幕墻框與面板間填充聚乙烯泡沫材料對傳熱系數的影響

程圣彬

根據我國國情，按照實現經濟與社會可持續發展的要求，建筑節能是中國發展的基本國策之一。經過多年的發展，我國已成為全球幕墻生產與使用的大國。在建筑幕墻結構系統的設計過程中如果不注重有效的節能設計，則將使建筑能耗大大增加，進而帶來大量用電、用煤等能源消耗，給人們賴以生存的環境造成更大影響，因此幕墻系統節點的節能設計勢在必行。

聚乙烯泡沫棒本身具有良好的伸縮變形性能，故常被用作填縫材料用于幕墻接縫的填塞及打膠襯底。除此之外，聚乙烯泡沫塑料產品還具有優秀的隔熱性能。本文從聚乙烯泡沫塑料相關產品的隔熱性能方面分析將其合理應用于幕墻框系統節點對整體熱工性能的影響，為提高幕墻框系統節點的熱工性能提供設計思路參考。

1 分析模型介紹

本文采用了隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料以及非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料兩種分析模型，并且通過對泡沫填塞區域范圍的調整，觀察得知填塞前后框傳熱系數的變化。隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節點如圖1 所示，非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節點如圖2 所示。

圖1 隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節點

圖2 非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節點

2 框傳熱系數對比分析

2.1 設計基準條件

本文采用了粵建科?MQMC 2012 版“幕墻門窗熱工性能計算軟件”進行框二維傳熱有限元分析計算，該軟件是國內首款符合《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》（JGJ/T 151—2008）規定的軟件[1]。軟件根據《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》（JGJ/T 151—2008）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）[2]。計算幕墻豎框的傳熱系數時，豎框的室外對流換熱系數hc，out取16 W/（m2·K）[3]。

表1 產品設計計算邊界條件

幕墻豎框型材采用室外側帶裝飾扣蓋的明框型式立柱，框傳熱系數Uf在計算幕墻豎框截面二維熱傳導的基礎上獲得。在框的計算截面中，玻璃面板嵌入框中不可見部分的深度按照面板嵌入的實際尺寸設計，且可見部分的板材厚度bp不應小于200 mm[4]。玻璃面板采用6Low-E+12A+6Clear 中空玻璃，玻璃組件的傳熱系數Ug=1.709 W/（m2·K）。

2.2 隔熱型材與玻璃面板間填充聚乙烯發泡材料對框傳熱系數影響

本部分選用3 種計算模型，分別為不填充發泡材料、少量填充發泡材料、大量填充發泡材料，詳見圖3 ～圖5。

圖3 不填充發泡

圖4 少量填充發泡

圖5 大量填充發泡

通過建立計算模型進行框二維傳熱有限元分析計算，得到3 種情況下的框傳熱系數Uf及玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數Ψ，見表2。根據表中數據分析可知，線傳熱系數Ψ隨著泡沫填充區域的增加而略有增加，但增加幅度非常小，對于整窗熱工計算影響幾乎可以忽略。框傳熱系數隨著填充區域的增加而顯著減小，少量填充可使框傳熱系數降低約19%，大量填充可使框傳熱系數降低約30%，泡沫填充對于隔熱型材框傳熱系數影響較為明顯。

表2 隔熱型材發泡材料填充量與框傳熱系數對照表

進一步對比無填充與大量填充發泡材料后的熱流分布圖像（圖6、圖7可知），隨著泡沫填充區域的增加，空腔部位熱對流減少，熱流密度降低，從而降低框的傳熱系數。隔熱型材可通過在框與面板間增加發泡材料降低框傳熱系數，改善整體幕墻熱工性能。

圖6 無填充熱流分布圖像

圖7 大量填充熱流分布圖像

為進一步驗證以上結論，將框與玻璃面板間填充的發泡材料采用幕墻常用的三元乙丙膠條代替，同樣可以達到降低空腔空氣對流的目的，與上述計算結果進行對比，填塞三元乙丙膠條等溫線分布圖像如圖8 所示，填塞三元乙丙膠條熱流分布圖像如圖9 所示。

圖8 填塞三元乙丙膠條等溫線分布圖像

圖9 填塞三元乙丙膠條熱流分布圖像

通過建立計算模型進行框二維傳熱有限元分析計算，得到圖8 所示情況下的 框 傳 熱 系 數Uf=3.59 W/（m2·K），玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數Ψ=0.1061 W/（m·K），均與圖4 所示少量填充發泡材料情況下的傳熱系數接近。通過分析圖9 與圖7 所示熱流分布圖像，其空腔部位熱流密度均較低。由此可知，降低框與玻璃面板間的空氣對流是降低框傳熱系數的有效措施。考慮到經濟性、便利性等相關因素，可優先考慮采用發泡材料。

2.3 非隔熱型材與玻璃面板間填充聚乙烯發泡材料對框傳熱系數影響

本部分將選用3 種計算模型，分別為不填充發泡材料、少量填充發泡材料大量填充發泡材料，詳見圖10 ～圖12。

圖10 不填充發泡

圖11 少量填充發泡

通過建立計算模型進行框二維傳熱有限元分析計算，得到3 種情況下的框傳熱系數Uf及玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數Ψ（表3）。根據表3 數據分析可知，非隔熱型材框與玻璃面板間填充泡沫材料與前述隔熱型材框與玻璃面板間填充泡沫材料對于框傳熱系數的影響略有不同。少量設置泡沫填充材料即可明顯降低框傳熱系數，降低幅度約為12%，但隨著泡沫填充區域的增加，框傳熱系數則幾乎不發生變化。線傳熱系數Ψ變化幅度較小，對于整窗熱工計算影響可以忽略。

表3 非隔熱型材發泡材料填充量與框傳熱系數對照表

通過分析可知，非隔熱型材通過在框與玻璃面板間增加發泡材料同樣可明顯降低框傳熱系數，但發泡材料填充范圍的增大對框傳熱系數的影響有限。此時，空腔部位空氣對流不再是影響框傳熱系數的主要因素，大量的熱流主要以熱傳導形式通過型材進入室內。通過以上分析可知，非隔熱型材通過在框與面板間增加發泡材料可降低框傳熱系數，但降低幅度較小，對整體幕墻熱工性能的影響有限[5]。

3 結論

通過分析可知，隔熱型幕墻型材可通過在框與面板間增加聚乙烯發泡塑料降低框傳熱系數，且降低幅度較大。另外隨著發泡材料填充范圍的增加，可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。通過合理設置聚乙烯發泡塑料等類似發泡材料的使用范圍，可以有效降低幕墻系統U值，提升幕墻熱工性能。建筑幕墻設計師可參考此通用結論，為幕墻節能設計提供參考。