中空玻璃结构优化及节能性研究

陈德敏，刘莹惠，汤 凯，陆 彪

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

世界各国建筑能耗占总能耗的40%～60%[1-4]，我国2017年建筑运行的总商品能耗为9.63亿t标准煤，约占全国能源消费总量的21%[5]。因此，在全球能源供应紧张的今天，建筑节能成为可持续发展的有效途径[6]。建筑能耗的影响因素有朝向、体形系数、外围护结构，其中建筑透明外围护结构是建筑节能的关键环节。在夏热冬冷地区，较低的外窗传热系数可降低建筑能耗，传热系数减小0.1W/(m2·K)，建筑总能耗可降低0.05%[7]。Low-E中空玻璃与普通3mm厚的透明白玻璃相比，应用在我国南北方建筑中，其全年空调能耗可降低20%～30%[8]，所以研究玻璃的保温性能是降低能源消耗量的途径之一。在夏季炎热地区，实测得不同朝向外窗透过Low-E中空玻璃和普通中空玻璃的室内平均太阳辐射得热量分别是透过单层玻璃的0.37，0.85倍[9]，说明Low-E中空玻璃具有良好的保温隔热性能。

Low-E中空玻璃的保温隔热性能常用传热系数表示，传热系数越小，热阻越大，说明保温性能越好。传热系数的影响因素有玻璃厚度、中空气体层厚度、Low-E膜位置和表面发射率、填充气体种类[10-13]，其中中空气体层厚度、填充气体种类及Low-E膜表面发射率对传热系数影响显著，玻璃厚度对传热系数影响不明显。

已有研究内容大多仅研究了某单一因素对中空玻璃传热系数的影响，而没有考虑多因素交互作用时对其的综合影响。本文应用响应曲面法研究中空气体层厚度、稀有气体氩气充入量及Low-E膜表面发射率对中空玻璃传热系数的综合影响，并将优化的玻璃结构应用到办公建筑房间，计算房间的全年能耗，与普通中空玻璃(6mm+12mm空气+6mm)结构房间的全年能耗进行对比，得到优化玻璃的节能效果。

1 双层中空玻璃数值模型

1.1 传热系数计算数值模型

根据传热学原理，中空玻璃传热过程包括室外环境与玻璃外表面的对流传热和辐射传热、玻璃系统内部的玻璃材料导热及中空气体层气体对流传热和辐射传热、室内环境与玻璃内表面的对流传热和辐射传热3部分。

本文计算的双层中空玻璃系统如图1所示。

图1 双层中空玻璃系统

稳定状态下传热系数U值计算公式为：

(1)

式中：U为中空玻璃系统传热系数(W/(m2·K))；hout为室外表面传热系数(W/(m2·K))；ht为中空玻璃传热系数，包括玻璃材料和气体层传热(W/(m2·K))；hin为室内表面传热系数(W/(m2·K))。

初始温度计算时，假设玻璃系统各表面温度按梯度恒定变化。各玻璃层表面温度为[14]：

(2)

式中：Ti为第i层玻璃表面温度(K)；Tout为室外环境温度(K)；Tin为室内环境温度(K)；si为第i层玻璃到室外环境侧玻璃表面的距离(m)；di为第i层玻璃材料层的厚度(m)；dgas为气层厚度(m)。

其中，室外玻璃表面传热系数、中空玻璃传热系数和室内玻璃表面传热系数的计算公式为：

(3)

(4)

(5)

式中：ws为玻璃表面附近室外风速(m/s)；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，取5.67×10-8W/(m2·K)；εf,1为室外侧玻璃前表面发射率；Tf,1为室外侧玻璃前表面温度(K)；Nu为努塞尔数，由软件中的经验公式计算得到；kgas为气体导热系数(W/(m·K))；di为第i层玻璃材料层的厚度(m)；ri为第i层玻璃材料的热阻(W/(m·K))；K为空气导热系数(W/(m·K))；H为玻璃系统高度(m)；εb,2为室内侧玻璃背面表面的发射率；Tb,2为室内侧玻璃背面表面温度(K)。

由数值模型可知，影响双层中空玻璃传热系数的因素有：①环境因素 包括玻璃表面附近室外风速、室外环境温度和室内环境温度；②材料性能 包括玻璃表面的发射率、玻璃材料的热阻和气体导热系数；③结构参数 包括玻璃材料层厚度和玻璃系统高度。综合已有研究成果，本文主要研究中空气体层厚度、稀有气体氩气充入量及Low-E膜表面发射率对中空玻璃传热系数的影响。

