摘要：本文通過(guò)理論計(jì)算、有限元模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了不同封邊材料及封邊寬度對(duì)真空玻璃邊部傳熱性能的影響。結(jié)果表明：封邊寬度相同時(shí)，低玻粉和金屬材料封邊部分的傳熱系數(shù)基本一致。然而，封邊寬度變化對(duì)真空玻璃整體傳熱性能影響較大。對(duì)封邊寬度為8 mm和14 mm的真空玻璃70系列斷橋鋁整窗進(jìn)行傳熱系數(shù)模擬，封邊寬度8 mm的真空玻璃整窗傳熱系數(shù)比封邊寬度14 mm的真空玻璃整窗傳熱系數(shù)低0.1 W/(m2·K)，即封邊較窄的真空玻璃整窗保溫性能更好。

關(guān)鍵詞：真空玻璃；封邊材料；邊部傳熱；線傳熱系數(shù)；傳熱系數(shù)。

作者簡(jiǎn)介：葉闖帥（1989-），本科，主要從事門(mén)窗及真空玻璃的開(kāi)發(fā)及研究。

引言

2020年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上向國(guó)際社會(huì)作出“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”的鄭重承諾[1]，建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要部分，其中玻璃門(mén)窗的能耗占到了建筑能耗的40%左右。真空玻璃作為新一代節(jié)能玻璃，具有保溫性能更高，隔聲性能更好的特性，已在越來(lái)越多的建筑工程及家電項(xiàng)目上應(yīng)用。

真空玻璃經(jīng)過(guò)幾代技術(shù)的革新，到2023年我國(guó)的真空玻璃廠家達(dá)到十多家，每個(gè)廠家的工藝路線均有較大的差異，如洛陽(yáng)蘭迪和福建賽特等采用金屬工藝封邊，天津新立基和山東沃卡姆采用低熔點(diǎn)玻璃粉封接工藝，封邊寬度有8 mm、14 mm等，不一而足。在真空玻璃傳熱性能的研究中，劉甜甜等[2]分析了真空玻璃搭配不同型材的線傳熱系數(shù)，許威[3]研究了影響真空玻璃傳熱系數(shù)的主要因素。然而在真空玻璃傳熱性能的研究中，封邊材料及封邊寬度對(duì)真空玻璃傳熱性能的影響很少報(bào)道，封邊材料及封邊寬度對(duì)真空玻璃傳熱性能的影響亟需研究。

1    不同封邊材料的真空玻璃傳熱性能探究

目前市面上真空玻璃封接材料主要有兩種：錫合金金屬焊料及低熔點(diǎn)玻璃粉。根據(jù)測(cè)算中空玻璃U值的方法[4]可知:

(1)

式中：R——玻璃熱阻，（m2·K）/W；

he——室外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

hi——室內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

按照GB/T 22476規(guī)定，he取23.0 W/(m2·K)，hi取8.0 W/(m2·K).

真空玻璃焊接后邊部連接成為一體，要計(jì)算真空玻璃邊部的傳熱系數(shù)，可以假設(shè)真空玻璃的整個(gè)版面都是由兩塊玻璃通過(guò)焊料焊接而成，封邊寬度無(wú)限大。根據(jù)上述假設(shè)，由式（1）可知，真空玻璃焊接部分的傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：

 (2)

因?yàn)檎婵詹Ａн叢渴呛附雍缶o密結(jié)合為一體的，所以：

(3)

其中：

(4)

(5)

將式（3）（4）（5）帶入（2）可得：

(6)

目前市面上金屬封邊的真空玻璃封接厚度一般為0.3 mm，低玻粉封邊的真空玻璃封接層厚度為0.2 mm。選取兩塊規(guī)格分別為5T+0.3V（金屬焊接）+5T及5T+0.2V（低玻粉焊接）+5T的真空玻璃進(jìn)行計(jì)算，即d玻=10 mm，d低玻粉=0.2 mm，d金屬焊料=0.3 mm，將數(shù)據(jù)帶入式（6）計(jì)算可得：

由上可知，金屬封邊及低玻粉封邊的真空玻璃邊部傳熱系數(shù)差異僅為0.0061W/(m2·K)，差距極小。結(jié)合實(shí)際使用情況，封邊部分只占真空玻璃版面的一小部分，在封接寬度一樣時(shí)，兩種封邊材料的差異對(duì)真空玻璃整體傳熱性能的影響可以忽略不計(jì)。

