在今天，能源日益深刻地成為人類社會(huì)的支撐體系之一。而能源的使用狀況和利用效率則反映出一個(gè)城市的生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效率，也是城市可持續(xù)發(fā)展能力的具體體現(xiàn)。

每當(dāng)冬季，生活在北方城市的人們經(jīng)常會(huì)抱怨家里的暖氣不熱，可能很少有人注意到，由于建筑的保溫和隔熱性能差，使我們房屋內(nèi)的熱能損失了一半甚至更多；同樣，炎熱的夏季建筑里的冷氣也因?yàn)榻ㄖ目傮w熱工性能差而大量散失。我們因此浪費(fèi)的能源和多支出的費(fèi)用是驚人的。

眾所周知，在建筑結(jié)構(gòu)中，門窗或幕墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的重要部分，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)熱量交換、傳遞最活躍和敏感的部位，其能量消耗是墻體的5～6倍，占整個(gè)建筑物全部熱損失的40%以上。其能量消耗主要通過三個(gè)方面：

    第一：通過門窗或幕墻結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)；

    第二：通過玻璃構(gòu)件的熱輻射；

    第三：通過門窗或幕墻結(jié)構(gòu)縫隙的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。

由于目前建筑節(jié)能已經(jīng)成為世界性的大潮流和大趁勢(shì)，所以在建筑結(jié)構(gòu)中采用性能優(yōu)越的隔熱門窗、幕墻是我們的迫切需要，同時(shí)如何選用性能優(yōu)良的材料，制造出環(huán)保節(jié)能、技術(shù)領(lǐng)先的新型門窗、幕墻既是國(guó)家建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)政策的要求，也是門窗幕墻企業(yè)的生存發(fā)展的必然之路。而新型節(jié)能材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的基礎(chǔ)。普通鋁合金型材作為門窗、幕墻型材的首選材料，以其強(qiáng)度好，外形美觀、加工便利等特性一度為市場(chǎng)青睞。但由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高，如6063合金T5狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)在25℃時(shí)為209W/m.K，所以普通的鋁合金型材即使與中空玻璃配合使用，其組成的門窗或幕墻的K值仍然在4.0W/m².K以上，所以其保溫隔音性能欠佳。為解決日益增長(zhǎng)節(jié)能要求，斷（隔）熱鋁型材取代普通鋁合金型材廣泛的用在鋁合金門窗、幕墻上，是建筑節(jié)能必然的要求和趨勢(shì)，符合當(dāng)前國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策以及建設(shè)和諧社會(huì)的發(fā)展大計(jì)。

目前隔熱節(jié)能鋁合金型材技術(shù)主要有美國(guó)的澆注式隔熱節(jié)能鋁合金型材及歐洲的穿條式隔熱節(jié)能鋁合金型材，目前我國(guó)一些較大型的鋁材廠對(duì)這兩種技術(shù)及設(shè)備均有引入和生產(chǎn)，這兩種技術(shù)對(duì)推動(dòng)我國(guó)隔熱節(jié)能鋁材的發(fā)展和進(jìn)步起了較大的推動(dòng)作用；而根據(jù)JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》，要得到整窗的傳熱系數(shù)，必須首先分別計(jì)算窗框傳熱系數(shù)、窗玻璃傳熱系數(shù)和由間隔條引起的線傳熱系數(shù)，然后根據(jù)式(1)計(jì)算整窗的傳熱系數(shù)^[6]。

(1)

式中，——整窗傳熱系數(shù)[W/(m²﹒K)]；

       ——窗面積(m²)；

       ——窗框傳熱系數(shù)[W/(m²﹒K)]；

       ——窗框面積(m²)；

       ——窗玻璃傳熱系數(shù)[W/(m²﹒K)]；

       ——窗玻璃面積(m²)；

       ——窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數(shù)[W/(m﹒K)]；

       ——玻璃區(qū)域的邊緣長(zhǎng)度(m)。

從上式可以看出，窗框傳熱系數(shù)Uf是影響整窗傳熱系數(shù)Ut的重要因素之一，而窗框傳熱系數(shù)主要是由組成窗框節(jié)點(diǎn)的隔熱型材決定，也可以說，型材傳熱系數(shù)的大小是直接影響甚至是決定門窗隔熱節(jié)能及保溫性能的重要因素，研究型材傳熱系數(shù)的大小的影響因素，對(duì)隔熱型材的優(yōu)化設(shè)計(jì)，及節(jié)能門窗的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有良好的指導(dǎo)意義。

