王昭君，王洪濤，孫詩兵，萬成龍，邱 銘，單 波，侯園園

(1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100044;2.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

0 前言

近幾十年來，我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，建筑規(guī)模十分巨大，建筑能耗［1］已占據(jù)全國總能耗的1/4以上，建筑節(jié)能［2］已成為我國建筑事業(yè)中必須高度重視的問題。

建筑外窗的能耗占到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)［3－4］總能耗的40%～45%，是建筑節(jié)能最薄弱環(huán)節(jié)。以北京市為例，預(yù)計到2015年，全市城鎮(zhèn)和農(nóng)村建筑能耗約3 665萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全市總能耗9 000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的40.7%，其中通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的熱量占建筑能耗的50%，通過外窗損失的熱量約達(dá)建筑能耗的1/4。因此，建筑外窗的節(jié)能是建筑節(jié)能的關(guān)鍵，關(guān)系到建筑節(jié)能總目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)［5－6］。

隨著建筑節(jié)能工作的不斷推進(jìn)，我國對節(jié)能鋁合金門窗幕墻［7－9］的研發(fā)力度不斷加大，除引進(jìn)鋁合金幕墻門窗隔熱型材外，還配合研發(fā)低輻射鍍膜玻璃和優(yōu)質(zhì)五金配件，使得鋁合金節(jié)能門窗產(chǎn)品性能有了較大幅度的提高，產(chǎn)量增幅明顯。

然而，幕墻門窗鋁型材仍是鋁合金幕墻門窗節(jié)能的重點(diǎn)。鋁合金幕墻門窗型材僅占整窗或幕墻的面積的17%～35%，但傳熱系數(shù)卻是玻璃的2～4倍，通過型材損失的熱量占整窗熱損失近50%。因此，幕墻門窗鋁型材隔熱保溫性能已成為鋁合金幕墻門窗節(jié)能研發(fā)的關(guān)鍵。

幕墻門窗鋁型材的保溫隔熱性能主要由隔熱條、密封條和封閉空腔組成的隔熱系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到阻斷內(nèi)外側(cè)鋁材間熱量的直接傳導(dǎo)和輻射，減小腔體內(nèi)空氣的直接對流的熱損失。因此隔熱條長度、密封條布置、腔體分布和鋁合金型材的基本熱工性能成為隔熱鋁(合金)型材設(shè)計的關(guān)鍵。

本文對鋁型材保溫隔熱性能影響因素的研究，對常用的改進(jìn)鋁型材隔熱性能的方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，除對常用改進(jìn)方法效果進(jìn)行評價外，還提出了新的鋁型材保溫隔熱性能的研發(fā)改進(jìn)思路。

1 試驗(yàn)部分

影響鋁型材熱工性能的諸多指標(biāo)可分定量指標(biāo)和定性指標(biāo)兩類:定量指標(biāo)，如隔熱條的隔熱性能(用隔熱條長度替代)、型材表面發(fā)射率和型材導(dǎo)熱系數(shù);定性指標(biāo)，如密封條的布置和型材腔體的分布。

根據(jù)型材熱工性能的不同影響因素，設(shè)計外窗型材的截面如圖1，玻璃統(tǒng)一采用浮法中空玻璃5+ 12A+5+12A+5(表1)，玻璃的傳熱系數(shù)為1.745 W/(m2·K)。

圖1 試驗(yàn)分析的型材截面

表1 試驗(yàn)用外窗玻璃的基本參數(shù)

試驗(yàn)分別研究了導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱長度和表面發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)的影響、密封條的不同形式對型材熱工性能的影響，以及密封條的不同形式與型材腔體內(nèi)表面發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)的影響。

1.1 導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱長度和表面發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)影響

1.1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

采用正交試驗(yàn)法［10］進(jìn)行試驗(yàn)，即根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。影響型材熱工性能的參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱長度和表面發(fā)射率為因素，每個因素區(qū)別不同的狀態(tài)(如隔熱條長度為20 mm、30 mm、40 mm)即水平。

試驗(yàn)依據(jù)圖1中A～C三種截面的熱工性能影響因素及狀態(tài)，形成了3因素3水平表，見表2。

根據(jù)因素水平表，設(shè)計了9組試件，見表3。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)試件表

對應(yīng)選取的型材材料見表4，該型材及表面處理方式為市場上主流的幕墻門窗型材材料。

表4 試件材料熱工參數(shù)

