LOW-E平板真空玻璃传热性能数值模拟研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 3.76MB 73 页 15积分

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摘要

低辐射（LOW-E）真空玻璃作为一种新型的透明隔热材料以其优良的隔热保

温性能、防结露性能、隔声性能、抗风压性能、耐久性能而得到广泛的关注，真

空玻璃门窗及幕墙的使用已成为节能建筑发展的一种趋势。本文对真空玻璃的传

热性能进行了较全面的分析，文中的研究对真空玻璃的生产设计及实际运用过程

都具有一定的实际指导价值，对我国 LOW-E 真空玻璃的研究和推广也具有一定的

经济价值和社会价值。

本文首先对 LOW-E 真空玻璃传热机理进行了深入的研究，利用自由分子状态

的稀薄气体导热理论及建立的传热数学模型得到真空玻璃真空层气体导热量、边

部传热量及支撑柱导热量，此外，给出了辐射换热量的计算公式，提出了真空玻

璃结构优化的概念。

在理论分析的基础上利用 ANSYS 有限元软件对 LOW-E 真空玻璃传热性能进

行了数值模拟分析，模拟计算出了不同基片玻璃厚度、不同密封边宽度、不同支

撑柱材料及间距及不同保温边框结构的 LOW-E 真空玻璃的传热系数并对模拟计算

结果进行对比分析。结果显示：(1) 随着基片玻璃厚度的增加，小面积 LOW-E 真

空玻璃传热系数近似线性升高，且面积越大，变化越缓慢。(2) 随着密封边宽度的

减小，真空玻璃传热系数近似线性降低，密封边宽度从 12mm 降至 4mm，边长为

0.3m、0.5m 及1.0m 的真空玻璃传热系数分别降低了 23%、21%和20%。(3) 随着

支撑间距的增大及支撑柱导热系数的降低，真空玻璃传热系数降低，且当支撑柱

导热系数处于较大水平时，传热系数降低速率较小。(4) 采用保温窗框结构可以有

效提高真空玻璃的隔热保温效果。窗框宽度越大，真空玻璃传热系数越小，但若

窗框宽度过宽的话，其对真空玻璃传热系数的降低效果并不明显。此外，窗框结

构不会改变真空玻璃中间区域的温度分布。

最后利用 BHR-III 型建筑外门窗保温性能检测设备对模拟结果进行了准确性

实验验证，结果显示实验测量数据与模拟结果偏差 2.8%，较小的偏差可以说明模

拟计算结果准确、可靠。

关键词：真空玻璃隔热传热系数模拟

ABSTRACT

LOW-E vacuum glazing, as a new type transparent insulation, is attracting more

and more attention for its excellent thermal insulation, sound insulation, anti-frosting,

anti-wind pressure performance and durability. The use of vacuum glazing doors,

windows and curtain walls has been a trend of the energy saving buildings. This paper

comprehensively studied the heat transfer performance of LOW-E vacuum glazing. The

study is of certain instructional significance in production design and practical

application of vacuum glazing. Besides, this paper is beneficial for deeper research and

popularization of LOW-E vacuum glazing.

This paper firstly studied the heat transfer mechanism of vacuum glazing. By using

the heat conduction theory of rarefied gas and established mathematical models, the

heat conduction through the rarefied gas, the edge seal and support pillars were

calculated. Besides, the computational formula of radiation was given and the concept

of structural optimization was also presented.

Based on theoretical analysis, the software ANSYS was used to simulate the heat

transfer performance of LOW-E vacuum glazing. The heat transfer coefficients of

LOW-E vacuum glazing with different glass thickness, different width of edge seal,

different materials and separate of support pillars and different types of insulated frames

were obtained by simulation, and the comparative analysis was carried out. The follows

are shown by the results: 1) With the increase of glass thickness, the heat transfer

coefficient of small LOW-E vacuum glazing almost linearly increased and a larger

sample shows a slower increase rate. 2) With the decrease of the width of edge seal, the

heat transfer coefficient almost linearly decreased. As the width of edge seal decrease

from 12mm to 4mm, the heat transfer coefficients of 0.3m×0.3m, 0.5m×0.5m and

1.0m×1.0m LOW-E vacuum glazing reduced by 23%, 21% and 20% respectively. 3)

The heat transfer coefficient of LOW-E vacuum glazing is proportional to the thermal

conductivity of support pillars and inversely proportional to the separate. If the thermal

conductivity of support pillars is at a relatively high value, the influence of thermal

conductivity on the heat transfer coefficient is slight. 4) The use of insulated frame

(particularly extruded polystyrene insulated frame) can efficiently improve the heat

insulation performance of vacuum glazing. But an excess width of insulated frame

brings a little increase of heat transfer coefficient of LOW-E vacuum glazing. Besides,

the use of insulated frame has no influence on the temperature distribution of central

area of LOW-E vacuum glazing.

