中空玻璃传热系数计算方法分析

1、          前言

随着社会的发展，经济发达程度的提高，建筑能耗在社会总能耗所占比例越来越大。虽然我国经济发展水平和生活水准相对落后，但建筑能耗在社会总能耗所占比例已达到20%—25%，并逐步上升到30%。就我国目前典型的外围护部件而言，门窗的能耗约占供热负荷的30%—50%。增强外围护的保温隔热性能，减少门窗、幕墙的能耗，是改善室内热环境质量和提高提高建筑节能水平的重要环节。

中空玻璃具有突出的保温隔热性能，是提高门窗、幕墙节能的重要材料，对它的研究显得越来越重要。

2、          导热的概念

热力学第二定律确认，凡是有温度的地方就存在着热量的传递。物体中热量的传导是由于温差的存在，两点间的温差越大，传导的热量就越多。单位时间内通过某一给定面积的热量（称为热流量）与温度梯度和垂直于热量传播方向的截面积成正比（傅立叶定律）。

q=-λgradt    W/m²                                                   (1)

 

式中：q—单位时间内通过单位面积所传递的热量（热流量）

λ—导热系数W/（m².K）

gradt—负温度梯度

λ=- q / gradt  W/（m².K）                           (2)

上式表明，导热系数的数值等于单位温度降低，单位时间内，单位面积所通过的导热量。导热系数是表明物质导热特性的一种物理参数，它说明了物质导热能力的大小。因此，导热系数是选用隔热材料的重要依据。

实验表明，各种物质导热系数的数值是不同的。导热系数的大小主要取决于物质的成分，内部结构，密度、湿度、压力等。工程上常用材料的导热系数一般都由实验测得。导热系数的值以金属材料为最大，非金属固体材料次之，液体材料再次之，气体材料为最小。因此在建筑工程中，常利用空气层来减少导热，如空心砖、中空玻璃等。

在实际计算中，材料的导热系数作为常数处理。

3、          平壁导热

3.1单层平壁导热

图1. 单层平壁导热

 

 

 

图1.所示为一单层平壁，其厚度为δ，平壁的导热系数为λ，内外表面的恒定温度为t₁、t₂，且t₁ > t₂。

q=-λ.dt/dx    W/m²                                                    (3)

dt=-q/λ.dx                                          (4)

 

对上式积分得

t=-q/λ+ C                                          (5)

积分常数C应由边界条件来确定，当x=0时，t=t₁那么

C= t₁                                                                         (6)

t=-q/λ+ t₁                                                                  (7)

当x=δ时，t=t₂，代入上式

t₂=-q/λ+ t₁                                                                 (8)

则

q =λ/δ.(t₁- t₂)= λ/δ.Δt   W/m²                     (9)

3.2多层平壁导热

 

图2. 多层平壁导热

 

 

 

在稳定情况下，通过各层平壁的热流量应该是相同的，且等于通过多层平壁的热流量。根据式(9)，通过每一层平壁的热流量为：

q =λ₁/δ₁.(t₁- t₂)                                     

q =λ₂/δ₂.(t₂- t₃)                                      (10)

q =λ₃/δ₃.(t₃- t₄)                                     

由(10)式移项得

t₁- t₂= q. δ₁/λ₁

 

t₂- t₃= q. δ₂/λ₂                                                           (11)

t₃- t₄= q. δ₃/λ₃

 

由(11)式的三式相加得

t₁- t₄= q. （δ₁/λ₁+δ₂/λ₂ +δ₃/λ₃）                             (12)

得

q =（t₁- t₄）/（δ₁/λ₁+δ₂/λ₂ +δ₃/λ₃） W/m²          (13)

4、          稳定传热

4.1复合换热

实际工程中常遇到的许多传热过程，往往是由导热、对流和辐射三种基本传热方式组合而成的复杂组合。在实际应用中，为了简化计算，常把几种基本换热方式共同作用的结果看做是由某一种主要方式所造成，而其它方式则只是影响主要方式特性的大小而已。而对建筑的外围护与空气之间的换热问题，又把对流看做是主要换热方式来讨论。并用换热系数α=α_j+α_f 来表示过程的强弱。此处α_j是考虑对流和导热同时作用的换热系数，成为接触换热系数；而α_f则是考虑辐射作用的换热系数，称为辐射换热系数。用t_l代表气体的温度，用t_b代表平壁面的温度，则平壁面每单位表面积的接触换热量为：

q_j =α_j.（t_l-t_b）   W/m²                             (14)

单位面积的辐射换热量为：

q_f =εC₀[（T₁/100）⁴-（T₂/100）⁴]   W/m²            (15)

q_f —辐射换热量

ε—物体的黑度

C₀—绝对黑体辐射系数

总换热量为(14)、(15)式两相热量之和，即：

q = q_j+ q_f  =α_j.（t_l-t_b）+εC₀[（T_l/100）⁴-（T₂/100）⁴]   W/m²  (16)

由于t_l-t_b= T_l- T₂，所以

q =（t_l-t_b）{α_j+εC₀[（T_l/100）⁴-（T₂/100）⁴]/（T_l- T₂）}   (17)

设α_f =εC₀[（T_l/100）⁴-（T₂/100）⁴]/（T_l- T₂）

则总换热量为：

    q =（α_j+α_f）.（t_l-t_b）= α. （t_l-t_b）                         (18)

式中α—总换热系数，α=α_j+α_f    W/（m₂.K）即复杂换热的换热系数等于接触换热系数(包括导热和对流)与辐射换热系数之和。

4.2平壁传热

 

图3.单层平壁的传热

热流体将热量通过固体壁传给冷流体的过程称为传热。

设有一单层平壁，壁厚为δ，导热系数为λ，平壁两侧的温度为t_l1、t_l2，平壁两表面温度为t_b1、t_b2，平壁两侧的换热系数为α₁、α₂。在稳定状态下，热流体传给平壁面1的热量，通过平壁的导热量以及平壁面2传给冷流体的热量均相等。即

q = α₁.（t_l1-t_b1）                                     

q = λ/δ.（t_b1-t_b2）                                  (19)

q = α₂.（t_b2-t_l2）                                     

将以上三式移项得：

t_l1-t_b1=q/α₁

 

t_b1-t_b2=q/（λ/δ）                                   (20)

t_b2-t_l2=q/α₂

 

将以上三式相加整理得：

q =（t_l1- t_l2）/（1/α₁+δ/λ+1/α₂）                    (21)

令K=1/（1/α₁+δ/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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