1.2 边界条件

根据GB/T 8484—2020《建筑外门窗保温性能检测方法》[15]，基于稳态传热原理，采用标定热箱法检测建筑外门窗传热系数，冷箱空气平均温度设定为-21～-19℃，热箱空气平均温度设定为19～21℃。本文中空玻璃传热系数的计算边界条件为室外空气温度-18℃，室内空气温度21℃，室外对流换热系数16W/(m2·K)。

1.3 传热系数数值模型验证

为验证模拟计算结果的准确性，以文献[10]中空玻璃结构参数进行模拟计算，如图2所示。采用厚6mm的白玻璃，表面发射率均为0.84，中空层气体为空气。对比结果如图3所示，2组数据的最大相对误差为6.4%，平均误差为3.2%，说明模拟计算结果与验证的数值模型吻合较好，本文的模拟计算可用于中空玻璃传热系数计算。

2 响应曲面试验设计

BBD(Box-Behnken Design)是一种常用的响应曲面优化法，常用于2～5个因素的非线性影响研究，该方法试验次数少，优化求解的最优解在取值范围内[16]。本文采用该响应曲面优化法对中空玻璃结构进行优化。

根据已有研究和实际生产工艺的限制，气体层厚度为10～16mm，稀有气体氩气充入量为90%～100%，Low-E膜表面发射率为0.02～0.06。

利用Design-Expert8.0.5软件中Box-Behnken试验设计方法进行试验方案设计。中空玻璃结构由2片厚6mm的玻璃片和中间气体层构成，Low-E膜镀膜位置参考文献[17-18]选最佳镀膜位置为外玻璃片与气层接触侧。以中空气体层厚度X1、稀有气体氩气充入量X2和Low-E膜表面发射率X3为变量，每个因素取3个水平，以(-1，0，1)进行编码，其中“-1”表示低水平，“0”表示中心点，“1”表示高水平，以U值为响应值(用Y表示)。响应曲面试验因素及水平如表1所示。

表1 响应曲面试验因素及水平

3 响应曲面法试验结果与分析

3.1 试验结果

将各因素和水平输入响应曲面设计软件，得到17组试验设计计算参数值，用WINDOW计算出试验设计表各因素取值结果，如表2所示。

表2 试验设计参数与响应值计算结果

用Design-Expert8.0.5软件对表2中的试验结果进行多元回归方程拟合，得到中空玻璃U值模型Y的拟合回归方程：

Y=2.333-0.115X1-0.004X2+4.631X3+1×10-4X1X2-0.025X1X3+

(6)

式中：X1X2为中空气体层厚度和氩气充入量的交互作用；X1X3为中空气体层厚度和Low-E膜表面发射率的交互作用；X2X3为氩气充入量和Low-E膜表面发射率的交互作用。

回归方程的多元相关系数R2值为0.999 7，模型Y的R2值接近1，说明该模型的拟合度高。

3.2 方差分析

进一步对回归方程进行方差分析，分析各影响因素对响应值影响的显著性，结果如表3所示。

表3 响应值的回归方差分析

3.3 响应曲面分析与优化

在响应面模型和方差分析的基础上，进一步分析各因素交互作用对U值的影响，响应面的曲面程度和等高线的形状可反映各因素对中空玻璃U值的影响程度。等高线形状越接近椭圆表明因素间的交互作用对中空玻璃U值的影响越强。

3.3.1气体层厚度与氩气充入量对U值的交互影响

Low-E膜表面发射率为0.04时，气体层厚度与氩气充入量对U值的交互影响如图4所示。

图4 气体层厚度与氩气充入量对U值的交互影响

由图4可知，气体层厚度为12.3～13.3mm，氩气充入量为99.8%～100%时，U值最低。当氩气充入量为90%时，随着气体层厚度增加，U值先减小后增大，且在90%～100%的每个固定氩气充入量下，U值随气体层厚度的增加呈先减小后增大趋势。产生这种现象的原因是当其他因素为定值时，中空气体层厚度增加，气体层传热系数减小，玻璃整体传热系数减小，当气体层厚度增大到一定值后，气体层厚度继续增大，导热热阻增大，但气体层对流传热效果增强，对流传热作用明显[17-18]，气体传热系数增大，玻璃整体传热系数增大，所以U值随气体层厚度的增大呈先减小后增大趋势。当气体层厚度为10mm时，随着氩气充入量增大，U值减小，且在10～16mm 的每个固定气体层厚度下，U值随氩气充入量的增大而减小。产生这种现象的原因是当其他因素为定值时，稀有气体的充入量增大，稀有气体可减弱导热效果，所以U值随气体层中充入稀有气体的量增大而减小。气体层厚度与氩气充入量的交互作用对U值的影响较大。