1.1.2 模擬計算條件

采用建筑門窗節(jié)能性能計算軟件(MOC－I軟件)進(jìn)行熱工模擬計算，邊界條件取［11］:室內(nèi)空氣溫度:20 K;室外空氣溫度:－20 K;室內(nèi)對流換熱系數(shù):3.6 W/(m2·K);室外對流換熱系數(shù):16.0 W (m2·K)，門窗周邊框的室外對流換熱系數(shù):8.0 W/ (m2·K)，周邊框附近玻璃邊緣(65 mm內(nèi))的室外對流換熱系數(shù):12.0 W/(m2·K)，室內(nèi)平均輻射溫度:20 K，室外平均輻射溫度:－20 K，太陽輻射照度:0 W/m2。

1.1.3 正交試驗(yàn)?zāi)M計算結(jié)果及分析

(1)模擬計算結(jié)果

型材傳熱系數(shù)k值的模擬計算結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)?zāi)M計算結(jié)果

(2)極差分析

極差分析反映了各因素對型材傳熱系數(shù)的影響，如均值k1反映了三次A1及B、C每個因素的水平各一次的影響。型材三個因素的不同水平的傳熱系數(shù)k、極差R見表6。極差分析見圖2。從表6和圖2的極差可以看出，因素的主次順序?yàn)?

表6 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

圖2 極差分析

表面發(fā)射率→隔熱條長度→型材導(dǎo)熱系數(shù)

由此可見，表面發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)的影響居于主導(dǎo)地位，隔熱條長度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響居于次要地位。當(dāng)型材的表面發(fā)射率從0.9下降到0.2時，型材傳熱系數(shù)的提高優(yōu)于隔熱條的長度從20 mm變化到40 mm。

(3)因素水平分析

針對不同隔熱條長度、表面發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)對型材傳熱系數(shù)的影響效應(yīng)進(jìn)行分析。

①型材的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)對型材傳熱系數(shù)的影響見圖3。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)由90W/(m·K)到237W/(m·K)，傳熱系數(shù)由2.285W/(m2·K)變化到2.313 W/(m2·K)，變化值為0.028W/(m2·K)。

圖3 型材導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由此可見，導(dǎo)熱系數(shù)對型材的傳熱系數(shù)基本上沒有影響(當(dāng)型材導(dǎo)熱系數(shù)在90～237 W/(m·K)范圍變化時)。

②型材的表面發(fā)射率

型材表面發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)的影響見圖4，當(dāng)型材表面發(fā)射率由0.2到0.9，傳熱系數(shù)由2.114W/(m2·K)變化到2.416W/(m2·K)，變化值為0.302W/(m2·K)。

圖4 型材表面發(fā)射率的影響

由此可見，型材表面發(fā)射率對型材的傳熱系數(shù)有較大影響(當(dāng)型材表面發(fā)射率在0.2～0.9范圍變化時)。

③隔熱條長度的影響

隔熱條長度對型材傳熱系數(shù)的影響見圖5，當(dāng)隔熱條長度由 20 mm到 40 mm，傳熱系數(shù)由2.362W/(m2·K)變化到2.255W/(m2·K)，變化值為0.107W/(m2·K)。

圖5 隔熱條長度的影響

由此可見，隔熱條長度對型材的傳熱系數(shù)有較大影響(當(dāng)隔熱條長度在20～40 mm范圍變化時)。

1.2 不同密封條布置的比對試驗(yàn)

1.2.1 比對試驗(yàn)設(shè)計

對于定性指標(biāo)采用圖1的B、C，D、E四種截面進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，共設(shè)計了6組(共12個試件)，研究密封條的不同形式對型材熱工性能的影響，以及密封條的不同形式與型材發(fā)射率對型材傳熱系數(shù)影響的相關(guān)性。分別比對發(fā)射率為0.2、0.8、0.9的水平下JH70與JH70I(圖1)，JH80與JH80I(圖1)的傳熱系數(shù)差異。試件設(shè)計見表7。

表7 比對試驗(yàn)試件參數(shù)及計算結(jié)果

1.2.2 比對試驗(yàn)計算結(jié)果

型材截面(圖1)B、C、D、E中，由于密封條的不同布置，使得型材腔體劃分(見圖7)不同，因此，型材腔體內(nèi)的輻射換熱和對流換熱模式發(fā)生一定的變化。由于型材腔體密閉，空間小，對流換熱量相對較小(尤其是橫梁)，小于輻射換熱和空氣間層(處于靜止?fàn)顟B(tài)時)純導(dǎo)熱方式傳遞的熱量。

