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真空玻璃传热系数计算

表4给出以上三种Low-E玻璃制成的四种真空玻璃的传热系数计算结果。
*0.15V:0.15mm真空层
4L:4mmLow-E玻璃
4:4mm白玻,表面辐射率ε2=0.84
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
由此可见,由于计算的依据不同,传热系数值就略有不同,但差别很小。但如果测试时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。
以表4中序号3的真空玻璃为例,其厚度约为8mm。
在1m厚度中等效地可叠放真空玻璃数为:
故可以想到此时热导将减少125倍,热阻将增大125倍。
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
γ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
对比可知,真空玻璃由于特别薄,故表观导热系数远低于一般保温材料,也比我国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。
由表1取R1=R2=0.005
则由公式(8)可算出真空玻璃热阻R真空=1.066
真空玻璃热导C真空=0.94Wm-2K-1
6.真空玻璃传热系数的计算
传热系数定义为当室内外温差为1K时,单位时间通过1m2面积玻璃从室内空气到室外空气传递的热量。我国法定计量单位为Wm-2K-1。中国和欧洲称为K值,美国称为U值。一般指在没有太阳辐射条件下的冬季传热系数。
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0.63Wm-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”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。
4.双真空层真空玻璃
其结构如图8所示
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=2R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.
据此可算出C辐射=0.447Wm-2K-1
R辐射=1/C辐射=2.237W-1m2K
2.圆柱支撑物热导可由公式(4)计算
式中λ玻为玻璃导热系数,约为0.76Wm-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
目前国内外均选用不锈钢材料制作支撑物,使得λ支撑物比λ玻大20倍以上,支撑物高度h又比半径a小,故公式(4)可简化为
C气=0.375 (7)
C气单位:Wm-2K-1
由此可见
当P=0.1Pa时 C气=0.0375Wm-2K-1
当P=1Pa时 C气=0.375Wm-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=0.447Wm-2K-1
由2中支撑物热导C支撑物=0.50Wm-2K-1
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内,热辐射波长是在远红外4-40μm波段,钠钙玻璃对此波段的电磁辐射基本上不透明,所以在计算三块以上玻璃的辐射热阻时,不必考虑透过第一块的辐射对第三块的影响,只要分段计算再相加即可,所以如果“真空+中空“组合的总热阻为R组合,可写成:
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。
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。
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。
根据式(11)R双真空=2×1.06W-1m2K
=2.12W-1m2K
以此结果代入公式(8)代替R真空算出K值为0.44Wm-2K-1
应该说明,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。
R组合=R真空+R中空(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本文附录4查到。
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)
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,误差在百分之一以内。
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。
其传热构成如图4所示
真空玻璃传热系数K或U值均可按公式(7)或(8)计算,式中
C真空为真空玻璃热导
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(见下页)列出各国对计算传热系数的边界条件规定。
计算例:当支撑物选用a=0.25mm,h=0.15mm方阵间距b=25mm
则C支撑物=0.608Wm-2K-1
我国新立基公司的专利采用环形(又称C形)支撑物,热导还可比上述计算值小10%至20%。此例中 C支撑物可按0.50Wm-2K-1计,则
支撑物热阻
正在研制的支撑物半径a=0.125mm,则C支撑物将减小一倍,为0.25Wm-2K-1
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
按我国测试标准,
室内侧温度:T1=18+273=291K
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
3.真空玻璃中的残余气体热导
真空玻璃生产工艺要求产品经过350℃以上高温烘烤排气,不仅把间隔内的空气(包括水气)排出,而且把吸附于玻璃内表面表层和深层的气体尽可能排出,使真空层气压达到低于10-1Pa(也就是百万分之一大气压)以下,这样残余气体传热才可以忽略不计。
实验证明,在使用过程中,温度升高和阳光照射还会使玻璃表层放出水气和CO2等气体,破坏真空度,破坏真空玻璃热性能。因此,在真空玻璃中还需放入吸气剂来不断吸收这些气体,以确保真空玻璃的长期寿命。
理论上,在气压低到气体分子平均自由程远大于真空玻璃间隔时,气体热导可用公式(6)计算。
式中a=a1a2/[a2+a1(1-a2)]为气体综合普适常数
其中a1和a2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为间隔内两表面温度的平均值
M是气体的摩尔质量
R是摩尔气体常数
对于常温下的空气(含水气)a=0.5,可得到:
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。
R1为内玻璃板热阻
R2为外玻璃板热阻
R辐射为辐射热阻
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