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斷橋鋁門窗典型設計斷面細節模擬計算

來源: 时间:2016-08-09 17:09:50 浏覽次數:

建築門窗在我國有著悠久的曆史,可以追溯到三千多年前的商、周。建築門窗作爲我國古代燦爛建築文明的組成部分,堪稱中華文化寶庫中一顆璀璨的明珠。 我国境内已知的最早人类的住所是天然岩洞。“古穴居而野處”无数奇异深幽的洞穴为人类提供了最原始的家,洞穴口的草盖大约便是最早的门。进入奴隶社会后,我国出现了最早的规模较大的木架夯土建筑和庭院,从而出现了具体定义的门窗。唐宋以后的资料更多。一般做建筑的外门与内部隔断,此时的门窗都是木制,强调的是其艺术性和象征意义。

建築門窗在我國有著悠久的曆史,可以追溯到三千多年前的商、周。建築門窗作爲我國古代燦爛建築文明的組成部分,堪稱中華文化寶庫中一顆璀璨的明珠。

我國境內已知的早人類的住所是天然岩洞。古穴居而野處無數奇異深幽的洞穴爲人類提供了原始的家,洞穴口的草蓋大約便是早的門。進入奴隸社會後,我國出現了早的規模較大的木架夯土建築和庭院,從而出現了具體定義的門窗。唐宋以後的資料更多。一般做建築的外門與內部隔斷,此時的門窗都是木制,強調的是其藝術性和象征意義。

早的直棂窗在漢墓和陶屋明器中就有,唐、宋、遼、金的磚、木建築和壁畫亦有大量表現。唐以前仍以直棂窗爲多,固定不能開啓,因此功能和造型都受到限制。宋代起開關窗漸多,在類型和外觀上都有很大發展。宋代大量使用格子窗,增加了裝飾效果。明、清時門窗式樣基本承襲宋代做法,在清代中葉玻璃開始應用在門窗上。至此,我們現在定義的窗的雛形已經誕生了。

我國現代建築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、日本的産品。七十年代後期,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)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並取得成效,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,形成較爲發達的鋁門窗産品體系,確立了支柱産品地位。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。斷橋鋁門窗克服了原有鋁合金門窗不節能的弱點,並有效保持甚至將鋁門窗原有優點發揮的更爲淋漓。于是受到國內大多數政府類建築、中商業樓盤等業主的青睐。在我國隔熱門窗得到了蓬勃的發展!

 

1、中國市場門窗品種分布

从圖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,這其中隨著對建築節能的日益重視,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爲市場的主流。來自歐洲成熟市場的廠商帶來的不僅僅是産品,也讓中國的鋁型材企業、門窗幕牆企業、配套件企業有了新的生命力和發展方向。系統这个词无疑是行业内近几年的一个热点词语!国外的系統公司在纷纷进入中国,国内的铝型材企业、门窗幕墙企业也都在推陈出新的开发适合自己的系統产品,以便实现自己从做产品到做系統的有效角色转化!

所謂系統,中華大辭典的解釋爲同類事物按一定的關系組成的整體。放在门窗行业内可以简单理解为门窗系統就是将玻璃、型材、五金件、隔热条、胶条等材料按照精密公差配合、优化性能组合在一起终形成的门窗产品,此即为门窗系統。再衍伸意义上讲,门窗系統即有一整套的产品和服务能够满足市场的变化、客户的需求!

门窗系統开发到今天,情况还是良莠不齐。以隔热铝门窗为例,中空玻璃和隔热型材的选用已经成为了一个基础共识。但是在此基础上,作为隔热铝门窗的核心节能部件---隔熱條、膠條、間隔條的使用是否得當卻乏人關注.殊不知,一个系統的成败往往决定于一个或者几个细节的完善与否!本文中,笔者将就隔热铝型材断面设计中几个细节问题做以对比说明。

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ISO15099ISO10077.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牆,計算綜合的性能數據。同時,THERM5也可单独作为分析软件,研究框材内部的传热模型,找出设计缺陷,提高产品性能。这款软件是美国劳伦斯伯克利实验室所设计的一款产品,也是中国建设部门窗节能工作推荐软件之一)软件进行的热工模拟,模拟环境为两个完全相同的型材断面和玻璃配置,每次更换一个变量,来分析比较细节的改动对整体系統的影响大小。

衆所周知,傳熱的途徑有如下三種:1、熱傳導;2、對流;3、熱輻射。在斷橋鋁型材中,這三種形式是並存的,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。

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ICTCT這幾個基礎類型的隔熱條。那麽,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?

