淺析節能鋁門窗幾處熱工細節設計

姜曉偉

建筑門窗在我國有著悠久的歷史，可以追溯到三千多年前的商、周。建筑門窗作為我國古代燦爛建筑文明的組成部分，堪稱中華文化寶庫中一顆璀璨的明珠。我國境內已知最早的人類住所是天然巖洞。 “古穴居而野處”無數奇異深幽的洞穴為人類提供了最原始的家，洞穴口的草蓋大約便是最早的門。進入奴隸社會后，我國出現了最早的規模較大的木架夯土建筑和庭院，從而出現了具體定義的門窗。唐宋以后的資料更多。一般做建筑的外門與內部隔斷，此時的門窗都是木制，強調的是其藝術性和象征意義。

我國現代建筑門窗是在二十世紀發展起來的，1911年鋼門窗傳入中國，主要是來自英國、比利時、日本的產品。七十年代后期，國家大力實施 “以鋼代木”的資源配置政策，大大推進了鋼門窗的發展。八十年代是傳統鋼門窗的全盛時期，市場占有率一度(1989年)達到70%。鋁合金門窗七十年代傳入我國，隨著國民經濟治理整頓深入發展并取得成效，鋁門窗系列也由八十年代初的4個品種、8個系列，發展到40多個品種、200多個系列，形成較為發達的鋁門窗產品體系，確立了支柱產品地位。尤其是2000年伴隨著歐洲穿條技術進入中國，出現了新型斷橋鋁門窗。斷橋鋁門窗徹底克服了原有鋁合金門窗不節能的弱點，并有效保持甚至將鋁門窗原有優點發揮的更為淋漓，受到國內大多數政府類建筑、中高檔商業樓盤等業主的青睞，在我國隔熱門窗得到了蓬勃的發展。

圖1 中國市場門窗品種分布

從圖1即可看出來我國市場門窗品種分布的一個顯著特點就是鋁合金門窗占據半壁江山，這其中隨著國家對建筑節能的日益重視，斷橋鋁門窗的發展更是可以用日新月異來形容。旺盛的市場需求催生了技術和材料的不斷變革，從最初的普通鋁型材配置單層玻璃到現在中空玻璃配置斷橋鋁型材已經成為市場的絕對主流。來自歐洲成熟市場的廠商帶來的不僅僅是產品，也讓中國的鋁型材企業、門窗幕墻企業、配套件企業有了新的生命力和發展方向。 “系統”這個詞無疑是行業內近幾年的一個絕對熱點詞語！國外優秀的系統公司在紛紛進入中國，國內的鋁型材企業、門窗幕墻企業也都在推陳出新的開發適合自己的系統產品，以便實現自己從做產品到做系統的有效角色轉化。

所謂 “系統”，中華大辭典的解釋為 “同類事物按一定的關系組成的整體”。放在門窗行業內可以簡單理解為門窗系統就是將玻璃、型材、五金件、隔熱條、膠條等材料按照最精密公差配合、最優化性能組合在一起最終形成的門窗產品，此即為門窗系統。再衍伸意義上講，門窗系統即有一整套的產品和服務能夠滿足市場的變化、客戶的需求。

門窗系統開發到今天，情況還是良莠不齊。以隔熱鋁門窗為例，中空玻璃和隔熱型材的選用已經成為了一個基礎共識。但是在此基礎上，作為隔熱鋁門窗的核心節能部件——隔熱條、膠條、間隔條的使用是否得當卻乏人關注，殊不知，一個系統的成敗往往決定于一個或者幾個細節的完善與否。本文中，筆者將就隔熱鋁型材斷面設計中幾個細節問題做對比說明。

本文應用的是Therm5.0（注：THERM5是用有限單元法計算門窗框和玻璃邊緣穩態傳熱的軟件，計算所用的公式和方法基于ISO15099和ISO10077.THERM5計算的窗框性能數據可以導入WINDOWS5，與玻璃數據一起組成整個門窗或幕墻，計算綜合的性能數據。同時，THERM5也可單獨作為分析軟件，研究框材內部的傳熱模型，找出設計缺陷，提高產品性能。這款軟件是美國勞倫斯伯克利國家實驗室所設計的一款產品，也是中國建設部門窗節能工作推薦軟件之一）軟件進行的熱工模擬，模擬環境為兩個完全相同的型材斷面和玻璃配置，每次更換一個變量，來分析比較細節的改動對整體系統的影響大小。

眾所周知，傳熱的途徑有如下三種：熱傳導、對流、熱輻射。在斷橋鋁型材中，這三種形式是并存的，其中熱傳導和對流起到決定性的作用。故要想改善型材的熱工性能，就要從這幾個方式上想辦法，盡可能的降低型材的導熱性能，也就是要把常說的U值降下來。

圖2 應用I20條型材U值模擬

圖3 應用C20條型材U值模擬

1、隔熱條的設計選用

隔熱條的應用已經非常普及，我們看到絕大多數的型材斷面也是應用了I、C、T、CT這幾個基礎類型的隔熱條。那么，應用I型條和應用C型條對型材的導熱性能到底有沒有影響呢？影響又有多大？

上面的圖2和圖3是同一個型材斷面，分別應用I20和C20的隔熱條，其他設計和配置完全相同的情況下做得模擬。本例中，應用C型條比應用I型條的U值降低了3.87-3.71=0.16。上面的計算結果可以看出來應用相同寬度的C型條要比I型條的隔熱型材U值小一些。

以上模擬結果可以通過了解熱阻R的定義來理解。根據傳熱學公式，R=A/(kL)。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導率。相同寬度隔熱條，C型條的A比I型條的大，而K、L是相同的，故C型條的自身熱阻要比I型條大，也就是應用相同寬度C型條的型材熱傳導性能要比應用I型條的節能效果好。