3.3.2气体层厚度与Low-E膜表面发射率对U值的交互影响

氩气充入量为95%时，气体层厚度与Low-E膜表面发射率对U值的交互影响如图5所示。

由图5可知，气体层厚度为11.2～14.2mm，Low-E膜表面发射率为0.020～0.024时，U值最低。气体层厚度为10mm时，随着Low-E膜表面发射率增大，U值增大，且在10～16mm的每个固定气体层厚度下，U值随Low-E膜表面发射率的增大而增大。产生这种现象的原因是在当其他因素为定值时，Low-E膜表面发射率减小，U值减小，低辐射薄膜的表面发射率越低，对太阳辐射传热的阻隔能力越大，玻璃整体的传热系数减小，所以U值随着Low-E膜表面发射率的减小而减小。气体层厚度与Low-E膜表面发射率的交互作用对U值的影响较大。

3.3.3氩气充入量与Low-E膜表面发射率对U值的交互影响

气体层厚度为13mm时，氩气充入量与Low-E膜表面发射率对U值的交互影响如图6所示。

图6 氩气充入量与Low-E膜表面发射率对U值的交互影响

由图6可知，在氩气充入量为95%～100%，Low-E膜表面发射率为0.020～0.024时，U值最低。在氩气充入量为90%时，随着Low-E膜表面发射率增大，U值增大，且在90%～100%每个固定的氩气充入量下，U值随Low-E膜表面发射率的增大而增大。当Low-E膜表面发射率为0.06时，随着氩气充入量的增加，U值缓慢减小，且在0.02～0.06每个固定的Low-E膜表面发射率下，中空玻璃的U值随氩气充入量的增加缓慢减小。氩气充入量与Low-E膜表面发射率的交互作用对U值的影响不明显。

由图4～6所示等高线可知，图4a比图5a，6a更接近椭圆状；从响应面可知，图4b所示曲面坡度最大，图5b次之，图6b最小。这说明气体层厚度与氩气充入量的交互作用对U值的影响最大。

3.3.4中空玻璃结构优化

通过软件对试验结果数据进行处理，在试验因素的取值范围内取响应值最小U值，得到最佳双层中空玻璃结构为6mm+12.65mm氩气+6mm，即双层玻璃厚6mm，外层玻璃是表面发射率为0.02的Low-E玻璃，气体层厚12.65mm，充入100%稀有气体氩气，内层玻璃为透明白玻璃，此条件下，预测的响应值中空玻璃U值为1.322W/(m2·K) 。

4 节能效果

4.1 建筑模型及参数设置

将优化后的玻璃结构应用到某夏热冬冷地区的办公建筑房间中，进一步分析优化玻璃结构的保温隔热性能及建筑房间全年综合节能效果，办公建筑房间如图7所示，U屋面=0.23W/(m2·K)，U外墙= 0.46W/(m2·K)。

图7 办公建筑房间

建筑房间尺寸为4.5m×8m×3m，房间窗口设为南或北朝向单侧开窗，窗墙比为0.7。外窗玻璃结构为普通中空玻璃结构时的U值为2.570W/(m2·K)， 为优化结构中空玻璃时的U值为1.322W/(m2·K)， 其他建筑围护结构热工参数均相同。建筑围护结构热工参数设置满足GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[19]的要求，屋面传热系数为0.23W/(m2·K)，外墙传热系数为0.46W/(m2·K)。系统运行工况和设计参数按《公共建筑节能设计标准》[19]中办公建筑特点设置，照明功率为9W/m2，电器设备功率为15W/m2，人均使用建筑面积为10m2，人均新风量为0.008m3/s，空调和供暖运行时间(仅工作日)为7:00—18:00，空调和供暖区域室内温度设定为夏季26℃、冬季20℃，制冷期和采暖期分别为6月26日至9月7日及12月8日至次年2月11日[20]。本文重点研究外窗玻璃热工性能，故采用理想空调系统。

