彩钢复合门窗的热工性能分析

赖怒涛，杜晓磊，周书兵

（1重庆华夏门窗有限责任公司，重庆 401329；2中机中联工程有限公司建筑技术研究所，重庆 400039）

彩钢复合门窗的热工性能分析

赖怒涛1，杜晓磊2，周书兵2

（1重庆华夏门窗有限责任公司，重庆 401329；2中机中联工程有限公司建筑技术研究所，重庆 400039）

提升节能门窗的热工性能，降低其热能损耗，已经成为建筑节能领域重点关注的内容。该文拟采用二维有限元计算方法，将彩钢复合门窗与目前市场上运用较多的断桥铝合金门窗和多腔塑钢门窗的热工性能进行比较分析，阐述彩钢复合门窗的保温隔热原理，以便于进行新技术的推广应用。

彩钢复合门窗；热工性能；保温隔热；建筑围护结构；型材节点

0 引言

建筑的外门窗只占到外围护结构面积的1/5～1/3左右，却是建筑热交换最敏感、最活跃的部位，多数建筑中经由窗户散失热量导致的采暖和制冷能耗，通常能占到建筑围护结构能耗的一半以上[1]。因此，改善门窗的热工性能，减少其热量损失，对提高室内热舒适性和降低建筑能耗具有重要意义。

影响门窗热工性能的因素主要是门窗材料和气密性状况。通过门窗主体材料传递包括：表面吸热、表面放热以及门窗高温侧向低温侧传递，而通过空气渗透传递主要是窗扇、窗框和玻璃之间以及门窗与墙体之间的缝隙导致的空气渗透造成热量损失[2]。

在解决建筑门窗的型材拥有良好的强度、防腐耐候性的同时，又使其兼具优越的热工性能，是制造优质节能门窗的关键。彩钢复合型材是运用组合发明法，采用彩色涂层钢板和改性塑料，经特殊的构造设计和不同材料的优化组合，研究出一种建筑门窗新型复合型材，具有优良的保温隔热性能，其结构采用了彩钢型材+界面相结合层+多腔改性塑料型材+界面相结合层+彩钢型材的热工和力学构造，可有效阻断门窗型材的传导、对流和辐射三种传热途径，其型材保温隔热性能可与塑料门窗型材媲美，同时力学性能满足结构要求。

1 分析方法

本文主要针对彩钢复合门窗与目前市场上运用较多的断桥铝合金门窗和多腔塑钢门窗，依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJT 151-2008[3]规定的计算方法，采用二维有限元计算方法，分别对其型材节点和整窗的热工性能加以对比分析。

为保证计算结果具有可比性，分析假定三种类型门窗，除型材的材质和构造不同外，其余的比较口径均保持一致。分析的技术条件设置如下。

1.1 标准及参考文件

《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T 151-2008[3]和《民用建筑热工设计规范》GB 50176-1993[4]。

1.2 玻璃配置

6 透明+12a+6透明中空玻璃，空气间隔为100%的空气。

1.3 计算软件

《玻璃光学热工性能计算及光谱数据库管理软件》OpticsCC（ver3.0）、《幕墙、门窗框二维热传导有限元分析软件》ThermCN（Ver2.0）和 《幕墙、门窗热工性能设计计算软件》CWWTC（ver2.0）。

1.4 计算边界条件

根据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T 151-2008、《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GBT 8484-2008的相关规定，用于门窗或幕墙产品设计、性能评价热工性能参数计算的冬季标准热工计算环境条件，采用冬季标准计算条件，按表1的参数设置。

1.5 门窗设计

规格：1500mm×1500mm，平开+固定，无上亮，如图1所示。

1.6 整樘窗热工计算原理

（1）整樘窗的传热系数应按下式计算：

表1 门窗设计计算边界条件

表2 各窗型节点处的温度线图

图1 窗型设计

式中Ut-整樘窗的传热系数 [W/(m2·K)]；Ag-窗玻璃面积(m2)；Af-窗框面积 (m2)；At-窗面积(m2)；詛ψ-玻璃区域 (m)；Ug-窗玻璃的传热系数[W/(m2·K)]；Uf-窗框的传热系数[W/(m2·K)]；ψ-窗框和窗玻璃之间的线传热系数 [W/(m2·K)]。

