摘要：本文通過理論計算、有限元模擬及實驗驗證，研究了不同封邊材料及封邊寬度對真空玻璃邊部傳熱性能的影響。結果表明：封邊寬度相同時，低玻粉和金屬材料封邊部分的傳熱系數基本一致。然而，封邊寬度變化對真空玻璃整體傳熱性能影響較大。對封邊寬度為8 mm和14 mm的真空玻璃70系列斷橋鋁整窗進行傳熱系數模擬，封邊寬度8 mm的真空玻璃整窗傳熱系數比封邊寬度14 mm的真空玻璃整窗傳熱系數低0.1 W/(m2·K)，即封邊較窄的真空玻璃整窗保溫性能更好。

關鍵詞：真空玻璃；封邊材料；邊部傳熱；線傳熱系數；傳熱系數。

作者簡介：葉闖帥（1989-），本科，主要從事門窗及真空玻璃的開發(fā)及研究。

引言

2020年9月22日，習近平總書記在聯合國大會一般性辯論上向國際社會作出“2030碳達峰、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，已在越來越多的建筑工程及家電項目上應用。

真空玻璃經過幾代技術的革新，到2023年我國的真空玻璃廠家達到十多家，每個廠家的工藝路線均有較大的差異，如洛陽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，許威[3]研究了影響真空玻璃傳熱系數的主要因素。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真空玻璃傳熱性能的影響很少報道，封邊材料及封邊寬度對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玻璃粉。根據測算中空玻璃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，W/（m2·K）；

hi——室內表面換熱系數，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，要計算真空玻璃邊部的傳熱系數，可以假設真空玻璃的整個版面都是由兩塊玻璃通過焊料焊接而成，封邊寬度無限大。根據上述假設，由式（1）可知，真空玻璃焊接部分的傳熱系數可按下式計算：

 (2)

因為真空玻璃邊部是焊接后緊密結合為一體的，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的真空玻璃進行計算，即d玻=10 mm，d低玻粉=0.2 mm，d金屬焊料=0.3 mm，將數據帶入式（6）計算可得：

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差異僅為0.0061W/(m2·K)，差距極小。結合實際使用情況，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，兩種封邊材料的差異對真空玻璃整體傳熱性能的影響可以忽略不計。

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。采用有限元軟件對真空玻璃進行熱傳導有限元模擬，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邊緣距離玻璃邊部距離為8 mm，另一組真空玻璃封接內邊緣距離玻璃邊部距離為14 mm。兩組玻璃邊界條件設定一致：熱側環(huán)境溫度設定為60 ℃，冷側環(huán)境溫度設定為20 ℃。建模真空玻璃及測溫點位置示意圖見圖1，測溫點位于冷側，1號測溫點距玻璃邊沿10 mm，2號測溫點距玻璃邊沿20 mm，3號測溫點距玻璃邊沿30 mm，以此類推，6號測溫點距離玻璃邊沿60 mm，7號測溫點距離玻璃邊沿150 mm。根據兩組真空玻璃建模得出模擬結果見表1。

從表1可知，距邊沿相同距離的同一測溫點，封邊較寬的真空玻璃冷側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號測溫點時，兩組真空玻璃溫差才趨于接近，但仍有約0.3 ℃的溫差。該模擬說明封邊寬度對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分析

2.2.1    試驗方法及裝置

選取兩種不同封邊的300×300mm真空玻璃進行實測，其中一組為低玻粉封邊真空玻璃，封接內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。真空玻璃樣品見圖2，實驗裝置見圖3。

真空玻璃放在加熱爐上方，周邊加保溫板，加熱爐內控制溫度在60 ℃，外側實驗室環(huán)境溫度保持在20 ℃，測溫點位于冷側，測溫點位置示意圖見圖4。1號測溫點距玻璃邊沿10 mm，2號測溫點距玻璃邊沿20 mm，3號測溫點距玻璃邊沿30 mm，以此類推，6號測溫點距離玻璃邊沿60 mm，7號測溫點距離玻璃邊沿150 mm，位于玻璃中心位置。測溫點溫度通過觸摸屏PLC的溫度采集控制系統(tǒng)進行收集。

