保温材料对被动式铝合金门窗热工性能的影响*

1 引言

调查显示，在我国社会主要能耗中，建筑能耗从2000 年起就占全社会总能耗的20％以上。随着近几年房地产的迅猛发展，建筑能耗已占全社会总能耗的40％以上，而通过门窗流失的能耗约占建筑能耗的50％。可见，建筑外门窗是建筑节能的薄弱环节，建筑节能的关键是门窗节能技术的提高。

评判门窗节能的一个主要参数是传热系数，即K值。K 值越大，传递的热量越多，流失的能量也越多；反之，传递的热量越少，流失的能量也越少。因此，研究降低通过门窗的热量损失主要在于研究如何降低门窗的K 值。

保温材料在建筑节能中有着重要的角色，应用于门窗同样可以提高门窗的保温隔热性能。目前市场上的铝合金门窗填充保温材料的制品已比比皆是，但实际上保温材料填充的位置、保温材料的种类均对门窗传热系数的影响有较大差异，甚至部分位置填充保温材料后，门窗传热系数并没有改善。本文对比了不同部位填充保温材料对断桥铝合金门窗保温性能的影响，供断桥铝合金门窗节能设计做参考。

表1 本文对比分类说明

2 基本原理

2.1 传热原理

传热是物理学上的一种物理现象，指由于温度差引起的热能传递现象。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以这三种方式中的一种或多种从高温处到低温处传递。

对于断桥铝合金门窗而言，热传导是通过固体传递热量的，主要发生在铝材、隔热条、胶条等固体之间；热对流是因空气流动产生的，主要发生在各个空腔内，空腔越大，对流越大，热量损失就越多；热辐射是指高温表面向低温表面辐射电磁波，与材料表面辐射率有关。

2.2 断桥铝合金门窗结构

如图1 所示为常规24mm 隔热条断桥铝合金门窗的节点。其中，室外侧铝材空腔称为冷腔，室内侧铝材空腔称为暖腔，压线与扇（框）铝侧壁围成的腔体称为压线腔，安装玻璃的位置称为玻璃槽口，隔热条围成的腔体称为隔热腔，图示尺寸分别为框（7.4mm）、扇（11.4mm）、隔热腔宽度（24mm）。后文所用的名词均与此相同。

图1 断桥铝合金门窗结构及腔体

2.3 保温材料的种类

保温材料一般是指导热系数小于或等于0.12W/m•K的材料。保温材料发展很快，在工业和建筑中采用良好的保温技术与材料，对建筑节能往往可以起到事半功倍的效果。建筑中每使用一吨矿物棉绝热制品，一年可节约一吨石油。

目前建筑常用的保温材料有EPS（模塑聚苯乙烯泡沫）、XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫）、聚氨酯发泡、玻璃棉、岩棉等。本文填充的保温材料是导热系数为0.029W/m•K的挤塑聚苯乙烯泡沫。

2.4 分类说明

本文选用隔热条高度为24mm 的65 系列断桥铝合金门窗和隔热条高度为35.3mm 的75 系列断桥铝合金门窗，分别配置带一片Low-E 玻璃的双层中空玻璃和三层中空玻璃进行模拟计算，具体分类见表1。其中，Low-E 玻璃选用南玻CES11-80_5 China ID：30209；窗型为750*1500 单开启，后文提到的系列配置均与表1一致；计算参考标准为JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》[1]，K 值计算边界条件为该规程冬季标准计算条件，如表2。

