不同型腔與等溫線對隔熱型材傳熱系數的影響

　　在今天，能源日益深刻地成為人類社會的支撐體系之一。而能源的使用狀況和利用效率則反映出一個城市的生活質量和經濟效率，也是城市可持續發展能力的具體體現。

　　每當冬季，生活在北方城市的人們經常會抱怨家里的暖氣不熱，可能很少有人注意到，由于建筑的保溫和隔熱性能差，使我們房屋內的熱能損失了一半甚至更多;同樣，炎熱的夏季建筑里的冷氣也因為建筑的總體熱工性能差而大量散失。我們因此浪費的能源和多支出的費用是驚人的。

　　眾所周知，在建筑結構中，門窗或幕墻是圍護結構組成的重要部分，同時也是整個系統熱量交換、傳遞最活躍和敏感的部位，其能量消耗是墻體的5～6倍，占整個建筑物全部熱損失的40%以上。其能量消耗主要通過三個方面：

　　第一：通過門窗或幕墻結構的熱傳導;

　　第二：通過玻璃構件的熱輻射;

　　第三：通過門窗或幕墻結構縫隙的空氣進行對流換熱。

　　由于目前建筑節能已經成為世界性的大潮流和大趁勢，所以在建筑結構中采用性能優越的隔熱門窗、幕墻是我們的迫切需要，同時如何選用性能優良的材料，制造出環保節能、技術領先的新型門窗、幕墻既是國家建筑節能產業政策的要求，也是門窗幕墻企業的生存發展的必然之路。而新型節能材料的研發是實現建筑節能的基礎。普通鋁合金型材作為門窗、幕墻型材的首選材料，以其強度好，外形美觀、加工便利等特性一度為市場青睞。但由于鋁合金的導熱系數高，如6063合金T5狀態的導熱系數在25℃時為209W/m.K，所以普通的鋁合金型材即使與中空玻璃配合使用，其組成的門窗或幕墻的K值仍然在4.0W/m2.K以上，所以其保溫隔音性能欠佳。為解決日益增長節能要求，斷(隔)熱鋁型材取代普通鋁合金型材廣泛的用在鋁合金門窗、幕墻上，是建筑節能必然的要求和趨勢，符合當前國家的產業政策以及建設和諧社會的發展大計。

　　目前隔熱節能鋁合金型材技術主要有美國的澆注式隔熱節能鋁合金型材及歐洲的穿條式隔熱節能鋁合金型材，目前我國一些較大型的鋁材廠對這兩種技術及設備均有引入和生產，這兩種技術對推動我國隔熱節能鋁材的發展和進步起了較大的推動作用;而根據JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》，要得到整窗的傳熱系數，必須首先分別計算窗框傳熱系數、窗玻璃傳熱系數和由間隔條引起的線傳熱系數，然后根據式(1)計算整窗的傳熱系數[6]。

　　　　　(1) 式中， ——整窗傳熱系數[W/(m²﹒K)]; ——窗面積(m²); ——窗框傳熱系數[W/(m²﹒K)]; ——窗框面積(m²); ——窗玻璃傳熱系數[W/(m²﹒K)]; ——窗玻璃面積(m²); ——窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數[W/(m﹒K)]; ——玻璃區域的邊緣長度(m)。

　　從上式可以看出，窗框傳熱系數Uf是影響整窗傳熱系數Ut的重要因素之一，而窗框傳熱系數主要是由組成窗框節點的隔熱型材決定，也可以說，型材傳熱系數的大小是直接影響甚至是決定門窗隔熱節能及保溫性能的重要因素，研究型材傳熱系數的大小的影響因素，對隔熱型材的優化設計，及節能門窗的設計和研發具有良好的指導意義。

　　本文旨在針對目前行業中普遍認為的隔熱型材節能設計理念，利用熱工仿真軟件Therm對相同型材結構，不同型腔和隔熱條對門窗節點等溫線的影響及與傳熱系數的關系進行計算分析，驗證這些理念的準確性，并通過對計算結果的分析討論，得出了科學的設計理念。

　　1　驗證的設計理念

　　本文將驗證以下目前常用隔熱型材節能設計理念：

　　1.1　門窗框扇隔熱條及中空玻璃三者幾何中心線在一直線上，則由它們組成的節點等溫線也在一直線上，且此時的傳熱系數U值是最小;

　　1.2　型材室外腔減小，可以降低型材傳熱系數，對提高整窗保溫性能有較大幫助。

　　以上設計理念均來自歐洲門窗系統，其中第2點還是歐洲某著名門窗系統的主要設計理念，由于我國隔熱門窗系統基本均為從歐洲引入或模仿，加上歐洲節能門窗系統在國際上處于領先水平，故在設計理念上受其影響也較深，但這些設計理念是否正確?是否有規律性可循?尚未見有理論數據證明。

　　2　計算方法和條件

　　2.1　計算方法

　　采用熱工仿真軟件Therm對按以上理念設計的多個門窗節點進行傳熱系數計算、等溫線顯示等，以驗證上述設計理念的正確性，根據計算結果尋找隔熱型材優化設計的途徑和規律。

　　型材節點處理

　　由于熱工仿真軟件Therm及JGJ/T 151-2008 《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》規定的計算是建筑門窗、玻璃幕墻空氣滲透量為零，且采用穩態傳熱計算方法進行的計算，故選用的型材節點均為結構相同，只是型腔大小或隔熱條位置不同，以保證其可比性。

　　邊界條件

　　采用JGJ/T151-2008標準規定的傳熱系數計算邊界條件，如表1所示。

　　表1 邊界條件

		室內	室外
周邊環境	溫度(℃)	20	-20
	對流換熱系數 (W﹒m-2﹒K-1)	3.6	16
門窗周邊框	對流換熱系數 (W﹒m-2﹒K-1)	—	8
玻璃邊緣			12

　　結果處理

　　用熱工仿真軟件Therm顯示截面圖形中的等溫線，利用等溫線可清楚看到溫度梯度分布;計算各門窗節點傳熱系數U值。

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