断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义

第一章 第二章 第三章 第四章
第五章 第六章
目录
前言 使用断热冷桥的重要意义 断热冷桥的型式 导热系数(K 值)——成窗保温性能的 理论计算 成窗保温性能的经济学意义 结论
断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义
第一章 前 言
进入九十年代以来，随着我国经济建设的飞速发展，建筑行业 的新技术、新工艺、新产品不断涌现，作为建筑主要配件的门窗系 统，已从满足较初级的开启、通风要求，转而向功能性、艺术性、 环保节能等较高要求发展。其中门窗系统的节能指标，由于其显而 意见的经济利益，愈来愈受到开发商、业主和生产厂家的关注。目 前我国共有专业性的门窗幕墙生产企业近 2000 家(包括塑钢门窗厂 家)，活跃在北京市场的就有 1000 多家，尽管存在滥竽充数、良莠 不齐等现象，但几乎所有厂家都号称具有节能门窗的生产能力。这 也从一个侧面反映了行业对门窗节能性能的关注程度。
断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义
凌云科技集团 杨 海 波
[摘要]本文简要阐述了我国目前应用的断桥铝窗及断热冷桥的几种 典型型式，并以三种典型窗型——普通内平开窗、穿条式断热 冷桥内平开窗、注胶式断热冷桥内平开窗为例，对保温性能进 行了理论计算比较，进而定量地阐述了保温性能在经济上的意 义。
[关键词] 断热冷桥 K 值 经济意义
以下是这两种断桥技术性能的简单的比较(见表一)：
表一 注胶式、穿条式断桥的技术性能
技术性能
注胶式断桥
穿条式断桥
原材料
亚松绝热胶
PA66
材料导热系数(K 值)
0.158
0.223
热胀系数/铝型材热胀系数
0.97
1
密度
1.149(与铝型材相同) 2.55（比铝型材略小）
抗张强度(N/mm2)
>38
40~45
1
断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义
一种极为常见的窗
分格形式，其中铝 合金龙骨占到的面 积更高达 19%。玻璃 的导热系数为 0.76 w/ m2·k，铝的导热
总面积 S0 =2.7m2
玻璃面积 S1 =2.2m2 占总面积 81%
龙骨面积 S2 =0.5m2 占总面积 19%
1800
系数是玻璃的 267
7
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§4.5 面 积 计 算
a、典型窗单元总面积 F 窗=0.7x1.5=1.05m2 b、典型窗单元内铝框面积 方案 A 和方案 B 的铝框宽 93mm，方案 C 铝框宽 85mm。为便于 计算，统一取铝框宽度 90mm，对计算结果影响甚微。 F 铝框=(1.5+0.7-0.18)×2×0.09=0.36m2 占总面积的 34.29% 幕墙单元内玻璃面积 F 玻璃= F 窗- F 铝框=0.69m2 占总面积的 65.71% 可以看到，在这样一个常见的分格中，铝框的面积超过了窗面 积的 1/3！
采用穿条式断热冷桥， PA 条 采 用 德 国 Technoform BAUTEC 公司产品，规格 14.8mm。
方案C TR3200 内平开窗
§4.3 传 热 路 径 分 析
a. 窗外表面与附近空气、外界环境间换热； b. 窗和框格的传热； c. 通过玻璃的空气间层传热； d. 窗内表面与室内空气和室内环境间换热； 参照陈建东著《玻璃幕墙工程技术规范应用手册》图 4.1.1-77 中所列实验数据记录表，结合实际情况分析，定性地绘出方案 B、C 的传热路径示意图：
路径的长度成正比，与导热面积成反比。
§4.7 型材各分段热阻计算
方案 A 型材(窗框+窗扇)的热阻 R=2×[(0.0014/203)×(90/90)]+[(0.0422/203) ×(90/5.6)] =0.00335 m2·k/w 方案 B 型材室外端的热阻 R 外 =[(0.0014/203) × (90/90)]+ [(0.0102/203) × (90/5.6)]+ [(0.0014/203)×(90/37.6)] =0.0000069+0.0008075+0.0000165=0.00083 m2·k/w 型材断热冷桥段的热阻 RPA=(0.0148/0.223)×(90/7.2)=0.82960 m2·k/w 型材室内端的热阻 R 内 =[(0.0014/203) × (90/90)]+ [(0.0334/203) × (90/5.6)]+ [(0.0014/203)×(90/37.6)] =0.0000069+0.0026443+0.0000165=0.00266 m2·k/w 型材(窗框+窗扇)的热阻 R= R 外+RPA +R 内