本文旨在針對(duì)目前行業(yè)中普遍認(rèn)為的隔熱型材節(jié)能設(shè)計(jì)理念，利用熱工仿真軟件Therm對(duì)相同型材結(jié)構(gòu)，不同型腔和隔熱條對(duì)門窗節(jié)點(diǎn)等溫線的影響及與傳熱系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證這些理念的準(zhǔn)確性，并通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析討論，得出了科學(xué)的設(shè)計(jì)理念。

1 驗(yàn)證的設(shè)計(jì)理念

本文將驗(yàn)證以下目前常用隔熱型材節(jié)能設(shè)計(jì)理念：

1.1 門窗框扇隔熱條及中空玻璃三者幾何中心線在一直線上，則由它們組成的節(jié)點(diǎn)等溫線也在一直線上，且此時(shí)的傳熱系數(shù)U值是最小；

1.2 型材室外腔減小，可以降低型材傳熱系數(shù)，對(duì)提高整窗保溫性能有較大幫助。

以上設(shè)計(jì)理念均來自歐洲門窗系統(tǒng)，其中第2點(diǎn)還是歐洲某著名門窗系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)理念，由于我國(guó)隔熱門窗系統(tǒng)基本均為從歐洲引入或模仿，加上歐洲節(jié)能門窗系統(tǒng)在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平，故在設(shè)計(jì)理念上受其影響也較深，但這些設(shè)計(jì)理念是否正確？是否有規(guī)律性可循？尚未見有理論數(shù)據(jù)證明。

2 計(jì)算方法和條件

2.1 計(jì)算方法

采用熱工仿真軟件Therm對(duì)按以上理念設(shè)計(jì)的多個(gè)門窗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳熱系數(shù)計(jì)算、等溫線顯示等，以驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)理念的正確性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果尋找隔熱型材優(yōu)化設(shè)計(jì)的途徑和規(guī)律。

型材節(jié)點(diǎn)處理

由于熱工仿真軟件Therm及JGJ/T 151-2008 《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》規(guī)定的計(jì)算是建筑門窗、玻璃幕墻空氣滲透量為零，且采用穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算方法進(jìn)行的計(jì)算，故選用的型材節(jié)點(diǎn)均為結(jié)構(gòu)相同，只是型腔大小或隔熱條位置不同，以保證其可比性。

邊界條件

采用JGJ/T151-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳熱系數(shù)計(jì)算邊界條件，如表1所示。

表1 邊界條件

室內(nèi)	室外
周邊環(huán)境	溫度(℃)	20	-20
對(duì)流換熱系數(shù) (W﹒m-2﹒K-1)	3.6	16
門窗周邊框	對(duì)流換熱系數(shù) (W﹒m-2﹒K-1)	—	8
玻璃邊緣	12

結(jié)果處理

用熱工仿真軟件Therm顯示截面圖形中的等溫線，利用等溫線可清楚看到溫度梯度分布；計(jì)算各門窗節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)U值。

3 計(jì)算結(jié)果

圖 A

如上圖A所示：（1）框，扇隔熱條幾何中心線與中空玻璃幾何中心線在同一條直線上時(shí)，為上述設(shè)計(jì)理念1節(jié)點(diǎn)圖，如圖中紫色線所示，計(jì)算結(jié)果顯示框扇的等溫線與隔熱條幾何中心線卻幾乎在一條直線上

（2）框扇幾何中心線與玻璃的幾何中心線在一條直線上時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示框扇等溫線線（與幾何中心線近似重合）與玻璃的等溫線不在同一直線上，有一明顯偏移，相差2.5mm。

（3）U值計(jì)算結(jié)果為：frame=2.5729W/m².k

圖 B

如上圖B所示：1、框，扇隔熱條幾何中心線在同一條直線上時(shí)，如圖中紫色線所示，計(jì)算結(jié)果顯示框扇的等溫線與隔熱條幾何中心線也幾乎在一條直線上

2、框扇幾何中心線與玻璃的幾何中心線相差2.5mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示框玻璃等溫線與框扇等溫線幾乎在同一直線上，偏左1mm。

3、U值計(jì)算結(jié)果為：frame=2.5709W/m².k

圖 C

如上圖C所示：1、框，扇隔熱條幾何中心線在同一條直線上時(shí)，如圖中紫色線所示，計(jì)算結(jié)果顯示框扇的等溫線與隔熱條幾何中心線也幾乎在一條直線上

2、框扇幾何中心線與玻璃的幾何中心線相差1mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示框扇等溫線與玻璃的等溫線基本重合。

3、U值計(jì)算結(jié)果為：frame=2.5707W/m².k

圖 D

如上圖D所示：1、框，扇隔熱條幾何中心線在同一條直線上時(shí)，如圖中紫色線所示，計(jì)算結(jié)果顯示框扇的等溫線與隔熱條幾何中心線也幾乎在一條直線上