（2）整樘窗的太阳光总透射比应按下式计算：

式中gt-整樘窗的太阳光总透射比；gg-窗玻璃区域太阳光总透射比；gf-窗框太阳光总透射比。

（3） 整樘窗的遮阳系数应按下式计算：

式中SC-整樘窗的遮阳系数。

（4） 整樘窗的可见光透射比应按下式计算：

式中τt-整樘窗的可见光透射比；τv-窗玻璃的可见光透射比。

2 计算结果分析

2.1 型材节点热工性能分析

采用相同的窗型、规格、节点（中挺与窗扇）、玻璃配置及计算边界条件，计算三种窗型平开窗中挺节点处的温度变化及热工性能，结果分别如表2、表3所示。

表2给出各窗型中挺节点处的温度线图，温度线特点是同线等温。同一幅等温线图上，相邻两条等温线之间的数值相差一个等温距。一般情况下，温度线分布密集的区域温度变化较大，温度传递阻力也越大；反之温度变化较小；温度线均匀，说明材料内部传热递减均匀。因此比较可以得出，彩钢复合型材内有较好的保温隔热效果；由于断桥铝合金型材铝的热导率高，约为210W/(m·k)，型材内部温度变化，除在断热桥部分比较密集外，在其型材同一腔室内靠近室内、外侧几乎是等温的，室内外温差不大。此外，断桥铝合金采用非金属片状隔热条断热，虽然隔断了热传导，但对热对流和热辐射未能有效隔断，断热效果有限；对于多腔塑钢型材，塑料的弹性模量为3.14～3.92GPa，其材质本身的强度低，用作门窗型材时，多腔塑钢窗型材的主腔室必须放置钢衬，型材的强度由钢材来保证，因此，多腔塑料门窗型材的主腔室均为钢衬加强腔室，由于钢衬按标准需要锚固，使主腔室成为空气微流动腔室，减低了保温隔热性能，从图中亦可以看出，腔内的温度变化小，影响了型材的保温隔热效果。

表3 各窗型节点处热工参数计算结果

表3可知，传热系数K数值越小，说明其保温隔热效果越好。彩钢复合门窗中梃型材传热系数1.47W/(m2·K)，塑钢门窗中梃传热系数1.9W/(m2·K)9，断桥铝合金门窗3.79W/(m2·K)。

线传热系数，是框和玻璃接缝的传热系数。主要描述了在窗框、玻璃和间隔层之间交互作用下附加的热传递，线性热传递传热系数主要受间隔层材料传导率的影响。在相同的条件下，线传热系数值越大，表明线性传导率越低，彩钢复合门窗线性传导率低于参照的铝合金和塑料门窗，原因是型材的玻璃槽口更大，型材边缘与玻璃的绝热间隙距离更宽，所以更好。

2.2 整窗热工性能分析

分析分别选用型材为50系列组合式彩钢复合门窗、50系列多腔断桥铝合金门窗、维卡60系列多腔塑钢门窗，门窗窗型及节点分别如图2～图4所示。

图2 50系列组合式彩钢复合门窗

为便于比较，均以东朝向门窗进行热工计算，依据式①-④给出的计算方法分别计算整窗的传热系数、遮阳系数和可见光透射比，其结果如表4所示。

根据上述计算，三种门窗的窗型相同，门窗的总面积相同，但由于型材断面的大小不一样，框的总面积（投影面积）不同，使框/窗比不同。50系列彩钢复合门窗的框/窗比与断桥铝合金门窗的框/窗比几乎相同，塑钢门窗的窗/框比较金属类门窗约大10%。金属类门窗由于强度较高，框/窗比较小，有利于自然采光，但框对门窗遮阳系数的贡献不及塑钢窗，塑钢门窗框/窗比较大，不利于自然采光，但对门窗的遮阳有一定贡献。就彩钢复合门窗、断桥铝合金门窗和多腔塑钢门窗整窗的传热系数而言，由低到高依次是多腔塑钢门窗2.49W/(m2·K)、彩钢复合门窗2.53 W/(m2·K)、断桥铝合金门窗3.02W/(m2·K)。 彩钢复合门窗与多腔塑钢门窗的传热系数很接近，差异不到5%，在建筑节能设计中可以具备相同的传热系数取值。断桥铝合金门窗的传热系数，比彩钢复合门窗约高20%，对建筑整体节能率的贡献十分明显。

3 结论

图3 50系列多腔断桥铝合金门窗

图4 维卡60系列多腔塑钢门窗

表4 各窗型整窗热工参数计算结果

门窗节能的关键是在满足其使用功能的前 提下具有较高的保温性和隔热性能。通过对彩钢复合门窗及市场上常见的断桥铝合金门窗和多腔塑钢门窗的热工性能进行比较分析，可以得出如下结论：

（1）彩钢复合型材较之断桥铝合金型材和多腔塑钢型材内部热传递均匀，型材有较好的保温隔热效果。

（2）彩钢复合门窗由于框/窗比较小，有利于自然采光，但对门窗遮阳系数的贡献不及塑钢窗。

（3）就整窗的热工性能来看，彩钢复合门窗明显优于断桥铝合金门窗，与多腔塑钢门窗热工性能差异不到5%，拥有显著的节能效果。

[1]朱洪祥.中空玻璃的生产与选用[M].山东：山东大学出版社，2006.

[2]占祖旺.建筑门窗热工性能的计算方法研究[J].门窗，2013（08）.

[3] 广东省建筑科学研究院.JGJ/T 151-2008建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]中国建筑科学研究院.GB 50176-93民用建筑热工设计规范[S].北京：中国计划出版社，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

赖怒涛（1958—），男，广东梅州人，研究生，高级工程师，主要从事节能彩钢门窗的生产与销售等工作。

孙苏，李红