穿條式隔熱型材隔熱條位置對幕墻框傳熱系數(shù)的影響

程圣彬

0 引言

建筑幕墻具有輕盈性、通透性、美觀性的特點(diǎn)，作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用到現(xiàn)代的各類居住建筑與公共建筑上。同時也是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，建筑幕墻結(jié)構(gòu)若不進(jìn)行有效的節(jié)能設(shè)計(jì)，南方夏季室內(nèi)炎熱的環(huán)境將使空調(diào)降溫需求大大增加，北方冬季室外嚴(yán)寒的環(huán)境將使采暖需求急劇上升，由此所產(chǎn)生的大量用電、用煤等能源消耗給人們賴以生存的環(huán)境造成了很大影響。

1 穿條式隔熱型材簡介

穿條式隔熱型材的隔熱材料使用PA66GF25（聚酰胺66+25玻璃纖維）材料，采用穿條工藝生產(chǎn)的隔熱鋁型材在幕墻中的應(yīng)用十分廣泛。

隔熱材料PA66GF25 與鋁合金型材具有相近的線膨脹系數(shù)，良好的熱穩(wěn)定性、耐久性，滿足幕墻設(shè)計(jì)要求的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，以及成熟的穿條生產(chǎn)工藝，使穿條式隔熱型材逐漸成為隔熱幕墻的代名詞，常見的穿條式隔熱型材節(jié)點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 穿條式隔熱型材節(jié)點(diǎn)

2 穿條式隔熱型材設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件

本文采用了美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱“LBNL”）開發(fā)的THERM、WINDOW 系列軟件對隔熱型材的傳熱性能進(jìn)行二維模擬計(jì)算。

軟件根據(jù)JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，傳熱系數(shù)計(jì)算采用冬季標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件（見表1）。計(jì)算幕墻豎框的傳熱系數(shù)時，豎框的室外對流換熱系數(shù)h取16 W/（m·K）。

表1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算邊界條件

幕墻豎框型材采用明框帶室外裝飾扣蓋型式的立柱節(jié)點(diǎn)，隔熱條采用符合GB/T 23615.2《鋁合金建筑型材用輔助材料第2 部分：聚氨酯隔熱膠材料》規(guī)范要求的PA66+GF25 材料?？騻鳠嵯禂?shù)U在計(jì)算幕墻豎框截面的二維熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上獲得。在框的計(jì)算截面中，應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03 W/（m·K）的板材替代實(shí)際的玻璃，板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照面板嵌入的實(shí)際尺寸，可見部分的板材厚度b不應(yīng)小于200mm，各部分材料類型標(biāo)示圖如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型材料類型標(biāo)示圖

2.2 隔熱條深度變化對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用此4 種深度尺寸的I 型隔熱條，尺寸分別為：12mm、14.8mm、18mm、21mm。保持隔熱條中心線與面板中心線平齊，每種隔熱條深度尺寸的增加階梯近似為3mm，計(jì)算模擬構(gòu)造圖如圖3 所示。

圖3 計(jì)算模擬構(gòu)造圖

針對每種隔熱條深度分別建立框傳熱系數(shù)計(jì)算模型，采用Therm7.8.16 進(jìn)行二維模擬計(jì)算分析。得到不同深度的隔熱條對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U[單位：W/（m·K）]，見表2。

表2 隔熱條尺寸變化與框傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制隔熱條深度與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系如圖4 所示。

圖4 隔熱條深度與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

通過圖4 初步分析可知，框傳熱系數(shù)隨著隔熱條深度尺寸的增加而減小，但隨著隔熱條深度尺寸的逐漸增大，框傳熱系數(shù)的減小呈逐漸放緩的趨勢。通過增加隔熱條深度可較為有效的降低框傳熱系數(shù)，但受到面板厚度、隔熱條強(qiáng)度、隔熱條價格等設(shè)計(jì)因素的影響，單純通過增加隔熱條的尺寸以達(dá)到降低傳熱系數(shù)的目的并非最優(yōu)選項(xiàng)。

2.3 隔熱條位置變化對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用常用的3 種尺寸（12mm、14.8mm、18mm）的I 型隔熱條進(jìn)行比較分析。面板采用6mmLowE+12A+6mmClear中空鍍膜玻璃代替絕熱面板以模擬實(shí)際工程配置，中空玻璃傳熱系數(shù)為：U=1.669 W/（m·K）。

通過均勻調(diào)整隔熱條中心線距離玻璃面板中心線的位置并建立計(jì)算模型以獲得其對應(yīng)位置的框傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隔熱條位置調(diào)整示意如圖5 所示。

