多层玻璃窗应用于严寒地区宿舍的实测

摘 要：选取北疆地区一典型双层玻璃窗宿舍为实测对象，供暖初期在双层窗不同打开方式下进行室内热环境测试。数据显示，该宿舍热工性能良好，封闭环境下室内热环境稳定，室内平均温度维持在21℃左右，相对湿度在27%RH到50%RH之间，室内空气流速在0.1m/s以内；通风形式下室内温度波动幅度较大。对维护结构的传热量分析发现通过屋顶的散热量最大，通过窗户的散热量在22%到35%之间。

关键词：室内热环境；多层玻璃窗；实测；保温性能

空气夹层被广泛应用于现代建筑围护结构中，如构造多玻窗、通风窗、中空复合外墙、双层幕墙等。外窗热损失在建筑能耗中的比例一直高居不下，多层玻璃窗结构无论是冬季保温，还是夏季隔热都被广泛认为具有较大的节能潜力，多层窗玻璃材质及厚度、空气夹层厚度、高宽比、温差都对传热系数都有很大的影响，学者们在这方面已经做了大量的工作。

目前的研究基本上是对窗户单独的分析，因此，本文选取位于严寒地区的北疆某大学一有正常人为活动的单人宿舍，供暖初期在双层窗不同打开方式下进行了实测，分析了双层窗对室内热环境的影响。

1 实测及分析

1.1 测试对象及方法

测试对象位于北疆某大学建于2000年的宿舍楼，该楼窗户全部采用两层钢框玻璃窗夹空气腔的结构，散热器采暖，测试宿舍位于顶层，进深5700mm，宽3000mm，高3100mm，南向开窗，尺寸为1740mm×1740mm，空气夹层厚度为150mm，其上布置四扇可独立打开的窗户。

测点布置参考《民用建筑室内热湿环境评价标准》，各壁面度传感器布置在被测壁面中心，散热器温度传感器布置在肋片上，室内环境测点在宿舍中心，距地面1.4m处，窗户空腔夹层温度传感器布置在中心，所有的温度传感器以铝箔纸覆盖，以减小周围壁面对其的辐射影响；此外还在室内测点及空腔内测点布置了微风仪；温湿度一体变送器用来测量室内相对湿度，置于室内环境测点。

温度传感器采用的是三线制、A级精度的PT100；空气流速的测量采用的是SNW-F3热线式室内微风传感器，量程0～5m/s，测量精度0.2%FS，分辨率为0.05m/s；温湿度变送器的型号是壁挂式的MIK-3TH；数据通过NHR-8700B蓝屏无纸记录仪自动采集。

在供暖初期，2017年10月28日至11月12日对双层窗在不同打开方式下室内热环境进行了实测，具体参数包括室内温湿度，室外环境温度，散热器及各维护结构内壁面温度，同时采集室内及双层窗空腔气流速度；数据每5分钟自动保存一次。窗户打开方式整体分为封闭和通风两种形式，封闭环境有三种情况：10月28号8点40至31日8点40，窗户完全关闭；10月31日8点40至11月2日8点40，开启外侧两扇窗户；11月2日8点40至5日9点40，开启内侧两扇窗户。通风时具体情况为：11月5日9点40至8日9点40，开启左边外窗和右边内窗；8日9点40至10日0点，四扇窗户全部打开；10日0点至12日9点，开启右边两扇窗。

1.2 测试结果与分析

从图1可以看出，窗户封闭时室内温度波动较小，每日在15点左右达到最大值，平均温度21.4℃，最低为20.4℃，最高为23.6℃。室内相对湿度平均值为39.3%RH，最低为27.1%RH，最大为51.6%RH，波动较大，其波动趋势与室内气温的变化相反，查询活动记录，发现自然现象（降雨）和人为因素（洗漱）都能引起相对湿度大幅度的变化。期间散热器平均温度31℃，环境平均温度为10.3℃，室内、外平均温差10.1℃。

