中空玻璃的热工性能研究及其在住宅建筑上适用性分析

论文摘要

长江流域地区的建筑气候特征十分复杂,夏季气候炎热,冬季阴冷,突出表现在夏季时间长,太阳辐射强度大。该地区的窗户节能应侧重在夏季隔热上,兼顾冬季保温。由于《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2001）对住宅建筑窗户的传热系数提出了更严格的标准,因此要求新建住宅建筑上推广使用节能玻璃窗。中空玻璃具有良好的保温隔热、降低冷辐射和不结露等性能,将替代双玻窗成为住宅上首先考虑选用的节能产品。论文主要研究中空玻璃的热工性能,着重通过传热系数这一节能指标来研究中空玻璃的最佳空气夹层厚度。论文首先分析了中空玻璃的节能原理,提出了影响中空玻璃节能性能的主要因素,包括原片玻璃、空气夹层的厚度与气体种类,室内外的环境条件等。对中空玻璃的热工计算进行分析,尤其是对空气夹层的传热热阻进行计算。在理论分析的基础上,论文采用数值模拟方法对中空玻璃空气夹层内的自然对流换热进行分析。采用常壁温边界条件对不同的中空玻璃结构和壁面温度条件进行模拟。模拟结果表明,空气夹层内自然对流换热的主要影响因素包括夹层内的气体种类、夹层的相对厚度δ/ H和夹层冷热壁面温差ΔT ,其中夹层厚度对对流换热的影响最大。辐射换热是中空玻璃主要的传热形式,导热和对流所占比例较小。对空气夹层来说,辐射换热量是一常数,空气夹层的最佳厚度即是是对流换热量达到最小的厚度。并对空气夹层内的温度场、速度场和压力场进行了分析,发现空气夹层内的对流微弱,可以把传热过程近似看成纯导热。由模拟结果计算中空玻璃的传热系数K,与玻璃热工计算的成熟软件的计算数据比较吻合。然后以长江流域地区的七个主要城市为代表,模拟计算了各城市的中空玻璃最佳空气夹层厚度。为了验证模拟结果的可靠性,论文采用了正交试验。对空气夹层厚度、高度以及冷热壁面温度3大因素进行正交试验设计。实验采用热水箱法,通过实验测量空气夹层的热流量Q、热壁面温度t H和冷壁面温度t C以及空气夹层壁面积A,以公式Q = hs（tH - tC）A计算空气夹层的当量换热系数。由于实验装置的散热损失较大,实验结果与模拟结果在空气夹层传热系数值上相差较大,但是对空气夹层最佳厚度的确定仍具有指导意义。论文最后分析了中空玻璃在建筑上的适用性,对住宅建筑使用中空玻璃和其他玻璃的能耗进行对比分析,中空玻璃对减少建筑能耗具有明显的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的与意义
• 1.2 论文研究的背景
• 1.2.1 国内外住宅节能研究对比
• 1.2.2 国外住宅窗户节能研究现状
• 1.2.3 我国住宅窗户节能研究现状
• 1.3 国内外本课题的研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外有关中空玻璃传热的研究
• 1.4 论文结构与论文框架
• 1.4.1 调研
• 1.4.2 理论研究
• 1.4.3 实验研究
• 1.5 本章小结
• 2 中空玻璃的节能概述
• 2.1 中空玻璃的构成和种类
• 2.1.1 中空玻璃的构成
• 2.1.2 中空玻璃的种类
• 2.2 中空玻璃的节能原理
• 2.2.1 中空玻璃保温隔热原理
• 2.2.2 中空玻璃防结露、降低冷辐射性能
• 2.3 中空玻璃的节能性指标
• 2.3.1 中空玻璃的K 值
• 2.3.2 遮阳系数Sc
• 2.4 中空玻璃的节能特性影响因素
• 2.4.1 原片玻璃的选择
• 2.4.2 镀膜面位置对中空玻璃的影响
• 2.4.3 气体夹层
• 2.4.4 中空玻璃的安装角度
• 2.4.5 室外风速的变化
• 2.4.6 采用不同标准的变化
• 2.5 本章小结
• 3 中空玻璃热工性能计算方法
• 3.1 中空玻璃传热系数计算方法
• 3.2 中空玻璃空气夹层的传热分析
• a'>3.2.1 空气夹层当量导热换热系数h_a
• c'>3.2.2 空气夹层当量对流换热系数h_c
• r'>3.2.3 空气夹层当量辐射换热系数h_r
• 3.2.4 空气夹层的热阻分析
• 3.3 本章小结
• 4 中空玻璃空气夹层的数值模拟
• 4.1 封闭空腔内的自然对流常用研究方法简介
• 4.2 CFD 模拟基本知识
• 4.2.1 CFD 简介
• 4.2.2 FLUNET 软件的介绍
• 4.3 FLUENT 数值模拟
• 4.3.1 物理模型与控制方程
• 4.3.2 数值模拟结果分析
• 4.3.3 空气夹层传热按纯导热计算结果分析
• 4.3.4 数值模拟结果与按纯导热计算结果的对比分析
• 4.3.5 温度场
• 4.3.6 速度场
• 4.3.7 压力场
• 4.3.8 中空玻璃传热系数K 计算比较
• 4.4 FLUENT 模拟长江流域主要城市的中空玻璃最佳厚度
• 4.5 本章小结
• 5 空气夹层传热阻的实验验证
• 5.1 正交试验原理与方案设计
• 5.1.1 正交试验法简介
• 5.1.2 试验原理及主要实验设备与材料
• 5.2 实验数据处理
• 5.2.1 空气夹层热流量的计算
• 5.2.2 最优方案确定
• 5.2.3 显著性分析
• 5.3 实验结果与模拟结果对比分析
• 5.3.1 模拟结果分析
• 5.3.2 实验结果与模拟结果的对比分析
• 5.4 本章小结
• 6 中空玻璃在住宅建筑上的适用性
• 6.1 长江流域地区的建筑
• 6.1.1 建筑气候特点
• 6.1.2 建筑围护结构外窗的热工性能
• 6.2 中空玻璃的节能特性
• 6.3 WINDOW5.2 计算中空玻璃传热系数
• 6.3.1 确定合理的中空玻璃空气夹层厚度
• 6.3.2 确定合理的中空玻璃惰性气体夹层厚度
• 6.4 长江流域几大主要城市的中空玻璃传热系数计算
• 6.5 中空玻璃的节能效果分析
• 6.5.1 建筑物模型
• 6.5.2 窗玻璃热工性能对建筑能耗的影响
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录