断桥铝合金门窗系统中玻璃与隔热条的有限元数值分析

的尺寸（宽度）越大 ,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,并不是尺寸越大越好,已有研究表明【3】：PA66 隔热条受到相同的风压载荷时,隔
热条的尺寸越大 ,其承受的应力越大 ,同时它的形变也越大也会受到应变的限制；同种
尺寸、结构不同的两种 PA66 隔热条中 ,“工”型隔热条比“I”型隔热条更适合用在铝
合金型材中。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之前 ,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
（1）对于中空玻璃，随着空气层厚度的百度文库加，内外温度差明显增大，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的下降，节能效果提高明显。
4.538×10-4 1.728×10-5
其中λ=ɑ+b•T[W/(m.K)]
图 4-2 中空玻璃温度分布云图
λ（273K 时） [W/(m•K)] 0.0241 0.0163 0.0052
λ（283K 时） [W/(m•K)] 0.0249 0.0168 0.0053
（1）间隔层填充氩气
（2）间隔层填充氙气
-18.50
16
18
20
22
24
断热条宽度(mm)
9.5
16
18
20
22
24
断热条宽度(mm)
31.0
30.5
30.0
29.5
29.0
28.5
28.0
27.5
16
18
20
22
24
断热条宽度(mm)
图 5-3 铝竖梃室内外温度差值
由上图分析结果可知：在 PA66 隔热条中,传热分析的边界条件相同时，随着隔热条
33 间隔层内为空气
32 31 30 29
75
间隔层内为空气
70
65
60
55
50
28
8
10
12
14
16
空气层厚度(mm)
45
8
10
12
14
16
空气层厚度(mm)
图 4-1.1 中空玻璃室内外温度差
图 4-1.2 中空玻璃热流量
由上图可以知道：随着空气层厚度的增加，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。
断桥铝合金门窗系统中玻璃与隔热条的有限元数值分析
马世明1
（1.深圳市建筑设计研究总院门窗幕墙设计研究所，深圳 518031）
【摘要】本文通过有限元分析方法 ,对铝合金断桥窗（型材、玻璃）进行数值分析； 从影响铝合金断桥窗隔热性能的主要因素（玻璃、型材隔热条）着手详细阐述中空玻璃 间隔层厚度、填充气体、隔热条尺寸的改变对其隔热性能的影响。
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
气做了分析。
表 4-2.1 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。
气体 系数ɑ
系数 b
空气
2.873×10-3 7.76×10-5
氩气
2.285×10-3 5.149×10-5
氙气
ABSTRACT: in this paper, aluminum widow (profile and glass panel included) with thermal break is analyzed by way of finite element analysis. This paper is started with main factors (glass panel, thermal break) influencing thermal performance of aluminum widow with thermal break, and influence from change in thickness of spacing in insulating glass unit, infill gas and thermal break size are expanded for analysis in how the above factors influence thermal performance of insulating glass unit.
23.0 17.0
0.4 0.06
4 玻璃节能效果分析 本节主要对两组中空玻璃模型进行分析。第一组通过对四个空气层厚度不同的中空
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；第二组三个模型的节能 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。
图 4-1 为中空玻璃有限元计算分析模型。
2 材料性能参数
玻璃与铝材的物理性能计算参数，来源于（民用建筑设计热工规范）GB50176
计算参数 材料名称
导热系数 λ [W/m2•K] 比热容 C [k] / [kg•K]
玻璃
0.76
0.84
铝材
203
0.92
防水密封条热工计算参数，来源于 JGJT 151-2008
用途
材料
导热系数
氯丁橡胶（PCP） 0.23
2008 年，第 36 卷，第二期。
【关键词】铝合金断桥窗；中空玻璃；隔热条；建筑外窗节能
1 前言
