淺析節(jié)能鋁門窗幾處熱工細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

姜曉偉

建筑門窗在我國(guó)有著悠久的歷史，可以追溯到三千多年前的商、周。建筑門窗作為我國(guó)古代燦爛建筑文明的組成部分，堪稱中華文化寶庫(kù)中一顆璀璨的明珠。我國(guó)境內(nèi)已知最早的人類住所是天然巖洞。 “古穴居而野處”無(wú)數(shù)奇異深幽的洞穴為人類提供了最原始的家，洞穴口的草蓋大約便是最早的門。進(jìn)入奴隸社會(huì)后，我國(guó)出現(xiàn)了最早的規(guī)模較大的木架夯土建筑和庭院，從而出現(xiàn)了具體定義的門窗。唐宋以后的資料更多。一般做建筑的外門與內(nèi)部隔斷，此時(shí)的門窗都是木制，強(qiáng)調(diào)的是其藝術(shù)性和象征意義。

我國(guó)現(xiàn)代建筑門窗是在二十世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的，1911年鋼門窗傳入中國(guó)，主要是來(lái)自英國(guó)、比利時(shí)、日本的產(chǎn)品。七十年代后期，國(guó)家大力實(shí)施 “以鋼代木”的資源配置政策，大大推進(jìn)了鋼門窗的發(fā)展。八十年代是傳統(tǒng)鋼門窗的全盛時(shí)期，市場(chǎng)占有率一度(1989年)達(dá)到70%。鋁合金門窗七十年代傳入我國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)治理整頓深入發(fā)展并取得成效，鋁門窗系列也由八十年代初的4個(gè)品種、8個(gè)系列，發(fā)展到40多個(gè)品種、200多個(gè)系列，形成較為發(fā)達(dá)的鋁門窗產(chǎn)品體系，確立了支柱產(chǎn)品地位。尤其是2000年伴隨著歐洲穿條技術(shù)進(jìn)入中國(guó)，出現(xiàn)了新型斷橋鋁門窗。斷橋鋁門窗徹底克服了原有鋁合金門窗不節(jié)能的弱點(diǎn)，并有效保持甚至將鋁門窗原有優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮的更為淋漓，受到國(guó)內(nèi)大多數(shù)政府類建筑、中高檔商業(yè)樓盤等業(yè)主的青睞，在我國(guó)隔熱門窗得到了蓬勃的發(fā)展。

圖1 中國(guó)市場(chǎng)門窗品種分布

從圖1即可看出來(lái)我國(guó)市場(chǎng)門窗品種分布的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是鋁合金門窗占據(jù)半壁江山，這其中隨著國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能的日益重視，斷橋鋁門窗的發(fā)展更是可以用日新月異來(lái)形容。旺盛的市場(chǎng)需求催生了技術(shù)和材料的不斷變革，從最初的普通鋁型材配置單層玻璃到現(xiàn)在中空玻璃配置斷橋鋁型材已經(jīng)成為市場(chǎng)的絕對(duì)主流。來(lái)自歐洲成熟市場(chǎng)的廠商帶來(lái)的不僅僅是產(chǎn)品，也讓中國(guó)的鋁型材企業(yè)、門窗幕墻企業(yè)、配套件企業(yè)有了新的生命力和發(fā)展方向。 “系統(tǒng)”這個(gè)詞無(wú)疑是行業(yè)內(nèi)近幾年的一個(gè)絕對(duì)熱點(diǎn)詞語(yǔ)！國(guó)外優(yōu)秀的系統(tǒng)公司在紛紛進(jìn)入中國(guó)，國(guó)內(nèi)的鋁型材企業(yè)、門窗幕墻企業(yè)也都在推陳出新的開發(fā)適合自己的系統(tǒng)產(chǎn)品，以便實(shí)現(xiàn)自己從做產(chǎn)品到做系統(tǒng)的有效角色轉(zhuǎn)化。

