建筑外窗热工影响因素的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 29 日 作者简介：谷文慧（1992），女，汉族，河北张家口人，硕士研究生，中建新科建设发展有限公司，中级职称。-117-建筑外窗热工影响因素的研究 谷文慧 梁小平 宋晓磊 刘齐忠 中建新科建设发展有限公司，北京 100176 摘要：摘要：不同材料的热传导系数、热容量和尺寸稳定性等对热工性能的影响不同，本文对建筑围护结构的热工性能进行分析，以提高建筑门窗系统的保温性能，降低建筑的总耗能。传统的铝合金窗因其热传导系数较大，密封不良导致其在热工性能上表现较差。本文通过运用 MQMC 粤建科软件对铝型材的宽度，铝型材中填充隔热材料，以及疏松填料硅胶，分别进行模拟计算，对比分析可知，铝型材的宽度以及填加疏松填料硅胶对铝合金窗系统的保温性能、节能效果显著，对建筑围护结构的热工性能分析有重要意义。关键词：关键词：模拟计算；影响因素；传热系数；对比分析 中图分类号：中图分类号：TU111 0 引言 建筑门窗和玻璃幕墙是建筑围护结构节能最薄弱的环节，是建筑节能的关键构件。据测算，通过门窗的热损失占到围护结构的 40%50%，约占建筑能耗的1/4。因此，外窗的热工性能是围护结构节能的重点1。为着力践行国家“双碳”战略，推动建筑业绿色升级。通过建筑围护系统性能设计、采取节能技术措施和运维管理，使得能源消耗量大幅度降低，并能提供舒适节能的室内环境，采用建筑设计和技术措施，有效的降低建筑能耗如供暖、空调等需求，来达到冬暖夏凉的效果，以最少的能源消耗提供最舒适的室内环境。幕墙节能主要是通过玻璃、保温材料、断热型材等，可以有效地降低传热系数，提高保温性能。另外，隔热性能好的幕墙可以有效地阻挡外部热量的侵入，降低室内温度的波动，从而减少能源消耗。建筑围护结构的主要作用是在冬季隔绝外部冷空气的渗透，以达到保温效果，通过改变门窗框料来实现降低室内外空气的交换速度，降低能量的损失。为能达到我国建筑保温的相关节能法律标准，进一步推进建筑设计中针对门窗保温的技术、结构的开发与研究，满足门窗系统中保温、节能的要求，本文针对建筑外窗热工影响因素分析。1 研究内容及原理 本文采用 MQMC 粤建科计算软件模拟，通过模拟改变填加隔热材料的铝合金窗框的宽度和改变填加隔热材料和疏松填料硅胶的铝合金窗框的宽度，进行对比分析，进一步探讨建筑设计中降低铝合金门窗的传热系数的措施，运用粤建科计算软件模拟门窗窗框和玻璃并进行计算分析，粤建科符合 JGJ/T 1512008 建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程要求 门窗系统中采用三玻两腔 low-e 充氩气加暖边玻璃，玻璃的传热系数为 0.8W/(m K），采用的铝合金门窗窗框，中间加入隔热材料（25%玻璃纤维增强的尼龙 66 隔热条材料），在两个隔热材料之间加入挤塑聚苯乙烯，挤塑聚苯乙烯传热系数为 0.038 W/(m K)，具有优异、持久的隔热保温性，挤塑板主要以聚苯乙烯为原料制成，而聚苯乙烯原本就是极佳的低导热原料，尽可能更低的导热系数是所有保温材料追求的目标。疏松填料硅胶传热系数为 0.03 W/(m K)，通过填加疏松填料硅胶和改变铝合金型材的宽度，使型材的传热系数降低。如图 1、2、3 所示，在安装玻璃的铝合金型材玻璃槽底加入疏松填料硅胶，从而达到提高保温性能的目的2。图 1 右侧铝合金窗框断面节点图 中国科技期刊数据库 工业 A 图 2 中间铝合金窗框断面节点图 图 3 左侧铝合金窗框断面节点图 2 建筑外窗的热工性能计算及结果分析 针对常用隔热铝合金门窗样式，本文采用 1500 mm 1500 mm 的铝合金门窗系统平开窗模型(见图 4)进行模拟分析计算3。