程圣彬

根據(jù)我國(guó)國(guó)情，按照實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求，建筑節(jié)能是中國(guó)發(fā)展的基本國(guó)策之一。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已成為全球幕墻生產(chǎn)與使用的大國(guó)。在建筑幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中如果不注重有效的節(jié)能設(shè)計(jì)，則將使建筑能耗大大增加，進(jìn)而帶來(lái)大量用電、用煤等能源消耗，給人們賴以生存的環(huán)境造成更大影響，因此幕墻系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

聚乙烯泡沫棒本身具有良好的伸縮變形性能，故常被用作填縫材料用于幕墻接縫的填塞及打膠襯底。除此之外，聚乙烯泡沫塑料產(chǎn)品還具有優(yōu)秀的隔熱性能。本文從聚乙烯泡沫塑料相關(guān)產(chǎn)品的隔熱性能方面分析將其合理應(yīng)用于幕墻框系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)對(duì)整體熱工性能的影響，為提高幕墻框系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的熱工性能提供設(shè)計(jì)思路參考。

1 分析模型介紹

本文采用了隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料以及非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料兩種分析模型，并且通過(guò)對(duì)泡沫填塞區(qū)域范圍的調(diào)整，觀察得知填塞前后框傳熱系數(shù)的變化。隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節(jié)點(diǎn)如圖1 所示，非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節(jié)點(diǎn)如圖2 所示。

圖1 隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節(jié)點(diǎn)

圖2 非隔熱型材與玻璃面板間填塞泡沫材料節(jié)點(diǎn)

2 框傳熱系數(shù)對(duì)比分析

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件

本文采用了粵建科?MQMC 2012 版“幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件”進(jìn)行框二維傳熱有限元分析計(jì)算，該軟件是國(guó)內(nèi)首款符合《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T 151—2008）規(guī)定的軟件[1]。軟件根據(jù)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T 151—2008）要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，傳熱系數(shù)計(jì)算采用冬季標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件（見表1）[2]。計(jì)算幕墻豎框的傳熱系數(shù)時(shí)，豎框的室外對(duì)流換熱系數(shù)hc，out取16 W/（m2·K）[3]。

表1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算邊界條件

幕墻豎框型材采用室外側(cè)帶裝飾扣蓋的明框型式立柱，框傳熱系數(shù)Uf在計(jì)算幕墻豎框截面二維熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上獲得。在框的計(jì)算截面中，玻璃面板嵌入框中不可見部分的深度按照面板嵌入的實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)，且可見部分的板材厚度bp不應(yīng)小于200 mm[4]。玻璃面板采用6Low-E+12A+6Clear 中空玻璃，玻璃組件的傳熱系數(shù)Ug=1.709 W/（m2·K）。

2.2 隔熱型材與玻璃面板間填充聚乙烯發(fā)泡材料對(duì)框傳熱系數(shù)影響

本部分選用3 種計(jì)算模型，分別為不填充發(fā)泡材料、少量填充發(fā)泡材料、大量填充發(fā)泡材料，詳見圖3 ～圖5。

圖3 不填充發(fā)泡

圖4 少量填充發(fā)泡

圖5 大量填充發(fā)泡

通過(guò)建立計(jì)算模型進(jìn)行框二維傳熱有限元分析計(jì)算，得到3 種情況下的框傳熱系數(shù)Uf及玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數(shù)Ψ，見表2。根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可知，線傳熱系數(shù)Ψ隨著泡沫填充區(qū)域的增加而略有增加，但增加幅度非常小，對(duì)于整窗熱工計(jì)算影響幾乎可以忽略?？騻鳠嵯禂?shù)隨著填充區(qū)域的增加而顯著減小，少量填充可使框傳熱系數(shù)降低約19%，大量填充可使框傳熱系數(shù)降低約30%，泡沫填充對(duì)于隔熱型材框傳熱系數(shù)影響較為明顯。

表2 隔熱型材發(fā)泡材料填充量與框傳熱系數(shù)對(duì)照表

進(jìn)一步對(duì)比無(wú)填充與大量填充發(fā)泡材料后的熱流分布圖像（圖6、圖7可知），隨著泡沫填充區(qū)域的增加，空腔部位熱對(duì)流減少，熱流密度降低，從而降低框的傳熱系數(shù)。隔熱型材可通過(guò)在框與面板間增加發(fā)泡材料降低框傳熱系數(shù)，改善整體幕墻熱工性能。