所謂 “系統(tǒng)”，中華大辭典的解釋為 “同類事物按一定的關(guān)系組成的整體”。放在門窗行業(yè)內(nèi)可以簡(jiǎn)單理解為門窗系統(tǒng)就是將玻璃、型材、五金件、隔熱條、膠條等材料按照最精密公差配合、最優(yōu)化性能組合在一起最終形成的門窗產(chǎn)品，此即為門窗系統(tǒng)。再衍伸意義上講，門窗系統(tǒng)即有一整套的產(chǎn)品和服務(wù)能夠滿足市場(chǎng)的變化、客戶的需求。

門窗系統(tǒng)開發(fā)到今天，情況還是良莠不齊。以隔熱鋁門窗為例，中空玻璃和隔熱型材的選用已經(jīng)成為了一個(gè)基礎(chǔ)共識(shí)。但是在此基礎(chǔ)上，作為隔熱鋁門窗的核心節(jié)能部件——隔熱條、膠條、間隔條的使用是否得當(dāng)卻乏人關(guān)注，殊不知，一個(gè)系統(tǒng)的成敗往往決定于一個(gè)或者幾個(gè)細(xì)節(jié)的完善與否。本文中，筆者將就隔熱鋁型材斷面設(shè)計(jì)中幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題做對(duì)比說(shuō)明。

本文應(yīng)用的是Therm5.0（注：THERM5是用有限單元法計(jì)算門窗框和玻璃邊緣穩(wěn)態(tài)傳熱的軟件，計(jì)算所用的公式和方法基于ISO15099和ISO10077.THERM5計(jì)算的窗框性能數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入WINDOWS5，與玻璃數(shù)據(jù)一起組成整個(gè)門窗或幕墻，計(jì)算綜合的性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，THERM5也可單獨(dú)作為分析軟件，研究框材內(nèi)部的傳熱模型，找出設(shè)計(jì)缺陷，提高產(chǎn)品性能。這款軟件是美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的一款產(chǎn)品，也是中國(guó)建設(shè)部門窗節(jié)能工作推薦軟件之一）軟件進(jìn)行的熱工模擬，模擬環(huán)境為兩個(gè)完全相同的型材斷面和玻璃配置，每次更換一個(gè)變量，來(lái)分析比較細(xì)節(jié)的改動(dòng)對(duì)整體系統(tǒng)的影響大小。

眾所周知，傳熱的途徑有如下三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。在斷橋鋁型材中，這三種形式是并存的，其中熱傳導(dǎo)和對(duì)流起到?jīng)Q定性的作用。故要想改善型材的熱工性能，就要從這幾個(gè)方式上想辦法，盡可能的降低型材的導(dǎo)熱性能，也就是要把常說(shuō)的U值降下來(lái)。

圖2 應(yīng)用I20條型材U值模擬

圖3 應(yīng)用C20條型材U值模擬

1、隔熱條的設(shè)計(jì)選用

隔熱條的應(yīng)用已經(jīng)非常普及，我們看到絕大多數(shù)的型材斷面也是應(yīng)用了I、C、T、CT這幾個(gè)基礎(chǔ)類型的隔熱條。那么，應(yīng)用I型條和應(yīng)用C型條對(duì)型材的導(dǎo)熱性能到底有沒(méi)有影響呢？影響又有多大？

上面的圖2和圖3是同一個(gè)型材斷面，分別應(yīng)用I20和C20的隔熱條，其他設(shè)計(jì)和配置完全相同的情況下做得模擬。本例中，應(yīng)用C型條比應(yīng)用I型條的U值降低了3.87-3.71=0.16。上面的計(jì)算結(jié)果可以看出來(lái)應(yīng)用相同寬度的C型條要比I型條的隔熱型材U值小一些。