2    不同封邊寬度的真空玻璃傳熱性能探究

2.1    不同封邊寬度的真空玻璃傳熱性能建模分析

目前市面上的金屬封接的真空玻璃封接寬度一般為6~10 mm，低玻粉封接的真空玻璃封接寬度一般為12~16 mm。采用有限元軟件對(duì)真空玻璃進(jìn)行熱傳導(dǎo)有限元模擬，建立兩組真空玻璃模型：尺寸300×300 mm，配置為5T+0.3V+5T，支撐物直徑0.7 mm，支撐物間距55 mm，支撐物距離玻璃邊部40 mm，矩形排列，封邊材料一致，僅改變封邊寬度，其中一組真空玻璃封邊內(nèi)邊緣距離玻璃邊部距離為8 mm，另一組真空玻璃封接內(nèi)邊緣距離玻璃邊部距離為14 mm。兩組玻璃邊界條件設(shè)定一致：熱側(cè)環(huán)境溫度設(shè)定為60 ℃，冷側(cè)環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃。建模真空玻璃及測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖見(jiàn)圖1，測(cè)溫點(diǎn)位于冷側(cè)，1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿10 mm，2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿20 mm，3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿30 mm，以此類(lèi)推，6號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距離玻璃邊沿60 mm，7號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距離玻璃邊沿150 mm。根據(jù)兩組真空玻璃建模得出模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，距邊沿相同距離的同一測(cè)溫點(diǎn)，封邊較寬的真空玻璃冷側(cè)邊沿及中心溫度均比封邊較窄的真空玻璃高，溫差接近4 ℃，到中心位置的7號(hào)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，兩組真空玻璃溫差才趨于接近，但仍有約0.3 ℃的溫差。該模擬說(shuō)明封邊寬度對(duì)真空玻璃邊部傳熱的影響很大，封邊越窄，真空玻璃邊部保溫性能越好。

2.2    不同封邊寬度的真空玻璃傳熱性能試驗(yàn)分析

2.2.1    試驗(yàn)方法及裝置

選取兩種不同封邊的300×300mm真空玻璃進(jìn)行實(shí)測(cè)，其中一組為低玻粉封邊真空玻璃，封接內(nèi)邊緣距離真空玻璃邊部16 mm，其中有效封邊寬度12 mm，封接部分外邊緣留白4 mm；另一組為金屬封邊真空玻璃，封接內(nèi)邊緣距離真空玻璃邊部9 mm，其中有效封邊寬度8 mm，封接部分外邊緣留白1 mm。真空玻璃樣品見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

真空玻璃放在加熱爐上方，周邊加保溫板，加熱爐內(nèi)控制溫度在60 ℃，外側(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度保持在20 ℃，測(cè)溫點(diǎn)位于冷側(cè)，測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖見(jiàn)圖4。1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿10 mm，2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿20 mm，3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距玻璃邊沿30 mm，以此類(lèi)推，6號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距離玻璃邊沿60 mm，7號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距離玻璃邊沿150 mm，位于玻璃中心位置。測(cè)溫點(diǎn)溫度通過(guò)觸摸屏PLC的溫度采集控制系統(tǒng)進(jìn)行收集。

2.2.2    實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將兩組不同封邊的真空玻璃分別放在加熱爐上，保持爐內(nèi)60 ℃，實(shí)驗(yàn)室室溫20 ℃，待玻璃表面溫度平衡后記錄各測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，距邊沿相同距離的同一測(cè)溫點(diǎn)，封邊較寬的低玻粉真空玻璃冷側(cè)邊沿及中心溫度均比封邊較窄的金屬封邊真空玻璃高，溫差3.6 ℃，到中心位置的7號(hào)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，兩組真空玻璃溫差才趨于接近，但仍有1.5 ℃的溫差；在金屬導(dǎo)熱率比低溫玻璃粉高的情況下，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明封邊寬度對(duì)真空玻璃邊部傳熱的影響很大，封邊越窄，真空玻璃保溫性能越好。

3    不同封邊的真空玻璃整窗傳熱性能研究

3.1    窗傳熱系數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及方法

門(mén)窗幕墻的傳熱系數(shù)計(jì)算通常有兩種，一種方法是歐美國(guó)家常用的NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系，該標(biāo)準(zhǔn)采用的是ISO15099：2003的替代方法，即玻璃邊緣區(qū)域計(jì)算理論。該理論計(jì)算整窗傳熱時(shí)將玻璃中心區(qū)域、玻璃邊緣區(qū)域、框及框邊緣區(qū)域進(jìn)行加權(quán)平均。計(jì)算方法如下[5]：

