1引言

我国建筑能耗占全社会能耗30％以上[1]，其中50％是通过玻璃窗流失的[2]，因此降低玻璃窗热量损失成为降低建筑能耗的关键。目前，在建筑节能发达国家，以惰性气体作为填充气体的镀膜中空玻璃有着非常高的使用率。中空玻璃传热系数是判断其热工性能的关键指标之一，而传统普通透明中空玻璃传热系数为2.9w/(m2·k)左右，该指标已不能满足我国新的建筑节能标准要求。为了进一步提升中空玻璃的热工性能，通常利用镀膜和填充惰性气体的方式来提高中空玻璃的热工性能[3][5]。常见的惰性气体有氩气、氪气、氙气、六氟化硫。氪气可以用来制作间隔层较小，隔热性能更好的中空玻璃，但其价格较为昂贵。而自然状态下的氙气非常稀少，提纯价格较为昂贵，因而其很少作为中空玻璃的填充气体。六氟化硫在一些要求较高的场所也有使用，且具有很好的隔音效果，但缺点是其露点较高，容易结露。氩气是一种无色、无味、无毒、稳定、低导热的惰性气体，氩气在空气中的含量相对较高，约为0.934％，氩气对太阳能的反应不敏感，它作为填充气体被广泛应用于中空玻璃制品中[4]，但是氩气在中空玻璃中的填充率、填充厚度对其传热性能影响研究至今不是十分明确和清晰，该问题的研究对于建筑节能具有十分重要的实际应用价值。

2实验过程

2.1试样制备

按照GB/T 11944-2012制作中空玻璃[6]，如图1所示，它是由两片玻璃通过金属间隔条支撑，周围由橡胶密封而组成的玻璃+气体层+玻璃的结构件。两层玻璃的组合方案有两种，分别为双白玻（白玻+白玻）、白玻+镀膜玻璃，试样规格为300mm×300mm，玻璃厚度6mm，气体层厚度分别为9mm、12mm、15mm、18mm。

图1中空玻璃结构示意图

2.2氩气填充

为了有效控制和保证中空玻璃试样气体层中的氩气含量，首先要对中空玻璃进行气密性检测。将中空玻璃试样置于水中，然后往中空玻璃气体层中充入50％的过量空气，观察橡胶密封边是否有气体溢出。

气密性检测合格后，利用纯氩气填充与泄压模式来控制氩气填充率，中空玻璃试样中的氩气填充率分别控制在0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、85％、90％、95％、97％。

3中空玻璃传热系数测量[7]

中空玻璃传热系数是指稳态条件下，中空玻璃中央区域（不考虑边缘效应）玻璃两外表面在单位时间、单位温差、单位面积通过的热量，其单位为w/(m2·k)。

本实验使用德国耐驰公司HFM 436导热系数测量仪，根据GB/T22476-2008《中空玻璃稳定状态U值（传热系数）的计算及测定》中规定的热流计测试方法[5]。热流计测试装置示意图见图2所示，它由一个加热单元和一个冷却单元构成，分别位于中空玻璃试样两侧，冷却单元与加热单元的表面尺寸相同。热流计分别位于被测试样或校正试样冷热表面的中央。通过已知热阻的校正试样标定的热流计测量装置，测试其热流密度和温度，然后根据公式（2）计算得到中空玻璃的热阻，再根据公式（1）求得中空玻璃的传热系数。

图2 热流计法测量装置示意图

中空玻璃传热系数U值计算基本公式：

                               (1)

式中 U——中空玻璃传热系数，w/(m2·k)；

     R——中空玻璃的热阻，(m2·k)/w；

     he——外表面换热系数，一般取23w/m2.k；

     hi——内表面换热系数，一般取8 w/m2.k。

中空玻璃热阻可由下式得到：

                                    (2)

(q1+q2)=（Qupper+Qlower）N(t)                                                                                  (3)

式中 T——试样热侧温度，℃；

     T2——试样冷侧温度，℃；

     Qupper——仪器测量平衡时，试样热侧热流量参数；

     Qlower——仪器测量平衡时，试样冷侧热流量参数；

     N(t)——校正因子，仪器测量参数。

4结果与讨论

4.1氩气填充率对同一厚度中空玻璃传热系数的影响

4.1.1氩气填充率对同一厚度普通透明中空玻璃传热系数的影响

从表1实验数据来看，对于同一厚度的普通透明中空玻璃来说，随着氩气填充率的提高，其传热系数逐渐下降。

表1 普通透明中空玻璃在不同氩气填充率和气体层厚度条件下的传热系数（w/(m2·k)）

氩气填充率由0％增加到97％，当气体层厚度为9mm时，其传热系数由2.97w/(m2·k)下降到2.85w/(m2·k)，下降了4.0％；气体层厚度为12mm时，其传热系数由2.92w/(m2·k)下降到2.81w/(m2·k)，下降了3.8％；气体层厚度为15mm时，其传热系数由2.80w/(m2·k)下降到2.72w/(m2·k)，下降了2.9％；气体层厚度为18mm时，其传热系数由2.75w/(m2·k)下降到2.67w/(m2·k)，下降了2.9％。通过上述数据分析可知，随着气体层厚度增加，氩气填充率对转热系数降低幅度减弱，整体趋势呈现线性下降规律，说明氩气填充对传热系数降低有一定贡献，降低幅度在2.9％-4.0％之间，如图3所示。

