窗户不同构造的传热系数问题.doc

简介： 本文根据不同窗户的构造和材料，通过对窗户玻璃系统和窗框系统传热系数的计算，对窗户传热系数规范取值与计算所得值进行比较并找出其不同的原因。
关键字：窗户材料 窗框 玻璃 传热系数

本文主要就住宅建筑常用的木窗、钢窗、铝合金窗及塑钢窗的传热系数规范值和计算值不同的原因。
《民用建筑热工设计规范》(GB50176—93)中给定的窗户的传热系数为:
表--1
窗户材料
窗户类型
空气层厚度(㎜)
窗框窗洞面积比(%)
传热系数K(W/㎡.K)
传热阻RO
(㎡.K/W)
钢、铝
单层窗
___
20~30
6.4
0.16
单框双玻璃
12
20~30
3.9
0.26
16
20~30
3.7
0.27
20~30
20~30
3.6
0.28

双层窗
100~140
20~30
3.0
0.33
木、塑料
单层窗
___
30~40
4.7
0.21
单框双玻璃
12
30~40
2.7
0.37
16
30~40
2.6
0.38
20~30
30~40
2.5
0.40
双层窗
100~140
30~40
2.3
0.43
窗户的传热系数可用以下关系式表示：
U=Ug+ηf(Uf-Ug) （1）

Fg、 Ff分别为玻璃与窗框的面积
Ug、Uf分别为玻璃与窗框的传热系数
现以铝合金单玻窗为例比较并说明规范值和计算值不同的原因。规范中铝合金窗的传热系数为6.4 W/㎡.K, 单层玻璃(3㎜)
λ=0.76W/(M.K) 的热阻由公式:
R0=1/αe+ D/λ+1/αi （2）
计算得出为0.162 ㎡.K/W, 传热系数为6.17 W/㎡.K 。
将规范中的铝合金窗的传热系数6.4和玻璃的传热系数6.17以及窗框所占窗户的面积（通常为0.3）代入公式（1）反推出铝合金窗框的传热系数为6.94 W/㎡.K。以上为规范中窗户各部分的传热系数值（其中玻璃传热系数的规范值和计算值相同）。
我们现在计算铝合金窗框部分的传热系数，下图为典型铝合金窗型材截面。