抗冲击强度(KJ/m2)
>21.05
资料缺
软化温度
175~200℃
200℃
4
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第四章 导热系数(K 值)—成窗保温性能
的理论计算
通过以上分析我们可以知道，使用断热冷桥可以改善成窗的保
温性能，达到节能的目的。那么，究竟
可以节约多少能源，带来多大的经济利
益呢？以下我们通过典型分格的窗大
灌注铝型材腔体部分的隔热材料成份为异氰酸脂和树脂（多 元醇，目前国内使用的多为亚松绝热胶）。这种断桥制作工艺较复 杂，在操作中对如下指标要求较严，如灌注隔热材料液体的配比， 铝材内表面的清洁度，灌注温度（型材温度、环境温度、隔热材料 温度），凝固时间，切断深度，等等。由于不必像穿条式断桥那样 必须将两支 PA 条并联形成腔体，所以对型材截面的限制较小，有 利于设计师自由发挥形成灵活多样的窗型。武汉特凌节能门窗有限 公司等少数厂家在生产欧式断桥铝窗的同时亦引进了美式门窗系 统，多采用注胶式断桥，所以也有人称注胶式断桥为“美式断桥”。
目前我国形成批量生产的新型节能门窗主要有塑钢门窗、断热 冷桥铝合金门窗、铝木复合结构门窗等几大类，本文仅就断热冷桥 铝合金门窗展开讨论。
第二章 使用断热冷桥的重要意义
我国幅员辽阔，气候差异极大。在寒冷的冬季，北方有着漫长 的取暖期。以北京为例，政府规定的取暖期从每年 11 月 15 日至次 年 3 月 15 日，长达 120 天，占全年总天数的 1/3。室内温度由供暖 设备维持在 20℃-25℃，铝材的室外部分暴露在寒冷的空气中，温 度低至-20℃，甚至更低。由于建筑主体构件(混凝土或预制件或砖 墙)具有良好的保温性能，使得门窗和幕墙成为室内外热量交换的 主要途径，于是人们自然地想到使用中空玻璃甚至 Low-E 中空玻璃 等保温性能优越的面材来改善成窗的保温性能。在通常情况下，窗 立面中，铝合金龙骨所占面积约为立面总面积的 10%以上。下图是
铝材的导热系数
λ=203 w/ m2·k
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PA66 的导热系数
λ=0.223 w/ m2·k
亚松绝热胶的导热系数 λ=0.212 w/ m2·k
导热系数的定义为：在稳态条件下，1m 厚的物体，两侧表面
温差为 1℃，1h 内通过 1m2 面积传递的热量。可见导热系数与导热
样(如右图)，选取武汉特凌节能门窗有
1500
限公司的三种窗型：普通型(非断热冷
桥)内平开窗 TLAC4500、穿条式断热冷
桥内平开窗 TLACT6000I、注胶式断热
冷桥内平开窗 TR3200 进行成窗 K 理论 计算，并定量地分析节能指标的经济意 义。
700
典型窗大样
§4.1 典 型 窗 大 样
如上图所示，这是一种极为常见的分格形式，拟采用 5+9A+5 双白片中空玻璃配置作典型计算；
材料整体的导热性必将大大降低，热阻值大大提高，由铝型材损失
的热量将大大减少。这种隔离方式叫做“断热冷桥”或简称“断桥”，
应用了这种隔离方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的铝合金型材就称为
“隔热断桥铝型材”或
简称“断桥铝型材”，
隔离物就称为“断热
（冷）桥材料”或简称
“断热（冷）桥”、“断
桥”。上页图为一段断
热冷桥铝型材的照片，
2
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断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义
