前言
塑料型材與閘窗的熱工性能是保溫節能門窗的主要指標。根據《全國民用建筑工程設計技術措施一節能專篇》(2007)中規定,以哈爾濱地區為例(屬嚴寒B區),在窗墻面積比為6.3~0.5范圍內時,外窗(含陽臺門透明部分)的傳熱系數限值K在2.1~1.8W/㎡·K。
外窗是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位,盡管面積一般只占建筑外圍護結構面積的1/3~1/5,但多數建筑中通過窗戶消耗的采暖和制冷熱能損失,往往占到建筑圍護結構能耗的一半以上 1。熱量主要經由外窗玻璃、型材和邊緣結合部分散失,其中通過型材散失的熱量比例約占10%~30% 2,通過玻璃散失的熱量比例約占60%以上 3,因而提高整窗熱工性能的重要途徑之一就是改善型材及中空玻璃的熱工性能。
按照國家“十一五”科技支撐計劃項目子課題目標要求,嚴寒、寒冷地區建筑外窗體系研制的考核指標為外窗的傳熱系數K≤ 1.8W/㎡·K。哈爾濱中大化學建材 有限公司作為在嚴寒地區生產和應用塑料型材、門窗的典型企業,在中目建筑科學研究院物理所和北京工業大學材料科學與I程學院的配合下,運用門窗熱工性能模擬軟件Them,系統三種腔、四腔、五腔和六腔系列塑料型材及雙玻窗、三玻窗、四玻窗和雙層窗的熱工性能進行了模擬計算。針對計算結果及研制過程中的點滴體會作一介紹,藉此對型材、門窗的熱工性能作出合理的評價,為型材和門窗的設計開發提供一個參考依據。
一、模擬過程簡介
1.模擬軟件簡介
Therm是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory, 簡稱LBNL）研究開發的門窗熱工性能模擬軟件,該軟件符合國際標準IS0 10077-2:2003(Therma1perfomance of windows, doors and shutters-Calculation of ther-mal transmittance— Part 2: Numerical method for frames),已得到美國、英國、澳大利亞等國家相關部門的認可。
2.邊界條件
計算采用我罔建筑門窗節能性能標識實驗室統一采用的標準環境邊界條件,其相關參數見表1,室內空氣溫度T㏑=20℃ ,室內對流換熱系數hc,in=3.6W/m2· K,室內平均輻射溫度Trm,in=Tin=20℃；室外空氣溫度T頓=0℃ ,室外對流換熱系hc,out=20W/m2· K,室外平均輻射溫度Trm,out=Tout=0℃。
表１模擬計算邊界條件
二、型材傳熱系數模擬計算
1.型材傳熱系數模擬設計
因為型材的熱工性能與型材的厚度、壁厚、腔室數、腔體形狀等因素有關,所以模擬分別采用哈爾濱中大化學建材有限公司66、70 系列塑料型材設計結構。
66、77 系列型材均為不同腔室數目的三玻三密封平開窗型材,腔室數目(包括型鋼腔)分別為四、五和六腔。為研究腔室(除型鋼腔)空氣層厚度對型材熱工性能的影響,特設計型材的型鋼腔室\可視面與非可視面壁厚、間隔壁厚、密封構造等相應結構的尺寸均相同,從而得到了腔室的數目和尺寸不同的系列型材(見圖1、2)。66、77系列型材的腔室數目及尺寸見表2。
圖1 70系列六腔三玻三密封型材
模擬中采用的材料性能參數來自Them軟件的材料數據庫,與IS0 10077習2：2003附錄中的相關數據一致。
2.模擬計算結果及分析
(1)模擬計算結果
表2 66、70系列型材腔室數目及相應尺寸
將弱66、77 系列三、四、五和六腔型材均按照相應的方法和步驟進行設置和計算,型材傳熱系數K值模擬計算結果列表如下：
表3 66、70系列型材熱工性能計算結果
按計算數據繪制曲線圖(見圖3),從圖中可看出,66系列和7O系列型材,隨著腔室數目的增加,同時腔室尺寸的減小,型材的傳熱系數均先呈下降趨勢,隨后又出現上升趨勢。
圖3 66、70系列型材熱工佳能計算結果
(2)模擬計算結果分析
以66 系列型材為例：
三腔到四腔:型材的傳熱系數降低了0.0655W/m2·K,降低比例為3.38%；
四腔到五腔:型材的傳熱系數降低了0.0532W/m2·K,降低比例為2.84%；
五腔到六腔:型材的傳熱系數上升了0.0104W/m2·K,上升比例為0.57%。
70系列型材也有和66系列型材類似的現象。
表4 66、70系列三玻三密封平開窗型材計算結果分析
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