近年来，铝合金门窗因其具有轻质高强、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
北地区得到广泛应用。
根据【JGJ/T151-2008】（建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程）所提供的整樘门窗结构
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、间隔层内的气体有着重要的关系。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降低其传热，可以更好的其
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，从热量传递的角度上来说它把其
墙面、地面、表面平整或有肋状突 8.7
出物的顶棚（h/s≤0.3 时） 有肋状突出物的顶棚（h /s> 0.3 时） 7.6
0.11 0.13
表 3-2 外表面换热系数 ae 及外表面热阻 Re 值
适用 季节
表面特征
ae W/m2•K
Re m2•K /W
冬季
外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面 与室外空气相通的不采暖地下室上面的楼板
（1）隔热条宽 17mm
（2）隔热条宽 20mm
（3）隔热条宽 22mm 图 5-2 铝竖梃温度分布云图
（4）隔热条宽 24mm
内外温度差（ ℃）
-17.50
13.0
室 内 温 度（ ℃）
室 外 温 度（ ℃）
-17.75
12.5 12.0
-18.00
11.5 11.0
-18.25
10.5
10.0
本节主要考虑在隔热条宽度取值不同的情况下对四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。其导 热系数为 0.3 W/mK。如下图图 5-1 铝竖梃分析模型
（1）隔热条宽 17mm （2）隔热条宽 20mm （3）隔热条宽 22 mm（4）隔热条宽 24mm 通过温度场分析
第三类边界条件。
本文所有的传热分析中的边界条件均施加上述的第三类边界条件。表 3-1 及表 3-2 列出了本节边界条件界定所需的内外、表面换热系数 ai 及内表面热阻 Ri 值。
表 3-1 内表面换热系数 ai 及内表面热阻 Ri 值
适用 表面特征
季节
ai W/m2•K
Ri m2•K /W
冬季 夏季
4.1 空气层厚度的影响（中空玻璃温度分布云图）
（1）空气层厚度为 9mm
（2）空气层厚度为 12mm
（3）空气层厚度为 14mm
（4）空气层厚度为 16mm
通过对四种模型下中空玻璃温度分布云图分析可以得到四种空气层厚度情况下室
内外的温度差对比图（图 4-1.1 与 4-1.2）。
内外温度差（ ℃） 热 流 量（ W/m2）
防水密封条 EPDM
0.25
纯硅胶
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七种【2】：温度、热流率、热流密度、对
流辐射、绝热生热。而传热分析有如下三种边界：（1）在边界上给定温度，称为第一
类边界条件，它是一种强制边界条件；（2）在边界上给定热流量，称为第二类边界条 件，当 q＝0 时就是绝热边界条件;（3）在边界上给定对流换热系数和对应温度，称为
内外侧的铝型材完全断开，可以有效地切断铝框热流直接传递的路线；同时又将其内外
侧铝型材紧密连接起来，达到了三者共同受力的目的。目前市场上有美式注胶式和欧式
穿条式二种形式【1】，欧式穿条式隔热条具有耐高温、高湿性能及断面设计丰富多样、在 剪切失效后仍具有高的抗拉强度等诸多特点，在市场上得到了广泛的应用，本文只针对 欧式穿条式隔热条做了相关的分析。
的理论计算公式，可以知道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=(ΣAg·Ug+ΣAf·Uf+Σlψ·ψ)/At 式中：
3.3.1【JGJ/T151-2008】
Ut：整樘窗的传热系数；Ag：窗玻璃面积；Af：窗框面积；At：窗面积； lψ：玻璃区域边缘长度；Ug：窗玻璃的传热系数； Uf：窗框的传热系数；ψ：窗框和窗玻璃间的线传热系数；
（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的高度得到增加， 型腔高度的增加也带来热阻的增加。传热分析的边界条件相同时，随着隔热条的 尺寸（宽度）越大，其节能效果有明显提高。
参考文献 【1】傅申森，断桥铝合金节能门窗【J】.节能技术. 2007 年 12 月。 【2】穆伟，徐鹤山. ANSYS 建筑幕墙门窗结构热工实例分析【M】。 【3】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.
表 4-2.2 为模型分析所得三种填充气体状态下室内外温度差及热流量结果对比值。
间隔层气体 厚度（mm）
9
填充气体类型
空气 氩气 氙气
内外温差△T（℃）
28.429 33.276 36.683
热流量 q （W/m2） 73.039 55.069 20.998
有上述分析可以知道：向中空层填充惰性气体时热流量值有不同的减小，其中填充 氙气时热流量值相比氩气与空气有着明显的下降，节能效果尤为显著。 5 隔热条节能效果分析