幕墙门窗铝型材隔热性能模拟试验研究

王昭君，王洪涛，孙诗兵，万成龙，邱 铭，单 波，侯园园

(1.中国建筑科学研究院，北京 100044;2.北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124)

0 前言

近几十年来，我国经济社会高速发展，建筑规模十分巨大，建筑能耗［1］已占据全国总能耗的1/4以上，建筑节能［2］已成为我国建筑事业中必须高度重视的问题。

建筑外窗的能耗占到建筑围护结构［3－4］总能耗的40%～45%，是建筑节能最薄弱环节。以北京市为例，预计到2015年，全市城镇和农村建筑能耗约3 665万吨标准煤，占全市总能耗9 000万吨标准煤的40.7%，其中通过建筑围护结构损失的热量占建筑能耗的50%，通过外窗损失的热量约达建筑能耗的1/4。因此，建筑外窗的节能是建筑节能的关键，关系到建筑节能总目标能否实现［5－6］。

随着建筑节能工作的不断推进，我国对节能铝合金门窗幕墙［7－9］的研发力度不断加大，除引进铝合金幕墙门窗隔热型材外，还配合研发低辐射镀膜玻璃和优质五金配件，使得铝合金节能门窗产品性能有了较大幅度的提高，产量增幅明显。

然而，幕墙门窗铝型材仍是铝合金幕墙门窗节能的重点。铝合金幕墙门窗型材仅占整窗或幕墙的面积的17%～35%，但传热系数却是玻璃的2～4倍，通过型材损失的热量占整窗热损失近50%。因此，幕墙门窗铝型材隔热保温性能已成为铝合金幕墙门窗节能研发的关键。

幕墙门窗铝型材的保温隔热性能主要由隔热条、密封条和封闭空腔组成的隔热系统来实现，达到阻断内外侧铝材间热量的直接传导和辐射，减小腔体内空气的直接对流的热损失。因此隔热条长度、密封条布置、腔体分布和铝合金型材的基本热工性能成为隔热铝(合金)型材设计的关键。

本文对铝型材保温隔热性能影响因素的研究，对常用的改进铝型材隔热性能的方法进行模拟试验，通过试验结果的对比分析，除对常用改进方法效果进行评价外，还提出了新的铝型材保温隔热性能的研发改进思路。

1 试验部分

影响铝型材热工性能的诸多指标可分定量指标和定性指标两类:定量指标，如隔热条的隔热性能(用隔热条长度替代)、型材表面发射率和型材导热系数;定性指标，如密封条的布置和型材腔体的分布。

根据型材热工性能的不同影响因素，设计外窗型材的截面如图1，玻璃统一采用浮法中空玻璃5+ 12A+5+12A+5(表1)，玻璃的传热系数为1.745 W/(m2·K)。

图1 试验分析的型材截面

表1 试验用外窗玻璃的基本参数

试验分别研究了导热系数、隔热长度和表面发射率对型材传热系数的影响、密封条的不同形式对型材热工性能的影响，以及密封条的不同形式与型材腔体内表面发射率对型材传热系数的影响。

1.1 导热系数、隔热长度和表面发射率对型材传热系数影响

1.1.1 正交试验设计

采用正交试验法［10］进行试验，即根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验。影响型材热工性能的参数，如导热系数、隔热长度和表面发射率为因素，每个因素区别不同的状态(如隔热条长度为20 mm、30 mm、40 mm)即水平。

试验依据图1中A～C三种截面的热工性能影响因素及状态，形成了3因素3水平表，见表2。

根据因素水平表，设计了9组试件，见表3。

表2 因素水平表

表3 正交试验试件表

对应选取的型材材料见表4，该型材及表面处理方式为市场上主流的幕墙门窗型材材料。

表4 试件材料热工参数

1.1.2 模拟计算条件

采用建筑门窗节能性能计算软件(MOC－I软件)进行热工模拟计算，边界条件取［11］:室内空气温度:20 K;室外空气温度:－20 K;室内对流换热系数:3.6 W/(m2·K);室外对流换热系数:16.0 W (m2·K)，门窗周边框的室外对流换热系数:8.0 W/ (m2·K)，周边框附近玻璃边缘(65 mm内)的室外对流换热系数:12.0 W/(m2·K)，室内平均辐射温度:20 K，室外平均辐射温度:－20 K，太阳辐射照度:0 W/m2。