 

2、應用I20條的型材U值模擬

 

3、應用C20條的型材U值模擬

上面的圖2和圖3是同一個型材斷面,分別應用I20C20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型條的隔热型材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爲平板的厚度,A爲平板垂直于熱流方向的截面積,k爲平板材料的熱導率。相同寬度隔熱條,C型條的AI型條的大,而KL是相同的,故C型條的自身热阻要比I型條大,也就是應用相同寬度C型條的型材热传导性能要比应用I型條的,节能效果好。

2、泡沫填充材料的設計選用

有空腔就有對流産生的可能,設計師們敏銳的發現了這一點,並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:

 

4I型條填充泡沫材料

 

5C型條填充泡沫材料

组对比: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值的變化爲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。

第二组对比: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值的變化爲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型條的型材比应用I型條的型材优化热工性能要好一些。从对流的产生环境我们可以知道,过于狭隘的空间不利于对流的产生,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……以下做以對比模擬:

 

6、主密封膠條搭接鋁材

 

7、主密封膠條搭接隔熱條

组对比:圖2和圖6对比可以看出,同样的断面设计,应用主密封胶条和不用主密封胶條的型材U值變化爲3.88-3.69=0.19U值優化效果明顯。

第二组对比: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合搭接在隔熱條上對型材的U值影響爲3.69-3.42=0.27U值影響很大。

以上两组对比我们可以看出,只要型材断面设计结构允许使用主密封胶条,那么一定要选用,并且要从系統的角度考虑,选择合适的隔热条来与主密封胶条配合搭接。主密封胶条和隔热条的有效配合从根本上改变了型材内部的一个通透腔体的结构,的降低了型材因为对流产生而带来的热量损失,此也为上面结论出现的原因。

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:

 

8、應用短尾胶条的铝型材

 

9、應用拖尾胶条的铝型材

对比圖8和圖9,應用拖尾膠條和短尾膠條對型材的U值影響爲3.32-3.20=0.12.可見U值優化效果明顯。拖尾胶条的作用类似主密封胶条,也是将大的型材内部存在温差的空间分割,进而实现其优化型材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。以窗爲例,一般認爲整窗的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爲應用可以稱爲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,在門窗幕牆項目上暖邊使用率在逐漸提高。那麽應用TGI暖邊間隔條的作用是否在系統U值中体现出来,以下做以對比模擬:

 

10、應用普通铝间隔条

 

11、應用TGI暖邊間隔條

对比圖10和圖11,我們可以看到,應用TGI暖邊間隔條和应用普通铝间隔条对型材U值影響爲3.44-3.19=0.25,优化效果明显。改善了中空玻璃边缘线性系数,进而影响到型材乃至系統整体的热工性能,这个效果不言而喻。

本文中笔者对断桥铝门窗典型设计断面的几处细节做以模拟计算,进而得到有关隔热条、胶条、间隔条等几处设计和选用不同产品而能够对型材乃至系統带来的热工性能影响,从模拟结果可以知道,应用异型隔热条、密封胶条、暖边隔热条等产品的门窗系統能够得到更好的热工性能表现。以上笔者应用Therm软件对现在市场上常见的断面设计中几处细节做以模拟比较,从中希望能够给我们的设计师们有些提示。系統不仅仅是概念,更应该是技术、是!一个系統的诞生和发展就是一个的历史,我们常常听说一句话細節決定成敗,对于我们门窗幕墙系統而言,也是如此,关注细节才能系統!与细微处将系統的发展開拓到!,这是改用我们这个行业内一个系統企业的一句宣传语,仅以此句与诸君共勉!

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