隔热节能门窗系统等温线分布对传热系数影响的研究

摘 要：作为衡量隔热性能的重要技术参数，型材传热系数的大小是直接影响甚至决定门窗隔热节能及保温性能的重要因素。本文针对目前行业中普遍认为的隔热型材节能设计理念，利用THERM/WINDOW热工仿真软件对不同设计结构的等温线分布和传热系数进行模拟计算，验证该理念的准确性，并通过对计算结果的分析讨论，得出科学的设计理念，以更好的指导隔热型材的结构设计。

关键词：等温线分析；传热系数；隔热型材；THERM/WINDOW模拟软件

       我国是建筑用能大户，建筑使用能耗占全国能源消费总量的四分之一，达到27%左右，是世界同纬度国家的3倍。近年来，在资源紧张、能源不足、浪费较大和结构不合理的严峻形势下，国家提出了建设节约型社会，建成节能型住宅和公用建筑的建筑节能政策，以保持经济的可持续发展。门窗作为建筑结构的一个配套产品，是围护结构的重要组成部分，同时也是整个系统热量交换、传递最活跃和敏感的部位，其能量消耗占整体建筑耗能的45%～50%。因此，建筑节能的关键是门窗节能。

根据北美ASHRAE算法，门窗整体传热系数由下式(1)决定：

（1）式中，——整窗传热系数[W/(㎡·K)]；

                   ——整窗面积(㎡)；

                   ——窗框的传热系数[W/(㎡·K)]；

                   ——玻璃中心的传热系数[W/(㎡·K)]；

                   ——玻璃边缘的传热系数[W/(㎡·K)]；

                   ——窗框的投影面积[W/(㎡·K)]；

                   ——玻璃中心的投影面积[W/(㎡·K)]；

                   ——玻璃边缘的投影面积[W/(㎡·K)]；

       由上式可以看出，窗框传热系数是影响整窗传热系数的重要因素之一，而窗框传热系数主要是由组成窗框节点的隔热型材决定，也可以说，型材传热系数的大小是直接影响甚至决定门窗隔热节能及保温性能的重要因素，研究对型材传热系数大小的影响因素，对隔热型材的优化设计及节能门窗的设计和研发具有良好的指导意义。

       由于欧洲节能门窗系统在国际上处于领先水平，且我国隔热节能门窗系统基本均模仿或引自欧洲，故在设计理念上也深受其影响，如目前行业中普遍认为设计门窗型材及系统时，如果将门窗框、窗扇的隔热条及中空玻璃三者的几何中心线设计在同一条直线上，则由它们组成的节点等温线也在同一直线上，且此时传热系数值最小，但该设计理念是否是完全正确的，却尚未有理论依据去证实，本文将针对上述设计理念，利用热工仿真软件THERM对相同尺寸和整体结构、不同几何中心线位置的型材等温线分布和传热系数的大小进行计算，验证该设计理念的正确性，并通过对计算结果的分析讨论，得出科学的设计理念。

1.结构设计方案和计算条件

1.1. 结构设计方案

为研究窗框、窗扇的隔热条几何中心和玻璃几何中心线是否在同一直线上时，等温线的分布及传热系数的大小，结构方案设计为整体结构和尺寸均相同，只有窗框、窗扇的隔热条几何中心和玻璃几何中心位置不同的型材节点，以保证计算结果的可比性。

结构设计方案如图1所示，方案A为窗框、窗扇的隔热条及玻璃几何中心线均重合的结构，方案B为窗框、窗扇的隔热条几何中心线重合，玻璃几何中心向左偏移2..5mm的结构，方案C为窗框、窗扇的隔热条几何中心线重合，玻璃几何中心向左偏移5mm的结构。所有设计方案均配置6C+12A+6C的普通透明中空玻璃。

1.2.  计算软件

采用国际上公认的应用广泛、功能丰富、计算准确的玻璃门窗热工性能模拟计算软件Therm5.2/Window5.2，该程序也是中国建设部《建筑门窗节能性标识》的唯一委托热工模拟程序，其中Window5.2用于计算6C+12A+6C普通透明中空玻璃的传热系数，Therm5.2用于计算上述三种设计方案的传热系数。

1.3. 边界条件

采用JGJ/T151-2008标准规定的传热系数计算边界条件，如表1所示。

1.4. 结果处理

利用Therm5.2热工计算软件的计算结果将以等温线分布的形式加以显示，并将等温线分布图和传热系数值通过截屏的方式复制到本文中，确保本文计算结果的真实可信性。

2.计算结果

2.1. 中空玻璃采用普通铝间隔条计算结果及分析

利用Therm5.2热工计算软件的计算结果将以等温线分布的形式加以显示，并将等温线分布图和传热系数值通过截屏的方式复制到本文中，确保本文计算结果的真实可信性。

方案A的计算结果如图2所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条及玻璃的几何中心线在同一直线上时（图中浅蓝色线所示）

(1) 窗框、窗扇的等温线几乎在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线不在同一直线上，且在玻璃间隔条附近漂移较大，有明显的偏移，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏右2.5mm，而玻璃间隔条处偏移出现最大值，为偏右7.5mm；

(3) 该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.5729和1.9611W/(㎡﹒K)。

方案B的计算结果如图3所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条几何中心线在同一直线上（图中浅蓝色线所示），玻璃几何中心线较其偏左2.5mm时