Finally, the accuracy of simulation results was experimentally verified by using

BHR-III testing equipment. It is found that the experimental results are in good

agreement with the simulation results, with a small deviation of 2.8%, which can

demonstrate the accuracy and reliability of simulation results.

Key Words：

Vacuum glazing, Insulation, Heat Transfer Coefficient,

Simulation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 研究背景 ............................................................................................................. 1

§1.2 真空玻璃简介 .................................................................................................... 1

§1.2.1 真空玻璃结构 .............................................................................................1

§1.2.2 真空玻璃发展史 .........................................................................................2

§1.3 真空玻璃主要性能 ............................................................................................ 6

§1.4 真空玻璃传热性能国内外研究现状 ................................................................. 8

§1.4.1 国外研究现状 .............................................................................................8

§1.4.2 国内研究现状 ...........................................................................................10

§1.5 本文研究主要内容 ........................................................................................... 12

第二章 LOW-E 真空玻璃传热机理分析 .....................................................................13

§2.1 真空间隙内气体对流换热 .............................................................................. 13

§2.2 真空间隙气体的导热 ...................................................................................... 14

§2.2.1 气体导热的分类 ......................................................................................14

§2.2.2 自由分子状态导热量计算 ......................................................................17

§2.3 支撑柱导热量计算 .......................................................................................... 19

§2.4 密封边导热量计算 ........................................................................................... 24

§2.5 辐射换热量计算 ............................................................................................... 28

§2.6 本章小结 ........................................................................................................... 29

第三章 LOW-E 真空玻璃传热性能有限元模拟 .........................................................31

§3.1 有限元方法简介及 ANSYS 在热分析中的应用 ............................................ 31

§3.1.1 有限元方法简介 .......................................................................................31

§3.1.2 ANSYS 在热分析中的应用 .....................................................................32

§3.2 LOW-E 真空玻璃传热性能模拟步骤 ............................................................. 35

§3.3 基片玻璃厚度对真空玻璃传热性能的影响 ................................................... 38

§3.3.1 固定条件下厚度对真空玻璃传热性能的影响 .......................................39

§3.3.2 优化设计后厚度对真空玻璃传热性能的影响 .......................................42

§3.4 密封边宽度对真空玻璃传热性能的影响 ...................................................... 46

§3.5 支撑柱间距及材质对真空玻璃传热性能的影响 .......................................... 48

§3.6 保温窗框对真空玻璃传热性能的影响 .......................................................... 48

§3.7 本章小结 .......................................................................................................... 51

第四章 LOW-E 真空玻璃传热性能模拟准确性验证 .................................................53

§4.1 实验系统原理及构成 ....................................................................................... 53

§4.1.1 试验系统原理 ...........................................................................................53

§4.1.2 试验系统构成 ...........................................................................................54

§4.2 系统主要性能参数指标及试验工况参数的确定 ........................................... 55

§4.2.1 主要性能参数指标 ..................................................................................55

§4.2.2 试验工况参数的确定 ..............................................................................55

§4.3 实验步骤 ........................................................................................................... 56

§4.4 实验传热系数计算 ........................................................................................... 57

§4.5 实验误差分析 .................................................................................................. 58

§4.6 验证结果 .......................................................................................................... 61

§4.7 本章小结 .......................................................................................................... 61

第五章结论与展望 .......................................................................................................61

§5.1 全文结论 .......................................................................................................... 61

§5.2 展望 .................................................................................................................. 62

参考文献 .........................................................................................................................63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67

致谢 ...............................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 研究背景

