窗戶不同構(gòu)造及傳熱系數(shù)問題.doc

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簡(jiǎn)介： 本文根據(jù)不同窗戶的構(gòu)造和材料，通過對(duì)窗戶玻璃系統(tǒng)和窗框系統(tǒng)傳熱系數(shù)的計(jì)算，對(duì)窗戶傳熱系數(shù)規(guī)范取值與計(jì)算所得值進(jìn)行比較并找出其不同的原因。 關(guān)鍵字：窗戶材料 窗框 玻璃 傳熱系數(shù) 本文主要就住宅建筑常用的木窗、鋼窗、鋁合金窗及塑鋼窗的傳熱系數(shù)規(guī)范值和計(jì)算值不同的原因。 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176—93)中給定的窗戶的傳熱系數(shù)為: 表--1 窗戶材料 窗戶類型 空氣層厚度(㎜) 窗框窗洞面積比(%) 傳熱系數(shù)K(W/㎡.K) 傳熱阻RO (㎡.K/W) 鋼、鋁 單層窗 ___ 20~30 6.4 0.16 單框雙玻璃 12 20~30 3.9 0.26 16 20~30 3.7 0.27 20~30 20~30 3.6 0.28 　 雙層窗 100~140 20~30 3.0 0.33 木、塑料 單層窗 ___ 30~40 4.7 0.21 單框雙玻璃 12 30~40 2.7 0.37 16 30~40 2.6 0.38 20~30 30~40 2.5 0.40 雙層窗 100~140 30~40 2.3 0.43 窗戶的傳熱系數(shù)可用以下關(guān)系式表示： U=Ug+ηf(Uf-Ug) （1） Fg、 Ff分別為玻璃與窗框的面積 Ug、Uf分別為玻璃與窗框的傳熱系數(shù) 現(xiàn)以鋁合金單玻窗為例比較并說明規(guī)范值和計(jì)算值不同的原因。規(guī)范中鋁合金窗的傳熱系數(shù)為6.4 W/㎡.K, 單層玻璃(3㎜) λ=0.76W/(M.K) 的熱阻由公式: R0=1/αe+ D/λ+1/αi （2） 計(jì)算得出為0.162 ㎡.K/W, 傳熱系數(shù)為6.17 W/㎡.K 。 將規(guī)范中的鋁合金窗的傳熱系數(shù)6.4和玻璃的傳熱系數(shù)6.17以及窗框所占窗戶的面積（通常為0.3）代入公式（1）反推出鋁合金窗框的傳熱系數(shù)為6.94 W/㎡.K。以上為規(guī)范中窗戶各部分的傳熱系數(shù)值（其中玻璃傳熱系數(shù)的規(guī)范值和計(jì)算值相同）。 我們現(xiàn)在計(jì)算鋁合金窗框部分的傳熱系數(shù)，下圖為典型鋁合金窗型材截面。 如果窗框外觀總寬度及貫通部分的寬度分別為W與Wtr ，設(shè)內(nèi)外表面溫差Δt，通過貫通寬度Wtr的熱流分配給外觀寬度W所得的平均熱流為： q=Δt/d . λAL. Wtr/W=Δt(D/λAL . Wtr/W)-1 如果貫通部分所占比率ηtr= Wtr/W ，上式成為： q=Δt（d/λAL ηtr）-1=Δt/RAL 其中： RAL= d/λAL ηtr 即為鋁合金窗扇內(nèi)外表面之間的熱阻值；對(duì)于圖示型材，ηtr=0.038 , 可求得： RAL=0.029/(230x0.038)=0.00332 ㎡.K/W, 取內(nèi)外表面換熱系數(shù)αi=8.74 W/㎡.K, αe=23.04 W/㎡.K, 得鋁合金窗框部分的總熱阻值為0.161㎡.K/W, 傳熱系數(shù)為6.21 W/㎡.K。 其數(shù)值小于規(guī)范中的鋁合金窗框傳熱系數(shù)6.94 W/㎡.K。代入公式（1）中，得鋁合金窗戶的計(jì)算值U為6.182 W/㎡.K 小于規(guī)范中的鋁合金窗的傳熱系數(shù)6.4 W/㎡.K。 比較窗戶各部位的傳熱系數(shù)值，得出計(jì)算值和規(guī)范值不同的主要原因窗框的傳熱系數(shù)值不同。而導(dǎo)致窗框傳熱系數(shù)值不同的主要原因是貫通部分所占比率ηtr取值偏大，從而使窗框的熱阻偏小，直接導(dǎo)致窗戶的傳熱系數(shù)值偏大。 從型材斷面中容易看出，真正貫通內(nèi)外表面的金屬實(shí)體部分所占比例實(shí)際上是很小的，與鋁合金傳熱相比，所形成的空氣間隙及其他非金屬直接貫通部分的傳熱相對(duì)甚微，完全可以忽略。事實(shí)上，單層玻璃、鋁合金及其他金屬窗框本身的熱阻都非常小，這些構(gòu)件對(duì)熱量流動(dòng)的阻礙作用主要來源于內(nèi)外表面的表面換熱阻。因此，規(guī)范中的鋼、鋁等型材的傳熱系數(shù)取值偏大，導(dǎo)致窗戶的傳熱系數(shù)偏大。 現(xiàn)以鋁合金雙玻窗（3+12+3）為例比較并說明規(guī)范和計(jì)算兩種方法得出不同的傳熱系數(shù)的原因。 