鋁合金門(mén)窗，斷橋鋁合金門(mén)窗系統(tǒng)中玻璃與隔熱條的有限元數(shù)值分析
第一、近年來(lái)鋁合金門(mén)窗因具有輕質(zhì)高強(qiáng)、裝飾效果豐富等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代了鋼門(mén)窗，在能源緊張的今天隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，隔熱鋁合金門(mén)窗與幕墻在我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù) JGJ T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》所提供的整樘門(mén)窗結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算公式，要提高鋁合金斷橋門(mén)窗(幕墻)的節(jié)能效果，需要從玻璃、窗框(幕墻框)、框與玻璃之間的連接材料來(lái)綜合考慮。
玻璃是斷橋鋁合金門(mén)窗(幕墻)的關(guān)鍵部件，玻璃的保溫隔熱性能與其間隔層層數(shù)、寬度、間隔層內(nèi)的氣體等有著重要關(guān)系。 一般來(lái)說(shuō)，在玻璃間隔層層數(shù)與寬度一定的情況下，向空氣層中填充惰性氣體，使空氣層無(wú)空氣對(duì)流，從而減少傳熱，可更好地提高節(jié)能效果。
隔熱條也是斷橋鋁合金門(mén)窗(幕墻)的關(guān)鍵部件，從熱量傳遞的角度考慮，它將其內(nèi)外側(cè)的鋁型材完全斷開(kāi)，可有效切斷（詞條“切斷”由行業(yè)大百科提供）鋁框熱流直接傳遞的路線(xiàn)，同時(shí)又將其內(nèi)外側(cè)鋁型材緊密連接，達(dá)到三者共同受力的目的。 目前市場(chǎng)上有美式注膠（詞條“注膠”由行業(yè)大百科提供）式和歐式穿條式兩種，后者具有耐高溫、高濕性能良好，斷面（詞條“斷面”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)豐富多樣，剪切失效后抗拉強(qiáng)度仍較高等諸多特點(diǎn)，在市場(chǎng)上得到了廣泛應(yīng)用，本文只針對(duì)歐式穿條式隔熱條進(jìn)行相關(guān)分析。
第二、邊界條件界定；ANSYS 熱分析的邊界條件或初始條件可分為溫度、熱流率、熱流密度、對(duì)流輻射、絕熱生熱等幾種;而傳熱分析有以下 3 種邊界條件： ①在邊界上給定溫度，屬?gòu)?qiáng)制邊界條件;②在邊界上給定熱流量，當(dāng) q=0 時(shí)為絕熱邊界條件;③在邊界上給定對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)應(yīng)溫度。 本文所有的傳熱分析的邊界條件均施加上述的第 3 類(lèi)邊界條件。 本節(jié)邊界條件界定所需的內(nèi)外、表面換熱系數(shù)及內(nèi)表面熱阻值如下：
第三、玻璃節(jié)能效果分析；現(xiàn)對(duì)2組中空玻璃模型進(jìn)行分析，第1 組對(duì)空氣層厚度分別為 9，12，14，16mm 的中空玻璃模型進(jìn)行對(duì)比分析，考察空氣層厚度對(duì)玻璃節(jié)能效果的影響;第 2 組 3 個(gè)模型的節(jié)能效果分析則是建立在對(duì)中空層填充不同性質(zhì)的惰性氣體展開(kāi)的。 中空玻璃有限元計(jì)算模型如圖1。
第四、空氣層厚度的影響；通過(guò)對(duì)各模型中空玻璃溫度分布云圖(略)的分析，可以得到4 種空氣層厚度情況下室內(nèi)外的溫度差對(duì)比曲線(xiàn)(如圖 2)，可見(jiàn)隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫度差明顯增大，即室內(nèi)熱能的耗散越小，節(jié)能效果更佳。
第五、間隔層填充氣體的影響；考慮間隔層填充氣體對(duì)節(jié)能效果的影響時(shí)，建立的模型分別對(duì)中空層填充氬氣和氙氣進(jìn)行分析。表1列出了空氣及上述兩種惰性氣體在不同溫度狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)值; 表2為模型分析所得3種填充氣體狀態(tài)下室內(nèi)外溫度差及熱流量結(jié)果對(duì)比。
