双层玻璃水介质下的热传递性能实验研究

龙姝豪 周亚素

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

外窗作为围护结构中保温隔热最薄弱的部分[1]，其能耗约占围护结构总能耗的50%[2]。对于日照持续时间较长的夏热地区建筑，需要外窗对太阳辐射热有持续阻隔效应。为此，有学者针对相变玻璃[3-4]、气凝胶玻璃[5-7]做了相应研究，但这两者都存在成本高、制备复杂，且需牺牲外窗采光性能，增加照明能耗的问题。

太阳辐射能量中近红外辐射NIR（0.7～2.5 μm）接近50%[8]，从图1[9]水的透射光谱特性可知它能透过绝大部分可见光，且对近红外辐射的透射率比较小。利用水膜隔热机理计算，10 mm 水膜的平均消光系数约为30 mm-1[10]。针对水介质双层玻璃已有相关研究[11-12]，但主要集中在理论计算，没有实验支撑。

图1 水的透射光谱特性

本文通过搭建实验平台，研究实际气候下，双层玻璃在水介质下相对于传统双层中空玻璃的玻璃系统的热传递性能，及对于太阳辐射热的阻隔效应，从而对其相对于传统中空玻璃的节能效果进行比较。

1 双层玻璃传热分析及实验介绍

1.1 双层玻璃系统传热分析

如图1 所示，太阳光照射到窗玻璃表面后，一部分被反射掉不会成为房间的得热。一部分直接透过玻璃进入室内，全部成为房间得热量。还有一部分被玻璃吸收，这其中一部分将以长波辐射和对流方式传入室内，另一部分则以长波辐射和对流方式散至室外。被玻璃吸收后传入室内的这部分太阳辐射量，可以作为透过玻璃的太阳辐射的一部分，计入房间的辐射得热中。因此双层玻璃系统太阳得热量将主要由两部分组成：一部分是直接透过的太阳辐射。另一部分是由玻璃系统吸收的太阳辐射通过导热、对流、辐射方式向室内传递的部分，那么室内总得热量由式（1）计算可得出。

自然对流换热系数[13]：

等效辐射换热系数[13]：

式中：q 为室内得热量，W/m2；hci为内层玻璃内表面对流换热系数，W/(m2·K)；hri为内层玻璃内表面等效辐射换热系数，W/(m2·K)；t 为玻璃系统内壁面温度，K；ti为室内空气温度，K；W 为室内风速，m/s；I 为直接透过玻璃系统的太阳总辐射，W/m2。σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε 为玻璃辐射发射率0.84。

图1 太阳辐射对双层玻璃作用过程

1.2 实验装置介绍

1.2.1 实验系统介绍

国外的Grimmer 学者等指出，小型测试箱对于建筑物的热建模是非常有用的工具[14]。国内浙江大学郑芸等人曾采用实验小室对太阳辐射下双层玻璃幕墙进行能耗研究[15]。由于实验条件限制，本文也采用小型测试箱，对水介质双层玻璃系统和传统中空玻璃系统的热传递性能和节能情况进行对比研究。

实验采用6 mm+15 mm+6 mm，大小为500 mm×500 mm 的双层中空玻璃及中间介质为水的双层玻璃系统。实验测试箱则用30 mm 聚苯板拼装而成，为了保护聚苯板在实验过程中不被损坏，在聚苯板外用不锈钢板固定，起到保护作用，最外层再覆盖5 mm 铝箔保温棉，测试箱尺寸大小为570 mm×535 mm×570 mm。实验时放置在东华大学纺织学院楼顶，全天接受实际气候下的太阳辐射。

1.2.2 实验主要测量参数及实验仪器

由于实际的室外天气温度和太阳辐射强度是动态变化的，而玻璃窗动态传热性能主要受室外空气温度和垂直面太阳辐射强度等气象参数影响，因此实验需选取夏季晴天或多云工况实际测量室外的空气温度及南向垂直面太阳辐射强度，并测量双层玻璃中间介质和内外壁面的温度变化情况。根据上述需要测量记录的参数和实验精度的要求，选择表1 的测量仪表和数据记录仪器。使用Keithley 2701型数据采集仪，采集温度数据，数据采样时间间隔为1 min，全天24 h 不间断记录。实验数据收集于2016 年6 月份到8 月份。