图 4 铝合金平开窗立面图 门 窗 整 体 的 传 热 系 数 K 值 可 通 过 JGJ/T 1512008建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程（3.3）计算得到，K 值计算边界条件为该规程冬季标准计算条件，如表 1。UcwUg AgUf Afg lgAtUCW在 墙 体 范 围 内 外 层 幕 墙 的 传 热 系 数 W/(m2 K)；At幕 墙 面 积(m2)；Ag玻 璃 或 透 明 面 板 面 积(m2)；Ug玻 璃 或 透 明 面 板 传 热 系 数 W/(m2 K)；Af框 面 积(m2)；Uf框 的 传 热 系 数 W/(m2 K)；lg玻 璃 或 透 明 面 板 边 缘 长 度(m)；g框 与 玻 璃 接 缝 的 线 传 热 系 数 w/(m K)；表 1 冬季标准计算条件 冬季标准计算条件 室内空气温度 Tin 20 室外空气温度 Tout-20 室内对流换热系数 hc,in 3.6W/（m2*K）室外对流换热系数 hc,out 16W/（m2*K）室内表面辐射温度 Trm,in 20 室外表面辐射温度 Trm,out-20 图 5 左侧 70 传统铝合金窗框等温线 图 6 左侧 70 填充隔热材料铝合金窗框等温线 118中国科技期刊数据库 工业 A 图7 左侧70填充隔热材料和疏松填料硅胶铝合金窗框等温线 图 8 中间 70 传统铝合金窗框等温线 图 9 中间 70 填充隔热材料铝合金窗框等温线 图 10 中间 70 填充隔热材料和疏松填料硅胶铝合金窗框等温线 图 11 右侧 70 传统铝合金窗框等温线 图 12 右侧 70 填充隔热材料铝合金窗框等温线 图 13 右侧 70 填充隔热材料和疏松填料硅胶铝合金窗框等温线 图 5 至图 12 是传统铝合金窗框、填加隔热材料窗框、填加隔热材料和疏松填料硅胶的窗框等的温线分布图，从上图可以看出：相对传统铝合金门窗，隔热腔填充隔热材料后，等温线开始变得平缓，在此基础上，增加疏松填料硅胶后，等温线分布更加平顺。在前述玻璃配置的基础上，对比不同宽度系列铝 119中国科技期刊数据库 工业 A 右侧铝合金窗框不同宽度结果对比表 2 右侧铝合金窗框宽度/（mm）传统铝合金传热系数/(W/(m2*K)）铝合金+隔热材料传热系数/(W/(m2*K)）铝合金+隔热材料+疏松填料硅胶传热系数/(W/(m2*K)）70 2.40 0.96 0.82 80 2.46 0.95 0.79 90 2.47 0.88 0.76 100 2.53 0.88 0.74 120 2.80 0.82 0.70 150 3.15 0.77 0.67 铝合金窗不同宽度结果对比表 3 铝合金型材宽度/mm 传统铝合金窗 K 值/(W/(m2*K)铝合金+隔热材料窗 K 值/(W/(m2*K)铝合金+隔热材料+疏松填料硅胶窗 K 值/(W/(m2*K)70 1.326 1.083 1.036 80 1.364 1.076 1.038 90 1.399 1.062 1.028 100 1.436 1.054 1.016 120 1.533 1.033 0.996 150 1.699 0.995 0.958 合金门窗填充隔热材料及疏松填料硅胶对传热系数的影响。具体数据见表 2、3。对于传统铝合金窗框配三玻两腔中空玻璃，窗框宽度 70 时，传热系数 2.4W/m2 K，随着窗框宽度的增加，传热系数增大更加明显。当宽度达到 120 时，传热系数增加了 17%，当宽度达到 150 时，传热系数增加了 31.25%，见表 2。对于传统铝合金整窗配三玻两腔中空玻璃，窗框宽度 70 时，整窗 K 值 1.326W/m2 K，随着窗框宽度的增加，整窗 K 值增大更加明显。当宽度达到 120 时，整窗 K 值增加了 15.6%，当宽度达到150 时，整窗 K 值增加了 28.12%，见表 3。