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断桥铝合金门窗系统中玻璃与隔热条的有限元数值分析

2013-12-30 14:34:08 作者:马世明 来源:第一幕墙网 我要评论2

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1前言
近年来铝合金门窗因具有轻质高强、装饰效果丰富等优点而逐渐取代了钢门窗,在能源紧张的今天随着人们节能环保意识的提高,隔热铝合金门窗与幕墙在我国长江以北地区得到了广泛应用。
根据 JGJ T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》所提供的整樘门窗结构的理论计算公式,要提高铝合金断桥门窗(幕墙)的节能效果,需要从玻璃、窗框(幕墙框)、框与玻璃之间的连接材料来综合考虑。
Ut=( Σ Ag·Ug+ Σ Af·Uf+Σ ly·y ) At
式中:Ut、Ug、Uf分别为窗、窗玻璃、窗框的传热系数;Ag、Af、At分别为窗玻璃、窗框、窗的面积;ly为玻璃区域边缘长度;y 为窗框与窗玻璃间的线传热系数。
玻璃是断桥铝合金门窗(幕墙)的关键部件,玻璃的保温隔热性能与其间隔层层数、宽度、间隔层内的气体等有着重要关系。 一般来说,在玻璃间隔层层数与宽度一定的情况下,向空气层中填充惰性气体,使空气层无空气对流,从而减少传热,可更好地提高节能效果。
隔热条也是断桥铝合金门窗(幕墙)的关键部件,从热量传递的角度考虑,它将其内外侧的铝型材完全断开,可有效切断铝框热流直接传递的路线,同时又将其内外侧铝型材紧密连接,达到三者共同受力的目的。 目前市场上有美式注胶式和欧式穿条式两种[1],后者具有耐高温、 高湿性能良好, 断面设计丰富多样,剪切失效后抗拉强度仍较高等诸多特点,在市场上得到了广泛应用, 本文只针对欧式穿条式隔热条进行相关分析。

2材料性能参数
玻璃与铝材的物理性能计算参数取自 GB 50176《民用建筑设计热工规范》, 玻璃和铝材的导热系数
l =0.76,0.84(W m2·K),比热容 C=203,0.92。
防水密封条热工计算参数取自 JGJT 151-2008,材料分别为氯丁橡胶(PCP)、EPDM,纯硅胶的导热系数为 0.23,0.25,0.35。

3边界条件界定
ANSYS 热分析的边界条件或初始条件可分为温度、热流率、热流密度、对流辐射、绝热生热等几种;而传热分析有以下 3 种边界条件: ①在边界上给定温度,属强制边界条件;②在边界上给定热流量,当 q=0 时为绝热边界条件;③在边界上给定对流换热系数和对应温度。 本文所有的传热分析的边界条件均施加上述的第 3 类边界条件。 本节边界条件界定所需的内外、表面换热系数及内表面热阻值如下:
⑴ 内表面换热系数 ai及热阻 Ri(适用于冬季、夏季):①墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚 (h/s≤0.3),ai=8.7W m2·K,Ri=0.11m2·K/W;②有肋状突出物的顶棚 (h/s>0.3),ai=7.6W m2·K,Ri=0.13m2·K/W。
⑵ 外表面的换热系数 ae及热阻 Re(适用于冬季):①外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面,ae=23.0W m2·K,Re=0.4m2·K/W; ②与室外空气相通的不采暖地下室上面的楼板,ae=17.0W m2·K,Re=0.06m2·K/W。

4玻璃节能效果分析
现对 2 组中空玻璃模型进行分析,第 1 组对空气层厚度分别为 9,12,14,16mm 的中空玻璃模型进行对比分析,考察空气层厚度对玻璃节能效果的影响;第 2 组 3 个模型的节能效果分析则是建立在对中空层填充不同性质的惰性气体
展开的。 中空玻璃有限元计算模型如图 1。
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4.1 空气层厚度的影响
通过对各模型中空玻璃温度分布云图(略)的分析,可以得到 4 种空气层厚度情况下室内外的温度差对比曲线(如图 2),可见随着空气层厚度的增大,内外温度差明显增大,即室内热能的耗散越小,节能效果更佳。

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4.2 间隔层填充气体的影响
考虑间隔层填充气体对节能效果的影响时,建立的模型分别对中空层填充氩气和氙气进行分析。表 1 列出了空气及上述两种惰性气体在不同温度状态下的导热系数值; 表 2 为模型分析所得 3 种填充气体状态下室内外温度差及热流量结果对比。

3.jpg
4.jpg

由上述分析可知,向中空层填充惰性气体时热流量值有不同程度的减小,其中填充氙气时热流量值相比氩气与空气有着明显下降,节能效果尤为显著。

5隔热条节能效果分析
考虑隔热条宽度的取值不同, 对隔热条宽度分别为 17,20,22,24mm 的 4 个铝竖梃模型进行分析。隔热条采用标准原料配比为 75%的 PA66 (含一些关键配料)和 25%的玻璃纤维,导热系数 0.3W m·K。
通过温度场分析获得各铝竖梃模型的温度分布云图,其中隔热条宽度为 17,24mm 的对比如图 3,室内外温度差值对比曲线如图 4 所示。

5.jpg

6.jpg

分析结果表明,在 PA66 隔热条中,传热分析的边界条件相同时,随着隔热条尺寸(宽度)的增大,其节能效果有明显提高。但在考虑抗风压性能、选用同种型号隔热条时,则并非尺寸越大越好,已有研究表明[3],PA66 隔热条受到相同的风压载荷时 ,其尺寸越大则承受的应力越大, 同时它的形变也越大,也会受到应变的限制; 同种尺寸但结构不同的两种PA66 隔热条中,工字型隔热条比 I 字型隔热条更适用于铝合金型材。 隔热条对断桥铝型材整体影响较大,新铝合金门窗产品在上市前要对其样品进行三性(即气密性、水密性和抗风压性能)试验,以测试其结构的可靠性。

6结论
6.1 对于中空玻璃,随着空气层厚度的增大,内外温差明显增大,室内热能的耗散降低;向中空层填充惰性气体时热流量值有明显下降,节能效果明显提高。
6.2 在保证型材强度的条件下,增大隔热条宽度的同时也使得型腔高度得到增大, 同时也带来热阻的增大。当传热分析的边界条件相同时,随着隔热条的尺寸(宽度)增大,其节能效果明显提高。

参 考 文 献
[1] 傅申森. 断桥铝合金节能门窗[J]. 节能技术,2007(12)
[2] 葛铁军 ,于文强. 隔热条对铝合金隔热窗抗风压性能的影响[J]. 工程塑料应用,2008(2)

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