如图1左图所示,两层厚度为dd的玻璃夹着一层厚度为ll的空气。据说这样做是为了保暖,即减少室内向室外的热量流失。我们要建立一个模型来描述热量通过窗户的传导(即流失)过程,并将双层玻璃窗与用同样多材料做成的单层玻璃窗(如图1右图,玻璃厚度为2d2d)的热量传导进行对比,对双层玻璃窗能够减少多少热量损失给出定量分析结果。
初等模型---双层玻璃窗的功效
模型假设
1.热量的传播过程只有传导,没有对流。即假定窗户的密封性能很好,两层
玻璃之间的空气是不流动的。
2.室内温度TT,和室外温度T2T_2保持不变,热传导过程已处于稳定状态,即沿热传导方向,单位时间通过单位面积的热量是常数。式(2)成立条件。
3.玻璃材料均匀,热传导系数是常数。
模型构成在上述假设下热传导过程遵从下面的物理定律:
初等模型---双层玻璃窗的功效
初等模型---双层玻璃窗的功效
显然Q1<Q2Q_1<Q_2。为了得到更具体的结果,我们需要k1k2k_1和k_2的数据。从有关资料可知,常用玻璃的热传导系数k1=4×1038×103J/cmskwhk_1=4\times10^{-3}\sim8\times10^{-3} J/cm·s·kw·h,不流通、干燥空气的热传导系数k2=2.5×104J/cmskwhk_2=2.5\times10^{-4} J/cm·s·kw·h,于是:
k1k2=1632 \frac{k_1}{k_2}=16\sim32

在分析双层玻璃窗比单层玻璃窗可减少多少热量损失时,我们作最保守的估计。
初等模型---双层玻璃窗的功效
比值Q1/Q2Q_1/Q_2反映了双层玻璃窗在减少热量损失上的功效,它只与h=l/dh=l/d有关,图2给出了Q1/Q2Q_1/Q_2~hh的曲线,当hh增加时,Q1/Q2Q_1/Q_2迅速下降,而当hh超过一定值(比如h>4h>4)后Q1/Q2Q_1/Q_2下降变缓,可见h不必选择过大。
初等模型---双层玻璃窗的功效
模型应用
这个模型具有一定应用价值。制作双层玻璃窗虽然工艺复杂会增加一些费用,但它减少的热量损失却是相当可观的。通常,建筑规范要求h=l/d4h=l/d≈4,按照这个模型,Q1/Q23Q_1/Q_2≈3%,即双层窗比用同样多的玻璃材料制成的单层窗节约热量97%左右。不难发现,之所以有如此高的功效主要是由于层间空气的极低的热传导系数k2k_2,而这要求空气是千燥、不流通的。作为模型假设的这个条件在实际环境下当然不可能完全满足,所以实际上双层窗户的功效会比上述结果差一些。另外,应该注意到,一个房间的热量散失,通过玻璃窗常常只占一小部分,热量还要通过天花板、墙壁、地面等流失。

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