1.1.3 正交试验模拟计算结果及分析

(1)模拟计算结果

型材传热系数k值的模拟计算结果见表5。

表5 正交试验模拟计算结果

(2)极差分析

极差分析反映了各因素对型材传热系数的影响，如均值k1反映了三次A1及B、C每个因素的水平各一次的影响。型材三个因素的不同水平的传热系数k、极差R见表6。极差分析见图2。从表6和图2的极差可以看出，因素的主次顺序为:

表6 数据处理及结果

图2 极差分析

表面发射率→隔热条长度→型材导热系数

由此可见，表面发射率对型材传热系数的影响居于主导地位，隔热条长度及导热系数的影响居于次要地位。当型材的表面发射率从0.9下降到0.2时，型材传热系数的提高优于隔热条的长度从20 mm变化到40 mm。

(3)因素水平分析

针对不同隔热条长度、表面发射率和导热系数对型材传热系数的影响效应进行分析。

①型材的导热系数

导热系数对型材传热系数的影响见图3。当导热系数由90W/(m·K)到237W/(m·K)，传热系数由2.285W/(m2·K)变化到2.313 W/(m2·K)，变化值为0.028W/(m2·K)。

图3 型材导热系数的影响

由此可见，导热系数对型材的传热系数基本上没有影响(当型材导热系数在90～237 W/(m·K)范围变化时)。

②型材的表面发射率

型材表面发射率对型材传热系数的影响见图4，当型材表面发射率由0.2到0.9，传热系数由2.114W/(m2·K)变化到2.416W/(m2·K)，变化值为0.302W/(m2·K)。

图4 型材表面发射率的影响

由此可见，型材表面发射率对型材的传热系数有较大影响(当型材表面发射率在0.2～0.9范围变化时)。

③隔热条长度的影响

隔热条长度对型材传热系数的影响见图5，当隔热条长度由 20 mm到 40 mm，传热系数由2.362W/(m2·K)变化到2.255W/(m2·K)，变化值为0.107W/(m2·K)。

图5 隔热条长度的影响

由此可见，隔热条长度对型材的传热系数有较大影响(当隔热条长度在20～40 mm范围变化时)。

1.2 不同密封条布置的比对试验

1.2.1 比对试验设计

对于定性指标采用图1的B、C，D、E四种截面进行对比试验研究，共设计了6组(共12个试件)，研究密封条的不同形式对型材热工性能的影响，以及密封条的不同形式与型材发射率对型材传热系数影响的相关性。分别比对发射率为0.2、0.8、0.9的水平下JH70与JH70I(图1)，JH80与JH80I(图1)的传热系数差异。试件设计见表7。

表7 比对试验试件参数及计算结果

1.2.2 比对试验计算结果

型材截面(图1)B、C、D、E中，由于密封条的不同布置，使得型材腔体划分(见图7)不同，因此，型材腔体内的辐射换热和对流换热模式发生一定的变化。由于型材腔体密闭，空间小，对流换热量相对较小(尤其是横梁)，小于辐射换热和空气间层(处于静止状态时)纯导热方式传递的热量。

图6 型材腔体及内壁表面定义对型材传热性能的影响

依据表7中的试验设计进行模拟计算，得到以下结果:

表8 比对试验试件参数及计算结果

1.2.3 试验结果分析

试验设计的表面辐射率、隔热条长度、腔室布置反映了辐射换热、空气传导、空气对流三种传热方式对型材传热系数的影响。影响结果分析如下:

(1)在型材的腔体(图7的空腔1～6)中，型材发射率较大时，辐射传热成为热量的最主要的交换方式。此时，影响密闭空腔的传热能力的因素的主次为:

辐射换热→空气传导→空气对流

(2)型材发射率较大时，图1的B、C两种截面密封条的布置起到阻止型材内、外壁直接辐射换热的作用，D、E中阻止型材内、外壁直接辐射换热作用的密封条减少，型材传热系数增大，最大可由2.43W/(m2·K)到2.57W/(m2·K)，因此图6中显示减少密封条后组2、组3的曲线升高。

(3)在型材的腔体(图7的空腔1～6)中，型材发射率较小时，空气间层以(处于静止状态时)纯导热方式交换热量为主，辐射换热和对流换热的热量相对较小。

空气传导→辐射换热→空气对流

(4)型材发射率较小时，图1的B、C两种截面密封条的布置，对型材传热系数影响不大，型材传热系数最大变化值为0.05W/(m2·K)，因此图8组1曲线较平直。

图7 JH70和JH70I、JH80和JH80I不同密封条布置、型材表面发射率的影响

1.3 型材腔体内表面不同发射率的比对试验

型材腔体内表面是指图7中N1～6，W1～6的表面。比对试验以JH70作为研究对象，型材导热系数取237W/(m·K)，隔热条长度取30 mm，改变型材腔体内的W面、N面发射率，型材设计与计算结果见表9，其中，试件1、试件4、试件7的W面和N面仍采用原型材的发射率;试件2、试件5、试件8的N面改变发射率为0.04;试件3、试件6、试件9的W面和N面同时改变发射率为0.04。

表9 不同发射率的比对试验型材设计与计算

型材腔体内表面不同发射率对k值的影响见图8。W面和N面的表面发射率由0.9变化到0.04时，型材传热系数的变化值为0.51W/(m2·K)。

可见，改变腔体内侧的表面发射率能够起到显著的节能效果。

2 结论

通过分析可以得出，提高隔热铝型材系统保温隔热性能可以采取以下几种措施:

图8 型材腔体内表面不同发射率对k值的影响

(1)增加隔热条的长度。增加隔热条长度可有效降低通过铝型材导热引起的热损失，是目前普遍采用的效果较为显著的方法;

(2)采用密封条分隔型材腔体。采用密封条分隔玻璃装配腔体和框扇配合腔体，可有效降低通过腔体空气对流引起的热损失，可起到较理想的效果，应成为幕墙门窗铝型材保温隔热设计的思路之一;

(3)降低型材表面的发射率。降低型材表面的发射率可有效阻挡通过型材壁面辐射换热导致的热损失，考虑到辐射换热在型材整个传热过程中占较大比例，因而改善效果非常明显。由于型材外观上往往有特定的表面处理要求，改变型材外观的发射率不容易满足，但可以减小型材内侧面的发射率;

(4)降低型材室内侧腔体表面的发射率。型材室内侧腔体发射率可通过涂覆低发射材料、表面低辐射处理等工艺降低，既起到改善保温隔热效果的作用，又不影响型材的外观，因而应成为幕墙门窗铝型材节能设计的重要思路。

［1］林伯强.中国能源战略调整和能源政策优化研究［J］.电网与清洁能源，2012，28(1):1－3.

［2］宋国宏.推广建筑节能技术降低能源消耗［J］.节能技术，2002，20(1):37-40.

［3］欧长贵.建筑围护结构的节能研究［J］.中国建筑金属结构，2013(6):184.

［4］李爱华.建筑围护结构节能技术及应用［J］.河南科技，2013(8):133-134.

［5］吕文娟，陈乐，陈正时.青藏±400 kW格尔木换流站建筑节能及防风沙研究［J］.电网与清洁能源，2012，28(2): 40-43.

［6］北京地区节能减排研究课题组.北京地区节能减排之路该怎样走［J］.科技智囊，2012(11):64-87.

［7］王积刚，黄日勇.铝合金门窗节能技术概述［J］.门窗，2007(1):30-36.

［8］黄圻，张志华.铝合金门窗行业发展30年［J］.中国建筑金属结构，2012(1):17-20.

［9］蒋卓生.铝合金门窗及幕墙节能技术探讨［J］.中国新技术新产品，2012(6):196.

［10］《正交试验法》编写组.正交试验法［M］.北京:国防工业出版社，1976:12.

［11］建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程:JGJ/T 151-2008［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.3.