一直以来，我国的建筑能耗触目惊心，建筑行业已逐渐成为与工业耗能、交

通耗能并列的中国能源消耗的三大“耗能大户”之一。有数据显示，建筑耗能一

般占社会总耗能的 30%[1]，再加上建筑材料生产过程的消耗，在社会总耗能的占比

则达到 46%至47%。

我国建筑面积庞大，同时建筑业仍处在快速发展的水平，公开资料显示，我

国既有建筑近 400 亿平方米，每年新建房屋面积接近 20 亿平方米，预计到 2020

年，总建筑面积将达到 700 亿平方米，但每年新建房屋中，称得上是“节能建筑”

的还不足 1亿平方米，庞大的建筑能耗，已经成为我国国民经济的巨大负担。同

时我国人口众多，人均能源占有量低，严峻的事实已表明，要走可持续发展道路，

建筑节能刻不容缓。

财政部、住房城乡建设部 2011 年5月联合发布了《关于进一步推进公共建筑

节能工作的通知》，首度明确提出了在我国“十二五”期间，争取实现公共建筑

单位面积能耗下降 10%，其中大型公共建筑能耗降低 15%的节能目标，到 2015 年，

重点城市公共建筑单位面积能耗下降 20%以上，其中大型公共建筑单位建筑面积

能耗下降 30%以上。

在整个建筑维护结构能量损失的分布中，通过门窗的能量损失约占 1/3—1/2，

其中通过玻璃的损失又在门窗中占到 75%。每一扇非节能窗玻璃的能耗都相当于

一盏数十瓦的长明灯在长年累月地消耗能量。因此，在现代建筑中采用新型节能

玻璃代替非节能玻璃可以大大降低建筑的能耗，新型节能玻璃门窗也是现代建筑

发展的趋势。

真空玻璃中间含有真空层，可以达到很好的隔热保温效果，用于建筑门窗可

以大量减少维护结构能量损失，降低夏季空调冷负荷及冬季供暖负荷，提供舒适

的室内环境，节能效果非常明显，同时可保证室内的采光，所以利用真空玻璃改

善建筑玻璃门窗的隔热保温性能对建筑节能具有重要的意义，因此真空玻璃传热

性能的研究变得十分重要。

§1.2 真空玻璃简介

§1.2.1 真空玻璃结构

真空玻璃是将两块平板玻璃周边进行熔封，将其中间隔层抽成真空并密封排

气口而成的特种节能玻璃。为使真空玻璃能在真空状态下承受外界大气压而不被

LOW-E 平板真空玻璃传热性能数值模拟研究

破坏，两片平板玻璃中间的间隙内均匀布置微小的支撑柱。通常情况下，真空玻

璃真空间隙层厚度为 0.1-0.3mm，圆柱状支撑柱底面直径为 0.5-1.0mm[2]，支撑柱

间隔应按设计条件选取，一般在 20-50mm 之间。由于支撑柱尺寸微小，所以支撑

柱的存在一般没有凸异感，玻璃透光性能不受影响[3]。若在玻璃内表面镀上一层低

辐射膜组成 LOW-E 低辐射真空玻璃，则可以大大降低玻璃内表面间辐射换热量，

进一步提高真空玻璃隔热保温性能，同时亦可抵挡大部分紫外线，图 1-1 为LOW-E

真空玻璃结构图。

图1-1 LOW-E 真空玻璃结构图

关于支撑柱的形状，目前应用最多的是圆柱状，另外也有方形、椭圆形、格

子状等。支撑柱的材料可以是金属，也可以是非金属，铝合金、不锈钢、铬钢、

镍、碳化钨钢、陶瓷等都可作为支撑柱材料[4]。

由于玻璃板各处厚薄不一，也不一定完全平坦，而支撑柱的高度相同，这样

玻璃平板间隙就会出现大于支撑柱高度的部位，玻璃板就不会对该部位的支撑柱

进行充分的夹持，引起支撑柱的偏移，造成支撑柱受力不均，降低真空玻璃的寿

命。目前主要有两种方法能够解决上述问题：第一是采用能够塑性变形的支撑柱，

这样即使受力不均，支撑柱也会被玻璃板充分夹持，保持在规定位置；另一种方

法是在支撑柱端面涂有低熔点金属或焊接玻璃，通过加热使其固定在玻璃板上，

确保其永久处于规定位置。

§1.2.2 真空玻璃发展史

自1893 年英国物理学家、化学家占姆士杜瓦发明了保温瓶以后，科学家们就

有了一个梦想，运用真空保温瓶原理制造平板真空玻璃，广泛用于建筑玻璃窗，

势必会大幅提高人体舒适性。然而要实现从杜瓦瓶到平板真空玻璃的飞跃绝非易

