窗户传热系数的简化计算方法
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保温材料与建筑节能 !"#$%&’()" *&’+,(&%# &"- .$(%-("/ 0"+,/1 2&3("/
窗户传热系数的简化计算方法
董子忠 # ， 许永光 $ ， 陈启高 # ， 温永玲 #
% #& 重庆大学 ’ 区建筑技术科学研究所， 重庆市 重庆市 $& 重庆市建设技术发展中心， !"""#) * !(""!)；
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式中 # 07 、 对流、 传导三种 # 08、 # 0!分别代表玻璃间层中辐射、 热传递方式的传热系数。 双玻之间的辐射换热可以近似为相距很近的两块无限 大平行板之间的长波辐射换热： # 07 & $ &" % & & ’ " ’% ’ % ’% % 〔 〕:〔 （ "） 〕 /（ ） / " " "&& "&& "&& "&& / *" #" #% （;）
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关键词： 传热系数； 热绝缘系数； 玻璃系统； 铝合金窗 0 . 123 窗；
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量具有决定意义， 要降低这部分的热量流动， 就要求窗户有 尽可能大的热绝缘系数或尽可能小的传热系数。窗户由框 扇材料与玻璃系统组成， 若假定玻璃及框扇的传热为严格的 并联关系， 则窗户的总热绝缘系数 ! 为： " " .# # （ F M B） 〕 （#） " F M " B ! F" NB" （指所考虑对象 式中： ! F" . 玻璃系统对应的总热绝缘系数 〔 !L 内侧空气至外侧空气的热绝缘系数） ； （指所考虑对象内侧 ! B" . 框扇所对应的总热绝缘系数 空气至外侧空气的热绝缘系数） ； " F . 玻璃的面积； " B . 窗框的面积。 如果已知框扇所占的面积比率! B： "B BL ! "F M "B 以所对应的传热系数 # 值来表示， 得到简单又实用的 关系式： （ # L # F M! B # B . # F） 式中：# F . 玻璃的传热系数； # B . 窗框的传热系数。 显然， 要使窗户有较小的传热系数， 窗玻璃与窗框的传 热系数越小越好； 当窗框的传热系数较大时， 其所占面积越 （$）
在厚度为 "& << 左右的平行间隙中， 在建筑中常见的 边界温差下， 空气对流受到很大制约， 玻璃之间对流换热微
［%］ 乎其微， 可以近似为零 ， 即：
# 08!& 间层中空气导热项为：
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"& （"&） ( 按美国 =>?@=+ 夏季标准条件 （室外温度 5% A ， 室内 温度 %! A ） 作为环境温度计算依据， 空气层热绝缘系数的计
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（ #） 对于 ( CC 普通玻璃， 取玻璃导热系数为 " & QO S T （C ・U） ， 表面热辐射率 （ 为 " & V!， 得其热绝缘系数为 " & #O$ #） 传热系数为 O & #Q S（ ； C$・U T S， T C$・U） （$） 对于 ( CC 厚辐射率为 " & ") 的 +,- . / 单玻， 当镀 层设在外侧时， 热绝缘系数为 " & #Q( C$・U T S， 传热系数为 $ ； ) & QV S（ T C ・U） （(） 当 +,- . / 玻璃的镀层设在室内侧时， 玻璃的热绝 缘系数为 " & ("( C$・U T S，传热系数为 ( & (" S（ ； T C$・U） （!） 当玻璃内外侧均有辐射率为 " & ") 的镀层时， 其热绝 缘系数为 " & (#) C$・U T S，传热系数为 ( & #Q S（ 。 T C$・U）