假定鋁合金窗框的傳熱系數(shù)為6.21 W/㎡.K，窗框占窗戶面積為0.3，根據(jù)規(guī)范中鋁合金單框雙玻璃窗戶的傳熱系數(shù)3.9 W/㎡.K，通過公式（1）反推出玻璃部分的傳熱系數(shù)為2.91 W/㎡.K 現(xiàn)計(jì)算玻璃部分的傳熱系數(shù) 已知玻璃的熱阻 Rg=D/λ=0.003/0.76=0.0039 ㎡.K/W 空氣間隙熱阻按美國ASHRAE夏季標(biāo)準(zhǔn)條件（室外溫度320C，室內(nèi)溫度240C）為環(huán)境溫度計(jì)算依據(jù)，空氣層熱阻的計(jì)算式為： Rgap=(hgr+hgc+hgλ)-1={[6.12/(1/ε1+1/ε2)]+2.13}-1 其中hgr、hgc、hgλ分別為玻璃間層中輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱的傳熱系數(shù)對(duì)于普通雙層玻璃，發(fā)射率ε1=ε2=0.84，間層熱阻Rgap=0.152㎡.K/W 玻璃部分的總熱阻為 R0=1/αe+ D1/λ+Rgap+D2/λ+1/αi 對(duì)于（3+12+3）雙玻系統(tǒng)，考慮玻璃導(dǎo)熱及內(nèi)外表面換熱阻后，上式變?yōu)椋?R0= Rgap+0.166 得出玻璃部分的總熱阻為0.318㎡.K/W, 則玻璃部分的傳熱系數(shù)為3.14 W/㎡.K。 將Uf =6.21 W/㎡.K 和Ug =3.4 W/㎡.K 以及ηf =0.3 代入公式（1）得：鋁合金雙玻窗傳熱系數(shù)的計(jì)算值為 4.06 W/㎡.K 大于規(guī)范中鋁合金雙玻窗的傳熱系數(shù)值 3.9W/㎡.K 比較窗戶各部位的傳熱系數(shù)值，得出計(jì)算值和規(guī)范值不同的主要原因是窗戶玻璃的傳熱系數(shù)值不同。 導(dǎo)致窗戶玻璃傳熱系數(shù)值不同的主要原因是空氣間隙熱阻不同。 其原因在于計(jì)算玻璃部分的傳熱系數(shù)時(shí)，空氣間隙熱阻是按美國ASHRAE夏季標(biāo)準(zhǔn)條件（室外溫度320C，室內(nèi)溫度240C）為環(huán)境溫度為計(jì)算依據(jù)，其中長波輻射換熱系數(shù)取值hgr較大，因此空氣間隙熱阻偏小，導(dǎo)致玻璃部分的傳熱系數(shù)偏大，規(guī)范中的空氣間隙熱阻為全年綜合考慮，取值相對(duì)較小，因此玻璃部分的傳熱系數(shù)較計(jì)算值小。 比較單玻木窗的傳熱系數(shù)，現(xiàn)取木窗框λ=0.17 W/(M.K)，對(duì)于厚度為45㎜的松木窗框的熱阻為0.256㎡.K/W，其內(nèi)外表面的熱阻為0.157㎡.K/W,窗框部分總熱阻為0.422㎡.K/W,傳熱系數(shù)為2.37W/㎡.K。代入公式（1）中，當(dāng)ηf =0.3時(shí)，木窗的傳熱系數(shù)為5.03 W/㎡.K, 當(dāng)ηf =0.4時(shí)，木窗的傳熱系數(shù)為4.65 W/㎡.K。 現(xiàn)取λ=0.11 W/(M.K)，松木窗框的傳熱系數(shù)為1.767W/㎡.K。 同樣，代入公式（1）中，當(dāng)ηf =0.3時(shí)，木窗的傳熱系數(shù)為4.85 W/㎡.K, 當(dāng)ηf =0.4時(shí)，木窗的傳熱系數(shù)為4.41 W/㎡.K。 從上面的計(jì)算中得知，不同材質(zhì)的木窗窗戶的傳熱系數(shù)值不同，而窗框占窗戶面積比例的不同，同樣導(dǎo)致傳熱系數(shù)值的不同。因此，木窗傳熱系數(shù)的規(guī)范值和計(jì)算值不同的主要原因是：對(duì)窗框的材質(zhì)和所占窗戶面積比例，規(guī)范中為綜合考慮，而計(jì)算就具體情況而不同。 其他材質(zhì)、構(gòu)造窗戶的傳熱系數(shù)在計(jì)算值和規(guī)范值上也存在上述差異，此處不再一一說明，用計(jì)算的方法在玻璃系統(tǒng)與窗框傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出各類窗戶的傳熱系數(shù)： 窗框類型 玻璃類型 鋁合金 塑鋼窗 斷鋁熱橋 ηf =0.25 備注 單玻 6.18 4.89 5.56 ηf =0.3 3mm玻璃 雙玻 4.06 2.77 3.41 ηf =0.3 3+12+3 Low-E雙玻 3.07 1.78 2.23 ηf =0.3 3+12+3 參考文獻(xiàn)： （1）《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)手冊(cè)》 揚(yáng)善勤 （2）《節(jié)能窗技術(shù)》 涂逢祥 （3）《傳熱學(xué)》（第四版）章熙民 任澤霈 （4）《建筑設(shè)計(jì)手冊(cè)》 （5）《建筑熱過程》彥啟森 趙慶珠 （6）《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》JGJ26-95