斷橋鋁合金門窗系統(tǒng)中玻璃與隔熱條的有限元數(shù)值分析

近年來鋁合金門窗因具有輕質(zhì)高強、裝飾效果豐富等優(yōu)點而逐漸取代了鋼門窗，在能源緊張的今天隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提高，隔熱鋁合金門窗與幕墻在我國長江以北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù) JGJ T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》所提供的整樘門窗結(jié)構(gòu)的理論計算公式，要提高鋁合金斷橋門窗（幕墻）的節(jié)能效果，需要從玻璃、窗框（幕墻框）、框與玻璃之間的連接材料來綜合考慮。

U_t=（ Σ A_g·U_g+ Σ A_f·U_f+Σ ly·y ） A_t

式中：U_t、U_g、U_f分別為窗、窗玻璃、窗框的傳熱系數(shù)；A_g、A_f、A_t分別為窗玻璃、窗框、窗的面積；ly為玻璃區(qū)域邊緣長度；y 為窗框與窗玻璃間的線傳熱系數(shù)。

玻璃是斷橋鋁合金門窗（幕墻）的關(guān)鍵部件，玻璃的保溫隔熱性能與其間隔層層數(shù)、寬度、間隔層內(nèi)的氣體等有著重要關(guān)系。 一般來說，在玻璃間隔層層數(shù)與寬度一定的情況下，向空氣層中填充惰性氣體，使空氣層無空氣對流，從而減少傳熱，可更好地提高節(jié)能效果。

隔熱條也是斷橋鋁合金門窗（幕墻）的關(guān)鍵部件，從熱量傳遞的角度考慮，它將其內(nèi)外側(cè)的鋁型材完全斷開，可有效切斷鋁框熱流直接傳遞的路線，同時又將其內(nèi)外側(cè)鋁型材緊密連接，達到三者共同受力的目的。 目前市場上有美式注膠式和歐式穿條式兩種［1］，后者具有耐高溫、 高濕性能良好， 斷面設(shè)計豐富多樣，剪切失效后抗拉強度仍較高等諸多特點，在市場上得到了廣泛應(yīng)用， 本文只針對歐式穿條式隔熱條進行相關(guān)分析。

玻璃與鋁材的物理性能計算參數(shù)取自 GB 50176《民用建筑設(shè)計熱工規(guī)范》， 玻璃和鋁材的導(dǎo)熱系數(shù)

l ＝0.76，0.84（W m²·K），比熱容 C=203，0.92。

防水密封條熱工計算參數(shù)取自 JGJT 151-2008，材料分別為氯丁橡膠（PCP）、EPDM，純硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.23，0.25，0.35。

ANSYS 熱分析的邊界條件或初始條件可分為溫度、熱流率、熱流密度、對流輻射、絕熱生熱等幾種；而傳熱分析有以下 3 種邊界條件： ①在邊界上給定溫度，屬強制邊界條件；②在邊界上給定熱流量，當(dāng) q＝0 時為絕熱邊界條件；③在邊界上給定對流換熱系數(shù)和對應(yīng)溫度。 本文所有的傳熱分析的邊界條件均施加上述的第 3 類邊界條件。 本節(jié)邊界條件界定所需的內(nèi)外、表面換熱系數(shù)及內(nèi)表面熱阻值如下：

⑴ 內(nèi)表面換熱系數(shù) ai及熱阻 Ri（適用于冬季、夏季）：①墻面、地面、表面平整或有肋狀突出物的頂棚 （h/s≤0.3），a_i＝8.7W m²·K，R_i＝0.11m²·K/W；②有肋狀突出物的頂棚 （h/s>0.3），a_i＝7.6W m²·K，R_i＝0.13m²·K/W。

⑵ 外表面的換熱系數(shù) ae及熱阻 Re（適用于冬季）：①外墻、屋頂、與室外空氣直接接觸的表面，ae＝23.0W m2·K，Re＝0.4m2·K/W； ②與室外空氣相通的不采暖地下室上面的樓板，ae＝17.0W m2·K，Re＝0.06m2·K/W。

