彩鋼復(fù)合門窗的熱工性能分析

賴怒濤，杜曉磊，周書兵

（1重慶華夏門窗有限責任公司，重慶 401329；2中機中聯(lián)工程有限公司建筑技術(shù)研究所，重慶 400039）

彩鋼復(fù)合門窗的熱工性能分析

賴怒濤1，杜曉磊2，周書兵2

（1重慶華夏門窗有限責任公司，重慶 401329；2中機中聯(lián)工程有限公司建筑技術(shù)研究所，重慶 400039）

提升節(jié)能門窗的熱工性能，降低其熱能損耗，已經(jīng)成為建筑節(jié)能領(lǐng)域重點關(guān)注的內(nèi)容。該文擬采用二維有限元計算方法，將彩鋼復(fù)合門窗與目前市場上運用較多的斷橋鋁合金門窗和多腔塑鋼門窗的熱工性能進行比較分析，闡述彩鋼復(fù)合門窗的保溫隔熱原理，以便于進行新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

彩鋼復(fù)合門窗；熱工性能；保溫隔熱；建筑圍護結(jié)構(gòu)；型材節(jié)點

0 引言

建筑的外門窗只占到外圍護結(jié)構(gòu)面積的1/5～1/3左右，卻是建筑熱交換最敏感、最活躍的部位，多數(shù)建筑中經(jīng)由窗戶散失熱量導(dǎo)致的采暖和制冷能耗，通常能占到建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗的一半以上[1]。因此，改善門窗的熱工性能，減少其熱量損失，對提高室內(nèi)熱舒適性和降低建筑能耗具有重要意義。

影響門窗熱工性能的因素主要是門窗材料和氣密性狀況。通過門窗主體材料傳遞包括：表面吸熱、表面放熱以及門窗高溫側(cè)向低溫側(cè)傳遞，而通過空氣滲透傳遞主要是窗扇、窗框和玻璃之間以及門窗與墻體之間的縫隙導(dǎo)致的空氣滲透造成熱量損失[2]。

在解決建筑門窗的型材擁有良好的強度、防腐耐候性的同時，又使其兼具優(yōu)越的熱工性能，是制造優(yōu)質(zhì)節(jié)能門窗的關(guān)鍵。彩鋼復(fù)合型材是運用組合發(fā)明法，采用彩色涂層鋼板和改性塑料，經(jīng)特殊的構(gòu)造設(shè)計和不同材料的優(yōu)化組合，研究出一種建筑門窗新型復(fù)合型材，具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，其結(jié)構(gòu)采用了彩鋼型材+界面相結(jié)合層+多腔改性塑料型材+界面相結(jié)合層+彩鋼型材的熱工和力學(xué)構(gòu)造，可有效阻斷門窗型材的傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱途徑，其型材保溫隔熱性能可與塑料門窗型材媲美，同時力學(xué)性能滿足結(jié)構(gòu)要求。

1 分析方法

本文主要針對彩鋼復(fù)合門窗與目前市場上運用較多的斷橋鋁合金門窗和多腔塑鋼門窗，依據(jù)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》JGJT 151-2008[3]規(guī)定的計算方法，采用二維有限元計算方法，分別對其型材節(jié)點和整窗的熱工性能加以對比分析。

為保證計算結(jié)果具有可比性，分析假定三種類型門窗，除型材的材質(zhì)和構(gòu)造不同外，其余的比較口徑均保持一致。分析的技術(shù)條件設(shè)置如下。

1.1 標準及參考文件

《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》JGJ/T 151-2008[3]和《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB 50176-1993[4]。

1.2 玻璃配置

6 透明+12a+6透明中空玻璃，空氣間隔為100%的空氣。

1.3 計算軟件

《玻璃光學(xué)熱工性能計算及光譜數(shù)據(jù)庫管理軟件》OpticsCC（ver3.0）、《幕墻、門窗框二維熱傳導(dǎo)有限元分析軟件》ThermCN（Ver2.0）和 《幕墻、門窗熱工性能設(shè)計計算軟件》CWWTC（ver2.0）。

1.4 計算邊界條件

根據(jù)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》JGJ/T 151-2008、《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GBT 8484-2008的相關(guān)規(guī)定，用于門窗或幕墻產(chǎn)品設(shè)計、性能評價熱工性能參數(shù)計算的冬季標準熱工計算環(huán)境條件，采用冬季標準計算條件，按表1的參數(shù)設(shè)置。

