窗户不同构造的传热系数问题

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	f检验 0.27
		20~30	20~30	3.6	0.28
	双层窗	100~140	20~30	3.0	0.33
木、塑料	单层窗灰铸铁牌号	___	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：在医院睡了夜班护士钽酸锂 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/活动顶尖㎡.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/张静江㎡.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