由上述分析可知，向中空層填充惰性氣體時(shí)熱流量值有不同程度的減小，其中填充氙氣時(shí)熱流量值相比氬氣與空氣有著明顯下降，節(jié)能效果尤為顯著。
第六、隔熱條節(jié)能效果分析；考慮隔熱條寬度的取值不同， 對(duì)隔熱條寬度分別為 17，20，22，24mm 的4個(gè)鋁豎梃模型進(jìn)行分析。隔熱條采用標(biāo)準(zhǔn)原料配比為75%的 PA66 (含一些關(guān)鍵配料)和 25%的玻璃纖維，導(dǎo)熱系數(shù) 0.3W m·K。
結(jié)果表明，在PA66 隔熱條中，傳熱分析的邊界條件相同時(shí)，隨著隔熱條尺寸(寬度)的增大，其節(jié)能效果有明顯提高。但在考慮抗風(fēng)壓性能、選用同種型號(hào)隔熱條時(shí)，則并非尺寸越大越好，已有研究表明，PA66 隔熱條受到相同的風(fēng)壓載荷時(shí)，其尺寸越大則承受的應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）越大， 同時(shí)它的形變也越大，也會(huì)受到應(yīng)變的限制; 同種尺寸但結(jié)構(gòu)不同的兩種PA66 隔熱條中，工字型隔熱條比 I 字型隔熱條更適用于鋁合金型材。 隔熱條對(duì)斷橋鋁型材整體影響較大，新鋁合金門(mén)窗產(chǎn)品在上市前要對(duì)其樣品進(jìn)行三性(即氣密性、水密性和抗風(fēng)壓性能)試驗(yàn)，以測(cè)試其結(jié)構(gòu)的可靠性。
第七、對(duì)于中空玻璃，隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫差明顯增大，室內(nèi)熱能的耗散降低;向中空層填充惰性氣體時(shí)熱流量值有明顯下降，節(jié)能效果明顯提高。
第八、在保證型材強(qiáng)度的條件下，增大隔熱條寬度的同時(shí)也使得型腔高度得到增大， 同時(shí)也帶來(lái)熱阻的增大。當(dāng)傳熱分析的邊界條件相同時(shí)，隨著隔熱條的尺寸(寬度)增大，其節(jié)能效果明顯提高。
第一、近年來(lái)鋁合金門(mén)窗因具有輕質(zhì)高強(qiáng)、裝飾效果豐富等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代了鋼門(mén)窗，在能源緊張的今天隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，隔熱鋁合金門(mén)窗與幕墻在我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù) JGJ T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》所提供的整樘門(mén)窗結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算公式，要提高鋁合金斷橋門(mén)窗(幕墻)的節(jié)能效果，需要從玻璃、窗框(幕墻框)、框與玻璃之間的連接材料來(lái)綜合考慮。
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隔熱條也是斷橋鋁合金門(mén)窗(幕墻)的關(guān)鍵部件，從熱量傳遞的角度考慮，它將其內(nèi)外側(cè)的鋁型材完全斷開(kāi)，可有效切斷（詞條“切斷”由行業(yè)大百科提供）鋁框熱流直接傳遞的路線(xiàn)，同時(shí)又將其內(nèi)外側(cè)鋁型材緊密連接，達(dá)到三者共同受力的目的。 目前市場(chǎng)上有美式注膠（詞條“注膠”由行業(yè)大百科提供）式和歐式穿條式兩種，后者具有耐高溫、高濕性能良好，斷面（詞條“斷面”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)豐富多樣，剪切失效后抗拉強(qiáng)度仍較高等諸多特點(diǎn)，在市場(chǎng)上得到了廣泛應(yīng)用，本文只針對(duì)歐式穿條式隔熱條進(jìn)行相關(guān)分析。