1.5 門窗設(shè)計

規(guī)格：1500mm×1500mm，平開+固定，無上亮，如圖1所示。

1.6 整樘窗熱工計算原理

（1）整樘窗的傳熱系數(shù)應(yīng)按下式計算：

表1 門窗設(shè)計計算邊界條件

表2 各窗型節(jié)點處的溫度線圖

圖1 窗型設(shè)計

式中Ut-整樘窗的傳熱系數(shù) [W/(m2·K)]；Ag-窗玻璃面積(m2)；Af-窗框面積 (m2)；At-窗面積(m2)；詛ψ-玻璃區(qū)域 (m)；Ug-窗玻璃的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；Uf-窗框的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；ψ-窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數(shù) [W/(m2·K)]。

（2）整樘窗的太陽光總透射比應(yīng)按下式計算：

式中g(shù)t-整樘窗的太陽光總透射比；gg-窗玻璃區(qū)域太陽光總透射比；gf-窗框太陽光總透射比。

（3） 整樘窗的遮陽系數(shù)應(yīng)按下式計算：

式中SC-整樘窗的遮陽系數(shù)。

（4） 整樘窗的可見光透射比應(yīng)按下式計算：

式中τt-整樘窗的可見光透射比；τv-窗玻璃的可見光透射比。

2 計算結(jié)果分析

2.1 型材節(jié)點熱工性能分析

采用相同的窗型、規(guī)格、節(jié)點（中挺與窗扇）、玻璃配置及計算邊界條件，計算三種窗型平開窗中挺節(jié)點處的溫度變化及熱工性能，結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2給出各窗型中挺節(jié)點處的溫度線圖，溫度線特點是同線等溫。同一幅等溫線圖上，相鄰兩條等溫線之間的數(shù)值相差一個等溫距。一般情況下，溫度線分布密集的區(qū)域溫度變化較大，溫度傳遞阻力也越大；反之溫度變化較小；溫度線均勻，說明材料內(nèi)部傳熱遞減均勻。因此比較可以得出，彩鋼復(fù)合型材內(nèi)有較好的保溫隔熱效果；由于斷橋鋁合金型材鋁的熱導(dǎo)率高，約為210W/(m·k)，型材內(nèi)部溫度變化，除在斷熱橋部分比較密集外，在其型材同一腔室內(nèi)靠近室內(nèi)、外側(cè)幾乎是等溫的，室內(nèi)外溫差不大。此外，斷橋鋁合金采用非金屬片狀隔熱條斷熱，雖然隔斷了熱傳導(dǎo)，但對熱對流和熱輻射未能有效隔斷，斷熱效果有限；對于多腔塑鋼型材，塑料的彈性模量為3.14～3.92GPa，其材質(zhì)本身的強度低，用作門窗型材時，多腔塑鋼窗型材的主腔室必須放置鋼襯，型材的強度由鋼材來保證，因此，多腔塑料門窗型材的主腔室均為鋼襯加強腔室，由于鋼襯按標準需要錨固，使主腔室成為空氣微流動腔室，減低了保溫隔熱性能，從圖中亦可以看出，腔內(nèi)的溫度變化小，影響了型材的保溫隔熱效果。

表3 各窗型節(jié)點處熱工參數(shù)計算結(jié)果

表3可知，傳熱系數(shù)K數(shù)值越小，說明其保溫隔熱效果越好。彩鋼復(fù)合門窗中梃型材傳熱系數(shù)1.47W/(m2·K)，塑鋼門窗中梃傳熱系數(shù)1.9W/(m2·K)9，斷橋鋁合金門窗3.79W/(m2·K)。

線傳熱系數(shù)，是框和玻璃接縫的傳熱系數(shù)。主要描述了在窗框、玻璃和間隔層之間交互作用下附加的熱傳遞，線性熱傳遞傳熱系數(shù)主要受間隔層材料傳導(dǎo)率的影響。在相同的條件下，線傳熱系數(shù)值越大，表明線性傳導(dǎo)率越低，彩鋼復(fù)合門窗線性傳導(dǎo)率低于參照的鋁合金和塑料門窗，原因是型材的玻璃槽口更大，型材邊緣與玻璃的絕熱間隙距離更寬，所以更好。