两层以上玻璃的情况在国内用得不多， 不再举例计算。 "#! 双玻系统的边缘 前面所涉及的都是处于玻璃系统中心的热绝缘系数与传热 系数， 在玻璃系统边缘处， 制作双玻使用的间隔条或其它密封材 料会形成热桥， 都将在不同程度上影响玻璃系统的整体传热系 数。但由于玻璃系统的边缘正好是其与窗框、 窗扇的衔接处， 作 为近似处理， 可以在玻璃系统与框扇组合时一并加以考虑。 "#$ 常见玻璃系统的传热系数 按照前述计算方法， 可以得出常见玻璃系统的热绝缘系 数及传热系数， 如表 % 所示。表中数据与美国 &’()&* 所提
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窗户传热系数的构成
窗户总热绝缘系数的大小对因室内外温差引起的热流
小越好； 当窗框传热系数较小时， 随着其面积比率的增大， 窗 户传热系数有减小的趋势。
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玻璃系统的传热
单玻的热绝缘系数 单层玻璃的热绝缘系数是玻璃本身的传导热绝缘系数
及内外表面换热热绝缘系数的总和 ! " ： # $ # M M !: " !6 式中： !: . 玻璃外表面换热系数； !6 . 玻璃内表面换热系数； !" L （(）
$ . 玻璃厚度； " . 玻璃导热系数。 ［#］ 炎热环境下内外表面换热系数可以按下式计算 ：
# 0!算式为：
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新型建筑材料
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保温材料与建筑节能 !"#$%&’()" *&’+,(&%# &"- .$(%-("/ 0"+,/1 2&3("/
摘要： 立足于实际应用， 系统地论述了有关窗户传热系数的计算， 目的在于得出简单、 准确的计算方法。 玻璃占窗户面积的绝
框扇材料对窗户保温性能的影响， 文中提出了针对铝合 大部分， 讨论了从普通单玻到充氩气 +,- . / 中空玻璃的热绝缘系数计算； 金、 塑钢、 热断桥型铝合金框扇传热的计算方法。 与实测数据相对比， 文中的计算具有足够的精确性。 计算显示， 如果采用同样的玻璃 系统， 热断桥型铝合金窗也具有很低的传热系数； 玻璃系统的选择是提高窗户保温性能的关键措 0 . 123 窗具有最佳的保温性能， 施， 广泛采用双玻系统对我国现阶段的门窗节能具有现实意义。 与双玻搭配后， 普通铝合金窗的热工性能有很大程度提高， 对于冬冷 夏热及冬暖夏热地区， 是目前非常合适的窗户形式。
求得玻璃系统总热绝缘系数 ! & ! 012 - & , "4% <%・B $ C， 。 & , 5"; <%・B $ C， ) 值为 5 , "! C（ $ <%・B） （%）当有一个界面是辐射率# 为 & , &4 的 ’() * + 镀膜 时， 求得 ! 012 - & , !"" <%・B $ C； ! & - & , 499 <%・B $ C， )值 。 为 " , 95 C（ $ <%・B） （5） 当两个界面均为 ’() * + 镀膜时， ! 012 - & , !59 <%・ 。 B $ C； ! & - & , 6&5 <%・B $ C， ) 值为 " , 66 C（ $ <%・B） 在普通双玻组成的空气间层中， 传热以热辐射为主； 当 间层有一个界面使用 ’() * + 镀层使辐射传热得以扼制时， 间层热绝缘系数可以提高 " 倍以上， 此时空气的热传导成为 最主要的传热方式。在此情况下即使把辐射传热降为零， 该 所以在 空气间层的热绝缘系数也不会高于 & , !6# <%・B $ C， 另一界面再增设 ’() * + 镀膜并不能显著提高间层热绝缘 系数。 要进一步增大间层热绝缘系数， 必须降低间层中的气体 传导热流。 随着双层玻璃 （中空玻璃） 制作技术， 尤其是密封技术的 提高， 玻璃间层中可以充以粘度系数更大、 导热系数更小的 惰性气体以减小气体传热。氩气、 氪气是目前常用来代替空 气作为填充气体制造中空玻璃。由于氩气成本低廉， 目前用 得最为普遍。氪气的导热系数很低， 特别适合用来构造薄型 玻璃系统。 （!） 当间层有一个界面是 # - & , &4 的镀层时， 充氩气 （ 4 / # / 5） 的 间 层 热 绝 缘 系 数 ! 012 ’() * + 中 空 玻 璃 ) 值为 " , 44 C（ $ <% & , !;" <%・B $ C；! & - & , 6!9 <%・B $ C， ・B） 。 （4） 对于充氪气的 ’() * + 中空玻璃 （ 4 / 4 / 5） ， ! 012 ! & - & , 69 <%・B $ C， ) 值为 " , !# C（ $ <%・ & , 4&! <%・B $ C； 。 B） （6） 填充氪气的三玻系统 （ 5 / 4 / % / 4 / 5） ， 如果第二、 三层为# - & , &4 的 ’() * + 玻璃， 其总热绝缘系数高达 " , "9 % % ， 与同样尺度的普通中空 < ・B $ C， ) 值为 & , ;4 C（ $ < ・B） 玻璃相比较， 热绝缘系数提高了 % 倍。 要降低空气传导或对流带来的热损失， 彻底的办法是把 双玻之间的空气全部排空变成真空， 即形成真空玻璃。但是 真空玻璃的大面积普及还有待时日。 %,5 多层玻璃系统的热绝缘系数 由多层玻璃组成的系统， 其热绝缘系数为多个空气间 层、 多层玻璃及内、 外表面换热热绝缘系数的总和： " " " （ <） "D / / "! 012 / " !. " !3 （ <） 式中 ! 为第 个间层的热绝缘系数。 < 012 !& （"%）
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采用 ’() * + 镀膜可以大幅度降低玻璃表面的辐射传 热， 但如果排列位置不当， 也不能有效地提高热绝缘系数。 一般情况下， 辐射传热总是与对流传热同时存在， ’() * + 镀层应选择安置在对流传热较小的位置。 单层玻璃室内侧设置 ’() * + 镀膜后， 几乎使热绝缘系 数提高 " 倍； 当 ’() * + 镀膜设在外侧时， 热绝缘系数值提 高甚小， 其效果被占主导地位的对流传热湮没； 两侧均设 ’() 热绝缘系数提高并不大。 * + 镀膜与仅在室内设置相比较， % , % 双玻的热绝缘系数 由两层玻璃组成的系统， 其热绝缘系数 ! & 为： "" "% " " （4） !& / / ! 012 / / !. " " !3 应置于对流传热较小 由前所述， 如果有 ’() * + 镀膜， 的位置， 即作为空气间层的某一界面， 玻璃系统的室内、 室外 侧一般均为普通玻璃界面。对于 （4 / "% / 5） 双玻系统， 考虑 玻璃导热及内外表面换热热绝缘系数后， （4） 式变为： ! & - ! 012 / & , "66 空气间层热绝缘系数 ! 012的计算如下： " - # 07 / # 08 / # 0! ! 012 （9） （6）
窗户传热系数的简化计算方法
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式中 # 07 、 对流、 传导三种 # 08、 # 0!分别代表玻璃间层中辐射、 热传递方式的传热系数。 双玻之间的辐射换热可以近似为相距很近的两块无限 大平行板之间的长波辐射换热： # 07 & $ &" % & & ’ " ’% ’ % ’% % 〔 〕:〔 （ "） 〕 /（ ） / " " "&& "&& "&& "&& / *" #" #% （;）
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关键词： 传热系数； 热绝缘系数； 玻璃系统； 铝合金窗 0 . 123 窗；