圖6 型材腔體及內(nèi)壁表面定義對型材傳熱性能的影響

依據(jù)表7中的試驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行模擬計算，得到以下結(jié)果:

表8 比對試驗(yàn)試件參數(shù)及計算結(jié)果

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)計的表面輻射率、隔熱條長度、腔室布置反映了輻射換熱、空氣傳導(dǎo)、空氣對流三種傳熱方式對型材傳熱系數(shù)的影響。影響結(jié)果分析如下:

(1)在型材的腔體(圖7的空腔1～6)中，型材發(fā)射率較大時，輻射傳熱成為熱量的最主要的交換方式。此時，影響密閉空腔的傳熱能力的因素的主次為:

輻射換熱→空氣傳導(dǎo)→空氣對流

(2)型材發(fā)射率較大時，圖1的B、C兩種截面密封條的布置起到阻止型材內(nèi)、外壁直接輻射換熱的作用，D、E中阻止型材內(nèi)、外壁直接輻射換熱作用的密封條減少，型材傳熱系數(shù)增大，最大可由2.43W/(m2·K)到2.57W/(m2·K)，因此圖6中顯示減少密封條后組2、組3的曲線升高。

(3)在型材的腔體(圖7的空腔1～6)中，型材發(fā)射率較小時，空氣間層以(處于靜止?fàn)顟B(tài)時)純導(dǎo)熱方式交換熱量為主，輻射換熱和對流換熱的熱量相對較小。

空氣傳導(dǎo)→輻射換熱→空氣對流

(4)型材發(fā)射率較小時，圖1的B、C兩種截面密封條的布置，對型材傳熱系數(shù)影響不大，型材傳熱系數(shù)最大變化值為0.05W/(m2·K)，因此圖8組1曲線較平直。

圖7 JH70和JH70I、JH80和JH80I不同密封條布置、型材表面發(fā)射率的影響

1.3 型材腔體內(nèi)表面不同發(fā)射率的比對試驗(yàn)

型材腔體內(nèi)表面是指圖7中N1～6，W1～6的表面。比對試驗(yàn)以JH70作為研究對象，型材導(dǎo)熱系數(shù)取237W/(m·K)，隔熱條長度取30 mm，改變型材腔體內(nèi)的W面、N面發(fā)射率，型材設(shè)計與計算結(jié)果見表9，其中，試件1、試件4、試件7的W面和N面仍采用原型材的發(fā)射率;試件2、試件5、試件8的N面改變發(fā)射率為0.04;試件3、試件6、試件9的W面和N面同時改變發(fā)射率為0.04。

表9 不同發(fā)射率的比對試驗(yàn)型材設(shè)計與計算

型材腔體內(nèi)表面不同發(fā)射率對k值的影響見圖8。W面和N面的表面發(fā)射率由0.9變化到0.04時，型材傳熱系數(shù)的變化值為0.51W/(m2·K)。

可見，改變腔體內(nèi)側(cè)的表面發(fā)射率能夠起到顯著的節(jié)能效果。

2 結(jié)論

通過分析可以得出，提高隔熱鋁型材系統(tǒng)保溫隔熱性能可以采取以下幾種措施:

圖8 型材腔體內(nèi)表面不同發(fā)射率對k值的影響

(1)增加隔熱條的長度。增加隔熱條長度可有效降低通過鋁型材導(dǎo)熱引起的熱損失，是目前普遍采用的效果較為顯著的方法;

(2)采用密封條分隔型材腔體。采用密封條分隔玻璃裝配腔體和框扇配合腔體，可有效降低通過腔體空氣對流引起的熱損失，可起到較理想的效果，應(yīng)成為幕墻門窗鋁型材保溫隔熱設(shè)計的思路之一;

(3)降低型材表面的發(fā)射率。降低型材表面的發(fā)射率可有效阻擋通過型材壁面輻射換熱導(dǎo)致的熱損失，考慮到輻射換熱在型材整個傳熱過程中占較大比例，因而改善效果非常明顯。由于型材外觀上往往有特定的表面處理要求，改變型材外觀的發(fā)射率不容易滿足，但可以減小型材內(nèi)側(cè)面的發(fā)射率;

(4)降低型材室內(nèi)側(cè)腔體表面的發(fā)射率。型材室內(nèi)側(cè)腔體發(fā)射率可通過涂覆低發(fā)射材料、表面低輻射處理等工藝降低，既起到改善保溫隔熱效果的作用，又不影響型材的外觀，因而應(yīng)成為幕墻門窗鋁型材節(jié)能設(shè)計的重要思路。

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