幕墙框与面板间填充聚乙烯泡沫材料对传热系数的影响

程圣彬

根据我国国情，按照实现经济与社会可持续发展的要求，建筑节能是中国发展的基本国策之一。经过多年的发展，我国已成为全球幕墙生产与使用的大国。在建筑幕墙结构系统的设计过程中如果不注重有效的节能设计，则将使建筑能耗大大增加，进而带来大量用电、用煤等能源消耗，给人们赖以生存的环境造成更大影响，因此幕墙系统节点的节能设计势在必行。

聚乙烯泡沫棒本身具有良好的伸缩变形性能，故常被用作填缝材料用于幕墙接缝的填塞及打胶衬底。除此之外，聚乙烯泡沫塑料产品还具有优秀的隔热性能。本文从聚乙烯泡沫塑料相关产品的隔热性能方面分析将其合理应用于幕墙框系统节点对整体热工性能的影响，为提高幕墙框系统节点的热工性能提供设计思路参考。

1 分析模型介绍

本文采用了隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料以及非隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料两种分析模型，并且通过对泡沫填塞区域范围的调整，观察得知填塞前后框传热系数的变化。隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料节点如图1 所示，非隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料节点如图2 所示。

图1 隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料节点

图2 非隔热型材与玻璃面板间填塞泡沫材料节点

2 框传热系数对比分析

2.1 设计基准条件

本文采用了粤建科®MQMC 2012 版“幕墙门窗热工性能计算软件”进行框二维传热有限元分析计算，该软件是国内首款符合《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T 151—2008）规定的软件[1]。软件根据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T 151—2008）要求进行产品设计，传热系数计算采用冬季标准计算条件（见表1）[2]。计算幕墙竖框的传热系数时，竖框的室外对流换热系数hc，out取16 W/（m2·K）[3]。

表1 产品设计计算边界条件

幕墙竖框型材采用室外侧带装饰扣盖的明框型式立柱，框传热系数Uf在计算幕墙竖框截面二维热传导的基础上获得。在框的计算截面中，玻璃面板嵌入框中不可见部分的深度按照面板嵌入的实际尺寸设计，且可见部分的板材厚度bp不应小于200 mm[4]。玻璃面板采用6Low-E+12A+6Clear 中空玻璃，玻璃组件的传热系数Ug=1.709 W/（m2·K）。

2.2 隔热型材与玻璃面板间填充聚乙烯发泡材料对框传热系数影响

本部分选用3 种计算模型，分别为不填充发泡材料、少量填充发泡材料、大量填充发泡材料，详见图3 ～图5。

图3 不填充发泡

图4 少量填充发泡

图5 大量填充发泡

通过建立计算模型进行框二维传热有限元分析计算，得到3 种情况下的框传热系数Uf及玻璃面板与框接触部位的线传热系数Ψ，见表2。根据表中数据分析可知，线传热系数Ψ随着泡沫填充区域的增加而略有增加，但增加幅度非常小，对于整窗热工计算影响几乎可以忽略。框传热系数随着填充区域的增加而显著减小，少量填充可使框传热系数降低约19%，大量填充可使框传热系数降低约30%，泡沫填充对于隔热型材框传热系数影响较为明显。

表2 隔热型材发泡材料填充量与框传热系数对照表

进一步对比无填充与大量填充发泡材料后的热流分布图像（图6、图7可知），随着泡沫填充区域的增加，空腔部位热对流减少，热流密度降低，从而降低框的传热系数。隔热型材可通过在框与面板间增加发泡材料降低框传热系数，改善整体幕墙热工性能。

图6 无填充热流分布图像

图7 大量填充热流分布图像

为进一步验证以上结论，将框与玻璃面板间填充的发泡材料采用幕墙常用的三元乙丙胶条代替，同样可以达到降低空腔空气对流的目的，与上述计算结果进行对比，填塞三元乙丙胶条等温线分布图像如图8 所示，填塞三元乙丙胶条热流分布图像如图9 所示。

图8 填塞三元乙丙胶条等温线分布图像

图9 填塞三元乙丙胶条热流分布图像

通过建立计算模型进行框二维传热有限元分析计算，得到图8 所示情况下的 框 传 热 系 数Uf=3.59 W/（m2·K），玻璃面板与框接触部位的线传热系数Ψ=0.1061 W/（m·K），均与图4 所示少量填充发泡材料情况下的传热系数接近。通过分析图9 与图7 所示热流分布图像，其空腔部位热流密度均较低。由此可知，降低框与玻璃面板间的空气对流是降低框传热系数的有效措施。考虑到经济性、便利性等相关因素，可优先考虑采用发泡材料。

2.3 非隔热型材与玻璃面板间填充聚乙烯发泡材料对框传热系数影响

本部分将选用3 种计算模型，分别为不填充发泡材料、少量填充发泡材料大量填充发泡材料，详见图10 ～图12。

图10 不填充发泡

图11 少量填充发泡

通过建立计算模型进行框二维传热有限元分析计算，得到3 种情况下的框传热系数Uf及玻璃面板与框接触部位的线传热系数Ψ（表3）。根据表3 数据分析可知，非隔热型材框与玻璃面板间填充泡沫材料与前述隔热型材框与玻璃面板间填充泡沫材料对于框传热系数的影响略有不同。少量设置泡沫填充材料即可明显降低框传热系数，降低幅度约为12%，但随着泡沫填充区域的增加，框传热系数则几乎不发生变化。线传热系数Ψ变化幅度较小，对于整窗热工计算影响可以忽略。

表3 非隔热型材发泡材料填充量与框传热系数对照表

通过分析可知，非隔热型材通过在框与玻璃面板间增加发泡材料同样可明显降低框传热系数，但发泡材料填充范围的增大对框传热系数的影响有限。此时，空腔部位空气对流不再是影响框传热系数的主要因素，大量的热流主要以热传导形式通过型材进入室内。通过以上分析可知，非隔热型材通过在框与面板间增加发泡材料可降低框传热系数，但降低幅度较小，对整体幕墙热工性能的影响有限[5]。

3 结论

通过分析可知，隔热型幕墙型材可通过在框与面板间增加聚乙烯发泡塑料降低框传热系数，且降低幅度较大。另外随着发泡材料填充范围的增加，可获得更加优秀的框隔热性能，从而提高整体幕墙的热工性能。通过合理设置聚乙烯发泡塑料等类似发泡材料的使用范围，可以有效降低幕墙系统U值，提升幕墙热工性能。建筑幕墙设计师可参考此通用结论，为幕墙节能设计提供参考。