图3氩气填充率对同一厚度普通透明中空玻璃传热系数的影响

4.1.2氩气填充率对同一厚度镀膜中空玻璃传热系数的影响

从表2实验数据来看，对于同一厚度的镀膜中空玻璃来说，随着氩气填充率的提高，其传热系数逐渐下降。

表2 镀膜中空玻璃在不同氩气填充率和气体层厚度条件下的传热系数（w/(m2·k)）

如图4所示，氩气填充率由0％增加到97％，当气体层厚度为9mm时，其传热系数由1.96w/(m2·k)下降到1.70w/(m2·k)，下降了13.3％；气体层厚度为12mm时，其传热系数由1.78w/(m2·k)下降到1.52w/(m2·k)，下降了14.6％；气体层厚度为15mm时，其传热系数由1.65w/(m2·k)下降到1.40w/(m2·k)，下降了15.2％；气体层厚度为18mm时，其传热系数由1.55w/(m2·k)下降到1.33w/(m2·k)，下降了14.2％。

图4氩气填充率对同一厚度镀膜中空玻璃传热系数的影响

由此可知，相比氩气填充率的变化对普通中空玻璃传热系数的影响，镀膜中空玻璃传热系数因氩气填充率变化而受到的影响更为明显。使用普通透明玻璃制作中空玻璃，玻璃辐射率高，会有大量热量通过玻璃辐射给气体层，导致气体层温度升高，进而将热量传递给另外一层玻璃，最终导致综合传热系数上升，而镀膜中空玻璃通过镀膜玻璃的低辐射方式来降低热量传递，在氩气填充作用下使其低导热系数特性得到进一步发挥[9]。

4.2氩气填充率对不同厚度中空玻璃传热系数的影响

4.2.1氩气填充率对不同厚度普通透明中空玻璃传热系数的影响

从表1实验数据来看，当氩气填充率一定时，随着气体层厚度的增加，普通透明中空玻璃的传热系数逐渐下降。气体层厚度从9mm增加到18mm，当氩气填充率为0％时，其传热系数由2.97w/(m2·k)下降到2.75w/(m2·k)，下降了7.4％；当氩气填充率为50％时，其传热系数由2.91w/(m2·k)下降到2.71w/(m2·k)，下降了6.9％；当氩气填充率为97％时，其传热系数由2.85w/(m2·k)下降到2.67w/(m2·k)，下降了6.3％，随着填充率增加对传热系数降低幅度有所减缓。如图3所示。

图3 氩气填充率对不同厚度普通透明中空玻璃传热系数的影响

从图3可以看出，气体厚度从9mm增加至12mm时，普通透明中空玻璃的传热系数下降平缓；当气体厚度增加至15mm时，传热系数下降相对较快，这说气体明厚度变化对该厚度区间的影响更为明显；而当气体厚度增加至18mm时，传热系数变化又趋于平缓。考虑到气体厚度增加对制造成本提高的影响[10]，普通透明中空玻气体厚度设计为15mm为宜。

4.2.2氩气填充率对不同厚度镀膜中空玻璃传热系数的影响

从表2实验数据来看，当氩气填充率一定时，随着气体层厚度的增加，镀膜中空玻璃的传热系数逐渐下降，并且下降幅度较大。气体层厚度从9mm增加到18mm，当氩气填充率为0％时，其传热系数由1.96w/(m2·k)下降到1.55w/(m2·k)，下降了20.9％；当氩气填充率为50％时，其传热系数由1.85w/(m2·k)下降到1.46w/(m2·k)，下降了21.1％；当氩气填充率为97％时，其传热系数由1.70w/(m2·k)下降到1.33w/(m2·k)，下降了21.8％。在不同厚度镀膜中空玻璃传热系数下降基本属于均衡降低趋势，下降幅度在20.9％-21.8％，说明镀膜玻璃的低辐射特性依然发挥了重要作用，如图4所示。

