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将建筑用玻璃的热传递减小的方法
Heinrich Manz
瑞士联邦实验室材料测试与研究（EMPA），实验室建筑技术，Ueberlandstrasse 129，CH-8600迪本多夫，瑞士
2006年8月15日收到; 于2007年1月21日接受
2007年3月21日在线提供
摘要
通过减小玻璃的热量透过率可以有效地降低建筑物中的供暖能源需求。这篇论文综合讲述了所有发生在充气或真空绝缘玻璃中的热交换过程。充气玻璃腔体中的热交换机制包括了玻璃板表面之间的热辐射交换、对流和气体传导。两种低辐射膜（0.04）的应用使得玻璃板之间的热导率显著降低至0.1 Wm2K1 。同时，即使使用氪或者氙作为填充气体，（玻璃的）热导率由于对流和气体传导的影响仍然不能显著低于1 Wm2K1 。气体对流和气体交换所导致的热传导仅当玻璃腔体被抽空到102Pa时其影响可以被忽略不计。热传递不仅取决于辐射，更重要的是，在支撑固定处的气体传导要求承受加载在玻璃板外表面的大气压力。事实上，通过抽空腔体中的气体可以使玻璃中间部分的平均热流量低于边缘部分的2-5倍。这使玻璃边缘区域的热传递占有更重要的比重。因此，除了腔体内的热传递之外，也应该量化边缘密封和不同框架结构对玻璃热导率的影响。（本文）基于分析和数值方法讨论了减少真空玻璃中总传热的可能性和局限性。结果表明，这个概念相对于当前的玻璃技术在整体热透射率方面显现出显著的优点。2007 Elsevier Ltd.保留所有权利。
关键词：绝缘玻璃;填充气体;真空;传热过程;边缘效应;总传热系数
- 引言
就寒冷气候下的建筑能量损失而言，由窗户构成的框架薄弱点是造成供暖能量需求的主要因素。玻璃形制在许多现代建筑中的高比重应用使得它们的重要性更加凸显。窗户处的导热系数往往比相邻的不透明元件高得多。例如，对采用最新技术的建筑物，瑞士能源标准[1]规定的墙壁和屋顶的热透射率标准比窗户（分别为0.2和1.2 Wm2 K1）低6倍。除了作为能量的重要参数之外，玻璃的传热系数对于温度舒适性也是十分重要的。
目前的窗户技术中低辐射涂层的应用越来越多，这显著降低了空腔中玻璃板表面之间的热辐射传递。Braeuer [2]对大面积玻璃涂层进行了概述。（虽然）低辐射系数涂层有大约100nm厚且通常具有银层，（但通过）加入其他抗反射层和保护层，仍能使浮法玻璃在可见光谱范围内保持高透明度的同时保护银膜不被腐蚀。近年来针对实现更先进的热学和光学性能以及更高的弹性和耐久性，（我们）已经在这个领域做了大量的工作[3-8]。
为了减少由气体传导和对流引起的热传递，现在隔热玻璃窗单元的空腔通常充满惰性气体 - 主要是氩气或氪气，但有时是氙气 - 而不是空气。
然而，只有通过抽空玻璃窗单元腔体才能使气体传导（和对流）的热传导减小到可忽略的程度。Zoller [9]首先在专利文献中描述了这个概念。然后（他）在接下来的几十年中提交了许多专利申请。美国太阳能研究所[10-12]对用于生产真空玻璃的激光焊接技术进行了研究。周期性地排列在玻璃板之间的半径大约为0.25-1.5mm的球形玻璃间隔物能够减少由于大气压引起的玻璃板变形。密封技术的问题影响了整个玻璃窗单元的制造。Collins和他在悉尼大学的团队[13-20]是第一个成功制造双层真空玻璃窗的单位。（他们）将0.1-0.2mm高的腔体抽真空到低于101 Pa的压力；通过玻璃表面上的低辐射涂层降低热辐射传递；使用半径为0.1-0.2mm的金属支柱 - 肉眼几乎不可见 - 并且用焊料玻璃密封玻璃窗边缘。在边缘密封过程中，整个组件被加热到大约500℃的温度，这限制了对低辐射涂层的使用。一家日本公司与悉尼大学合作开发了一种商用双层真空玻璃窗，其热导率约为1.5Wm2 K1 [21]。
为了克服高温制造工艺的限制，主要是在涂层技术方面，在Ulster和Patras大学[22]研发了一种低温密封真空玻璃窗边缘的方法。