(1) 窗框、窗扇的等温线近似在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线几乎同一直线上，只在玻璃间隔条附近有较大漂移，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏右0.4mm，近似重合，只在玻璃间隔条处偏移较大，最大值为偏右侧5.1mm；

(3)该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.5707和1.9547W/(㎡﹒K)。

方案C的计算结果如图4所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条几何中心线在同一直线上（图中浅蓝色线所示），玻璃几何中心线较其偏左5mm时

(1) 窗框、窗扇的等温线近似在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线不在同一直线上，且在玻璃间隔条附近漂移较大，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏左1.9mm，而玻璃间隔条处由出现由偏右向偏左的转折，偏移最大值为偏右2.4mm；

(3) 该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.5709和1.9459W/(㎡﹒K)。

       由上述计算结果可以看出，当窗框、窗扇隔热条的几何中心线在同一直线上时，其等温线也近似在同一直线上；当窗框、窗扇隔热条的几何中心线与玻璃几何中心线重合时，三者的等温线并不在同一直线上，玻璃等温线较窗框、窗扇的等温线有一定偏移；玻璃等温线与窗框、窗扇等温线之间的偏移越小，窗框节点的传热系数就越小，当三者重合时，传热系数出现最小值。

       此外，通过对上述几种方案的计算还发现，中空玻璃采用普通铝间隔条时，玻璃间隔条附近的玻璃等温线普遍与窗框、窗扇的等温线产生很大偏移，通常会在此处出现偏移极大值或转折，那么上述的结果是否只适用于普通铝间隔条，如果采用新型暖边间隔条（TGI），是否会出现同样的计算结果呢？

下面我们将图1几种结构设计方案中的中空玻璃普通铝间隔条用暖边间隔条（TGI）代替，其他结构保持不变，如图5所示，重新对其进行计算。

2.1. 中空玻璃采用暖边间隔条计算结果及分析

方案A的计算结果如图6所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条及玻璃的几何中心线在同一直线上时（图中浅蓝色线所示）

(1) 窗框、窗扇的等温线几乎在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线不在同一直线上，且在玻璃间隔条附近漂移平稳，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏右2.6mm，而玻璃间隔条处偏右2.3mm；

(3) 该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.4630和1.8675W/(㎡﹒K)。

方案B的计算结果如图7所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条几何中心线在同一直线上（图中浅蓝色线所示），玻璃几何中心线较其偏左2.5mm时

(1) 窗框、窗扇的等温线近似在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线几乎在同一直线上，即使在玻璃间隔条附近漂移也不明显，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏左0.1mm，近似重合，而玻璃间隔条处也仅偏左0.3mm；

(3) 该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.4629和1.8603W/(㎡﹒K)。

方案C的计算结果如图8所示，由图中可以看出：窗框、窗扇的隔热条几何中心线在同一直线上（图中浅蓝色线所示），玻璃几何中心线较其偏左5mm时

(1) 窗框、窗扇的等温线近似在同一直线上，且6.5℃这条等温线与隔热条的几何中心线近似重合；

(2) 窗框、窗扇的等温线与玻璃的等温线不在同一直线上，且在玻璃间隔条附近漂移平稳，以6.5℃这条等温线为例，对应的玻璃中心处等温线较窗框、窗扇的等温线偏左2.2mm，而玻璃间隔条处偏移最大值为左侧3.4mm；

(3) 该方案窗框和玻璃边缘的传热系数和分别为2.4638和1.8526W/(㎡﹒K)。

       由上述计算结果可以看出，采用暖边间隔条后，能极大的改善普通铝间隔条附近玻璃等温线的飘移和发散，显著降低窗框和玻璃边缘的传热系数，提高整窗保温性能，但对于等温线的整体趋势和分布却无明显改善，下述结论依然适用。

(1) 当窗框、窗扇隔热条的几何中心线在同一直线上时，其等温线也近似在同一直线上；

(2) 当窗框、窗扇隔热条的几何中心线与玻璃几何中心线重合时，三者的等温线并不在同一直线上，玻璃等温线较窗框、窗扇的等温线有一定偏移；

(3) 玻璃等温线与窗框、窗扇等温线之间的偏移越小，窗框节点的传热系数就越小，当三者重合时，传热系数出现最小值。

3.结论

       无论中空玻璃采用普通铝间隔条还是暖边间隔条，当窗框、窗扇的隔热条几何中心线在同一直线上时，其等温线也近似在同一直线上，但其与玻璃几何中心线在同一直线上时，三者的等温线并不在同一直线上，玻璃等温线较窗框、窗扇的等温线有一定偏移，该偏移越小，节点的传热系数值就越小，当三者重合时，传热系数达到最小值。因此，行业中普遍存在的设计理念“门窗框、窗扇的隔热条及中空玻璃三者的几何中心线设计在同一条直线上，则由它们组成的节点等温线也在同一直线上，且此时传热系数值最小”是不完全正确的，门窗框、窗扇的隔热条及中空玻璃三者的几何中心线设计在同一条直线上时，只能保证窗框和窗扇的等温线近似重合，玻璃的等温线并不一定与其重合，且传热系数也不是最小的，只有当三者等温线在同一直线上时，传热系数才最小。

       因此，在设计隔热型材及门窗节点过程中，应尽可能保持门窗节点中窗框、窗扇的隔热条几何中心线互相重合，并通过Therm5.2的分析计算找准玻璃几何中心线的位置，以保证窗框、窗扇和玻璃的等温线在同一直线上，确保节点传热系数最小。