表1 实验仪表及传感器主要参数

室内外空气温度和中间介质温度都由Pt100 铂电阻（其中测量壁面温度采用贴壁式铂电阻）连接数据采集仪测得，测点布置如图3 所示。南向垂直面太阳辐射强度由Solar-1 太阳能辐射测量仪系统直接测得。而HFM-215 多通道热流仪的两个传感器由上海图新电子科技有限公司重新标定之后，可以直接测得室内的得热量。

图3 玻璃系统温度测点布置图

1.3 实验数据选取与分析

选取晴天和多云两种典型工况，通过对实验测量数据的处理，分析两种玻璃系统热传递性能和辐射透过性能的差异，最终比较其室内得热总量。

热传递性能：通过测量两种玻璃系统各层壁面的温度及中间介质温度，对比分析水介质双层玻璃和中空玻璃的热传递的差异，并通过多通道热流仪测量得到夏季全天通过水介质双层玻璃和中空玻璃的得热量，得出水介质双层玻璃的能效性能与节能潜力，并由式（4）可计算出水介质双层玻璃相对中空玻璃的节能率。

式中：ηe表示节能率；Qa表示中空玻璃系统室内总得热量；Qw表示水介质双层玻璃系统室内总得热量。

辐射透过性能：通过式（1）～（3）计算出通过水介质双层玻璃和中空玻璃的太阳辐射直接透射量，由于早上以前及晚上以后太阳高度角小，仪器测量误差较大，因此只计算白天7:00-18:00 的直接透射量，并可由式（5）计算出双层玻璃系统在水介质下相对于空气介质室内太阳总辐射强度的减少率。

式中：ηr表示辐射透过减少率；Ia表示中空玻璃系统室内太阳辐射透过强度；Iw表示水介质双层玻璃系统室内太阳辐射透过强度。

2 水介质双层玻璃系统与双层中空玻璃系统热性能对比

2.1 双层玻璃系统中间介质温度对比

图4 所示为两种玻璃系统中间介质温度变化情况，由图可以看出，6:00～17:00 水温比空气温度低0.64～6.2 ℃，18:00～1:00 水温比空气的温度高0.01～0.67 ℃。在6:00～17:00 这个时间段，不论晴天和多云工况，都是空气介质温度迅速升高，晴天工况下与水介质的差值在11:00 点左右达到最高，为6.2 ℃。空气介质温度峰值为48.57 ℃，出现在12:00 点左右，升温幅度为20.13 ℃。水介质的温度峰值为44.48 ℃，出现在14:00 点左右，升温幅度为16.55 ℃，18:00 点或19:00 点水温开始高于空气温度。这是因为，水的热容量比空气的热容量大，在8:00～14:00 太阳辐射较强的情况下，吸收相同的热量，水温上升比空气升温速度慢。14:00 点左右水温达到峰值，此时水的显热蓄热能力已经达到极限，之后水介质将作为内热源，将热量以辐射和导热等形式散发出去，而空气介质基本不吸收太阳辐射且相对热容量小，温度下降比水更快，因此17:00 以后，室外太阳辐射强度很小，且天空有效温度低，水温略高于空气温度。

图4 双层玻璃系统中间介质温度对比

多云工况时，水与空气温度差值为5.6 ℃，空气温度峰值为45.88 ℃，升温幅度为18.29 ℃，水温峰值为41.64 ℃升温幅度为14.55 ℃，均低于晴天工况。这是因为多云工况时全天的太阳辐射强度相对较小，水吸收的辐射热也相对较少。

2.2 双层玻璃系统外壁面温度对比

图5 所示为两种玻璃系统外层玻璃外壁面在晴天和多云两种工况的温度变化情况。可以看出，水介质双层玻璃的外壁面温度，晴天工况下，在7:00～11:00低于中空玻璃0.23～2.0 ℃，其余时间高于中空玻璃0.5～2.91 ℃。这是因为7:00～11:00 太阳辐射较强时，如前所述，中间介质为水时，玻璃和水传热温差大，且水的热容量大则玻璃系统吸收的辐射热量大部分用来给水加温。而中空玻璃中间介质为空气，则吸收的热量大部分用来使玻璃升温。刚开始的时候，双层中空玻璃的外壁面温度较高，而之后水介质作为内热源以辐射和导热的形式将热量传送到玻璃系统，而室外空气温度相对室内较低，且室外风速较大，水与外壁面的传热温差较大，综合传热系数也较大，则水介质的外壁面温度将持续上升，高于中空玻璃外壁面温度。