该模型气象参数为南京市的气象数据，采用CSWD中国标准天气数据，该办公建筑房间外窗分别采用普通中空玻璃结构和本文优化的玻璃结构，用EnergyPlus软件进行能耗模拟计算分析。

4.2 能耗模拟计算结果与分析

办公建筑房间的全年综合能耗是室内办公设备能耗、照明能耗、制冷能耗和供暖能耗的总和，计算公式如下：

E=Eeq+Eel+Ec+Eh

(7)

式中：E为全年综合能耗(kW·h)；Eeq为全年办公设备能耗(kW·h)；Eel为全年照明能耗(kW·h)；Ec为全年制冷能耗(kW·h)；Eh为全年供暖能耗(kW·h)。

4.2.1南外窗节能效果

南外窗分别用普通中空玻璃和本文优化玻璃时，各类年能耗模拟计算结果如图8所示，通过建筑南外窗的得热量和失热量如图9，10所示。

图8 南窗建筑房间分项年能耗

图9 通过南窗的得热量

图10 通过南窗的失热量

由图8可知，应用2种不同类型玻璃外窗的房间全年办公设备和照明能耗值相等，制冷和供暖能耗值出现差异，采用优化玻璃房间夏季制冷能耗比普通中空玻璃降低26%，冬季供暖能耗全年增加41%。由图9，10可知，夏季通过优化玻璃的得热量比通过普通中空玻璃的得热量少，室内冷负荷少，优化玻璃房间空调制冷量比普通中空玻璃房间空调制冷量少，所以夏季可降低室内空调能耗；而冬季通过优化玻璃的得热量比普通中空玻璃的得热量少，要维持室内相同室温，需增加供暖能耗，所以优化玻璃外窗房间供暖能耗比普通中空玻璃房间供暖能耗高。但从全年综合能耗来看，采用优化玻璃房间的全年综合能耗比采用普通中空玻璃的房间降低3.5%。

4.2.2北外窗节能效果

北外窗分别用普通中空玻璃和本文优化的玻璃时，各类年能耗模拟计算结果如图11所示，通过建筑北外窗的得热量和失热量如图12，13所示。

图11 北窗建筑房间分项年能耗

图12 通过北窗的得热量

图13 通过北窗的失热量

由图11可知，应用2种不同类型玻璃外窗的房间全年办公设备和照明能耗值相等，制冷和供暖能耗值出现差异，采用优化玻璃房间夏季制冷能耗比采用普通中空玻璃降低22.8%，冬季供暖能耗降低13.1%。由图12，13可知，夏季通过优化玻璃的得热量比通过普通中空玻璃的得热量少，同时比南窗相同房间的得热量少，室内冷负荷少，优化玻璃房间空调制冷量比普通中空玻璃房间空调制冷量少，所以夏季可降低室内空调能耗。冬季通过普通中空玻璃的得热量少，失热量多，而通过优化玻璃得热量和失热量均少，同时比相同房间南窗的得热量少，采用这2种不同玻璃类型外窗冬季供暖能耗都比南窗相同房间的高，且优化玻璃外窗房间冬季供暖能耗比普通中空玻璃外窗房间的供暖能耗低。采用优化玻璃房间全年综合能耗比采用普通中空玻璃的降低6.3%。

综上所述，本文优化玻璃应用于办公建筑房间，窗口朝南时全年综合能耗可降低3.5%，窗口朝北时全年综合能耗可降低6.3%，窗口朝北节能优势更明显。

5 结语

1)气层厚度与氩气充入量的交互作用对中空玻璃U值的影响最大，气层厚度与Low-E膜表面发射率的交互作用对中空玻璃U值的影响较大，氩气充入量与Low-E膜表面发射率的交互作用对中空玻璃U值的影响不明显。

2)应用响应曲面法优化得到的最优中空玻璃结构室内、外侧玻璃厚6mm，中空气体层厚12.65mm、稀有气体氩气充入量为100%、Low-E膜表面发射率为0.02时，U值为1.322W/(m2·K)。

3)夏热冬冷地区建筑模型中采用优化的玻璃结构能耗模拟结果表明，窗口朝南时，本文优化玻璃结构相比于普通中空玻璃，办公建筑房间全年综合能耗可降低3.5%；而窗口朝北时，办公建筑房间全年综合能耗可降低6.3%。