以上模擬結(jié)果可以通過(guò)了解熱阻R的定義來(lái)理解。根據(jù)傳熱學(xué)公式，R=A/(kL)。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導(dǎo)率。相同寬度隔熱條，C型條的A比I型條的大，而K、L是相同的，故C型條的自身熱阻要比I型條大，也就是應(yīng)用相同寬度C型條的型材熱傳導(dǎo)性能要比應(yīng)用I型條的節(jié)能效果好。

圖4 I型條填充泡沫材料

圖5 C型條填充泡沫材料

2、泡沫填充材料的設(shè)計(jì)選用

有空腔就有對(duì)流產(chǎn)生的可能，設(shè)計(jì)師們敏銳的發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，并很快找到了一個(gè)解決方案---填充泡沫材料。填充一定是有效的嗎？以下做以對(duì)比模擬：

第一組對(duì)比：圖2和圖4，可以看出應(yīng)用I型條的型材添加泡沫材料以后，其型材U值的變化為3.87-3.83=0.05，即填充了泡沫材料對(duì)型材U值優(yōu)化效果一般。

第二組對(duì)比：圖3和圖4，可以看出應(yīng)用C型條的型材添加泡沫材料以后，其型材U值的變化為3.72-3.63=0.09，即填充了泡沫材料的型材U值優(yōu)化效果尚可。

由以上模擬結(jié)果可以看出，應(yīng)用同樣寬度隔熱條，填充泡沫材料對(duì)應(yīng)用C型條的型材比應(yīng)用I型條的型材優(yōu)化熱工性能要好一些。從對(duì)流的產(chǎn)生環(huán)境我們可以知道，過(guò)于狹隘的空間不利于對(duì)流的產(chǎn)生，而I型條之間的空間比C型條的要小一些，故填充泡沫材料的效果也不如C型條明顯，這也就解釋了上面的結(jié)果。

3、主密封膠條的設(shè)計(jì)選用

框扇之間的主密封膠條的設(shè)計(jì)選用各家企業(yè)也是百花齊放，有應(yīng)用的、有不用的、有把膠條搭接到隔熱條上的、有把膠條搭接到型材上的……，以下做對(duì)比模擬：

圖6 主密封膠條搭接鋁材

圖7 主密封膠條搭接隔熱條

第一組對(duì)比：圖2和圖6對(duì)比可以看出，同樣的斷面設(shè)計(jì)，應(yīng)用主密封膠條和不用主密封膠條的型材U值變化為3.87-3.69=0.18，U值優(yōu)化效果明顯。

第二組對(duì)比：圖6和圖7對(duì)比可以看出，同樣是應(yīng)用主密封膠條，但是膠條搭接在鋁材上和搭接在隔熱條上對(duì)型材的U值影響為3.69-3.42=0.27，U值影響很大。

以上兩組對(duì)比我們可以看出，只要型材斷面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許使用主密封膠條，那么一定要選用，并且要從系統(tǒng)的角度考慮，選擇合適的隔熱條來(lái)與主密封膠條配合搭接。主密封膠條和隔熱條的有效配合從根本上改變了型材內(nèi)部最大的一個(gè)通透腔體的結(jié)構(gòu)，極大的降低了型材因?yàn)閷?duì)流產(chǎn)生而帶來(lái)的熱量損失，此也為上面結(jié)論出現(xiàn)的原因。

4、拖尾膠條的設(shè)計(jì)選用

以上都是從型材內(nèi)部進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，而我們知道門窗是型材和玻璃的組合體系，除去玻璃的U值影響與本文無(wú)關(guān)不談，型材和玻璃之間應(yīng)用的膠條形狀對(duì)型材的U值也是有相當(dāng)影響的。以下進(jìn)行對(duì)比模擬：

圖8 應(yīng)用短尾膠條的型材

圖9 應(yīng)用拖尾膠條的型材

對(duì)比圖8和圖9，應(yīng)用拖尾膠條和短尾膠條對(duì)型材的U值影響為3.32-3.20=0.12，可見U值優(yōu)化效果明顯。拖尾膠條的作用類似主密封膠條，也是將大的型材內(nèi)部存在溫差的空間分割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化型材U值的效果。本例計(jì)算中拖尾膠條是搭接在鋁材上，根據(jù)主密封膠條的模擬結(jié)果來(lái)看，如果兩個(gè)拖尾都搭接在隔熱條上，效果應(yīng)該會(huì)更明顯。