其整窗 K值的变化趋势与窗框的变化一致，其主要原因均在于窗框的宽度越宽，通过单位面积的传热量越大，窗框的传热系数越大，则在冬季通过门窗的热量损失就越大。对于传统铝合金窗填加隔热材料，配三玻两腔中空玻璃，窗框宽度 70 时，传热系数 0.96W/m2 K，随着窗框宽度的增加，传热系数有所降低，但降幅较小，见表 2。对于传统铝合金整窗填加隔热材料配三玻两腔中空玻璃，窗框宽度 70 时，整窗 K 值 1.083W/m2 K，随着窗框宽度的增加，整窗 K 值减小幅度较小，见表 3。其整窗 K 值的变化趋势与窗框的变化一致。其主要原因在于窗框中填加导热系数低的隔热材料，随着窗框宽度的增加，隔热材料阻止热量传递，窗框的传热系数越小。针对同一框料型材试件，在本文试验的宽度增加范围内，随着窗框宽度的增加，传热系数不断减小，与传统铝合金窗框随着宽度的增加，传热系数的表现存在明显不同。在前文所述的玻璃配置基础上，对比不同系列铝合金门窗玻璃槽口填充保温材料对传热系数的影响。从表 3 可以看出，玻璃槽口填充保温材料后有如下变化：窗框不同宽度情况下，对于传统铝合金窗框，填加隔热材料后的窗框的传热系数约降低 60%-75%；填加隔热材料和疏松填料硅胶后的窗框的传热系数约降低65%-80%，由此可见，填加较低导热系数的疏松填料硅胶，相对于仅填加隔热材料的窗框传热系数降幅更加明显，能够更好达到门窗保温性能。另外疏松填料硅胶还能起到隔音降噪、防尘的作用。综上所述，在填充隔热材料的铝合金窗框型材里，在玻璃槽口增添疏松填料硅胶可以减小铝合金门窗的传热系数，降低约 5%，提高门窗保温性能；填充隔热材料和增添疏松填料硅胶的铝合金窗框型材与填充隔热材料的铝合金窗框型材对比，不同宽度的铝合金门窗，宽度越大，即隔热腔越大，门窗传热系数降低的越多。采用在填充隔热材料和增添疏松填料硅胶的铝合金窗框型材，玻璃选用传热系数为 0.8 W/(m K)，宽度 120 的铝合金门窗，此时整体门窗120中国科技期刊数据库 工业 A 的 K 值小于 1.0。3 结论 通过采用粤建科 MQMC 软件模拟铝合金门窗窗框，有如下结论：当窗户的玻璃和框扇的传热系数都比较小时，窗户整体的传热系数就会比较小，而玻璃的传热系数一般情况下基本相同，因此在影响窗户传热系数的因素中，窗框的传热系数对其影响比较大，为了实现窗户的总体传热系数的降低要尽可能地减小窗框面积；相反，针对填加隔热材料后的窗框，随着宽度的增加，窗框的传热系数降低，整窗的 K 值相应的降低，当窗框传热系数较小时，其面积越大对于窗户整体传热系数的降低越有利。虽然所有窗框在填加隔热材料后的传热系数都得到了不同程度的降低，但由于受到窗框宽度的影响，不同宽度的窗框传热系数降低效果存在较大差异。在添加隔热材料的基础上，在玻璃槽口填加疏松硅胶在一定程度上降低了窗框的传热系数，但窗框传热系数降低幅度变缓。建筑设计既要考虑合理的窗框比，也要达到规范规定的门窗保温性能，合理的窗框比对门窗的保温有较大的影响，窗框比就是窗户框架遮光面积与窗户透光面积的比值，窗框比的设计对建筑设计整体外观，经济造价以及保温都会带来影响，在能够满足门窗设计使用要求的前提下，要尽可能少的对门窗进行分割。参考文献 1万成龙,潘振,王洪涛,等.建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试研究J.建筑节能,2017,45(12):6.2赵及建,吕艳艳,杨连飞.保温材料对被动式铝合金门窗热工性能的影响J.建设科技,2019(9):8.3陈洪根,刘月莉,张龙,等.建筑外窗用新型隔热铝合金型材的研究J.建筑科学,2021(008):037.4JGJ/T1512008 建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程M.中国建筑工业出版社,2009.121