穿條式隔熱型材隔熱條位置對幕墻框傳熱系數的影響

程圣彬

0 引言

建筑幕墻具有輕盈性、通透性、美觀性的特點，作為建筑的外圍護結構，已經越來越多地被應用到現代的各類居住建筑與公共建筑上。同時也是因為這些特點，建筑幕墻結構若不進行有效的節能設計，南方夏季室內炎熱的環境將使空調降溫需求大大增加，北方冬季室外嚴寒的環境將使采暖需求急劇上升，由此所產生的大量用電、用煤等能源消耗給人們賴以生存的環境造成了很大影響。

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，采用穿條工藝生產的隔熱鋁型材在幕墻中的應用十分廣泛。

隔熱材料PA66GF25 與鋁合金型材具有相近的線膨脹系數，良好的熱穩定性、耐久性，滿足幕墻設計要求的抗拉強度和彈性模量，以及成熟的穿條生產工藝，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點如圖1 所示。

圖1 穿條式隔熱型材節點

2 穿條式隔熱型材設計

2.1 設計基準條件

本文采用了美國勞倫斯伯克力國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱“LBNL”）開發的THERM、WINDOW 系列軟件對隔熱型材的傳熱性能進行二維模擬計算。

軟件根據JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》要求進行產品設計，傳熱系數計算采用冬季標準計算條件（見表1）。計算幕墻豎框的傳熱系數時，豎框的室外對流換熱系數h取16 W/（m·K）。

表1 產品設計計算邊界條件

幕墻豎框型材采用明框帶室外裝飾扣蓋型式的立柱節點，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》規范要求的PA66+GF25 材料?？騻鳠嵯禂礥在計算幕墻豎框截面的二維熱傳導的基礎上獲得。在框的計算截面中，應用一塊導熱系數λ=0.03 W/（m·K）的板材替代實際的玻璃，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際尺寸，可見部分的板材厚度b不應小于200mm，各部分材料類型標示圖如圖2 所示。

圖2 計算模型材料類型標示圖

2.2 隔熱條深度變化對框傳熱系數的影響

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，計算模擬構造圖如圖3 所示。

圖3 計算模擬構造圖

針對每種隔熱條深度分別建立框傳熱系數計算模型，采用Therm7.8.16 進行二維模擬計算分析。得到不同深度的隔熱條對應的框傳熱系數數值U[單位：W/（m·K）]，見表2。

表2 隔熱條尺寸變化與框傳熱系數模擬計算結果

根據表2 數據繪制隔熱條深度與框傳熱系數的變化關系如圖4 所示。

圖4 隔熱條深度與框傳熱系數的變化關系圖

通過圖4 初步分析可知，框傳熱系數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，但受到面板厚度、隔熱條強度、隔熱條價格等設計因素的影響，單純通過增加隔熱條的尺寸以達到降低傳熱系數的目的并非最優選項。

2.3 隔熱條位置變化對框傳熱系數的影響

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際工程配置，中空玻璃傳熱系數為：U=1.669 W/（m·K）。

通過均勻調整隔熱條中心線距離玻璃面板中心線的位置并建立計算模型以獲得其對應位置的框傳熱系數數據，進而建立圖表進行數據分析，隔熱條位置調整示意如圖5 所示。

圖5 隔熱條位置調整基準圖

針對3 種尺寸的隔熱條分別建立框傳熱系數計算模型，采用Therm7.8.16 進行二維模擬計算分析。部分隔熱條位置熱工模擬結果如圖6、7、8 所示，更多隔熱條位置變化所對應的框傳熱系數數值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模擬計算結果

根據表3 隔熱條中心線距面板中心線相對距離變化數值與對應的框傳熱系數變化數據繪制圖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側移動，框傳熱系數緩慢減小后又呈逐漸增大趨勢，但很難判斷不同規格隔熱條的最佳設計位置。

圖9 隔熱條位置與框傳熱系數的變化關系圖

在上述計算結果的基礎上通過改變隔熱條相對位置統計標準，采用以玻璃面板的室內側表面為基準線與隔熱條室內側邊線之間的距離為依據重新整理統計框傳熱系數表，隔熱條位置統計基準示意圖如圖10 所示。

圖10 隔熱條位置調整基準圖

隔熱條位置變化所對應的框傳熱系數數值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模擬計算結果

根據表4 隔熱條內邊線距玻璃面板內邊線相對距離變化數值與對應的框傳熱系數變化數據繪制圖11。

圖11 隔熱條位置與框傳熱系數的變化關系圖

根據對三種尺寸的隔熱條傳熱系數數據點圖表生成多項式趨勢線，通過對趨勢線的觀察分析可知，不同尺寸的隔熱條在其內邊線與面板內邊線重合位置附近可獲得相對較小的框傳熱系數，由此可獲得一個較為通用的隔熱條進出位置設置原則，即在滿足結構及截面設計要求的前提下，盡可能減小隔熱條內側邊線與面板內邊線之間的相對距離，以獲得相對更優的框傳熱系數，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《玻璃幕墻工程技術規范》第9.5 節中關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，隔熱條內邊線距離面板內邊線平齊。如圖12 所示。

圖12 隔熱條間距調整圖示

通過建模分析，隔熱條間距變化所對應的框傳熱系數數值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模擬計算結果

根據表5 隔熱條間距變化數值與對應的框傳熱系數變化數據繪制圖13。

圖13 隔熱條間距與框傳熱系數的變化關系圖

通過圖13 可知，框傳熱系數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 的數值越大，框的傳熱系數越小，即框傳熱系數與b/B 的比值近似成反比。

3 設計總結

通過本文以上分析可知通過合理設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，獲得更加優秀的框隔熱性能，從而提高整體幕墻的熱工性能。

隔熱條位置設計總結如下：（1）適當增加隔熱條寬度尺寸。（2）使隔熱條內邊線盡量與面板內側表面平齊。（3）在滿足規范要求的前提下，可通過增加隔熱條間距以增強框隔熱性能。

4 結語

建筑幕墻隔熱框結構的合理設計，可以有效降低幕墻整體的U 值，提升幕墻熱工性能，從而達到降低夏季空調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計要點是每個幕墻設計人員的職責和義務，同時也是使隔熱型材取得理想的節能效益的當務之急。