使用 COMSOL 模拟窗户的隔热性能

2014年 2月 4日

设计师在设计建筑物时,常常会考虑:怎样才能让建筑物内部保持舒适的温度,使人感到冬暖夏凉呢?这可以通过对建筑物的窗户结构进行精心设计来实现。本篇博文我们将了解到窗户的隔热作用,简单来说,就是建筑内部和室外之间的热量是如何通过窗户传递(或隔绝)的。

什么是隔热窗户

要使建筑物窗户传递的热量最小,选择正确的材料和设计是关键。现在,建筑物中的窗户大多为隔热玻璃。隔热玻璃一般由 2~3 块玻璃板制成,玻璃板之间有一定的空隙,起到隔热的作用(在极寒气候环境中,有时甚至用 4 个或 5 个玻璃板制成窗户。)

通常用垫片来分隔 2 块玻璃板。传统的垫片是由金属制成的,但是金属的导热性很好,会加快热量传递,这与我们的设计目标相反。因此,结构泡沫或涂有隔热层的铝是更常用的垫片材料。在玻璃板之间,一般充满了具有较低导热率的气体(例如氩气或氪气),以减少玻璃板之间的热传递。由于这些气体的导热系数比空气低,因此能够很好地阻挡热传导。

窗口图
窗户结构示意图。粉色块是垫片,红色区域是密封件。图片由Wikipedia提供

窗户的隔热建模

设计隔热窗户时,确保玻璃之间的空隙宽度正确非常重要。如果空间太大,气体中会发生对流,如果没有阻尼,对流会将热量从较热的玻璃板传导到较冷的玻璃板。另一方面,如果没有足够的空间,热量将很容易从一个窗板传递到另一个窗板,因为它们之间的距离太近,可能发生传导。

我们可以借助仿真软件来设计窗户玻璃之间的最佳距离。国际标准 ISO 10077-2:2012 规定了如何使用仿真软件来预测窗户、门和百叶窗的热性能,并提供了一系列基准。仿真软件必须通过这些基准测试才能被认定为有效的模拟。COMSOL Multiphysics 已经成功通过所有这些基准测试。下面,我们以其中一个基准模型——模拟窗户的热性能为例来进行验证。

描绘窗框横截面和玻璃的图和放大
窗框和玻璃的横截面。

上图为使用 COMSOL 软件模拟的双层玻璃窗的几何模型。模型包括填充气体;由铝薄板、硅胶层和聚酰胺层组成的垫片;具有多个空腔的木质边框,以及几块乙烯丙烯二烯单体(EPDM)密封橡胶(橡胶可以使窗框保持气密性和防水性)。

窗框中的空腔

在设置仿真模型研究传热时,框架的构成是重要的考虑因素。通常,会在窗框中内置一些空腔。只要空腔中的对流受到限制,它们就可以起到隔热作用。根据每个空腔的形状和通风量,ISO 10077-2:2012 标准对其进行了分类。

空腔的类型有:不通风(完全关闭),这种空腔被嵌在框架内部,与外部边界没有任何连接,或者通过小于 2mm 的缝隙连接;微量通风,即用小于 10mm 的缝隙连接内部与外部的边界;通风良好,上述2种类型以外的所有空腔(通常更多地暴露于外部边界)。

此外,窗户框架的导热性也会影响窗户的隔热(冷)效果。塑料或木制框架(如上图所示)具有较低的导热性和良好的隔热性。由导热性更好的材料(例如金属)制成的框架传热作用更强。铝制框架具有良好的材料强度,常被用于商业建筑,但是,需要精心设计框架才能获得良好的热性能。

隔热效果测试

那么窗户的隔热效果怎样呢?为了模拟穿过窗户的热流,我们需要考虑每种材料的热阻以及几何形状(包括空腔的大小、形状和位置)。同时,还要考虑内部和外部温度,传热计算系数以及定义热通量的边界条件。由下图显示的仿真结果可以看出,玻璃窗的外部边界和内部之间可能存在非常大的温差,这意味着窗户的隔热效果很好。

COMSOL中的窗口基准模型的温度曲线
使用 COMSOL 模拟的窗户模型的温度截面分布。

更多模型案例

模拟建筑部件(如门、百叶窗和窗户)中的传热和热性能,请查看 COMSOL 模型案例教程

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