圖6 無(wú)填充熱流分布圖像

圖7 大量填充熱流分布圖像

為進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論，將框與玻璃面板間填充的發(fā)泡材料采用幕墻常用的三元乙丙膠條代替，同樣可以達(dá)到降低空腔空氣對(duì)流的目的，與上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，填塞三元乙丙膠條等溫線分布圖像如圖8 所示，填塞三元乙丙膠條熱流分布圖像如圖9 所示。

圖8 填塞三元乙丙膠條等溫線分布圖像

圖9 填塞三元乙丙膠條熱流分布圖像

通過(guò)建立計(jì)算模型進(jìn)行框二維傳熱有限元分析計(jì)算，得到圖8 所示情況下的 框 傳 熱 系 數(shù)Uf=3.59 W/（m2·K），玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數(shù)Ψ=0.1061 W/（m·K），均與圖4 所示少量填充發(fā)泡材料情況下的傳熱系數(shù)接近。通過(guò)分析圖9 與圖7 所示熱流分布圖像，其空腔部位熱流密度均較低。由此可知，降低框與玻璃面板間的空氣對(duì)流是降低框傳熱系數(shù)的有效措施?？紤]到經(jīng)濟(jì)性、便利性等相關(guān)因素，可優(yōu)先考慮采用發(fā)泡材料。

2.3 非隔熱型材與玻璃面板間填充聚乙烯發(fā)泡材料對(duì)框傳熱系數(shù)影響

本部分將選用3 種計(jì)算模型，分別為不填充發(fā)泡材料、少量填充發(fā)泡材料大量填充發(fā)泡材料，詳見圖10 ～圖12。

圖10 不填充發(fā)泡

圖11 少量填充發(fā)泡

通過(guò)建立計(jì)算模型進(jìn)行框二維傳熱有限元分析計(jì)算，得到3 種情況下的框傳熱系數(shù)Uf及玻璃面板與框接觸部位的線傳熱系數(shù)Ψ（表3）。根據(jù)表3 數(shù)據(jù)分析可知，非隔熱型材框與玻璃面板間填充泡沫材料與前述隔熱型材框與玻璃面板間填充泡沫材料對(duì)于框傳熱系數(shù)的影響略有不同。少量設(shè)置泡沫填充材料即可明顯降低框傳熱系數(shù)，降低幅度約為12%，但隨著泡沫填充區(qū)域的增加，框傳熱系數(shù)則幾乎不發(fā)生變化。線傳熱系數(shù)Ψ變化幅度較小，對(duì)于整窗熱工計(jì)算影響可以忽略。

表3 非隔熱型材發(fā)泡材料填充量與框傳熱系數(shù)對(duì)照表

通過(guò)分析可知，非隔熱型材通過(guò)在框與玻璃面板間增加發(fā)泡材料同樣可明顯降低框傳熱系數(shù)，但發(fā)泡材料填充范圍的增大對(duì)框傳熱系數(shù)的影響有限。此時(shí)，空腔部位空氣對(duì)流不再是影響框傳熱系數(shù)的主要因素，大量的熱流主要以熱傳導(dǎo)形式通過(guò)型材進(jìn)入室內(nèi)。通過(guò)以上分析可知，非隔熱型材通過(guò)在框與面板間增加發(fā)泡材料可降低框傳熱系數(shù)，但降低幅度較小，對(duì)整體幕墻熱工性能的影響有限[5]。

3 結(jié)論

通過(guò)分析可知，隔熱型幕墻型材可通過(guò)在框與面板間增加聚乙烯發(fā)泡塑料降低框傳熱系數(shù)，且降低幅度較大。另外隨著發(fā)泡材料填充范圍的增加，可獲得更加優(yōu)秀的框隔熱性能，從而提高整體幕墻的熱工性能。通過(guò)合理設(shè)置聚乙烯發(fā)泡塑料等類似發(fā)泡材料的使用范圍，可以有效降低幕墻系統(tǒng)U值，提升幕墻熱工性能。建筑幕墻設(shè)計(jì)師可參考此通用結(jié)論，為幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。