第二、邊界條件界定；ANSYS 熱分析的邊界條件或初始條件可分為溫度、熱流率、熱流密度、對(duì)流輻射、絕熱生熱等幾種;而傳熱分析有以下 3 種邊界條件： ①在邊界上給定溫度，屬?gòu)?qiáng)制邊界條件;②在邊界上給定熱流量，當(dāng) q=0 時(shí)為絕熱邊界條件;③在邊界上給定對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)應(yīng)溫度。 本文所有的傳熱分析的邊界條件均施加上述的第 3 類(lèi)邊界條件。 本節(jié)邊界條件界定所需的內(nèi)外、表面換熱系數(shù)及內(nèi)表面熱阻值如下：
第三、玻璃節(jié)能效果分析；現(xiàn)對(duì)2組中空玻璃模型進(jìn)行分析，第1 組對(duì)空氣層厚度分別為 9，12，14，16mm 的中空玻璃模型進(jìn)行對(duì)比分析，考察空氣層厚度對(duì)玻璃節(jié)能效果的影響;第 2 組 3 個(gè)模型的節(jié)能效果分析則是建立在對(duì)中空層填充不同性質(zhì)的惰性氣體展開(kāi)的。 中空玻璃有限元計(jì)算模型如圖1。
第四、空氣層厚度的影響；通過(guò)對(duì)各模型中空玻璃溫度分布云圖(略)的分析，可以得到4 種空氣層厚度情況下室內(nèi)外的溫度差對(duì)比曲線(xiàn)(如圖 2)，可見(jiàn)隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫度差明顯增大，即室內(nèi)熱能的耗散越小，節(jié)能效果更佳。
第五、間隔層填充氣體的影響；考慮間隔層填充氣體對(duì)節(jié)能效果的影響時(shí)，建立的模型分別對(duì)中空層填充氬氣和氙氣進(jìn)行分析。表1列出了空氣及上述兩種惰性氣體在不同溫度狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)值; 表2為模型分析所得3種填充氣體狀態(tài)下室內(nèi)外溫度差及熱流量結(jié)果對(duì)比。
由上述分析可知，向中空層填充惰性氣體時(shí)熱流量值有不同程度的減小，其中填充氙氣時(shí)熱流量值相比氬氣與空氣有著明顯下降，節(jié)能效果尤為顯著。
第六、隔熱條節(jié)能效果分析；考慮隔熱條寬度的取值不同， 對(duì)隔熱條寬度分別為 17，20，22，24mm 的4個(gè)鋁豎梃模型進(jìn)行分析。隔熱條采用標(biāo)準(zhǔn)原料配比為75%的 PA66 (含一些關(guān)鍵配料)和 25%的玻璃纖維，導(dǎo)熱系數(shù) 0.3W m·K。
結(jié)果表明，在PA66 隔熱條中，傳熱分析的邊界條件相同時(shí)，隨著隔熱條尺寸(寬度)的增大，其節(jié)能效果有明顯提高。但在考慮抗風(fēng)壓性能、選用同種型號(hào)隔熱條時(shí)，則并非尺寸越大越好，已有研究表明，PA66 隔熱條受到相同的風(fēng)壓載荷時(shí)，其尺寸越大則承受的應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）越大， 同時(shí)它的形變也越大，也會(huì)受到應(yīng)變的限制; 同種尺寸但結(jié)構(gòu)不同的兩種PA66 隔熱條中，工字型隔熱條比 I 字型隔熱條更適用于鋁合金型材。 隔熱條對(duì)斷橋鋁型材整體影響較大，新鋁合金門(mén)窗產(chǎn)品在上市前要對(duì)其樣品進(jìn)行三性(即氣密性、水密性和抗風(fēng)壓性能)試驗(yàn)，以測(cè)試其結(jié)構(gòu)的可靠性。
第七、對(duì)于中空玻璃，隨著空氣層厚度的增大，內(nèi)外溫差明顯增大，室內(nèi)熱能的耗散降低;向中空層填充惰性氣體時(shí)熱流量值有明顯下降，節(jié)能效果明顯提高。
第八、在保證型材強(qiáng)度的條件下，增大隔熱條寬度的同時(shí)也使得型腔高度得到增大， 同時(shí)也帶來(lái)熱阻的增大。當(dāng)傳熱分析的邊界條件相同時(shí)，隨著隔熱條的尺寸(寬度)增大，其節(jié)能效果明顯提高。
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