摘要：本文通过理论计算、有限元模拟及实验验证，研究了不同封边材料及封边宽度对真空玻璃边部传热性能的影响。结果表明：封边宽度相同时，低玻粉和金属材料封边部分的传热系数基本一致。然而，封边宽度变化对真空玻璃整体传热性能影响较大。对封边宽度为8 mm和14 mm的真空玻璃70系列断桥铝整窗进行传热系数模拟，封边宽度8 mm的真空玻璃整窗传热系数比封边宽度14 mm的真空玻璃整窗传热系数低0.1 W/(m2·K)，即封边较窄的真空玻璃整窗保温性能更好。
关键词：真空玻璃；封边材料；边部传热；线传热系数；传热系数。
作者简介：叶闯帅（1989-），本科，主要从事门窗及真空玻璃的开发及研究。
引言
2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会一般性辩论上向国际社会作出“2030碳达峰、2060碳中和”的郑重承诺[1]，建筑节能是节能减排的重要部分，其中玻璃门窗的能耗占到了建筑能耗的40%左右。真空玻璃作为新一代节能玻璃，具有保温性能更高，隔声性能更好的特性，已在越来越多的建筑工程及家电项目上应用。
真空玻璃经过几代技术的革新，到2023年我国的真空玻璃厂家达到十多家，每个厂家的工艺路线均有较大的差异，如洛阳兰迪和福建赛特等采用金属工艺封边，天津新立基和山东沃卡姆采用低熔点玻璃粉封接工艺，封边宽度有8 mm、14 mm等，不一而足。在真空玻璃传热性能的研究中，刘甜甜等[2]分析了真空玻璃搭配不同型材的线传热系数，许威[3]研究了影响真空玻璃传热系数的主要因素。然而在真空玻璃传热性能的研究中，封边材料及封边宽度对真空玻璃传热性能的影响很少报道，封边材料及封边宽度对真空玻璃传热性能的影响亟需研究。
1 不同封边材料的真空玻璃传热性能探究
目前市面上真空玻璃封接材料主要有两种：锡合金金属焊料及低熔点玻璃粉。根据测算中空玻璃U值的方法[4]可知:
(1)
式中：R——玻璃热阻，（m2·K）/W；
he——室外表面换热系数，W/（m2·K）；
hi——室内表面换热系数，W/（m2·K）。
按照GB/T 22476规定，he取23.0 W/(m2·K)，hi取8.0 W/(m2·K).
真空玻璃焊接后边部连接成为一体，要计算真空玻璃边部的传热系数，可以假设真空玻璃的整个版面都是由两块玻璃通过焊料焊接而成，封边宽度无限大。根据上述假设，由式（1）可知，真空玻璃焊接部分的传热系数可按下式计算：
(2)
因为真空玻璃边部是焊接后紧密结合为一体的，所以：
(3)
其中：
(4)
(5)
将式（3）（4）（5）带入（2）可得：
(6)
目前市面上金属封边的真空玻璃封接厚度一般为0.3 mm，低玻粉封边的真空玻璃封接层厚度为0.2 mm。选取两块规格分别为5T+0.3V（金属焊接）+5T及5T+0.2V（低玻粉焊接）+5T的真空玻璃进行计算，即d玻=10 mm，d低玻粉=0.2 mm，d金属焊料=0.3 mm，将数据带入式（6）计算可得：
由上可知，金属封边及低玻粉封边的真空玻璃边部传热系数差异仅为0.0061W/(m2·K)，差距极小。结合实际使用情况，封边部分只占真空玻璃版面的一小部分，在封接宽度一样时，两种封边材料的差异对真空玻璃整体传热性能的影响可以忽略不计。
2 不同封边宽度的真空玻璃传热性能探究
2.1 不同封边宽度的真空玻璃传热性能建模分析