2、玻璃的幾何中心線與框扇幾何中心線偏左8mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示玻璃的等溫線與框扇等溫線偏左5mm。

3、U值計(jì)算結(jié)果為：frame=2.5753W/m².k

圖 E

如上圖E所示：1、框，扇隔熱條幾何中心線與框扇的幾何中心線不在同一條直線上（相差8mm）時(shí)，為室外腔減小，是上述設(shè)計(jì)理念2節(jié)點(diǎn)圖，如圖中紫色線所示，計(jì)算結(jié)果顯示框扇的等溫線與隔熱條幾何中心線卻幾乎在一條直線上

2、框扇幾何中心線與玻璃的幾何中心線相差1mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示框扇幾何中心線與玻璃的等溫線基本重合。

3、U值計(jì)算結(jié)果為：frame=2.5769W/m2.k

4 分析討論

從圖A、B、C、D計(jì)算結(jié)果可以分析，當(dāng)框扇及玻璃在的幾何中心線在同一直線時(shí)，框扇的等溫線與幾何中心線幾乎在同一直線上，但玻璃的等溫線則與框扇的等溫線不在同一直線上，有一定偏移，一般在玻璃幾何中心線偏右（即室內(nèi)側(cè)）；玻璃等溫線與框扇等溫線偏移越小，隔熱系數(shù)U值越小，當(dāng)玻璃等溫線與框扇等溫線重合時(shí)，隔熱系數(shù)U值最??；所以設(shè)計(jì)理念1中所述的：門窗框扇隔熱條及中空玻璃三者幾何中心線在一直線上，則由它們組成的節(jié)點(diǎn)等溫線也在一直線上，且此時(shí)的傳熱系數(shù)U值是最小。計(jì)算證明，三者等溫線并不全在一直線上，只有框扇等溫線在同一直線上，且此時(shí)傳熱系數(shù)U值并不是最小的，而是當(dāng)三者等溫線重合時(shí)，傳熱系數(shù)U值最小。

從圖D計(jì)算結(jié)果可以分析，當(dāng)隔熱型材室外腔減小時(shí)，傳熱系數(shù)U值并沒有隨之減小，反而變大，圖D是框扇及玻璃三者等溫線重合，按圖A、B、C、D計(jì)算結(jié)果分析，已是此結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U值最小的情況，但仍大于圖A、B、C、D任一節(jié)點(diǎn)的傳熱系數(shù)U值，所以設(shè)計(jì)理念2：型材室外腔減小，可以降低型材傳熱系數(shù)，對(duì)提高整窗保溫性能有較大幫助；通過以上計(jì)算分析也是沒有理論依據(jù)的。

5 結(jié)論

作為衡量隔熱性能的重要技術(shù)參數(shù)，型材傳熱系數(shù)的大小是直接影響甚至是決定門窗隔熱節(jié)能及保溫性能的重要因素。本文針對(duì)目前行業(yè)中普遍認(rèn)為的隔熱型材節(jié)能設(shè)計(jì)理念，利用熱工仿真軟件Therm對(duì)不同型腔和隔熱條與傳熱系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證這些理念的準(zhǔn)確性，并通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析討論，得出了科學(xué)的設(shè)計(jì)理念，對(duì)隔熱型材及節(jié)能門窗的設(shè)計(jì)具有良好的指導(dǎo)意義。

本文以隔熱門窗五個(gè)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用Therm軟件計(jì)算了它們的等溫線和隔熱系數(shù)U值，計(jì)算結(jié)果表明，兩個(gè)等驗(yàn)證常用設(shè)計(jì)理念均是錯(cuò)誤的的（設(shè)計(jì)理論2）或部分是錯(cuò)誤的（設(shè)計(jì)理論1），即減小隔熱型材室外空腔并不能降低型材傳熱系數(shù)U值，反而數(shù)值增大，當(dāng)門窗框扇隔熱條及中空玻璃三者幾何中心線在一直線上時(shí)，它們的等溫線只有框扇等溫線在一條直線上，玻璃的等溫線則有一定的偏移，且此時(shí)的隔熱系數(shù)U值并不是最小的。并分析總結(jié)了以下隔熱型材及節(jié)能門窗系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施：門窗節(jié)點(diǎn)中框扇隔熱條幾何中心線在一條直線上時(shí)，它們的等溫線也在一條直線上，且與隔熱條幾何中心線重合；框扇及玻璃三者等溫線在同一直線上時(shí)，傳熱系數(shù)U值最小。