如果窗框外观总宽度及贯通部分的宽度分别为W与Wtr ，设内外表面温差Δt，通过贯通宽度Wtr的热流分配给外观宽度W所得的平均热流为：
q=Δt/d . λAL. Wtr/W=Δt(D/λAL . Wtr/W)-1
如果贯通部分所占比率ηtr= Wtr/W ，上式成为：
q=Δt（d/λAL ηtr）-1=Δt/RAL
其中： RAL= d/λAL ηtr
即为铝合金窗扇内外表面之间的热阻值；对于图示型材，ηtr=0.038 , 可求得： RAL=0.029/(230x0.038)=0.00332 ㎡.K/W,
取内外表面换热系数αi=8.74 W/㎡.K, αe=23.04 W/㎡.K, 得铝合金窗框部分的总热阻值为0.161㎡.K/W, 传热系数为6.21 W/㎡.K。
其数值小于规范中的铝合金窗框传热系数6.94 W/㎡.K。代入公式（1）中，得铝合金窗户的计算值U为6.182 W/㎡.K 小于规范中的铝合金窗的传热系数6.4 W/㎡.K。
比较窗户各部位的传热系数值，得出计算值和规范值不同的主要原因窗框的传热系数值不同。而导致窗框传热系数值不同的主要原因是贯通部分所占比率ηtr取值偏大，从而使窗框的热阻偏小，直接导致窗户的传热系数值偏大。
从型材断面中容易看出，真正贯通内外表面的金属实体部分所占比例实际上是很小的，与铝合金传热相比，所形成的空气间隙及其他非金属直接贯通部分的传热相对甚微，完全可以忽略。事实上，单层玻璃、铝合金及其他金属窗框本身的热阻都非常小，这些构件对热量流动的阻碍作用主要来源于内外表面的表面换热阻。因此，规范中的钢、铝等型材的传热系数取值偏大，导致窗户的传热系数偏大。
现以铝合金双玻窗（3+12+3）为例比较并说明规范和计算两种方法得出不同的传热系数的原因。
假定铝合金窗框的传热系数为6.21 W/㎡.K，窗框占窗户面积为0.3，根据规范中铝合金单框双玻璃窗户的传热系数3.9 W/㎡.K，通过公式（1）反推出玻璃部分的传热系数为2.91 W/㎡.K
现计算玻璃部分的传热系数
已知玻璃的热阻 Rg=D/λ=0.003/0.76=0.0039 ㎡.K/W
空气间隙热阻按美国ASHRAE夏季标准条件（室外温度320C，室内温度240C）为环境温度计算依据，空气层热阻的计算式为：
Rgap=(hgr+hgc+hgλ)-1={[6.12/(1/ε1+1/ε2)]+2.13}-1
其中hgr、hgc、hgλ分别为玻璃间层中辐射、对流和导热的传热系数对于普通双层玻璃，发射率ε1=ε2=0.84，间层热阻Rgap=0.152㎡.K/W
玻璃部分的总热阻为 R0=1/αe+ D1/λ+Rgap+D2/λ+1/αi
对于（3+12+3）双玻系统，考虑玻璃导热及内外表面换热阻后，上式变为： R0= Rgap+0.166 得出玻璃部分的总热阻为0.318㎡.K/W,
则玻璃部分的传热系数为3.14 W/㎡.K。
将Uf =6.21 W/㎡.K 和Ug =3.4 W/㎡.K 以及ηf =0.3 代入公式（1）得：铝合金双玻窗传热系数的计算值为 4.06 W/㎡.K
大于规范中铝合金双玻窗的传热系数值 3.9W/㎡.K
比较窗户各部位的传热系数值，得出计算值和规范值不同的主要原因是窗户玻璃的传热系数值不同。
导致窗户玻璃传热系数值不同的主要原因是空气间隙热阻不同。
其原因在于计算玻璃部分的传热系数时，空气间隙热阻是按美国ASHRAE夏季标准条件（室外温度320C，室内温度240C）为环境温度为计算依据，其中长波辐射换热系数取值hgr较大，因此空气间隙热阻偏小，导致玻璃部分的传热系数偏大，规范中的空气间隙热阻为全年综合考虑，取值相对较小，因此玻璃部分的传热系数较计算值小。
比较单玻木窗的传热系数，现取木窗框λ=0.17 W/(M.K)，对于厚度为45㎜的松木窗框的热阻为0.256㎡.K/W，其内外表面的热阻为0.157㎡.K/W,窗框部分总热阻为0.422㎡.K/W,传热系数为2.37W/㎡.K。代入公式（1）中，当ηf =0.3时，木窗的传热系数为5.03 W/㎡.K, 当ηf =0.4时，木窗的传热系数为4.65 W/㎡.K。
现取λ=0.11 W/(M.K)，松木窗框的传热系数为1.767W/㎡.K。
同样，代入公式（1）中，当ηf =0.3时，木窗的传热系数为4.85 W/㎡.K, 当ηf =0.4时，木窗的传热系数为4.41 W/㎡.K。
从上面的计算中得知，不同材质的木窗窗户的传热系数值不同，而窗框占窗户面积比例的不同，同样导致传热系数值的不同。因此，木窗传热系数的规范值和计算值不同的主要原因是：对窗框的材质和所占窗户面积比例，规范中为综合考虑，而计算就具体情况而不同。
其他材质、构造窗户的传热系数在计算值和规范值上也存在上述差异，此处不再一一说明，用计算的方法在玻璃系统与窗框传热系数的基础上，可以计算出各类窗户的传热系数：
窗框类型
玻璃类型
铝合金
塑钢窗
断铝热桥
ηf =0.25
备注
单玻
6.18
4.89
5.56
ηf =0.3
3mm玻璃
双玻
4.06
2.77
3.41
ηf =0.3
3+12+3
Low-E双玻
3.07
1.78
2.23
ηf =0.3
3+12+3
参考文献：
（1）《民用建筑节能设计手册》 扬善勤
（2）《节能窗技术》 涂逢祥
（3）《传热学》（第四版）章熙民 任泽霈
（4）《建筑设计手册》
（5）《建筑热过程》彦启森 赵庆珠
（6）《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ26-95