目前市面上的金属封接的真空玻璃封接宽度一般为6~10 mm，低玻粉封接的真空玻璃封接宽度一般为12~16 mm。采用有限元仿真软件对真空玻璃进行热传导有限元模拟，建立两组真空玻璃模型：尺寸300×300 mm，配置为5T+0.3V+5T，支撑物直径0.7 mm，支撑物间距55 mm，支撑物距离玻璃边部40 mm，矩形排列，封边材料一致，仅改变封边宽度，其中一组真空玻璃封边内边缘距离玻璃边部距离为8 mm，另一组真空玻璃封接内边缘距离玻璃边部距离为14 mm。两组玻璃边界条件设定一致：热侧环境温度设定为60 ℃，冷侧环境温度设定为20 ℃。建模真空玻璃及测温点位置示意图见图1，测温点位于冷侧，1号测温点距玻璃边沿10 mm，2号测温点距玻璃边沿20 mm，3号测温点距玻璃边沿30 mm，以此类推，6号测温点距离玻璃边沿60 mm，7号测温点距离玻璃边沿150 mm。根据两组真空玻璃建模得出模拟结果见表1。
从表1可知，距边沿相同距离的同一测温点，封边较宽的真空玻璃冷侧边沿及中心温度均比封边较窄的真空玻璃高，最大温差接近4 ℃，到中心位置的7号测温点时，两组真空玻璃温差才趋于接近，但仍有约0.3 ℃的温差。该模拟说明封边宽度对真空玻璃边部传热的影响很大，封边越窄，真空玻璃边部保温性能越好。
2.2 不同封边宽度的真空玻璃传热性能试验分析
2.2.1 试验方法及装置
选取两种不同封边的300×300mm真空玻璃进行实测，其中一组为低玻粉封边真空玻璃，封接内边缘距离真空玻璃边部16 mm，其中有效封边宽度12 mm，封接部分外边缘留白4 mm；另一组为金属封边真空玻璃，封接内边缘距离真空玻璃边部9 mm，其中有效封边宽度8 mm，封接部分外边缘留白1 mm。真空玻璃样品见图2，实验装置见图3。
真空玻璃放在加热炉上方，周边加保温板，加热炉内控制温度在60 ℃，外侧实验室环境温度保持在20 ℃，测温点位于冷侧，测温点位置示意图见图4。1号测温点距玻璃边沿10 mm，2号测温点距玻璃边沿20 mm，3号测温点距玻璃边沿30 mm，以此类推，6号测温点距离玻璃边沿60 mm，7号测温点距离玻璃边沿150 mm，位于玻璃中心位置。测温点温度通过触摸屏PLC的温度采集控制系统进行收集。
图4 不同封边宽度的真空玻璃测温点位置图
2.2.2 实验结果及分析
将两组不同封边的真空玻璃分别放在加热炉上，保持炉内60 ℃，实验室室温20 ℃，待玻璃表面温度平衡后记录各测温点数据，实验数据见表2。
从实测结果可以看到，距边沿相同距离的同一测温点，封边较宽的低玻粉真空玻璃冷侧边沿及中心温度均比封边较窄的金属封边真空玻璃高，最大温差3.6 ℃，到中心位置的7号测温点时，两组真空玻璃温差才趋于接近，但仍有1.5 ℃的温差；在金属导热率比低温玻璃粉高的情况下，该实验进一步说明封边宽度对真空玻璃边部传热的影响很大，封边越窄，真空玻璃保温性能越好。
3 不同封边的真空玻璃整窗传热性能研究
3.1 窗传热系数计算标准及方法
门窗幕墙的传热系数计算通常有两种，一种方法是欧美国家常用的NFRC标准体系，该标准采用的是ISO15099：2003的替代方法，即玻璃边缘区域计算理论。该理论计算整窗传热时将玻璃中心区域、玻璃边缘区域、框及框边缘区域进行加权平均。计算方法如下[5]：
（7）
另一种是我国通常采用的ISO（EN）标准体系，将门窗或幕墙边缘与框接缝处的附加传热用线传热系数表示。整窗的传热系数将玻璃、框及边部线传热按面积（线传热按缝长）进行加权平均。计算方法如下[6]：
(8)
式中：
3.2 模拟计算