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量具有决定意义， 要降低这部分的热量流动， 就要求窗户有 尽可能大的热绝缘系数或尽可能小的传热系数。窗户由框 扇材料与玻璃系统组成， 若假定玻璃及框扇的传热为严格的 并联关系， 则窗户的总热绝缘系数 ! 为： " " .# # （ F M B） 〕 （#） " F M " B ! F" NB" （指所考虑对象 式中： ! F" . 玻璃系统对应的总热绝缘系数 〔 !L 内侧空气至外侧空气的热绝缘系数） ； （指所考虑对象内侧 ! B" . 框扇所对应的总热绝缘系数 空气至外侧空气的热绝缘系数） ； " F . 玻璃的面积； " B . 窗框的面积。 如果已知框扇所占的面积比率! B： "B BL ! "F M "B 以所对应的传热系数 # 值来表示， 得到简单又实用的 关系式： （ # L # F M! B # B . # F） 式中：# F . 玻璃的传热系数； # B . 窗框的传热系数。 显然， 要使窗户有较小的传热系数， 窗玻璃与窗框的传 热系数越小越好； 当窗框的传热系数较大时， 其所占面积越 （$）
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（ #） 对于 ( CC 普通玻璃， 取玻璃导热系数为 " & QO S T （C ・U） ， 表面热辐射率 （ 为 " & V!， 得其热绝缘系数为 " & #O$ #） 传热系数为 O & #Q S（ ； C$・U T S， T C$・U） （$） 对于 ( CC 厚辐射率为 " & ") 的 +,- . / 单玻， 当镀 层设在外侧时， 热绝缘系数为 " & #Q( C$・U T S， 传热系数为 $ ； ) & QV S（ T C ・U） （(） 当 +,- . / 玻璃的镀层设在室内侧时， 玻璃的热绝 缘系数为 " & ("( C$・U T S，传热系数为 ( & (" S（ ； T C$・U） （!） 当玻璃内外侧均有辐射率为 " & ") 的镀层时， 其热绝 缘系数为 " & (#) C$・U T S，传热系数为 ( & #Q S（ 。 T C$・U）
两层以上玻璃的情况在国内用得不多， 不再举例计算。 "#! 双玻系统的边缘 前面所涉及的都是处于玻璃系统中心的热绝缘系数与传热 系数， 在玻璃系统边缘处， 制作双玻使用的间隔条或其它密封材 料会形成热桥， 都将在不同程度上影响玻璃系统的整体传热系 数。但由于玻璃系统的边缘正好是其与窗框、 窗扇的衔接处， 作 为近似处理， 可以在玻璃系统与框扇组合时一并加以考虑。 "#$ 常见玻璃系统的传热系数 按照前述计算方法， 可以得出常见玻璃系统的热绝缘系 数及传热系数， 如表 % 所示。表中数据与美国 &’()&* 所提
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窗户传热系数的构成
窗户总热绝缘系数的大小对因室内外温差引起的热流
小越好； 当窗框传热系数较小时， 随着其面积比率的增大， 窗 户传热系数有减小的趋势。
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玻璃系统的传热
单玻的热绝缘系数 单层玻璃的热绝缘系数是玻璃本身的传导热绝缘系数
及内外表面换热热绝缘系数的总和 ! " ： # $ # M M !: " !6 式中： !: . 玻璃外表面换热系数； !6 . 玻璃内表面换热系数； !" L （(）
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框扇材料对窗户保温性能的影响， 文中提出了针对铝合 大部分， 讨论了从普通单玻到充氩气 +,- . / 中空玻璃的热绝缘系数计算； 金、 塑钢、 热断桥型铝合金框扇传热的计算方法。 与实测数据相对比， 文中的计算具有足够的精确性。 计算显示， 如果采用同样的玻璃 系统， 热断桥型铝合金窗也具有很低的传热系数； 玻璃系统的选择是提高窗户保温性能的关键措 0 . 123 窗具有最佳的保温性能， 施， 广泛采用双玻系统对我国现阶段的门窗节能具有现实意义。 与双玻搭配后， 普通铝合金窗的热工性能有很大程度提高， 对于冬冷 夏热及冬暖夏热地区， 是目前非常合适的窗户形式。