图5 双层玻璃系统外壁面温度对比

多云工况下，水介质双层玻璃的外壁面温度，在7:00～11:00 低于中空玻璃外壁面温度0.17～0.98 ℃，其余时间高于中空玻璃0.19～2.77 ℃。二者差值均低于晴天工况，仍是因为多云工况时全天室外的太阳辐射强度相对较小。

2.3 双层玻璃系统内壁面温度对比

图6 为两种玻璃系统内层玻璃内壁面在晴天和多云两种工况的温度。晴天工况下，6:00～17:00 双层玻璃在水介质下的内壁面温度比传统中空玻璃内壁面温度低0.1～5.79 ℃，在6:00 以前及17:00 以后比中空玻璃内壁面温度高0.06～1.29 ℃。双层中空玻璃内壁面温度在12:00 左右达到峰值50.83 ℃，双层玻璃在水介质下的峰值温度为46.38 ℃，出现在14:00，峰值温度较双层中空玻璃低4.45 ℃，且峰值出现时间延缓2 h。这是因为如前所述，水作为中间介质的温度在6:00～17:00 要低于空气介质温度，且二者差值可达6.2 ℃。而中空玻璃中间介质为空气，吸收的热量大部分用来使玻璃升温。又6:00 以前及17:00 以后，水温开始略高于空气介质温度，作为内热源散发热量，相应水介质的内壁面温度开始略高于中空玻璃内壁面温度。

图6 双层玻璃系统内壁面温度对比

多云工况下，4:00～17:00 双层玻璃在水介质下的内壁面温度比传统中空玻璃内壁面温度低0.015～4.85 ℃，在4:00 以前，以及17:00 以后比中空玻璃内壁面温度高0.012～0.9 ℃。双层中空玻璃内壁面温度在13:00 左右达到峰值47.98 ℃，双层玻璃在水介质下的峰值温度为43.88 ℃，出现在13:33，峰值温度较双层中空玻璃低4.1 ℃，且峰值出现时间延缓约0.5 h。这是由于多云工况时，室外太阳辐射弱，水吸收的太阳辐射热少，加之水介质双层玻璃室内空气温度略低于中空玻璃室内空气温度，导致白天水介质双层玻璃内壁面温度略低于双层中空玻璃内壁面温度。

综合比较图5 和图6，可以看出内壁面温度比外壁面温度高0.02～8.46 ℃，是因为测试箱内部为封闭空间，几乎测量不出风速，且室内空气温度较高，与玻璃内壁面温度较为接近，二者传热温差小，对流换热系数也很小。而室外空气温度相对室内较低，玻璃外壁面与其传热温差较大，且对流换热系数较大，所以热量以对流换热形式传到室外的部分较多，外壁面温度也相对内壁面温度较低。

2.4 不同太阳辐射强度下水介质双层玻璃系统隔热性能对比

图7 所示，为两种玻璃系统室内温度逐时变化情况，在晴天和多云两种工况下，两种玻璃系统室内温度变化趋势基本相同。其中双层玻璃系统在水介质下室内空气温度明显低于中空玻璃。晴天工况下，前者峰值温度为47.48 ℃，后者峰值温度为52.31 ℃。多云工况下，前者峰值温度为46.09 ℃，后者峰值温度为49.33 ℃。

图7 双层玻璃系统室内空气温度对比

图8 双层玻璃系统隔热性能对比

图8 所示，可以直观地看出两种玻璃系统与室外的温差情况，晴天工况下，在7:00～18:00 双层玻璃系统在水介质下室内相对于室外的温差最高为12.16 ℃，而双层中空玻璃室内相对室外的温差最高为16.99 ℃，且水介质双层玻璃系统相对于中空玻璃系统的室内温度低，温差最多可达4.84 ℃。这主要是因为如前文所述，水的蓄热能力相对空气较强，且对于太阳辐射有一定的吸收作用。6:00 以前及18:00 以后双层中空玻璃系统在水介质下相对于空气介质的室内温度略高。

多云工况下，水介质双层玻璃系统相对于中空玻璃系统的室内温度低，温差最多可达3.38 ℃。这是因为多云工况下，太阳辐射强度较弱，水对于辐射热的吸收作用没有那么明显，相应使得玻璃系统在水介质下的隔热性能不如晴天工况。

