保溫材料對被動式鋁合金門窗熱工性能的影響

評判門窗節(jié)能的一個主要參數是傳熱系數，即K值。K 值越大，傳遞的熱量越多，流失的能量也越多；反之，傳遞的熱量越少，流失的能量也越少。因此，研究降低通過門窗的熱量損失主要在于研究如何降低門窗的K 值。

保溫材料在建筑節(jié)能中有著重要的角色，應用于門窗同樣可以提高門窗的保溫隔熱性能。目前市場上的鋁合金門窗填充保溫材料的制品已比比皆是，但實際上保溫材料填充的位置、保溫材料的種類均對門窗傳熱系數的影響有較大差異，甚至部分位置填充保溫材料后，門窗傳熱系數并沒有改善。本文對比了不同部位填充保溫材料對斷橋鋁合金門窗保溫性能的影響，供斷橋鋁合金門窗節(jié)能設計做參考。

2 基本原理

2.1 傳熱原理

傳熱是物理學上的一種物理現象，指由于溫度差引起的熱能傳遞現象。熱傳遞中用熱量量度物體內能的改變。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。只要在物體內部或物體間有溫度差存在，熱能就必然以這三種方式中的一種或多種從高溫處到低溫處傳遞。

對于斷橋鋁合金門窗而言，熱傳導是通過固體傳遞熱量的，主要發(fā)生在鋁材、隔熱條、膠條等固體之間；熱對流是因空氣流動產生的，主要發(fā)生在各個空腔內，空腔越大，對流越大，熱量損失就越多；熱輻射是指高溫表面向低溫表面輻射電磁波，與材料表面輻射率有關。

2.2 斷橋鋁合金門窗結構

常規(guī)24mm 隔熱條斷橋鋁合金門窗的節(jié)點。其中，室外側鋁材空腔稱為冷腔，室內側鋁材空腔稱為暖腔，壓線與扇（框）鋁側壁圍成的腔體稱為壓線腔，安裝玻璃的位置稱為玻璃槽口，隔熱條圍成的腔體稱為隔熱腔，圖示尺寸分別為框（7.4mm）、扇（11.4mm）、隔熱腔寬度（24mm）。后文所用的名詞均與此相同。

2.3 保溫材料的種類

保溫材料一般是指導熱系數小于或等于0.12W/m·K的材料。保溫材料發(fā)展很快，在工業(yè)和建筑中采用良好的保溫技術與材料，對建筑節(jié)能往往可以起到事半功倍的效果。建筑中每使用一噸礦物棉絕熱制品，一年可節(jié)約一噸石油。

目前建筑常用的保溫材料有EPS（模塑聚苯乙烯泡沫）、XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫）、聚氨酯發(fā)泡、玻璃棉、巖棉等。本文填充的保溫材料是導熱系數為0.029W/m·K的擠塑聚苯乙烯泡沫。

2.4 分類說明

本文選用隔熱條高度為24mm 的65 系列斷橋鋁合金門窗和隔熱條高度為35.3mm 的75 系列斷橋鋁合金門窗，分別配置帶一片Low-E 玻璃的雙層中空玻璃和三層中空玻璃進行模擬計算，具體分類見表1。其中，Low-E 玻璃選用南玻CES11-80_5 China ID：30209；窗型為750*1500 單開啟，后文提到的系列配置均與表1一致；計算參考標準為JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》，K 值計算邊界條件為該規(guī)程冬季標準計算條件，如表2。

表2 計算邊界條件

3 斷橋鋁合金門窗各腔體填充保溫材料對傳熱系數的影響

3.1 框、扇隔熱腔填充保溫材料

用上文分類說明中的玻璃配置，對比不同系列斷橋鋁合金門窗隔熱腔填充保溫材料對傳熱系數的影響。

隔熱腔填充保溫材料后有如下變化：①對于65 鋁合金窗配雙層中空玻璃，框K 值降低0.21W/m2·K，整窗K 值降低0.053W/m2·K；②對于65鋁合金窗配三層中空玻璃，框K 值降低0.21W/m2·K，整窗K 值降低0.055W/m2·K；③對于75 鋁合金窗配雙層中空玻璃，框K 值降低0.3W/m2·K，整窗K 值降低0.089W/m2·K；④對于75 鋁合金窗配三層中空玻璃，框K 值降低0.31W/m2·K，整窗K 值降低0.093W/m2·K。可見，隔熱腔填充保溫材料能有效降低斷橋鋁合金門窗K 值，且隔熱腔面積越大，K 值降低越多。

同時，溫線分布圖可以看出：①隔熱腔填充保溫材料后等溫線分布更平順；②對比圖2與圖3、圖4 與圖5，65 鋁合金窗隔熱腔填充保溫材料后，扇隔熱腔等溫線增加一條；③對比圖6 與圖7、圖8 與圖9，75 鋁合金窗隔熱腔填充保溫材料后，框隔熱腔等溫線增加一條；④同一系列節(jié)點隔熱腔填充保溫材料后，相同溫度的等溫線更靠室外側。