圖5 隔熱條位置調(diào)整基準(zhǔn)圖

針對3 種尺寸的隔熱條分別建立框傳熱系數(shù)計(jì)算模型，采用Therm7.8.16 進(jìn)行二維模擬計(jì)算分析。部分隔熱條位置熱工模擬結(jié)果如圖6、7、8 所示，更多隔熱條位置變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U（單位：W/（m·K））如表3 所示。

圖6 12mm 隔熱條

圖7 14.8mm 隔熱條

圖8 18mm 隔熱條

表3 隔熱條位置變化與框傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3 隔熱條中心線距面板中心線相對距離變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖9。

通過圖9 初步分析可知，隔熱條中心線與玻璃面板中心線重合位置并非隔熱條最佳位置，隨著隔熱條位置逐漸向室內(nèi)側(cè)移動，框傳熱系數(shù)緩慢減小后又呈逐漸增大趨勢，但很難判斷不同規(guī)格隔熱條的最佳設(shè)計(jì)位置。

圖9 隔熱條位置與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上通過改變隔熱條相對位置統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用以玻璃面板的室內(nèi)側(cè)表面為基準(zhǔn)線與隔熱條室內(nèi)側(cè)邊線之間的距離為依據(jù)重新整理統(tǒng)計(jì)框傳熱系數(shù)表，隔熱條位置統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)示意圖如圖10 所示。

圖10 隔熱條位置調(diào)整基準(zhǔn)圖

隔熱條位置變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U[單位：W/（m·K）]見表4 所示。

表4 隔熱條位置變化與框傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4 隔熱條內(nèi)邊線距玻璃面板內(nèi)邊線相對距離變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖11。

圖11 隔熱條位置與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

根據(jù)對三種尺寸的隔熱條傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)圖表生成多項(xiàng)式趨勢線，通過對趨勢線的觀察分析可知，不同尺寸的隔熱條在其內(nèi)邊線與面板內(nèi)邊線重合位置附近可獲得相對較小的框傳熱系數(shù)，由此可獲得一個較為通用的隔熱條進(jìn)出位置設(shè)置原則，即在滿足結(jié)構(gòu)及截面設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能減小隔熱條內(nèi)側(cè)邊線與面板內(nèi)邊線之間的相對距離，以獲得相對更優(yōu)的框傳熱系數(shù)，從而提高幕墻整體的熱工性能。

2.4 隔熱條間距對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用80mm 寬鋁合金立柱，在立柱截面寬度不變的前提下調(diào)整隔熱條之間的距離，且同時需滿足JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第9.5 節(jié)中關(guān)于玻璃面板與槽口配合尺寸的要求。模型采用14.8mm 寬I 型隔熱條，隔熱條內(nèi)邊線距離面板內(nèi)邊線平齊。如圖12 所示。

圖12 隔熱條間距調(diào)整圖示

通過建模分析，隔熱條間距變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U（單位：W/（m·K）），見表5 所示。

表5 隔熱條間距變化與框傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5 隔熱條間距變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖13。

圖13 隔熱條間距與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

通過圖13 可知，框傳熱系數(shù)隨著隔熱條間距的增加而緩慢減小，且減小幅度較小。由此可知在立柱寬度B不變的情況下，隔熱條間距b 的數(shù)值越大，框的傳熱系數(shù)越小，即框傳熱系數(shù)與b/B 的比值近似成反比。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)

通過本文以上分析可知通過合理設(shè)置穿條式隔熱幕墻型材隔熱條的位置可以有效降低框傳熱系數(shù)，獲得更加優(yōu)秀的框隔熱性能，從而提高整體幕墻的熱工性能。

隔熱條位置設(shè)計(jì)總結(jié)如下：（1）適當(dāng)增加隔熱條寬度尺寸。（2）使隔熱條內(nèi)邊線盡量與面板內(nèi)側(cè)表面平齊。（3）在滿足規(guī)范要求的前提下，可通過增加隔熱條間距以增強(qiáng)框隔熱性能。

4 結(jié)語

建筑幕墻隔熱框結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以有效降低幕墻整體的U 值，提升幕墻熱工性能，從而達(dá)到降低夏季空調(diào)及冬季采暖能耗的目的。了解穿條式隔熱型材的有效隔熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)是每個幕墻設(shè)計(jì)人員的職責(zé)和義務(wù)，同時也是使隔熱型材取得理想的節(jié)能效益的當(dāng)務(wù)之急。