摘要：本文在对圆弧玻璃系统结构特点进行分析的基础上，根据传热学的基本原理，提出了圆弧玻璃系统导热分析与计算的实用方法。并以具体的实例，对建筑门窗、幕墙系统中常见圆弧玻璃系统的导热过程进行了分析和计算。

　　关键词：圆弧玻璃，导热计算，传热系数，门窗幕墙

　　0　引言
　　随着建筑门窗幕墙行业的发展，各种复杂结构形态的门窗幕墙系统在工程实践中得到了越来越多的应用，因而使得对这类系统的热工性能的计算与分析变得更为复杂。在大多数情况下，圆弧门窗幕墙系统的玻璃是由平板玻璃组成的（如图１所示），其玻璃的轮廓不是一个圆弧，而是直线段。本文要讨论的圆弧玻璃系统，是指通过热弯成型的圆弧玻璃和由圆弧玻璃组成的各类玻璃系统，如圆弧中空玻璃、夹层玻璃和中空夹层玻璃等，其玻璃的轮廓就是一个圆弧（如图２所示）。

　　本文将在研究圆柱体一维稳态导热问题的基础上，对圆弧玻璃系统热量传递的一种基本方式即热传导（简称导热heat conduction）过程进行计算分析，并重点探讨建筑门窗、幕墙系统中所用圆弧玻璃系统与导热过程相关的热工性能参数的分析与计算方法。

　　1  导热计算的理论基础
　　1.1  基本概念
　　热量传递（Heat Transfer）是物质在温度差作用下所发生的热量传递过程。热量传递依靠三种基本方式：热传导（Heat Conduction）、热对流（Heat Convection）和热辐射（Heat Radiation）。
　　热传导（Heat Conduction）、对流（Heat Convection）和辐射（Heat Radiation）是传热的三种基本方式。它们的传递机理、相应的热流速率方程和特征参数如下表所示。

　　在实际传热过程中，三种基本传热方式是同时进行的。在许多情况下，除了发生辐射换热以外，还同时伴随发生热表面与周围流体间的自然对流换热或是强迫对流换热，这种情形叫做复合换热或者综合换热（combined convection and radiation heat transfer）。此时物体表面净失去（或者净得到）的热量应该等于对流与辐射两部分换热量之和，因此一般情况下， 称为复合换热表面传热系数，单位是

　　习惯上把热量从一侧高温流体经过某一壁面传递给另一侧低温流体的过程称为传热过程（heat transfer process），并可以用如下的传热方程来描述：

      式中 叫做总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位是 是热流量，单位是Ｗ。“传热过程”四个字在传热学中已经被赋予了特定的内涵。所谓传热过程本质上就是第三类边界条件下壁面的导热过程。

　　1.2  圆柱体的一维稳态导热

　　可以看出，圆柱体内的温度梯度沿径向是变化的。这和平壁不同。但热流量仍然是一个常数，因为导热面积在径向上也是变量。它的最终表达形式是

 可以看出，圆柱体内的温度梯度沿径向是变化的。这和平壁不同。但热流量仍然是一个常数，因为导热面积在径向上也是变量。它的最终表达形式是

　　式(10)在形式上仍遵循热电比拟关系，其中的分母即圆柱体的一维导热热阻表达式。圆筒壁按单位管长而不是按单位导热面积来计算热流密度是适宜的，也比较方便和适用。人们常把这时的“热流密度”记作 ，单位是W/m，有

　　式(11)中的分母相应于单位管长圆筒壁的导热热阻。
　　进一步研究表明，如图4所示，对于满足一维条件，且层间热接触良好的多层圆筒壁，仍可采用串联热阻网络分析方法，可以直接写出热流量表达方式

    与式(12)相比，式(13)不过在分母上增加了两项表面换热阻而已。分别为内外壁面的表面换热，　

　

     2  圆弧玻璃系统的导热分析
　　2.1  玻璃传热系数
　　传热系数U值是表征玻璃热工性能的重要参数之一。它表示热量通过玻璃中心部位而不考虑边缘效应，在稳态条件下，玻璃两面单位空气温度差时，单位时间通过单位面积玻璃的热量。U值的单位是

　　2.1.1  一般原理
　　传热系数U值的计算方法是以下列公式为计算基础的：

 

　　2.2  实例分析
　　圆柱体一维导热问题在工业上与试验里普遍存在，通过对圆弧门窗幕墙系统中所使用的圆弧玻璃系统进行研究和分析发现，按照圆柱体一维稳态导热问题的计算分析方法对圆弧玻璃系统的热工性能进行分析计算是可行的，也是实用的。

　　建筑门窗幕墙系统作为建筑物的重要组成部分，是人与自然进行沟通的渠道，也是实现建筑室内采光、通风换气、保温隔热和隔声等基本功能极其重要的部件，它将建筑内部与外部空间分隔开来，其热工性能的好坏是实现建筑节能目标和提高建筑舒适度的关键。对门窗幕墙系统而言，其玻璃系统的热工性能对整体热工性能的影响又是最大的。

　　下面以实例阐述圆弧玻璃系统的热工计算过程与方法，并对相关问题进行讨论。

　　对此问题的研究需要做如下假设：（1）在忽略其他因素的情况下，圆弧玻璃系统是径向一维导热；

　　（2）内、外侧玻璃表面传热系数为总传热系数；（3）材料物性及表面总传热系数均为常量。

　　在以上假设情况下，圆弧玻璃系统导热计算问题可以简化为圆筒壁一维稳态导热问题。但要分两个步骤进行假设：一是假设存在以圆弧玻璃直径为直径的玻璃圆柱体，其内外边界条件与圆弧玻璃相同，二是圆弧玻璃高度足够高，可以忽略高度方向（柱向）的热量损失，因此可以做为一个径向一维导热问题来研究。于是有

　　讨论：
　　(1)相同厚度和组合的圆弧玻璃与平板玻璃的综合传热系数是不一样的，其规律是圆弧直接越小，其值越小，不过总的说来，差别不大。即玻璃系统的总传热系数主要与其结构和材质有关。

　　(2)建筑门窗和幕墙用圆弧玻璃系统的热工计算，采用圆柱体一维稳态导热问题的计算分析方法是可行的。

　　3  结束语
　　对圆柱体一维稳态导热问题进行分析发现，圆柱体内的温度梯度沿径向是变化的，这和平壁导热是不同的。但热流量仍然是一个常数，因为导热面积在径向上也是变量。

　　圆柱体一维导热问题是普遍存在的，如大量圆型管道系统的导热问题和本文讨论到的建筑门窗和幕墙用圆弧玻璃系统的导热问题。通过实例和对比分析发现，圆弧玻璃系统的导热计算问题，可以看作是一个圆柱体一维稳态导热问题，其计算分析方法是可行的和有效的。

　　参考文献：
　　[1] 易明．光学．高等教育出版社，2004
　　[2] 赵镇南．传热学．高等教育出版社，2005
　　[3] 张学学 李桂馥等．热工基础．高等教育出版社，2000
　　[4] 张三慧．大学基础物理学（上、下册）．清华大学出版社，2007
　　[5] 张芹 孟根 杨颖等．建筑幕墙学习辅导用书．中国建筑工业出版社，2008