隔熱腔填充保溫材料斷橋鋁合金門窗室內表面的溫度變化，可以看出：①對于65 鋁合金，隔熱腔填充保溫后，窗室內表面溫度提高0.5℃ ~0.9℃；②對于75 鋁合金，隔熱腔填充保溫后，窗室內表面溫度提高0.7℃ ~1.4℃；③ 75 鋁合金的溫度差值比65 鋁合金的大，即隔熱腔填充保溫材料對75 鋁合金室內窗框表面溫度提高更有效；④窗框表面的溫度變化比窗扇和壓線表面更明顯。

同時，溫度分布對比可以看出：隔熱腔填充保溫材料后與不填充相比，暖腔的溫度云圖更偏紅，同時對應溫度示意條，可知隔熱腔填充保溫材料后窗框、扇、玻璃邊緣室內側溫度均升高。

3.2 玻璃槽口填充保溫材料

用上文分類說明中的玻璃配置，對比不同系列斷橋鋁合金門窗玻璃槽口填充保溫材料對傳熱系數的影響。

可以看出，玻璃槽口填充保溫材料后有如下變化：①對于65 鋁合金窗配雙層中空玻璃，框K 值降低0.29W/ ㎡·K，整窗K 值降低0.1W/ ㎡ ·K；②對于65 鋁合金窗配三層中空玻璃，框K 值降低0.3W/ ㎡·K，整窗K 值降低0.105W/ ㎡·K；③對于75 鋁合金窗配雙層中空玻璃，框K 值降低0.39W/ ㎡·K，整窗K 值降低0.147W/ ㎡·K；④對于75 鋁合金窗配三層中空玻璃，框K值降低0.306W/㎡·K，整窗K值降低0.128W/㎡·K?？梢姡ＡР劭谔畛浔夭牧夏苡行Ы档蛿鄻蜾X合金門窗K 值，整窗K 值降低約0.1 W/ ㎡·K，且對大系列的門窗降低效果更顯著。

同時，與不填充的等溫線分布圖對比可以看出：①玻璃槽口填充保溫材料后等溫線分布更平順；② 鋁合金窗玻璃槽口填充保溫材料后，配雙玻時扇隔熱腔等溫線增加一條，配三玻時扇隔熱腔等溫線增加兩條；③對比 鋁合金窗玻璃槽口填充保溫材料后，配雙玻時扇隔熱腔等溫線增加一條；④同一系列節(jié)點玻璃槽口填充保溫材料后，相同溫度的等溫線更靠室外側。

為玻璃槽口填充保溫材料斷橋鋁合金門窗室內表面的溫度變化，可以看出：①對于65 鋁合金，玻璃槽口填充保溫后，窗室內表面溫度提高0.36℃ ~1.28℃；②對于75 鋁合金，玻璃槽口填充保溫后，窗室內表面溫度提高0.81℃ ~1.51℃；③ 75 鋁合金的溫度差值比65鋁合金的大，即玻璃槽口填充保溫材料對75 鋁合金室內窗框表面溫度提高更有效；④與隔熱腔填充保溫材料的不同之處在于，窗扇和壓線表面的溫度變化比窗框表面更明顯，因為保溫材料填充的位置距離窗扇和壓線更近。

玻璃槽口填充保溫材料后與不填充相比，暖腔的溫度云圖更偏紅，同時對應溫度示意條可知玻璃槽口填充保溫材料后，窗框、扇、玻璃邊緣室內側溫度均升高。

3.3 各個鋁腔填充保溫材料

用上文分類說明中的玻璃配置，對比不同系列斷橋鋁合金門窗各個鋁腔填充保溫材料對傳熱系數的影響

對65 鋁合金配雙層中空玻璃、65 鋁合金配三層中空玻璃、75 鋁合金配雙層中空玻璃、75 鋁合金配三層中空玻璃均有如下結論：在框扇冷腔、框扇暖腔、壓線腔填充保溫材料，對框扇K 值、線傳熱系數、整窗K 值無影響。

表7 不同鋁腔體填充保溫材料對K 值的影響

上述結論足以說明：對于斷橋鋁合金門窗，在完全由鋁合金材料形成的封閉腔體里填充保溫材料對窗傳熱系數沒有改善。

4 結束語

通過兩種斷橋鋁合金門窗產品K 值模擬計算及分析，有如下結論：①隔熱腔和玻璃槽口填充保溫材料可以有效降低斷橋鋁合金門窗的傳熱系數，提高門窗保溫性能；②斷橋鋁合金門窗冷腔、暖腔、壓線腔體等完全由金屬圍合而成的封閉空腔里填充保溫材料對門窗保溫性能沒有改善；③產品系列越大，即隔熱腔、玻璃槽口越大，填充保溫材料后門窗傳熱系數降低的越多，門窗室內側表面溫度提高的也越多。