（7）

另一種是我國(guó)通常采用的ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系，將門(mén)窗或幕墻邊緣與框接縫處的附加傳熱用線傳熱系數(shù)表示。整窗的傳熱系數(shù)將玻璃、框及邊部線傳熱按面積（線傳熱按縫長(zhǎng)）進(jìn)行加權(quán)平均。計(jì)算方法如下[6]：

 (8)

式中：

3.2    模擬計(jì)算

廣東建科院開(kāi)發(fā)的粵建科MQMC熱工模擬軟件是國(guó)內(nèi)建筑幕墻門(mén)窗熱工計(jì)算專(zhuān)業(yè)軟件，該軟件采用的為ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系。采用粵建科MQMC熱工模擬軟件對(duì)不同封邊的真空玻璃搭配市面上常見(jiàn)的70系列斷橋鋁進(jìn)行熱工模擬，本次模擬以1200×1500 mm的70系列斷橋鋁固定窗為例，模擬計(jì)算的窗型及型材斷面如圖5所示。模擬時(shí)70系列斷橋鋁搭配的真空玻璃分別有：8 mm金屬封邊真空玻璃、8 mm低玻粉封邊真空玻璃、14 mm金屬封邊真空玻璃、14 mm低玻粉封邊真空玻璃。具體的模擬分析結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)表3中1號(hào)與2號(hào)（或3號(hào)與4號(hào)）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，相同封邊寬度不同封邊材料的兩種真空玻璃搭配斷橋鋁時(shí)，框傳熱系數(shù)相同，線傳熱系數(shù)和整窗傳熱系數(shù)相差均不大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可忽略該影響，即封邊寬度相同時(shí)，不同封邊材料的真空玻璃與窗框搭配時(shí)對(duì)整窗的傳熱性能影響不大。

對(duì)表3中1號(hào)與3號(hào)（或2號(hào)與4號(hào)）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，相同封邊材料不同封邊寬度的真空玻璃搭配斷橋鋁時(shí)，框傳熱系數(shù)相差0.01 W/（m2·K），對(duì)整窗傳熱系數(shù)影響較小，線傳熱系數(shù)相差較大，超過(guò)0.03 W/（m·K），對(duì)整窗的傳熱系數(shù)影響較大，整窗傳熱系數(shù)相差接近0.1 W/（m2·K），說(shuō)明封邊材料相同時(shí)，封邊較窄的真空玻璃與窗框搭配時(shí)，整窗保溫性能更好。

對(duì)表中1號(hào)與4號(hào)（或2號(hào)與3號(hào)）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，不論何種封邊材料，封邊較窄的真空玻璃與斷橋鋁窗搭配時(shí)，框傳熱系數(shù)更低，線傳熱系數(shù)也更低，整窗保溫性能更好。

4    結(jié)語(yǔ)

從上述計(jì)算、模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，不同封邊對(duì)真空玻璃的傳熱有一定影響，具體可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：

（1）封邊材料的差異對(duì)真空玻璃的傳熱性能基本無(wú)影響。不同封邊材料的真空玻璃封接寬度一樣時(shí)對(duì)真空玻璃傳熱性能的影響可以忽略不計(jì)；不同封邊材料相同封邊寬度的真空玻璃搭配窗框使用時(shí)，對(duì)窗框及玻璃接縫處的線傳熱系數(shù)基本無(wú)影響，整窗傳熱系數(shù)基本一致。

（2）封邊寬度對(duì)真空玻璃邊部傳熱的影響較大，不論何種封邊材料，封邊寬度8 mm比封邊寬度14 mm的真空玻璃保溫性能更優(yōu)異。搭配市面上常見(jiàn)的斷橋鋁窗框時(shí)，整窗線傳熱系數(shù)8 mm封邊寬度的真空玻璃比14 mm封邊寬度的真空玻璃低0.03 W/（m·K）左右，整窗傳熱系數(shù)低0.1 W/（m2·K）左右，封邊較窄的真空玻璃整窗保溫性能更好。

真空玻璃企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中在保證封邊質(zhì)量的情況下，可以盡量降低真空玻璃的封邊寬度以提高真空玻璃的保溫性能，更好地降低玻璃窗的傳熱系數(shù)，窗框和玻璃交接處的線傳熱也會(huì)降低，可以有效改善窗框邊緣結(jié)露，提高大家的生活環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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[6]JGJ/T 151-2008,建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.