=0.00083+0.82960+0.00266 =0.83309 m2·k/w 方案 C 型材室外端的热阻 R 外 =[(0.002/203) × (90/90)]+ [(0.012/203) × (90/8)]+ [(0.002/203)×(90/37)] =0.0000099+0.0006650+0.0000240=0.00070 m2·k/w 型材断热冷桥段的热阻 RPA=(0.020/0.158)×(90/10.3)=1.10606 m2·k/w 型材室内端的热阻 R 内 =[(0.002/203) × (90/90)]+ [(0.042/203) × (90/8)]+ [(0.002/203)×(90/27)] =0.0000099+0.0023276+0.0000328=0.00237 m2·k/w 型材(窗框+窗扇)的热阻 R= R 外+RPA +R 内 =0.00070+1.10606+0.00237 =1.10913m2·k/w
注胶后铣去部分
欧式(穿条式)断热冷桥
美式(注胶式)断热冷桥
色或灰白色。目前在国内得到广泛应用的“欧式断桥铝窗”大多采 用穿条式断热冷桥，典型的窗系统有欧标系列、Aluk 系统、旭格系 统等，所以也有人称穿条式断热冷桥为“欧式断桥”。
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另一种断桥型式是注胶式断热冷桥。在一根带有空心腔的铝 型材中间灌注隔热材料混合物，待该混合物硬化后再切断该部位的 铝材腔体，制成一个整体的断桥型材，称为注胶式断桥型材。
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温 度
温 度
截面长度
截面长度
室
室
外
内
室 外
室 内
方案B TLACT6000I内平开窗 传热路径示意
方案C TR3200 内平开窗 传热路径示意
§4.4 计 算 思 路
在建筑热工学中， 窗可以看作是一个由玻璃和铝框这两种热 工性质不同的材料并联组成的围护结构，可以根据有关公式计算出 平均传热阻。其中，带断桥的铝框又可以看作是一个由铝框侧壁和 断桥这两种热工性质不同的材料串联组成的围护结构，中空玻璃可 以看作是由内外片玻璃和空气间层组成，也可以根据有关公式计算 出平均传热阻。平均传热阻的倒数即为导热系数（K 值），单位 w / m2·k 导热系数是表征围护结构保温性能的重要指标，比较导热系 数即可了解窗的保温性能。
§4.2 用于计算的三种窗型方案
方案 A：普通型(非断 热冷桥)内平开窗 TLAC4500，龙骨截面如右 图：
方案A TLAC4500I内平开窗
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断热冷桥对铝窗节能性能的影响及经济意义
方案 B：穿条式断热冷桥内平开窗 TLACT6000I，龙骨截面如 下图：
方案B TLACT6000I内平开窗
方案 C：注胶式 断热冷桥内平开窗 TR3200 ， 龙 骨 截 面 如 右；采用美国亚松公司 绝热胶灌注，规格 20 ×10mm。
§4.6 热 阻 计 算
根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93 的规定单一材料
层的热阻值应按下式计算：
R=δ/λ
式中：R---材料层的热阻（m2·k/w）；
δ---材料层的厚度（m）；
λ---材料层的导热系数（w/ m2·k）；
按照《规范》附录和有关资料查得：
玻璃的导热系数
λ=0.76 w/ m2·k
倍，高达 w/ m2·k，
1500
可见，占窗立面较少面积的铝合金龙骨，是内外传热的主要途径。
改善铝合金龙骨的绝热性能，是提高成窗保温性能的重要途径，对
建筑节能亦有重要意义。
20 世纪 70 年代末，国外出现了“断热冷桥”技术，将高导热
性的铝型材的导热路径上的一部分去掉，代之低导热性的材料，串
联起来并将铝型材处于不同环境温度的两端隔离，这样得到的复合
由于断热冷桥的绝热作用，当型材的室外端已是零度以下时，室内 端仍保持常温状态。
第三章 断热冷桥的型式
目前在国内得到应用的断热冷桥主要有两种，一种为“穿条 式断热冷桥”。在两条铝材中间，插入有机物隔热条再滚压成断桥 铝材 ，称为穿条式断桥铝材。
中间插入的隔热条一般为带强化玻璃纤维的聚酰胺尼龙 66。 聚酰胺尼龙 66 是一种人工合成的热塑胶树脂，由碳酸氢硅酸和双 胺化合物聚合，再经过一系列的缩聚作用，并加入 25%玻璃纤维强 化。这种隔热条称为“PA66KF25”或简称“PA66”、“隔热强化尼龙 条”，这种隔热条一般为条带状，常用厚度为 1.8~2.2 mm，宽度一 般为 12~32mm，可根据设计计算结果选用。隔热条的颜色一般为黑