圖4 I型條填充泡沫材料

圖5 C型條填充泡沫材料

2、泡沫填充材料的設計選用

有空腔就有對流產生的可能，設計師們敏銳的發現了這一點，并很快找到了一個解決方案---填充泡沫材料。填充一定是有效的嗎？以下做以對比模擬：

第一組對比：圖2和圖4，可以看出應用I型條的型材添加泡沫材料以后，其型材U值的變化為3.87-3.83=0.05，即填充了泡沫材料對型材U值優化效果一般。

第二組對比：圖3和圖4，可以看出應用C型條的型材添加泡沫材料以后，其型材U值的變化為3.72-3.63=0.09，即填充了泡沫材料的型材U值優化效果尚可。

由以上模擬結果可以看出，應用同樣寬度隔熱條，填充泡沫材料對應用C型條的型材比應用I型條的型材優化熱工性能要好一些。從對流的產生環境我們可以知道，過于狹隘的空間不利于對流的產生，而I型條之間的空間比C型條的要小一些，故填充泡沫材料的效果也不如C型條明顯，這也就解釋了上面的結果。

3、主密封膠條的設計選用

框扇之間的主密封膠條的設計選用各家企業也是百花齊放，有應用的、有不用的、有把膠條搭接到隔熱條上的、有把膠條搭接到型材上的……，以下做對比模擬：

圖6 主密封膠條搭接鋁材

圖7 主密封膠條搭接隔熱條

第一組對比：圖2和圖6對比可以看出，同樣的斷面設計，應用主密封膠條和不用主密封膠條的型材U值變化為3.87-3.69=0.18，U值優化效果明顯。

第二組對比：圖6和圖7對比可以看出，同樣是應用主密封膠條，但是膠條搭接在鋁材上和搭接在隔熱條上對型材的U值影響為3.69-3.42=0.27，U值影響很大。

以上兩組對比我們可以看出，只要型材斷面設計結構允許使用主密封膠條，那么一定要選用，并且要從系統的角度考慮，選擇合適的隔熱條來與主密封膠條配合搭接。主密封膠條和隔熱條的有效配合從根本上改變了型材內部最大的一個通透腔體的結構，極大的降低了型材因為對流產生而帶來的熱量損失，此也為上面結論出現的原因。

4、拖尾膠條的設計選用

以上都是從型材內部進行的結構設計分析，而我們知道門窗是型材和玻璃的組合體系，除去玻璃的U值影響與本文無關不談，型材和玻璃之間應用的膠條形狀對型材的U值也是有相當影響的。以下進行對比模擬：

圖8 應用短尾膠條的型材

圖9 應用拖尾膠條的型材

對比圖8和圖9，應用拖尾膠條和短尾膠條對型材的U值影響為3.32-3.20=0.12，可見U值優化效果明顯。拖尾膠條的作用類似主密封膠條，也是將大的型材內部存在溫差的空間分割，進而實現其優化型材U值的效果。本例計算中拖尾膠條是搭接在鋁材上，根據主密封膠條的模擬結果來看，如果兩個拖尾都搭接在隔熱條上，效果應該會更明顯。

5、玻璃暖邊間隔條 （TGI）的設計選用

上面我們說過了，門窗整體的U值不僅僅決定于型材。以窗為例，一般認為整窗的U值決定于以下三個方面： （1） 玻璃、 （2） 型材、 （3） 玻璃邊緣狀況。

ISO 10077-1中公式來表示就是：單扇窗的傳熱系數UW用下面公式計算：

Ug—玻璃的傳熱系數；

Uf—型材的傳熱系數；

Ψg—影響玻璃、空腔和型材連接處傳熱的線性傳熱系數。

其中Ψg值在中空玻璃中的現實反映就是應用的何種間隔條。從市場上分類主要分為應用可以稱為冷邊但是在大量使用的鋁間隔條和從國外引入不久但得到迅猛發展的暖邊間隔條。暖邊間隔條實際上在北美的使用率已經超過80%，歐洲的使用率也在不斷提高，隨著近年國家對于節能技術的重視和逐步推廣，暖邊技術在國內已經初具技術氛圍，越來越多的人開始認識到暖邊技術的優點，在門窗幕墻項目上暖邊使用率在逐漸提高。那么應用TGI暖邊間隔條的作用是否在系統U值中體現出來，以下做對比模擬：

圖10 應用普通鋁間隔條

圖11應用TGI暖邊間隔條

對比圖10和圖11，我們可以看到，應用TGI暖邊間隔條和應用普通鋁間隔條對型材U值影響為3.44-3.19=0.25，優化效果明顯，改善了中空玻璃邊緣線性系數，進而影響到型材乃至系統整體的熱工性能，這個效果不言而喻。

小結：以上筆者應用Therm軟件對現在市場上常見的斷面設計中幾處細節做以模擬比較，分別是從隔熱條的不同規格、應用不同配置的膠條、應用差異化的中空玻璃間隔條這些角度分析了不同的斷面設計對熱工性能帶來的不同結果。毫無疑問，應用高規格的隔熱條、復雜性較高的膠條、暖邊間隔條對于節能鋁門窗的熱工性能具備積極的影響。也是希望小文能夠給我們的設計師們有些提示。

系統不僅僅是概念，更應該是技術、是品牌。一個系統的誕生和發展就是一個品牌的歷史，我們常常聽說一句話 “細節決定成敗”，對于我們門窗幕墻系統而言，也是如此，關注細節才能完美系統。 “與細微處將系統的發展開拓到極致！”，這是改用我們這個行業內一個知名系統企業的一句宣傳語，僅以此句與諸君共勉！

JGJ 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》