程圣彬

0 引言

建筑幕墻具有輕盈性、通透性、美觀性的特點，作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用到現(xiàn)代的各類居住建筑與公共建筑上。同時也是因為這些特點，建筑幕墻結(jié)構(gòu)若不進(jìn)行有效的節(jié)能設(shè)計，南方夏季室內(nèi)炎熱的環(huán)境將使空調(diào)降溫需求大大增加，北方冬季室外嚴(yán)寒的環(huán)境將使采暖需求急劇上升，由此所產(chǎn)生的大量用電、用煤等能源消耗給人們賴以生存的環(huán)境造成了很大影響。

1 穿條式隔熱型材簡介

穿條式隔熱型材的隔熱材料使用PA66GF25（聚酰胺66+25玻璃纖維）材料，采用穿條工藝生產(chǎn)的隔熱鋁型材在幕墻中的應(yīng)用十分廣泛。

隔熱材料PA66GF25 與鋁合金型材具有相近的線膨脹系數(shù)，良好的熱穩(wěn)定性、耐久性，滿足幕墻設(shè)計要求的抗拉強度和彈性模量，以及成熟的穿條生產(chǎn)工藝，使穿條式隔熱型材逐漸成為隔熱幕墻的代名詞，常見的穿條式隔熱型材節(jié)點如圖1 所示。

圖1 穿條式隔熱型材節(jié)點

2 穿條式隔熱型材設(shè)計

2.1 設(shè)計基準(zhǔn)條件

本文采用了美國勞倫斯伯克力國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱“LBNL”）開發(fā)的THERM、WINDOW 系列軟件對隔熱型材的傳熱性能進(jìn)行二維模擬計算。

軟件根據(jù)JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，傳熱系數(shù)計算采用冬季標(biāo)準(zhǔn)計算條件（見表1）。計算幕墻豎框的傳熱系數(shù)時，豎框的室外對流換熱系數(shù)h取16 W/（m·K）。

表1 產(chǎn)品設(shè)計計算邊界條件

幕墻豎框型材采用明框帶室外裝飾扣蓋型式的立柱節(jié)點，隔熱條采用符合GB/T 23615.2《鋁合金建筑型材用輔助材料第2 部分：聚氨酯隔熱膠材料》規(guī)范要求的PA66+GF25 材料。框傳熱系數(shù)U在計算幕墻豎框截面的二維熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上獲得。在框的計算截面中，應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03 W/（m·K）的板材替代實際的玻璃，板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照面板嵌入的實際尺寸，可見部分的板材厚度b不應(yīng)小于200mm，各部分材料類型標(biāo)示圖如圖2 所示。

圖2 計算模型材料類型標(biāo)示圖

2.2 隔熱條深度變化對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用此4 種深度尺寸的I 型隔熱條，尺寸分別為：12mm、14.8mm、18mm、21mm。保持隔熱條中心線與面板中心線平齊，每種隔熱條深度尺寸的增加階梯近似為3mm，計算模擬構(gòu)造圖如圖3 所示。

圖3 計算模擬構(gòu)造圖

針對每種隔熱條深度分別建立框傳熱系數(shù)計算模型，采用Therm7.8.16 進(jìn)行二維模擬計算分析。得到不同深度的隔熱條對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U[單位：W/（m·K）]，見表2。

表2 隔熱條尺寸變化與框傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制隔熱條深度與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系如圖4 所示。

圖4 隔熱條深度與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

通過圖4 初步分析可知，框傳熱系數(shù)隨著隔熱條深度尺寸的增加而減小，但隨著隔熱條深度尺寸的逐漸增大，框傳熱系數(shù)的減小呈逐漸放緩的趨勢。通過增加隔熱條深度可較為有效的降低框傳熱系數(shù)，但受到面板厚度、隔熱條強度、隔熱條價格等設(shè)計因素的影響，單純通過增加隔熱條的尺寸以達(dá)到降低傳熱系數(shù)的目的并非最優(yōu)選項。

2.3 隔熱條位置變化對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用常用的3 種尺寸（12mm、14.8mm、18mm）的I 型隔熱條進(jìn)行比較分析。面板采用6mmLowE+12A+6mmClear中空鍍膜玻璃代替絕熱面板以模擬實際工程配置，中空玻璃傳熱系數(shù)為：U=1.669 W/（m·K）。

通過均勻調(diào)整隔熱條中心線距離玻璃面板中心線的位置并建立計算模型以獲得其對應(yīng)位置的框傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隔熱條位置調(diào)整示意如圖5 所示。