現(xiàn)對 2 組中空玻璃模型進行分析，第 1 組對空氣層厚度分別為 9，12，14，16mm 的中空玻璃模型進行對比分析，考察空氣層厚度對玻璃節(jié)能效果的影響；第 2 組 3 個模型的節(jié)能效果分析則是建立在對中空層填充不同性質(zhì)的惰性氣體

展開的。 中空玻璃有限元計算模型如圖 1。

4.1 空氣層厚度的影響

通過對各模型中空玻璃溫度分布云圖（略）的分析，可以得到 4 種空氣層厚度情況下室內(nèi)外的溫度差對比曲線（如圖 2），可見隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫度差明顯增大，即室內(nèi)熱能的耗散越小，節(jié)能效果更佳。

4.2 間隔層填充氣體的影響

考慮間隔層填充氣體對節(jié)能效果的影響時，建立的模型分別對中空層填充氬氣和氙氣進行分析。表 1 列出了空氣及上述兩種惰性氣體在不同溫度狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)值； 表 2 為模型分析所得 3 種填充氣體狀態(tài)下室內(nèi)外溫度差及熱流量結(jié)果對比。

由上述分析可知，向中空層填充惰性氣體時熱流量值有不同程度的減小，其中填充氙氣時熱流量值相比氬氣與空氣有著明顯下降，節(jié)能效果尤為顯著。

考慮隔熱條寬度的取值不同， 對隔熱條寬度分別為 17，20，22，24mm 的 4 個鋁豎梃模型進行分析。隔熱條采用標(biāo)準(zhǔn)原料配比為 75%的 PA66 （含一些關(guān)鍵配料）和 25%的玻璃纖維，導(dǎo)熱系數(shù) 0.3W m·K。

通過溫度場分析獲得各鋁豎梃模型的溫度分布云圖，其中隔熱條寬度為 17，24mm 的對比如圖 3，室內(nèi)外溫度差值對比曲線如圖 4 所示。

分析結(jié)果表明，在 PA66 隔熱條中，傳熱分析的邊界條件相同時，隨著隔熱條尺寸（寬度）的增大，其節(jié)能效果有明顯提高。但在考慮抗風(fēng)壓性能、選用同種型號隔熱條時，則并非尺寸越大越好，已有研究表明［3］，PA66 隔熱條受到相同的風(fēng)壓載荷時 ，其尺寸越大則承受的應(yīng)力越大， 同時它的形變也越大，也會受到應(yīng)變的限制； 同種尺寸但結(jié)構(gòu)不同的兩種PA66 隔熱條中，工字型隔熱條比 I 字型隔熱條更適用于鋁合金型材。 隔熱條對斷橋鋁型材整體影響較大，新鋁合金門窗產(chǎn)品在上市前要對其樣品進行三性（即氣密性、水密性和抗風(fēng)壓性能）試驗，以測試其結(jié)構(gòu)的可靠性。

6.1 對于中空玻璃，隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫差明顯增大，室內(nèi)熱能的耗散降低；向中空層填充惰性氣體時熱流量值有明顯下降，節(jié)能效果明顯提高。

6.2 在保證型材強度的條件下，增大隔熱條寬度的同時也使得型腔高度得到增大， 同時也帶來熱阻的增大。當(dāng)傳熱分析的邊界條件相同時，隨著隔熱條的尺寸（寬度）增大，其節(jié)能效果明顯提高。

參 考 文 獻

［1］ 傅申森. 斷橋鋁合金節(jié)能門窗［J］. 節(jié)能技術(shù)，2007（12）

［2］ 葛鐵軍 ，于文強. 隔熱條對鋁合金隔熱窗抗風(fēng)壓性能的影響［J］. 工程塑料應(yīng)用，2008（2）