斷橋鋁合金門窗系統中玻璃與隔熱條的有限元數值分析

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

根據 JGJ T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》所提供的整樘門窗結構的理論計算公式，要提高鋁合金斷橋門窗（幕墻）的節能效果，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；A_g、A_f、A_t分別為窗玻璃、窗框、窗的面積；ly為玻璃區域邊緣長度；y 為窗框與窗玻璃間的線傳熱系數。

玻璃是斷橋鋁合金門窗（幕墻）的關鍵部件，玻璃的保溫隔熱性能與其間隔層層數、寬度、間隔層內的氣體等有著重要關系。 一般來說，在玻璃間隔層層數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，可更好地提高節能效果。

隔熱條也是斷橋鋁合金門窗（幕墻）的關鍵部件，從熱量傳遞的角度考慮，它將其內外側的鋁型材完全斷開，可有效切斷鋁框熱流直接傳遞的路線，同時又將其內外側鋁型材緊密連接，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用， 本文只針對歐式穿條式隔熱條進行相關分析。

玻璃與鋁材的物理性能計算參數取自 GB 50176《民用建筑設計熱工規范》， 玻璃和鋁材的導熱系數

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取自 JGJT 151-2008，材料分別為氯丁橡膠（PCP）、EPDM，純硅膠的導熱系數為 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 q＝0 時為絕熱邊界條件；③在邊界上給定對流換熱系數和對應溫度。 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。 本節邊界條件界定所需的內外、表面換熱系數及內表面熱阻值如下：

⑴ 內表面換熱系數 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 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能效果的影響；第 2 組 3 個模型的節能效果分析則是建立在對中空層填充不同性質的惰性氣體

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，內外溫度差明顯增大，即室內熱能的耗散越小，節能效果更佳。

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下的導熱系數值； 表 2 為模型分析所得 3 種填充氣體狀態下室內外溫度差及熱流量結果對比。

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。隔熱條采用標準原料配比為 75%的 PA66 （含一些關鍵配料）和 25%的玻璃纖維，導熱系數 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，室內外溫度差值對比曲線如圖 4 所示。

分析結果表明，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，其節能效果有明顯提高。但在考慮抗風壓性能、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壓載荷時 ，其尺寸越大則承受的應力越大， 同時它的形變也越大，也會受到應變的限制； 同種尺寸但結構不同的兩種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，新鋁合金門窗產品在上市前要對其樣品進行三性（即氣密性、水密性和抗風壓性能）試驗，以測試其結構的可靠性。

6.1 對于中空玻璃，隨著空氣層厚度的增大，內外溫差明顯增大，室內熱能的耗散降低；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，其節能效果明顯提高。

參 考 文 獻

［1］ 傅申森. 斷橋鋁合金節能門窗［J］. 節能技術，2007（12）

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