求得玻璃系统总热绝缘系数 ! & ! 012 - & , "4% <%・B $ C， 。 & , 5"; <%・B $ C， ) 值为 5 , "! C（ $ <%・B） （%）当有一个界面是辐射率# 为 & , &4 的 ’() * + 镀膜 时， 求得 ! 012 - & , !"" <%・B $ C； ! & - & , 499 <%・B $ C， )值 。 为 " , 95 C（ $ <%・B） （5） 当两个界面均为 ’() * + 镀膜时， ! 012 - & , !59 <%・ 。 B $ C； ! & - & , 6&5 <%・B $ C， ) 值为 " , 66 C（ $ <%・B） 在普通双玻组成的空气间层中， 传热以热辐射为主； 当 间层有一个界面使用 ’() * + 镀层使辐射传热得以扼制时， 间层热绝缘系数可以提高 " 倍以上， 此时空气的热传导成为 最主要的传热方式。在此情况下即使把辐射传热降为零， 该 所以在 空气间层的热绝缘系数也不会高于 & , !6# <%・B $ C， 另一界面再增设 ’() * + 镀膜并不能显著提高间层热绝缘 系数。 要进一步增大间层热绝缘系数， 必须降低间层中的气体 传导热流。 随着双层玻璃 （中空玻璃） 制作技术， 尤其是密封技术的 提高， 玻璃间层中可以充以粘度系数更大、 导热系数更小的 惰性气体以减小气体传热。氩气、 氪气是目前常用来代替空 气作为填充气体制造中空玻璃。由于氩气成本低廉， 目前用 得最为普遍。氪气的导热系数很低， 特别适合用来构造薄型 玻璃系统。 （!） 当间层有一个界面是 # - & , &4 的镀层时， 充氩气 （ 4 / # / 5） 的 间 层 热 绝 缘 系 数 ! 012 ’() * + 中 空 玻 璃 ) 值为 " , 44 C（ $ <% & , !;" <%・B $ C；! & - & , 6!9 <%・B $ C， ・B） 。 （4） 对于充氪气的 ’() * + 中空玻璃 （ 4 / 4 / 5） ， ! 012 ! & - & , 69 <%・B $ C， ) 值为 " , !# C（ $ <%・ & , 4&! <%・B $ C； 。 B） （6） 填充氪气的三玻系统 （ 5 / 4 / % / 4 / 5） ， 如果第二、 三层为# - & , &4 的 ’() * + 玻璃， 其总热绝缘系数高达 " , "9 % % ， 与同样尺度的普通中空 < ・B $ C， ) 值为 & , ;4 C（ $ < ・B） 玻璃相比较， 热绝缘系数提高了 % 倍。 要降低空气传导或对流带来的热损失， 彻底的办法是把 双玻之间的空气全部排空变成真空， 即形成真空玻璃。但是 真空玻璃的大面积普及还有待时日。 %,5 多层玻璃系统的热绝缘系数 由多层玻璃组成的系统， 其热绝缘系数为多个空气间 层、 多层玻璃及内、 外表面换热热绝缘系数的总和： " " " （ <） "D / / "! 012 / " !. " !3 （ <） 式中 ! 为第 个间层的热绝缘系数。 < 012 !& （"%）
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采用 ’() * + 镀膜可以大幅度降低玻璃表面的辐射传 热， 但如果排列位置不当， 也不能有效地提高热绝缘系数。 一般情况下， 辐射传热总是与对流传热同时存在， ’() * + 镀层应选择安置在对流传热较小的位置。 单层玻璃室内侧设置 ’() * + 镀膜后， 几乎使热绝缘系 数提高 " 倍； 当 ’() * + 镀膜设在外侧时， 热绝缘系数值提 高甚小， 其效果被占主导地位的对流传热湮没； 两侧均设 ’() 热绝缘系数提高并不大。 * + 镀膜与仅在室内设置相比较， % , % 双玻的热绝缘系数 由两层玻璃组成的系统， 其热绝缘系数 ! & 为： "" "% " " （4） !& / / ! 012 / / !. " " !3 应置于对流传热较小 由前所述， 如果有 ’() * + 镀膜， 的位置， 即作为空气间层的某一界面， 玻璃系统的室内、 室外 侧一般均为普通玻璃界面。对于 （4 / "% / 5） 双玻系统， 考虑 玻璃导热及内外表面换热热绝缘系数后， （4） 式变为： ! & - ! 012 / & , "66 空气间层热绝缘系数 ! 012的计算如下： " - # 07 / # 08 / # 0! ! 012 （9） （6）