2.2 整窗熱工性能分析

分析分別選用型材為50系列組合式彩鋼復(fù)合門窗、50系列多腔斷橋鋁合金門窗、維卡60系列多腔塑鋼門窗，門窗窗型及節(jié)點分別如圖2～圖4所示。

圖2 50系列組合式彩鋼復(fù)合門窗

為便于比較，均以東朝向門窗進行熱工計算，依據(jù)式①-④給出的計算方法分別計算整窗的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)和可見光透射比，其結(jié)果如表4所示。

根據(jù)上述計算，三種門窗的窗型相同，門窗的總面積相同，但由于型材斷面的大小不一樣，框的總面積（投影面積）不同，使框/窗比不同。50系列彩鋼復(fù)合門窗的框/窗比與斷橋鋁合金門窗的框/窗比幾乎相同，塑鋼門窗的窗/框比較金屬類門窗約大10%。金屬類門窗由于強度較高，框/窗比較小，有利于自然采光，但框?qū)﹂T窗遮陽系數(shù)的貢獻不及塑鋼窗，塑鋼門窗框/窗比較大，不利于自然采光，但對門窗的遮陽有一定貢獻。就彩鋼復(fù)合門窗、斷橋鋁合金門窗和多腔塑鋼門窗整窗的傳熱系數(shù)而言，由低到高依次是多腔塑鋼門窗2.49W/(m2·K)、彩鋼復(fù)合門窗2.53 W/(m2·K)、斷橋鋁合金門窗3.02W/(m2·K)。 彩鋼復(fù)合門窗與多腔塑鋼門窗的傳熱系數(shù)很接近，差異不到5%，在建筑節(jié)能設(shè)計中可以具備相同的傳熱系數(shù)取值。斷橋鋁合金門窗的傳熱系數(shù)，比彩鋼復(fù)合門窗約高20%，對建筑整體節(jié)能率的貢獻十分明顯。

3 結(jié)論

圖3 50系列多腔斷橋鋁合金門窗

圖4 維卡60系列多腔塑鋼門窗

表4 各窗型整窗熱工參數(shù)計算結(jié)果

門窗節(jié)能的關(guān)鍵是在滿足其使用功能的前 提下具有較高的保溫性和隔熱性能。通過對彩鋼復(fù)合門窗及市場上常見的斷橋鋁合金門窗和多腔塑鋼門窗的熱工性能進行比較分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）彩鋼復(fù)合型材較之斷橋鋁合金型材和多腔塑鋼型材內(nèi)部熱傳遞均勻，型材有較好的保溫隔熱效果。

（2）彩鋼復(fù)合門窗由于框/窗比較小，有利于自然采光，但對門窗遮陽系數(shù)的貢獻不及塑鋼窗。

（3）就整窗的熱工性能來看，彩鋼復(fù)合門窗明顯優(yōu)于斷橋鋁合金門窗，與多腔塑鋼門窗熱工性能差異不到5%，擁有顯著的節(jié)能效果。

[1]朱洪祥.中空玻璃的生產(chǎn)與選用[M].山東：山東大學(xué)出版社，2006.

[2]占祖旺.建筑門窗熱工性能的計算方法研究[J].門窗，2013（08）.

[3] 廣東省建筑科學(xué)研究院.JGJ/T 151-2008建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1993.

Analysison Thermal Performance Analysisof Composite Color-coated Steel Doorsand Windows

To improve the thermalperformance of energy-saving doorsand windows so as to reduce thermal energy consumption hasbecome a key concern in building energy conservation field.The two-dimensional finite elementmethod is adopted to analyze and compare the thermal performance of composite color-coated steel doors and windows,broken bridge aluminum alloy doors and windows and multi-cavity plastic steel doors and w indows widely used in presentmarket,the principlesof heat preservation and heat insulation of the former one are also be expounded to promote the application of thisnew technology.

composite color-coated steeldoorsand windows；thermalperformance；thermal insulation；building envelope；materialnode

TU228

A

1671-9107（2014）06-0070-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.070

2014-05-09

賴怒濤（1958—），男，廣東梅州人，研究生，高級工程師，主要從事節(jié)能彩鋼門窗的生產(chǎn)與銷售等工作。

孫蘇，李紅