事，主要有以下难点需要克服[5]：

(1) 要实现真空间隙的超低导热，内部间隙需要抽至 0.1Pa 以下低压。为保证

真空玻璃能够使用几十年之久，两块玻璃基片必须在高温条件下充分放气，以免

使用期内的玻璃放气，造成真空玻璃失效。此外，密封边必须绝对密封，长期有

效杜绝外界气体的渗入，然而理想的封边材料较难找到。

第一章绪论

(2) 封边材料的熔点多在 500℃左右，但大多数透明低辐射膜层在此较高温度

下都会出现性能退化或破坏，合适的低熔点封边工艺较难实现。

(3) 真空玻璃与保温瓶结构不同，每平米要承受 10 吨的大气压力，势必会引

起支撑柱位置应力的集中，同时需要考虑其美观性[6]，因此必须采用微小的高强度

支撑柱，而支撑柱的材料选取、加工及布置无疑是另一个难题。

针对以上问题，科学家们相继进行了大量的探索，实际上早在 1913 年，

Zoller

就首次提出了平板真空玻璃这个概念[7]，并申请了世界上首个关于平板真空玻璃专

利[8]。自首个真空玻璃方面的专利出现以后，各国科学家们相继申请了大量的相关

专利，发表了众多论文。

Kirlin 在1921 年发表的专利[9]

“INSULATING-PANE”中提出在两块玻璃或云

母平板中间布置支撑柱来制造真空隔热玻璃，玻璃边部采用熔融冷却方法进行密

封，此专利另一个特点是在靠近一侧玻璃板的边部采用向外凸起的波形结构，用

来抵消由于温差引起的膨胀和收缩[10]，专利中并未提及具体的支撑柱材质及真空

的获取。

Whattan 和Myers[11]在1947 年发表的专利中全面地阐述了真空平板玻璃的制

造过程，将熔点低于玻璃平板的小圆柱体均匀放置在两块玻璃间隙中，在抽真空

时进行熔化。这样，熔接时平板玻璃中间形成许多分开的小格，专利也提及在玻

璃内表面镀上一层低辐射膜。

Chalons[12]在1976 年的专利中提出了真空管的结构，在抽真空后密封抽气管。

此外还提出真空间隙应尽量小，可用“大理石”做支撑柱。

Falbel 1976[13]的专利提出了带有边框保温的真空保温结构，两块玻璃间隙小于

0.25 英寸，内表面镀银。支撑柱采用 0.56mm×0.56mm 的云母方体，间距为 1.0 英

寸，他还预言支撑柱位置压应力为 200MPa（为云母压缩强度的 1/3），号称传热系

数达 0.3Wm-2K-1。

Hermann 和H Horster[14]在1977 年申请的专利中阐述了一种新型的真空保温结

构，可用于建筑物外墙和屋顶的隔热。图 1-2 为他们设计的保温系统结构图，图中

1为内表面镀有 0.4 微米厚氧化铟膜（结构 2）的真空玻璃管，玻璃管间通过焊接

或粘接紧密地结合在一起，玻璃板 3与玻璃管 1间留有 12mm 宽的间隙，玻璃管

直径 60mm，壁厚 1m，管长 100cm，专利中称此保温结构系统传热系数低于 0.7

Wm-2K-1。由于玻璃管直径较大且玻璃管与玻璃平板间存在间隙，此真空保温系统

视觉畸变严重。

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摘要低辐射（LOW-E）真空玻璃作为一种新型的透明隔热材料以其优良的隔热保温性能、防结露性能、隔声性能、抗风压性能、耐久性能而得到广泛的关注，真空玻璃门窗及幕墙的使用已成为节能建筑发展的一种趋势。本文对真空玻璃的传热性能进行了较全面的分析，文中的研究对真空玻璃的生产设计及实际运用过程都具有一定的实际指导价值，对我国LOW-E真空玻璃的研究和推广也具有一定的经济价值和社会价值。本文首先对LOW-E真空玻璃传热机理进行了深入的研究，利用自由分子状态的稀薄气体导热理论及建立的传热数学模型得到真空玻璃真空层气体导热量、边部传热量及支撑柱导热量，此外，给出了辐射换热量的计算公式，提出了真空玻璃结构优化的...

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