穿条式隔热型材隔热条位置对幕墙框传热系数的影响

程圣彬

0 引言

建筑幕墙具有轻盈性、通透性、美观性的特点，作为建筑的外围护结构，已经越来越多地被应用到现代的各类居住建筑与公共建筑上。同时也是因为这些特点，建筑幕墙结构若不进行有效的节能设计，南方夏季室内炎热的环境将使空调降温需求大大增加，北方冬季室外严寒的环境将使采暖需求急剧上升，由此所产生的大量用电、用煤等能源消耗给人们赖以生存的环境造成了很大影响。

1 穿条式隔热型材简介

穿条式隔热型材的隔热材料使用PA66GF25（聚酰胺66+25玻璃纤维）材料，采用穿条工艺生产的隔热铝型材在幕墙中的应用十分广泛。

隔热材料PA66GF25 与铝合金型材具有相近的线膨胀系数，良好的热稳定性、耐久性，满足幕墙设计要求的抗拉强度和弹性模量，以及成熟的穿条生产工艺，使穿条式隔热型材逐渐成为隔热幕墙的代名词，常见的穿条式隔热型材节点如图1 所示。

图1 穿条式隔热型材节点

2 穿条式隔热型材设计

2.1 设计基准条件

本文采用了美国劳伦斯伯克力国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，简称“LBNL”）开发的THERM、WINDOW 系列软件对隔热型材的传热性能进行二维模拟计算。

软件根据JGJ/T 151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》要求进行产品设计，传热系数计算采用冬季标准计算条件（见表1）。计算幕墙竖框的传热系数时，竖框的室外对流换热系数h取16 W/（m·K）。

表1 产品设计计算边界条件

幕墙竖框型材采用明框带室外装饰扣盖型式的立柱节点，隔热条采用符合GB/T 23615.2《铝合金建筑型材用辅助材料第2 部分：聚氨酯隔热胶材料》规范要求的PA66+GF25 材料。框传热系数U在计算幕墙竖框截面的二维热传导的基础上获得。在框的计算截面中，应用一块导热系数λ=0.03 W/（m·K）的板材替代实际的玻璃，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实际尺寸，可见部分的板材厚度b不应小于200mm，各部分材料类型标示图如图2 所示。

图2 计算模型材料类型标示图

2.2 隔热条深度变化对框传热系数的影响

本部分选用此4 种深度尺寸的I 型隔热条，尺寸分别为：12mm、14.8mm、18mm、21mm。保持隔热条中心线与面板中心线平齐，每种隔热条深度尺寸的增加阶梯近似为3mm，计算模拟构造图如图3 所示。

图3 计算模拟构造图

针对每种隔热条深度分别建立框传热系数计算模型，采用Therm7.8.16 进行二维模拟计算分析。得到不同深度的隔热条对应的框传热系数数值U[单位：W/（m·K）]，见表2。

表2 隔热条尺寸变化与框传热系数模拟计算结果

根据表2 数据绘制隔热条深度与框传热系数的变化关系如图4 所示。

图4 隔热条深度与框传热系数的变化关系图

通过图4 初步分析可知，框传热系数随着隔热条深度尺寸的增加而减小，但随着隔热条深度尺寸的逐渐增大，框传热系数的减小呈逐渐放缓的趋势。通过增加隔热条深度可较为有效的降低框传热系数，但受到面板厚度、隔热条强度、隔热条价格等设计因素的影响，单纯通过增加隔热条的尺寸以达到降低传热系数的目的并非最优选项。

2.3 隔热条位置变化对框传热系数的影响

本部分选用常用的3 种尺寸（12mm、14.8mm、18mm）的I 型隔热条进行比较分析。面板采用6mmLowE+12A+6mmClear中空镀膜玻璃代替绝热面板以模拟实际工程配置，中空玻璃传热系数为：U=1.669 W/（m·K）。