表2 计算边界条件

3 断桥铝合金门窗各腔体填充保温材料对传热系数的影响

3.1 框、扇隔热腔填充保温材料

用上文分类说明中的玻璃配置，对比不同系列断桥铝合金门窗隔热腔填充保温材料对传热系数的影响。具体数据见表3。

表3 为隔热腔填充保温材料对断桥铝合金门窗K值的影响，可以看出，隔热腔填充保温材料后有如下变化：①对于65 铝合金窗配双层中空玻璃，框K 值降低0.21W/m²•K，整窗K 值降低0.053W/m²•K；②对于65铝合金窗配三层中空玻璃，框K 值降低0.21W/m²•K，整窗K 值降低0.055W/m²•K；③对于75 铝合金窗配双层中空玻璃，框K 值降低0.3W/m²•K，整窗K 值降低0.089W/m²•K；④对于75 铝合金窗配三层中空玻璃，框K 值降低0.31W/m²•K，整窗K 值降低0.093W/m²•K。可见，隔热腔填充保温材料能有效降低断桥铝合金门窗K 值，且隔热腔面积越大，K 值降低越多。

同时，从图2 至图9 的等温线分布图可以看出：①隔热腔填充保温材料后等温线分布更平顺；②对比图2与图3、图4 与图5，65 铝合金窗隔热腔填充保温材料后，扇隔热腔等温线增加一条；③对比图6 与图7、图8 与图9，75 铝合金窗隔热腔填充保温材料后，框隔热腔等温线增加一条；④同一系列节点隔热腔填充保温材料后，相同温度的等温线更靠室外侧。

图2 65 铝合金配双玻不填充节点等温线

图3 65 铝合金配双玻隔热腔填充节点等温线

图4 65 铝合金配三玻不填充节点等温线

图5 65 铝合金配三玻隔热腔填充节点等温线

图6 75 铝合金配双玻不填充节点等温线

图7 75 铝合金配双玻隔热腔填充节点等温线

图8 75 铝合金配三玻不填充节点等温线

图9 75 铝合金配三玻隔热腔填充节点等温线

表4 为隔热腔填充保温材料断桥铝合金门窗室内表面的温度变化，可以看出：①对于65 铝合金，隔热腔填充保温后，窗室内表面温度提高0.5℃ ~0.9℃；②对于75 铝合金，隔热腔填充保温后，窗室内表面温度提高0.7℃ ~1.4℃；③ 75 铝合金的温度差值比65 铝合金的大，即隔热腔填充保温材料对75 铝合金室内窗框表面温度提高更有效；④窗框表面的温度变化比窗扇和压线表面更明显。

表4 隔热腔填充保温材料窗室内表面温度变化

同时，从图10 与图11、图12 与图13、图14 与图15、图16 与图17 的温度分布图对比可以看出：隔热腔填充保温材料后与不填充相比，暖腔的温度云图更偏红，同时对应温度示意条，可知隔热腔填充保温材料后窗框、扇、玻璃边缘室内侧温度均升高。

图10 65 铝合金配双玻不填充节点温度分布

图11 65 铝合金配双玻隔热腔填充节点温度分布

图12 65 铝合金配三玻不填充节点温度分布

图13 65 铝合金配三玻隔热腔填充节点温度分布

图14 75 铝合金配双玻不填充节点温度分布

图15 75 铝合金配双玻隔热腔填充节点温度分布

图16 75 铝合金配三玻不填充节点温度分布

图17 75 铝合金配三玻隔热腔填充节点温度分布

3.2 玻璃槽口填充保温材料

用上文分类说明中的玻璃配置，对比不同系列断桥铝合金门窗玻璃槽口填充保温材料对传热系数的影响。具体数据见表5。

从表5 可以看出，玻璃槽口填充保温材料后有如下变化：①对于65 铝合金窗配双层中空玻璃，框K 值降低0.29W/ ㎡ •K，整窗K 值降低0.1W/ ㎡ •K；②对于65 铝合金窗配三层中空玻璃，框K 值降低0.3W/ ㎡ •K，整窗K 值降低0.105W/ ㎡ •K；③对于75 铝合金窗配双层中空玻璃，框K 值降低0.39W/ ㎡ •K，整窗K 值降低0.147W/ ㎡ •K；④对于75 铝合金窗配三层中空玻璃，框K值降低0.306W/㎡•K，整窗K值降低0.128W/㎡•K。可见，玻璃槽口填充保温材料能有效降低断桥铝合金门窗K 值，整窗K 值降低约0.1 W/ ㎡ •K，且对大系列的门窗降低效果更显著。

