ooc*oaa/a-ac+oa J 0 1 a ：3 4 5 6 7 8 -3 10Position (mrn)图2.1200mmX6mm模型不同断面静态温度变化a.oenitoa -3.05^*02 - .a.oittoa - ■3.03^*02 -Static Te。