通过均匀调整隔热条中心线距离玻璃面板中心线的位置并建立计算模型以获得其对应位置的框传热系数数据，进而建立图表进行数据分析，隔热条位置调整示意如图5 所示。

图5 隔热条位置调整基准图

针对3 种尺寸的隔热条分别建立框传热系数计算模型，采用Therm7.8.16 进行二维模拟计算分析。部分隔热条位置热工模拟结果如图6、7、8 所示，更多隔热条位置变化所对应的框传热系数数值U（单位：W/（m·K））如表3 所示。

图6 12mm 隔热条

图7 14.8mm 隔热条

图8 18mm 隔热条

表3 隔热条位置变化与框传热系数模拟计算结果

根据表3 隔热条中心线距面板中心线相对距离变化数值与对应的框传热系数变化数据绘制图9。

通过图9 初步分析可知，隔热条中心线与玻璃面板中心线重合位置并非隔热条最佳位置，随着隔热条位置逐渐向室内侧移动，框传热系数缓慢减小后又呈逐渐增大趋势，但很难判断不同规格隔热条的最佳设计位置。

图9 隔热条位置与框传热系数的变化关系图

在上述计算结果的基础上通过改变隔热条相对位置统计标准，采用以玻璃面板的室内侧表面为基准线与隔热条室内侧边线之间的距离为依据重新整理统计框传热系数表，隔热条位置统计基准示意图如图10 所示。

图10 隔热条位置调整基准图

隔热条位置变化所对应的框传热系数数值U[单位：W/（m·K）]见表4 所示。

表4 隔热条位置变化与框传热系数模拟计算结果

根据表4 隔热条内边线距玻璃面板内边线相对距离变化数值与对应的框传热系数变化数据绘制图11。

图11 隔热条位置与框传热系数的变化关系图

根据对三种尺寸的隔热条传热系数数据点图表生成多项式趋势线，通过对趋势线的观察分析可知，不同尺寸的隔热条在其内边线与面板内边线重合位置附近可获得相对较小的框传热系数，由此可获得一个较为通用的隔热条进出位置设置原则，即在满足结构及截面设计要求的前提下，尽可能减小隔热条内侧边线与面板内边线之间的相对距离，以获得相对更优的框传热系数，从而提高幕墙整体的热工性能。

2.4 隔热条间距对框传热系数的影响

本部分选用80mm 宽铝合金立柱，在立柱截面宽度不变的前提下调整隔热条之间的距离，且同时需满足JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》第9.5 节中关于玻璃面板与槽口配合尺寸的要求。模型采用14.8mm 宽I 型隔热条，隔热条内边线距离面板内边线平齐。如图12 所示。

图12 隔热条间距调整图示

通过建模分析，隔热条间距变化所对应的框传热系数数值U（单位：W/（m·K）），见表5 所示。

表5 隔热条间距变化与框传热系数模拟计算结果

根据表5 隔热条间距变化数值与对应的框传热系数变化数据绘制图13。

图13 隔热条间距与框传热系数的变化关系图

通过图13 可知，框传热系数随着隔热条间距的增加而缓慢减小，且减小幅度较小。由此可知在立柱宽度B不变的情况下，隔热条间距b 的数值越大，框的传热系数越小，即框传热系数与b/B 的比值近似成反比。

3 设计总结

通过本文以上分析可知通过合理设置穿条式隔热幕墙型材隔热条的位置可以有效降低框传热系数，获得更加优秀的框隔热性能，从而提高整体幕墙的热工性能。

隔热条位置设计总结如下：（1）适当增加隔热条宽度尺寸。（2）使隔热条内边线尽量与面板内侧表面平齐。（3）在满足规范要求的前提下，可通过增加隔热条间距以增强框隔热性能。

4 结语

建筑幕墙隔热框结构的合理设计，可以有效降低幕墙整体的U 值，提升幕墙热工性能，从而达到降低夏季空调及冬季采暖能耗的目的。了解穿条式隔热型材的有效隔热设计要点是每个幕墙设计人员的职责和义务，同时也是使隔热型材取得理想的节能效益的当务之急。