图2为三种不同通风方式下，热环境相关参数情况。可以看出，室内温度出现了较大的波动，室内平均温度为19.2℃，最大为24℃，最低时降到了15.2℃，仅开启两扇窗户时波动不明显，窗户全开时室内温度波幅达到了6℃。室内相对湿度平均值为33.1%RH，最低为28.4%RH，最大为39.2%。期间散热器平均温度29.2℃，环境平均温度为8.1℃，最大达到了18.7℃，室内、外平均温差11.1℃。

房间周围壁面与人体之间产生的辐射换热对人体的冷热感觉影响很大，较低的壁面温度会对人体产生吹风感，令人感觉不舒适。图3和图4分别为封闭和通风下，室内各壁面温度变化情况。封闭时，屋顶壁面平均温度为19.4℃，地面平均温度为22.2℃，玻璃窗内壁最低温度13.2℃，最高温度为39.2℃；通风时，屋顶壁面平均温度为18.2℃，最低时降到了15.7℃，地面平均温度为20℃，最低为16.8℃，玻璃窗内壁最低温度12.9℃，最高温度为38℃。可以看出，各壁面温度整体变化趋势是一致的，玻璃窗壁温波动最大，除玻璃壁外，屋顶始终是温度最低的地面，前墙次之，地面拥有最高的壁面温度。

对室内空气流速的监测结果显示，无论窗户封闭时还是通风条件下，室内空气流速不会超过0.1m/s，主要是测试期间门一直处于关闭状态。

为进一步比较不同模式下通过各主要散热面的热量损失，对封闭时的散热量进行了分析，基于如下几个假设：室内空气与壁面的对流换热方式为大空间自然对流模式；各围护结构主要散热面温度均匀且为测点值；室内温度场均匀且为测点值。

玻璃窗及墙壁被视为竖平板，定性温度采取流体和壁面的平均值，特征长度取窗及墙高，屋顶被当做冷面向下的水平板来处理，地面当做热面向上的水平板来近似，特征长度采取当量长度，对流实验关联式参考葛新石译的《传热和传质基本原理（第六版）》。

对封闭环境下晚上10点至次日早上8点之间各维护结构的传热量进行了分析。结果如图5，窗户夜间散热情况与室外气温有相反的变化趋势，四扇窗户全部关闭时，通过窗户及前墙的散热量是相当的，通过屋顶的热量损失最大，占到了总散热量的68%左右，约为窗户散热量的4倍，通过地面楼板的得热量与总散热量相比，在22%左右。开启外侧两扇窗户时，通过窗户的散热量有明显的增加，占到了总散热量的27%左右，前墙的散热量占13%左右，通过地面楼板的得热量与总散热量相比，仍为22%左右。当内侧两扇窗户打开时，通过窗户的散热量占到了35%左右，屋顶仍然是热损失最大的地方。

2 结论

①测试得知，封闭环境下该宿舍具有良好的热工性能，供暖初期，环境温度在0到20℃波动时，散热器温度保持在30℃左右时，就足以使得室内平均温度维持在21℃左右，日波动幅度不超过3℃，室内热环境稳定。仅开启两扇窗户时室内温度波动不明显，窗户全开时室内温度波幅达到了6℃。室内相对湿度受自然因素和人为活动的影响，会出现较大的波动。

②窗户封闭时对夜间通过各围护结构的热量进行分析，窗户完全关闭时，通过窗户的散热量占22%左右，外侧两扇窗户开启时，其值增大为27%，开启内侧两扇窗户时，窗户散热量占到了35%左右。

参考文献：

[1] Tiantian Zhang， Yufei Tan， Hongxing Yang， et al. The application of air layers in building envelopes： A review[J]. Applied Energy，2016（165）：70-734.

[2]沈雅钧，杨永华，徐志斌.单、双层玻璃窗对空调负荷的影响及其经济性分析[J].制冷空调与电力机械，2006（04）：53-55+52.

[3]谭良才，杨洪兴，顾国维.夏热冬冷地区窗户动态节能和经济性研究[J].暖通空调，2004（08）：1-6.

[4]王厚华，黄春勇.中空玻璃空气夹层内的自然对流换热[J].重庆大学学报，2009，32（07）：809-814.

作者简介：

汪秋刚（1991- ），男，硕士，研究方向：能源利用与室内热环境。

基金項目：石河子大学自主资助项目（ZZZC201605）