Fraunhofer太阳能系统研究所[24] 与Baechli [25-27]合作开发了一种基于金属化玻璃表面和焊接技术的真空玻璃边缘密封系统。与以前描述的方法不同，Baechli的方法基于使用钢箔的柔性边缘密封。该系统的关键优点是它适应玻璃板的温度变化引起的膨胀，即玻璃窗表面之间的温差不会引起结构的任何偏转。在这种结构中，玻璃板必须滑过支柱。 作者不知道使用这种方法成功制造的任何完整的玻璃原型。
近年来，（我们）已经提交了与真空玻璃有关的其他几项专利申请。这之中包括了如各种制造或加工方法[28-32]和一种框架设计，（这种设计的）特点是具有高抗压强度的硬芯和柔软的金属或碳接触层，用于减少玻璃的开裂或刮擦[33]。一项三重真空玻璃装置也被授予了专利，（该装置）在腔体中加入细丝以支撑玻璃板[34]。Manz等人 [35] 使用数值方法讨论几何和热物理参数对真空三层玻璃的传热率的影响。
Weinlaeder等人 [36]分析了包括边缘效应在内的真空玻璃中的热传导后得出结论：对面积为1m2的双层真空玻璃，0.4 Wm2 K1的传热率是能够达到的。本研究通过玻璃——玻璃接头，焊接金属箔和高阻隔粘合剂尝试解决边缘密封问题。作者的初步结论指出高阻隔粘合剂是最有希望的选择。
为了去除内表面的气体，Collins和Simko [14]建议抽真空的同时在100-250℃的温度下烘烤玻璃。更多最近的工作[37-40]表明，玻璃窗暴露在阳光下时可能发生光脱附。（我们）通过质谱分析发现，在高温下观察到放出的气体主要是一氧化碳和二氧化碳，而不是水蒸气。（由此研究）得出的结论是，在制造期间需要保持350-400℃的温度以防止在使用寿命期间玻璃窗腔体中的压力升高。Benson等人 提出使用吸气剂来维持密封空间内的真空[10]。Collins为一种整合了吸气剂的抽气面板申请了专利。
这项研究着眼于回顾充气和真空建筑玻璃窗的传热机制，并将传热率定量为热力学，机械和几何参数的函数。 考虑到由于真空腔的较高热阻导致通过玻璃窗边缘的热传导的重要性增加，所以还将讨论边缘效应。
- 玻璃板表面之间的辐射传热
由于隔热玻璃窗单元中玻璃板之间的距离与玻璃窗的高度和宽度相比非常小，因此可以假设在不同温度下都是等温的可以无限延伸的平行板用于模拟玻璃窗内的辐射传热。应用Kirchhoff定律和Stefan–Boltzmann定律，并且只考虑温差不太大的情况下对玻璃窗腔中的辐射传输过程进行线性回归处理，得到以下通常情况下的热导率公式：
（1）
在等式 （1）中，sigma;是Stefan-Boltzmann常数，Tau;表示空腔中的平均表面温度，ε1和ε2是玻璃板表面的辐射系数。图1示出了等式 （1）并举例说明，如果两个玻璃板表面都被涂覆并且具有大约0.04的辐射系数，则由于辐射导致的热传导可以减小到0.1 Wm2 K1。
图1.玻璃表面之间的辐射热传输作为辐射系数的函数，平均表面温度为10℃（=283.15K）。 假设未镀膜玻璃表面的辐射系数为0.84 [44]。
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充气腔
- 对流和气体传导
（我们）已经广泛研究了在具有驱动流动的不同温度下的等温侧壁的矩形腔体内的气体层中的对流传热。Merker [42]给出了物理背景的概述，Wright [43]编译并讨论了可用的实验数据和相关性。包括对流和热传导的非辐射热通量q通常以无量纲格式量化。气体层非辐射传热的平均Nusselt系数Nu被定义为
(2)
其中，代表填充气体的导热系数，L代表气体层的宽度，代表气体层的平均非辐射热流量，代表冷热空腔壁之间的温差。根据理论，是Rayleigh系数，Ra，Prandtl系数，Pr，和纵横比的函数，A = H / L，其中H表示腔高度。因此统计上的函数相关性（表现为）这个形式
（3）
考虑到空气的普朗特系数，氩气，氪气和氙气数量的微小变化以及玻璃空腔特有的高纵横比，Pr和A的影响可以忽略不计。因此，Nusselt系数可以仅写成Rayleigh系数的函数。对于这些应用，Nusselt系数由下式给出[44]
(4)
图2表明与方程（4）对照的两个实验和一个数学上的统计相关性。对流和传导的导热量写成
(5)
