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)
近幾十年來,我國經(jīng)濟社會高速發(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)能否實現(xiàn)[5-6]。
隨著建筑節(jié)能工作的不斷推進,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。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,對常用的改進鋁型材隔熱性能的方法進行模擬試驗,通過試驗結(jié)果的對比分析,除對常用改進方法效果進行評價外,還提出了新的鋁型材保溫隔熱性能的研發(fā)改進思路。
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 試驗分析的型材截面
表1 試驗用外窗玻璃的基本參數(shù)
試驗分別研究了導(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。
1.1.1 正交試驗設(shè)計
采用正交試驗法[10]進行試驗,即根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗。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?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?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,因素的主次順序為:
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)。
1.2.1 比對試驗設(shè)計
對于定性指標(biāo)采用圖1的B、C,D、E四種截面進行對比試驗研究,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 比對試驗試件參數(shù)及計算結(jié)果
1.2.2 比對試驗計算結(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中的試驗設(shè)計進行模擬計算,得到以下結(jié)果:
表8 比對試驗試件參數(shù)及計算結(jié)果
1.2.3 試驗結(jié)果分析
試驗設(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
型材腔體內(nèi)表面是指圖7中N1~6,W1~6的表面。比對試驗以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。
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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