建筑节能窗传热特性的数值模拟与实验研究

摘要

建筑门窗作为建筑外围护结构热交换最活跃的部位，其能耗已经占到建筑围护结构总能耗的40％～50％，因此对建筑节能窗传热特性的研究具有重要的工程实际意义。本文采用数值模拟与实验研究相结合的方法，对典型建筑节能窗各个系统的传热特性以及墙体对整窗传热特性的影响进行分析，分析各个系统传热的影响因素以及对整窗传热系数的影响，得到了窗户节能的技术措施，在此基础上对现有线传热系数计算方法进行改进。其中数值模拟部分运用Fluent、CAD及相关软件进行，而实验研究部分则是利用建筑门窗保温性能试验台和平板导热系数测试仪作为研究设备。
　　本文将窗户分为玻璃系统、窗框系数以及整窗系统三部分，主要从模型维数的确定、玻璃系统传热特性的影响因素、窗框系统传热特性的影响因素、整窗系统传热系数的算法、墙体对窗户传热特性的影响这几方面进行分析，最后结合实验对模拟结果进行验证并分析误差产生的原因。
　　在数值模拟方面，详细介绍了数值模拟的原理、方法以及所采用的边界条件等，得出了窗户各系统的传热模型维数、辐射和对流作用对玻璃系统以及窗框系统传热特性的影响、不同气候区下双层中空玻璃的最佳间层厚度、材料物性对窗框传热特性的影响、线传热系数改进算法的优点以及墙体对整窗传热特性的影响等结果。结果表明:只有竖直窗框需采用三维数理模型，其他部位二维数理模型计算结果既能达到很高的精度要求，但整窗传热系数在利用二维和三维模型计算后得出的结果很接近，两者相差不到1％;不同气候区城市中空玻璃最佳空气间层厚度有所不同，并不是最冷地区最佳空气间层厚度越大，这主要取决于室外对流换热系数和温度的综合影响;玻璃系统中充入稀有气体有减小传热系数的功能;就辐射和对流而言，前者对其窗户传热特性的影响更大;线传热系数的简化方法能减小计算建模的工作量并更加易懂;墙体对整窗传热特性的影响主要体现在窗户在墙体中的安装位置和墙体的导热系数大小上，其影响也随着工况的不同而不同。
　　在实验研究方面，首先对实验设备的原理、测试方法以及测试过程进行了说明，进而对节能窗的传热系数进行测试，并将实验室测试结果与数值模拟结果相对比，两者相差在6％左右，在此基础上分析了两者误差产生的原因。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 建筑节能窗的发展及研究现状

1．2．1 建筑节能窗的发展状况

1．2．2 建筑节能窗的数值模拟研究现状

1．2．3 建筑节能窗的实验研究现状

1．3 立题依据及研究内容和方法

1．3．1 立题依据

1．3．2 研究内容和方法

1．4 本章小结

第2章 建筑节能窗传热特性的理论基础

2．1 物理模型的建立

2．2 数学模型的建立

2．2．1 控制方程

2．2．2 计算参数

2．2．3 边界条件

2．2．4 求解方法

2．3 本章小结

第3章 建筑节能窗传热特性的数值分析

3．1 网格无关性的验证

3．2 传热模型维数的确定

3．2．1 玻璃系统传热模型维数的确定

3．2．2 窗框系统传热模型维数的确定

3．2．3 整窗系统传热模型维数的确定

3．3 玻璃系统传热特性的数值分析

3．3．1 玻璃系统的分类

3．3．2 玻璃厚度对玻璃系统传热特性的影响

3．3．3 玻璃高度和空气间层厚度对玻璃系统传热特性的影响

3．3．4 室外温度和对流换热系数对玻璃系统传热特性的影响

3．3．5 辐射和内部对流作用对玻璃系统传热特性的影响

3．3．6 稀有气体种类对玻璃系统传热特性的影响

3．4 窗框系统传热特性的数值分析

3．4．1 窗框系统的分类

3．4．2 水平窗框传热特性分析

3．4．3 竖直窗框传热特性分析

3．5 整窗系统传热特性的数值分析

3．5．1 线传热系数传统计算方法

3．5．2 线传热系数简化计算方法

3．5．3 整窗传热系数

3．6 墙体对整窗传热特性影响的数值分析

3．6．1 安装位置对窗户U2D的影响

3．6．2 墙体导热系数对窗户U2D的影响

3．6．3 墙体厚度对窗户U2D的影响

3．7 本章小结

第4章 建筑节能窗传热特性的实验研究

4．1 实验装置

4．2 实验原理

4．3 设备参数的标定

4．3．1 标准试件的测试

4．3．2 标定工况的设定

4．3．3 M1、M2的确定

4．4 整窗传热系数的测试

4．5 实验结果及误差分析

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目