圖5 隔熱條位置調(diào)整基準(zhǔn)圖

針對3 種尺寸的隔熱條分別建立框傳熱系數(shù)計算模型，采用Therm7.8.16 進(jìn)行二維模擬計算分析。部分隔熱條位置熱工模擬結(jié)果如圖6、7、8 所示，更多隔熱條位置變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U（單位：W/（m·K））如表3 所示。

圖6 12mm 隔熱條

圖7 14.8mm 隔熱條

圖8 18mm 隔熱條

表3 隔熱條位置變化與框傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果

根據(jù)表3 隔熱條中心線距面板中心線相對距離變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖9。

通過圖9 初步分析可知，隔熱條中心線與玻璃面板中心線重合位置并非隔熱條最佳位置，隨著隔熱條位置逐漸向室內(nèi)側(cè)移動，框傳熱系數(shù)緩慢減小后又呈逐漸增大趨勢，但很難判斷不同規(guī)格隔熱條的最佳設(shè)計位置。

圖9 隔熱條位置與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

在上述計算結(jié)果的基礎(chǔ)上通過改變隔熱條相對位置統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)，采用以玻璃面板的室內(nèi)側(cè)表面為基準(zhǔn)線與隔熱條室內(nèi)側(cè)邊線之間的距離為依據(jù)重新整理統(tǒng)計框傳熱系數(shù)表，隔熱條位置統(tǒng)計基準(zhǔn)示意圖如圖10 所示。

圖10 隔熱條位置調(diào)整基準(zhǔn)圖

隔熱條位置變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U[單位：W/（m·K）]見表4 所示。

表4 隔熱條位置變化與框傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果

根據(jù)表4 隔熱條內(nèi)邊線距玻璃面板內(nèi)邊線相對距離變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖11。

圖11 隔熱條位置與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

根據(jù)對三種尺寸的隔熱條傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)點圖表生成多項式趨勢線，通過對趨勢線的觀察分析可知，不同尺寸的隔熱條在其內(nèi)邊線與面板內(nèi)邊線重合位置附近可獲得相對較小的框傳熱系數(shù)，由此可獲得一個較為通用的隔熱條進(jìn)出位置設(shè)置原則，即在滿足結(jié)構(gòu)及截面設(shè)計要求的前提下，盡可能減小隔熱條內(nèi)側(cè)邊線與面板內(nèi)邊線之間的相對距離，以獲得相對更優(yōu)的框傳熱系數(shù)，從而提高幕墻整體的熱工性能。

2.4 隔熱條間距對框傳熱系數(shù)的影響

本部分選用80mm 寬鋁合金立柱，在立柱截面寬度不變的前提下調(diào)整隔熱條之間的距離，且同時需滿足JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第9.5 節(jié)中關(guān)于玻璃面板與槽口配合尺寸的要求。模型采用14.8mm 寬I 型隔熱條，隔熱條內(nèi)邊線距離面板內(nèi)邊線平齊。如圖12 所示。

圖12 隔熱條間距調(diào)整圖示

通過建模分析，隔熱條間距變化所對應(yīng)的框傳熱系數(shù)數(shù)值U（單位：W/（m·K）），見表5 所示。

表5 隔熱條間距變化與框傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果

根據(jù)表5 隔熱條間距變化數(shù)值與對應(yīng)的框傳熱系數(shù)變化數(shù)據(jù)繪制圖13。

圖13 隔熱條間距與框傳熱系數(shù)的變化關(guān)系圖

通過圖13 可知，框傳熱系數(shù)隨著隔熱條間距的增加而緩慢減小，且減小幅度較小。由此可知在立柱寬度B不變的情況下，隔熱條間距b 的數(shù)值越大，框的傳熱系數(shù)越小，即框傳熱系數(shù)與b/B 的比值近似成反比。

3 設(shè)計總結(jié)

通過本文以上分析可知通過合理設(shè)置穿條式隔熱幕墻型材隔熱條的位置可以有效降低框傳熱系數(shù)，獲得更加優(yōu)秀的框隔熱性能，從而提高整體幕墻的熱工性能。

隔熱條位置設(shè)計總結(jié)如下：（1）適當(dāng)增加隔熱條寬度尺寸。（2）使隔熱條內(nèi)邊線盡量與面板內(nèi)側(cè)表面平齊。（3）在滿足規(guī)范要求的前提下，可通過增加隔熱條間距以增強框隔熱性能。

4 結(jié)語

建筑幕墻隔熱框結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，可以有效降低幕墻整體的U 值，提升幕墻熱工性能，從而達(dá)到降低夏季空調(diào)及冬季采暖能耗的目的。了解穿條式隔熱型材的有效隔熱設(shè)計要點是每個幕墻設(shè)計人員的職責(zé)和義務(wù)，同時也是使隔熱型材取得理想的節(jié)能效益的當(dāng)務(wù)之急。