其中表示气体的热导率。 空气，氩气，氪气和氙气的热物理性质见附录（表A1）。 图3显示在窗格之间的一定距离处热流量最小。 这个最小位置的位置取决于气体的热物理性质。 在最低位置，当氙被用作填充气体时，
图2.从文献中获得的Nu = f（Ra）相关性的比较。
图3.窗玻璃腔内的导热和对流热传输作为窗格间距离的函数应用方程 （4）和表A1的热物理性质。
气体传导和对流的传热几乎是空气填充腔所记录的一半
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- 腔体中的总传热
由于玻璃窗腔内的气体传导，对流和辐射导致的热量叠加导致[44]
(6)
如果采用先进的低辐射涂层，充气玻璃窗内的传热主要受气体传导和对流的影响（图1和图3）。
- 真空腔
通过抽空空腔可以消除对流和气体传导的传热。 然后需要框架来防止窗玻璃由于任一板上的大气压力而塌陷并且避免玻璃板表面之间发生接触。 这些框架中的传导会导致额外的热损耗。 玻璃窗表面之间的辐射热传递基本上不受空腔排空的影响。 （注意：用于真空玻璃的框架对表面温度分布有影响，发现方程（1）假设等温表面温度仍能提供准确的结果。）
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- 气体传导
Reiss [47]综述了高绝缘材料的基本原理。在给定温度下，给定气体中分子的平均自由程随着压力的降低而增加（Sutherland 1893，参考文献[47]）。图4显示了许多气体的这种相关性。标准大气压和室温下空气的平均自由程约为0.06毫米。平均自由程，和代表物理长度之间的比率，这里由空腔宽度L给出，称为Knudsen数，。气体的热导率随Knudsen数的增加而下降（Kaganer，1969，参考文献[47]）。换句话说，如果平均自由程远大于冷热板之间的距离，那么分子热传导几乎是不可能的。图5显示了作为压力和空腔宽度L的函数的气体传导率。假设空腔宽度为0.1mm并且压力低于10-1Pa，则与标准大气压力下的原始值相比，热传导率降低大约103倍。在10-1Pa下（气体）的平均自由程约为6厘米。为了比较气体传导在玻璃窗腔体内的传热与其他传热机制，热传导的计算结果如图6。考虑到上述相关性，导热性不再是空腔宽度的函数。再次假定压力小于10-1Pa，则热导率应低于0.1 Wm2 K1。
图6.由于气体传导导致的热导与压力和窗格之间的距离有关。
图5.空气的导热系数与压力的关系（Kaganer 1969，参考文献[47]）。
图4.不同气体在10℃下平均自由程与压力的函数关系（Sutherland 1893，参考文献[47]）。
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- 框架传导
我们使用Holm [48]提出的解析解来模拟框架导热，（这个模型中）假定两个相互隔开的半无限材料板之间的小圆形接触。该模型进一步假设框架材料的热导率远远超过玻璃板的热导率，在使用金属支撑柱的情况下这确实是事实。在这种情况下，与玻璃中的热传导相关的热阻可写为
（7）
其中r表示框架半径，lambda;g表示玻璃的热导率，即热阻仅由玻璃的框架半径和热导率确定。数值模拟表明，式（7）的结果精确地符合这个模型[35]。两个玻璃板之间的柱状阵列的热传导由下式给出
（8）
其中s代表矩形阵列中的板间距离。
为了最大限度地减少热量传递，框架半径必须很小。另一方面，考虑到玻璃板上的大气压负荷，，以及支柱材料的有限压缩屈服强度，框架半径必须大于临界半径rcrit，（临界半径）由压缩屈服强度sigma;y、玻璃板间隔s给出。如果简单地假定框架中的应力均匀分布，则获得以下结果：
（9）
图7显示了框架分离和框架半径对框架横截面的导热率和平均压应力的影响。只有当框架材料的热导率远高于玻璃（即lambda;pil1Wm-2 全文共10066字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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