5、玻璃暖邊間隔條 （TGI）的設(shè)計(jì)選用

上面我們說(shuō)過(guò)了，門窗整體的U值不僅僅決定于型材。以窗為例，一般認(rèn)為整窗的U值決定于以下三個(gè)方面： （1） 玻璃、 （2） 型材、 （3） 玻璃邊緣狀況。

ISO 10077-1中公式來(lái)表示就是：?jiǎn)紊却暗膫鳠嵯禂?shù)UW用下面公式計(jì)算：

Ug—玻璃的傳熱系數(shù)；

Uf—型材的傳熱系數(shù)；

Ψg—影響玻璃、空腔和型材連接處傳熱的線性傳熱系數(shù)。

其中Ψg值在中空玻璃中的現(xiàn)實(shí)反映就是應(yīng)用的何種間隔條。從市場(chǎng)上分類主要分為應(yīng)用可以稱為冷邊但是在大量使用的鋁間隔條和從國(guó)外引入不久但得到迅猛發(fā)展的暖邊間隔條。暖邊間隔條實(shí)際上在北美的使用率已經(jīng)超過(guò)80%，歐洲的使用率也在不斷提高，隨著近年國(guó)家對(duì)于節(jié)能技術(shù)的重視和逐步推廣，暖邊技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)初具技術(shù)氛圍，越來(lái)越多的人開始認(rèn)識(shí)到暖邊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在門窗幕墻項(xiàng)目上暖邊使用率在逐漸提高。那么應(yīng)用TGI暖邊間隔條的作用是否在系統(tǒng)U值中體現(xiàn)出來(lái)，以下做對(duì)比模擬：

圖10 應(yīng)用普通鋁間隔條

圖11應(yīng)用TGI暖邊間隔條

對(duì)比圖10和圖11，我們可以看到，應(yīng)用TGI暖邊間隔條和應(yīng)用普通鋁間隔條對(duì)型材U值影響為3.44-3.19=0.25，優(yōu)化效果明顯，改善了中空玻璃邊緣線性系數(shù)，進(jìn)而影響到型材乃至系統(tǒng)整體的熱工性能，這個(gè)效果不言而喻。

小結(jié)：以上筆者應(yīng)用Therm軟件對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上常見的斷面設(shè)計(jì)中幾處細(xì)節(jié)做以模擬比較，分別是從隔熱條的不同規(guī)格、應(yīng)用不同配置的膠條、應(yīng)用差異化的中空玻璃間隔條這些角度分析了不同的斷面設(shè)計(jì)對(duì)熱工性能帶來(lái)的不同結(jié)果。毫無(wú)疑問(wèn)，應(yīng)用高規(guī)格的隔熱條、復(fù)雜性較高的膠條、暖邊間隔條對(duì)于節(jié)能鋁門窗的熱工性能具備積極的影響。也是希望小文能夠給我們的設(shè)計(jì)師們有些提示。

系統(tǒng)不僅僅是概念，更應(yīng)該是技術(shù)、是品牌。一個(gè)系統(tǒng)的誕生和發(fā)展就是一個(gè)品牌的歷史，我們常常聽說(shuō)一句話 “細(xì)節(jié)決定成敗”，對(duì)于我們門窗幕墻系統(tǒng)而言，也是如此，關(guān)注細(xì)節(jié)才能完美系統(tǒng)。 “與細(xì)微處將系統(tǒng)的發(fā)展開拓到極致！”，這是改用我們這個(gè)行業(yè)內(nèi)一個(gè)知名系統(tǒng)企業(yè)的一句宣傳語(yǔ)，僅以此句與諸君共勉！

JGJ 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》