图4 氩气填充率对不同厚度镀膜中空玻璃传热系数的影响

从图4可知，随着气体层厚度的增加，镀膜中空玻璃的传热系数的下降呈先快后慢的趋势。本实验中空玻璃气体层厚度9-18mm范围内，气体层内的气体处于完全封闭状态。气体层厚度增加有助于提高气体部分热阻，降低能量通过热传导方式实现热量传递，尽管气体层厚度增加将助长的对流传热方式发生，但热对流对传热系数的影响远没有镀膜对传热系数影响大。这也说明了在一定的气体层厚度范围，中空玻璃的这种封闭结构限制了热对流的换热能力[11]。

4.3同一氩气填充率、同一厚度的两种不同中空玻璃传热系数的对比

从表1和表2实验数据来看，对于同一氩气填充率、同一厚度的两种中空玻璃，镀膜中空玻璃的传热系数比普通透明中空玻璃的要低很多。对于气体层厚度为9mm的中空玻璃，当氩气填充量分别为0％、50％、97％时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.97、2.91、2.85w/(m2·k)，镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.96、1.85、1.70w/(m2·k)；对于气体层厚度为12mm的中空玻璃，当氩气填充量分别为0％、50％、97％时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.92、2.87、2.81w/(m2·k)，镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.78、1.66、1.52w/(m2·k)；对于气体层厚度为15mm的中空玻璃，当氩气填充量分别为0％、50％、97％时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.80、2.77、2.72w/(m2·k)，镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.65、1.53、1.40w/(m2·k)；对于气体层厚度为18mm的中空玻璃，当氩气填充量分别为0％、50％、97％时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.95、2.71、2.67w/(m2·k)，镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.55、1.46、1.33w/(m2·k)。如图4.5、4.6、4.7、4.8所示，通过上述数据对比分析，发现氩气与镀膜玻璃的复合对传热系数降低优于氩气与白玻的复合结果。

图4.5不同氩气填充率的9mm厚中空玻璃传热系数 图4.6不同氩气填充率的12mm厚中空玻璃传热系数

图4.7氩气填充率的15mm厚中空玻璃传热系数 图4.8不同氩气填充率的18mm厚中空玻璃传热系数

4.4 相同填充率，不同厚度普通玻璃与镀膜玻璃传热系数影响

从表1和表2实验数据来看，对于同一氩气填充率的中空玻璃，气体厚度增加时，普通透明和镀膜中空玻璃的传热系数均有明显的下降。对于氩气填充量为0％的中空玻璃，当气体层厚度分别为9mm、18mm时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.97、2.75w/(m2·k)，下降了7.4％；镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.96、1.55w/(m2·k)，下降了20.9％。对于氩气填充量为50％的中空玻璃，当气体层厚度分别为9mm、18mm时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.91、2.71w/(m2·k)，下降了6.9％；镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.85、1.46w/(m2·k)，下降了21.1％。对于氩气填充量为80％的中空玻璃，当气体层厚度分别为9mm、18mm时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.88、2.68w/(m2·k)，下降了6.9％；镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.76、1.39w/(m2·k)，下降了21.0％。对于氩气填充量为97％的中空玻璃，当气体层厚度分别为9mm、18mm时，普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.85、2.67w/(m2·k)，下降了6.3％；镀膜中空玻璃的传热系数分别为1.70、1.33w/(m2·k)，下降了21.8％。如图4.9、4.10、4.11、4.12所示。随着气体的厚度增加（9-18mm）传热系数降低，普通白玻降低7％左右，镀膜玻璃降低21％左右，厚度增加导致气体层的热阻增大，有效减小热量传递，另外通过对比，同样说明镀膜对传热系数影响作用较大。

图4.9 0％氩气填充率的不同厚度中空玻璃传热系数 图4.10 50％氩气填充率的不同厚度中空玻璃传热系数

图4.11 80％氩气填充率的不同厚度中空玻璃传热系数图4.12 97％氩气填充率的不同厚度中空玻璃传热系数

5结论

通过对中空玻璃传热系数影响因素分析可知，随着氩气填充率增加，镀膜中空玻璃的传热系数下降幅度大于普通透明中空玻璃，普通玻璃降低约为4％，而镀膜玻璃降低约为14％，氩气填充最大可发挥4％作用。镀膜玻璃的低发射率对降低综合传热系数发挥了重要作用。当气体层厚度增加时，两种中空玻璃的传热系数均有下降，普通白玻降低7％，镀膜玻璃降低21％，同样说明镀膜玻璃对传热系数影响作用较大。镀膜、气体层厚度、氩气填充率对中空玻璃传热系数产生均会产生显著影响，对于改善中空玻璃热工性能而言，可重点采用填充氩气的镀膜中空玻璃，为进一步提高中空玻璃热工性能，可考虑选择较大氩气填充率与增大气体层厚度的方案。