广东建科院开发的粤建科MQMC热工模拟软件是国内建筑幕墙门窗热工计算专业软件，该软件采用的为ISO（EN）标准体系。采用粤建科MQMC热工模拟软件对不同封边的真空玻璃搭配市面上常见的70系列断桥铝进行热工模拟，本次模拟以1200×1500 mm的70系列断桥铝固定窗为例，模拟计算的窗型及型材断面如图5所示。模拟时70系列断桥铝搭配的真空玻璃分别有：8 mm金属封边真空玻璃、8 mm低玻粉封边真空玻璃、14 mm金属封边真空玻璃、14 mm低玻粉封边真空玻璃。具体的模拟分析结果见表3。
对表3中1号与2号（或3号与4号）数据进行对比分析，可以看出，相同封边宽度不同封边材料的两种真空玻璃搭配断桥铝时，框传热系数相同，线传热系数和整窗传热系数相差均不大，实际应用时可忽略该影响，即封边宽度相同时，不同封边材料的真空玻璃与窗框搭配时对整窗的传热性能影响不大。
对表3中1号与3号（或2号与4号）数据进行对比分析，可以看出，相同封边材料不同封边宽度的真空玻璃搭配断桥铝时，框传热系数相差0.01 W/（m2·K），对整窗传热系数影响较小，线传热系数相差较大，超过0.03 W/（m·K），对整窗的传热系数影响较大，整窗传热系数相差接近0.1 W/（m2·K），说明封边材料相同时，封边较窄的真空玻璃与窗框搭配时，整窗保温性能更好。
对表中1号与4号（或2号与3号）数据进行对比分析，可以看出，不论何种封边材料，封边较窄的真空玻璃与断桥铝窗搭配时，框传热系数更低，线传热系数也更低，整窗保温性能更好。
4 结语
从上述计算、模拟及实验验证可知，不同封边对真空玻璃的传热有一定影响，具体可以得到以下两个结论：
（1）封边材料的差异对真空玻璃的传热性能基本无影响。不同封边材料的真空玻璃封接宽度一样时对真空玻璃传热性能的影响可以忽略不计；不同封边材料相同封边宽度的真空玻璃搭配窗框使用时，对窗框及玻璃接缝处的线传热系数基本无影响，整窗传热系数基本一致。
（2）封边宽度对真空玻璃边部传热的影响较大，不论何种封边材料，封边宽度8 mm比封边宽度14 mm的真空玻璃保温性能更优异。搭配市面上常见的断桥铝窗框时，整窗线传热系数8 mm封边宽度的真空玻璃比14 mm封边宽度的真空玻璃低0.03 W/（m·K）左右，整窗传热系数低0.1 W/（m2·K）左右，封边较窄的真空玻璃整窗保温性能更好。
真空玻璃企业在生产过程中在保证封边质量的情况下，可以尽量降低真空玻璃的封边宽度以提高真空玻璃的保温性能，更好地降低玻璃窗的传热系数，窗框和玻璃交接处的线传热也会降低，可以有效改善窗框边缘结露，提高大家的生活环境。
参考文献
[1] 陈然,胡文艳,李沫,等.碳达峰碳中和下的金融机遇[EB/OL].[2021-05-21].
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1700364100254474670&wfr=spider&for=pc
[2]刘甜甜,万成龙,王昭君.真空玻璃与不同型材组合的线传热系数研究[J].建筑科学,2015, 31(6):58-62.
[3]许威.影响真空玻璃传热系数的主要因素分析[J].建筑节能,2014,42(12):25-30.
[4]GB/T 22476—2008,中空玻璃稳态U值（传热系数）的计算及测定[S].北京:中国标准出版社,2009.
[5]ISO15099:2003， Thermal performance of Windows， doors and shading devices—Detailed calculations[S].
[6]JGJ/T 151-2008,建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