2.2.2    實驗結果及分析

將兩組不同封邊的真空玻璃分別放在加熱爐上，保持爐內60 ℃，實驗室室溫20 ℃，待玻璃表面溫度平衡后記錄各測溫點數據，實驗數據見表2。

從實測結果可以看到，距邊沿相同距離的同一測溫點，封邊較寬的低玻粉真空玻璃冷側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號測溫點時，兩組真空玻璃溫差才趨于接近，但仍有1.5 ℃的溫差；在金屬導熱率比低溫玻璃粉高的情況下，該實驗進一步說明封邊寬度對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    窗傳熱系數計算標準及方法

門窗幕墻的傳熱系數計算通常有兩種，一種方法是歐美國家常用的NFRC標準體系，該標準采用的是ISO15099：2003的替代方法，即玻璃邊緣區(qū)域計算理論。該理論計算整窗傳熱時將玻璃中心區(qū)域、玻璃邊緣區(qū)域、框及框邊緣區(qū)域進行加權平均。計算方法如下[5]：

（7）

另一種是我國通常采用的ISO（EN）標準體系，將門窗或幕墻邊緣與框接縫處的附加傳熱用線傳熱系數表示。整窗的傳熱系數將玻璃、框及邊部線傳熱按面積（線傳熱按縫長）進行加權平均。計算方法如下[6]：

 (8)

式中：

3.2    模擬計算

廣東建科院開發(fā)的粵建科MQMC熱工模擬軟件是國內建筑幕墻門窗熱工計算專業(yè)軟件，該軟件采用的為ISO（EN）標準體系。采用粵建科MQMC熱工模擬軟件對不同封邊的真空玻璃搭配市面上常見的70系列斷橋鋁進行熱工模擬，本次模擬以1200×1500 mm的70系列斷橋鋁固定窗為例，模擬計算的窗型及型材斷面如圖5所示。模擬時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。具體的模擬分析結果見表3。

對表3中1號與2號（或3號與4號）數據進行對比分析，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，框傳熱系數相同，線傳熱系數和整窗傳熱系數相差均不大，實際應用時可忽略該影響，即封邊寬度相同時，不同封邊材料的真空玻璃與窗框搭配時對整窗的傳熱性能影響不大。

對表3中1號與3號（或2號與4號）數據進行對比分析，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，框傳熱系數相差0.01 W/（m2·K），對整窗傳熱系數影響較小，線傳熱系數相差較大，超過0.03 W/（m·K），對整窗的傳熱系數影響較大，整窗傳熱系數相差接近0.1 W/（m2·K），說明封邊材料相同時，封邊較窄的真空玻璃與窗框搭配時，整窗保溫性能更好。

對表中1號與4號（或2號與3號）數據進行對比分析，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，框傳熱系數更低，線傳熱系數也更低，整窗保溫性能更好。

4    結語

從上述計算、模擬及實驗驗證可知，不同封邊對真空玻璃的傳熱有一定影響，具體可以得到以下兩個結論：

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

（2）封邊寬度對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。搭配市面上常見的斷橋鋁窗框時，整窗線傳熱系數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)在生產過程中在保證封邊質量的情況下，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，窗框和玻璃交接處的線傳熱也會降低，可以有效改善窗框邊緣結露，提高大家的生活環(huán)境。

參考文獻

[1] 陳然,胡文艷,李沫,等.碳達峰碳中和下的金融機遇[EB/OL].[2021-05-21].

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1700364100254474670&wfr=spider&for=pc

[2]劉甜甜,萬成龍,王昭君.真空玻璃與不同型材組合的線傳熱系數研究[J].建筑科學,2015, 31(6):58-62.

[3]許威.影響真空玻璃傳熱系數的主要因素分析[J].建筑節(jié)能,2014,42(12):25-30.

[4]GB/T 22476—2008,中空玻璃穩(wěn)態(tài)U值（傳熱系數）的計算及測定[S].北京:中國標準出版社,2009.

[5]ISO15099:2003， Thermal performance of Windows， doors and shading devices—Detailed calculations[S].

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