表5 玻璃槽口填充保温材料对K 值的影响

同时，从图18 至图21 与不填充的等温线分布图对比可以看出：①玻璃槽口填充保温材料后等温线分布更平顺；②对比图18 与图2、图19 与图4，65 铝合金窗玻璃槽口填充保温材料后，配双玻时扇隔热腔等温线增加一条，配三玻时扇隔热腔等温线增加两条；③对比图20 与图6，75 铝合金窗玻璃槽口填充保温材料后，配双玻时扇隔热腔等温线增加一条；④同一系列节点玻璃槽口填充保温材料后，相同温度的等温线更靠室外侧。

图18 65 铝合金配双玻玻璃槽口填充节点等温线

图19 65 铝合金配三玻玻璃槽口填充节点等温线

图20 75 铝合金配双玻玻璃槽口填充节点等温线

图21 75 铝合金配三玻玻璃槽口填充节点等温线

表6 为玻璃槽口填充保温材料断桥铝合金门窗室内表面的温度变化，可以看出：①对于65 铝合金，玻璃槽口填充保温后，窗室内表面温度提高0.36℃ ~1.28℃；②对于75 铝合金，玻璃槽口填充保温后，窗室内表面温度提高0.81℃ ~1.51℃；③ 75 铝合金的温度差值比65铝合金的大，即玻璃槽口填充保温材料对75 铝合金室内窗框表面温度提高更有效；④与隔热腔填充保温材料的不同之处在于，窗扇和压线表面的温度变化比窗框表面更明显，因为保温材料填充的位置距离窗扇和压线更近。

同时，从图22 与图10、图23 与图12、图24 与图14、图25 与图16 的温度分布图对比，可以看出：玻璃槽口填充保温材料后与不填充相比，暖腔的温度云图更偏红，同时对应温度示意条可知玻璃槽口填充保温材料后，窗框、扇、玻璃边缘室内侧温度均升高。

表6 玻璃槽口填充保温材料窗室内表面温度变化

图22 65 铝合金配双玻玻璃槽口填充节点温度分布

图23 65 铝合金配三玻玻璃槽口填充节点温度分布

图24 75 铝合金配双玻玻璃槽口填充节点温度分布

图25 75 铝合金配三玻玻璃槽口填充节点温度分布

3.3 各个铝腔填充保温材料

用上文分类说明中的玻璃配置，对比不同系列断桥铝合金门窗各个铝腔填充保温材料对传热系数的影响，具体数据见表7。

从表7 可以看出，对65 铝合金配双层中空玻璃、65 铝合金配三层中空玻璃、75 铝合金配双层中空玻璃、75 铝合金配三层中空玻璃均有如下结论：在框扇冷腔、框扇暖腔、压线腔填充保温材料，对框扇K 值、线传热系数、整窗K 值无影响。

表7 不同铝腔体填充保温材料对K 值的影响

上述结论足以说明：对于断桥铝合金门窗，在完全由铝合金材料形成的封闭腔体里填充保温材料对窗传热系数没有改善。

4 结束语

通过两种断桥铝合金门窗产品K 值模拟计算及分析，有如下结论：①隔热腔和玻璃槽口填充保温材料可以有效降低断桥铝合金门窗的传热系数，提高门窗保温性能；②断桥铝合金门窗冷腔、暖腔、压线腔体等完全由金属围合而成的封闭空腔里填充保温材料对门窗保温性能没有改善；③产品系列越大，即隔热腔、玻璃槽口越大，填充保温材料后门窗传热系数降低的越多，门窗室内侧表面温度提高的也越多。

参考文献

[1] JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》