3 水介质双层玻璃与双层中空玻璃节能情况对比

3.1 双层玻璃系统太阳辐射透过量对比

图9 所示为双层玻璃系统在晴天和多云两种工况下，南向垂直面太阳辐射强度变化情况，可以测量到的数据集中在6:00～18:00。由图可以看出，晴天工况下，在8:00～15:00 这个时间段，南向垂直面太阳辐射强度基本在160～350 W/m2，最高峰为352.3 W/m2，日累计辐射达6.775 MJ/m2。多云工况下，在8:00～15:00 这个时间段，南向垂直面太阳辐射强度大多在100～250W/m2，最高峰为299.6 W/m2，日累计辐射达5.204 MJ/m2。

图9 双层玻璃系统南向垂直面太阳辐射强度对比

图10 为双层玻璃系统在晴天和多云两种工况下，水介质相比空气介质对太阳辐射透过量的减少率。由图10 可以看出，晴天工况下，水介质相比空气介质对太阳辐射透过量减少率为9.62%～24.44%，多云工况下为7.42%～17.95%。这是因为，如前言所述，水的光谱特性使其可以吸收几乎所有红外辐射，而红外辐射占太阳光能量的将近50%[8]，且水膜的隔热机理表明，0～80°入射角范围内，水膜吸收太阳辐射的能力随着其厚度增加而增加，50 mm 的水膜吸收比在78%左右[10]。因此15 mm 厚的水介质相比空气介质对于太阳辐射有较强的吸收能力，可以阻挡一部分太阳辐射透过玻璃系统进入室内。

图10 不同工况下双层玻璃在水介质下相比空气介质对太阳辐射透过量的减少率

所以双层玻璃系统在水介质下相对于空气介质，室内的辐射透过量会减少。而晴天工况相对于多云工况减少率略大。这是因为晴天工况下，全天的南向垂直面太阳辐射强度较大，水可以吸收更多的辐射热，对太阳辐射的阻挡作用更加明显。

3.2 双层玻璃系统室内逐时得热量对比

图11 所示为双层玻璃系统室内逐时得热量情况，在太阳辐射强度较强，且内壁面温度低于室内温度时，室内总得热量为太阳辐射透过量减去室内向室外的二次对流换热量和二次辐射换热量。而无太阳辐射时，室外温度开始下降，当内壁面温度高于室内温度时，室内得热量为二次对流换热量和辐射换热量之和。由图11 可以看出，晴天工况下，透过水介质双层玻璃的室内总得热量为678.57 Wh/m2，节能率为40.79%。多云工况下，透过水介质双层玻璃的室内总得热量为549.26 Wh/m2，节能率为19.06%。而且，双层玻璃在水介质下的峰值得热量明显低于双层中空玻璃，相应可以减小空调装机负荷。

这是因为由图6 可以看出，晴天工况双层玻璃在水介质下内壁面温度与室内温度的差值更大，当室内空气温度高于内壁面温度时，室内向室外的二次对流和辐射换热量相较中空玻璃要多。且由前可知，双层玻璃在水介质下的太阳辐射直接透过率比中空玻璃小，且晴天工况下太阳辐射强度较强，双层玻璃在水介质下的辐射透过量的减少率更多。结合前文分析可知，水介质可以阻挡一些太阳辐射，并增加双层玻璃系统的热惯性，降低室内温度，实现减少室内总得热量，减少能源峰值需求的目标。

图11 双层玻璃系统室内逐时得热量对比

4 结论

本文在上海地区夏季实际气候条件下搭建双层玻璃系统实验测试平台。通过实验测试，对比研究了双层玻璃在水和空气两种介质下的热性能和太阳辐射透过性能等差异，在实际气候条件下，实验研究得出以下结论：

1）双层玻璃在水介质下相对于双层中空玻璃的中间介质空气升温更慢，内壁面温度更低，且晴天工况相较多云工况差值更明显。

2）同一气候条件，双层玻璃在水介质下，6:00～17:00 室内温度低于中空玻璃对照组，晴天工况温差可达0.5～4.83 ℃，多云工况温差可达0.49～3.38 ℃。

3）双层玻璃系统在水介质下，相对传统中空玻璃对太阳辐射透过量的减少率晴天工况可达9.62%～24.44%，多云工况可达7.42%～17.95%。

4)双层玻璃系统在水介质下相对传统中空玻璃的室内总得热量更小，随着太阳辐射强度的增强而差距更大，其节能率即室内总得热量减少率，晴天工况可达40.79%，多云工况为19.06%。