在今天，能源日益深刻地成为人类社会的支撑体系之一。而能源的使用状况和利用效率则反映出一个城市的生活质量和经济效率，也是城市可持续发展能力的具体体现。
每当冬季，生活在北方城市的人们经常会抱怨家里的暖气不热，可能很少有人注意到，由于建筑的保温和隔热性能差，使我们房屋内的热能损失了一半甚至更多；同样，炎热的夏季建筑里的冷气也因为建筑的总体热工性能差而大量散失。我们因此浪费的能源和多支出的费用是惊人的。
众所周知，在建筑结构中，门窗或幕墙是围护结构组成的重要部分，同时也是整个系统热量交换、传递最活跃和敏感的部位，其能量消耗是墙体的5～6倍，占整个建筑物全部热损失的40%以上。其能量消耗主要通过三个方面：
第一：通过门窗或幕墙结构的热传导；
第二：通过玻璃构件的热辐射；
第三：通过门窗或幕墙结构缝隙的空气进行对流换热。
由于目前建筑节能已经成为世界性的大潮流和大趁势，所以在建筑结构中采用性能优越的隔热门窗、幕墙是我们的迫切需要，同时如何选用性能优良的材料，制造出环保节能、技术领先的新型门窗、幕墙既是国家建筑节能产业政策的要求，也是门窗幕墙企业的生存发展的必然之路。而新型节能材料的研发是实现建筑节能的基础。普通铝合金型材作为门窗、幕墙型材的首选材料，以其强度好，外形美观、加工便利等特性一度为市场青睐。但由于铝合金的导热系数高，如6063合金T5状态的导热系数在25℃时为209W/m.K，所以普通的铝合金型材即使与中空玻璃配合使用，其组成的门窗或幕墙的K值仍然在4.0W/m2.K以上，所以其保温隔音性能欠佳。为解决日益增长节能要求，断（隔）热铝型材取代普通铝合金型材广泛的用在铝合金门窗、幕墙上，是建筑节能必然的要求和趋势，符合当前国家的产业政策以及建设和谐社会的发展大计。
目前隔热节能铝合金型材技术主要有美国的浇注式隔热节能铝合金型材及欧洲的穿条式隔热节能铝合金型材，目前我国一些较大型的铝材厂对这两种技术及设备均有引入和生产，这两种技术对推动我国隔热节能铝材的发展和进步起了较大的推动作用；而根据JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》，要得到整窗的传热系数，必须首先分别计算窗框传热系数、窗玻璃传热系数和由间隔条引起的线传热系数，然后根据式(1)计算整窗的传热系数[6]。
(1)
式中，
——整窗传热系数[W/(m2﹒K)]；
——窗面积(m2)；
——窗框传热系数[W/(m2﹒K)]；
——窗框面积(m2)；
——窗玻璃传热系数[W/(m2﹒K)]；
——窗玻璃面积(m2)；
——窗框和窗玻璃之间的线传热系数[W/(m﹒K)]；
——玻璃区域的边缘长度(m)。
从上式可以看出，窗框传热系数Uf是影响整窗传热系数Ut的重要因素之一，而窗框传热系数主要是由组成窗框节点的隔热型材决定，也可以说，型材传热系数的大小是直接影响甚至是决定门窗隔热节能及保温性能的重要因素，研究型材传热系数的大小的影响因素，对隔热型材的优化设计，及节能门窗的设计和研发具有良好的指导意义。
本文旨在针对目前行业中普遍认为的隔热型材节能设计理念，利用热工仿真软件Therm对相同型材结构，不同型腔和隔热条对门窗节点等温线的影响及与传热系数的关系进行计算分析，验证这些理念的准确性，并通过对计算结果的分析讨论，得出了科学的设计理念。
1 验证的设计理念本文将验证以下目前常用隔热型材节能设计理念：
1.1 门窗框扇隔热条及中空玻璃三者几何中心线在一直线上，则由它们组成的节点等温线也在一直线上，且此时的传热系数U值是最小；
1.2 型材室外腔减小，可以降低型材传热系数，对提高整窗保温性能有较大帮助。
以上设计理念均来自欧洲门窗系统，其中第2点还是欧洲某著名门窗系统的主要设计理念，由于我国隔热门窗系统基本均为从欧洲引入或模仿，加上欧洲节能门窗系统在国际上处于领先水平，故在设计理念上受其影响也较深，但这些设计理念是否正确？是否有规律性可循？尚未见有理论数据证明。
2 计算方法和条件
2.1 计算方法
采用热工仿真软件Therm对按以上理念设计的多个门窗节点进行传热系数计算、等温线显示等，以验证上述设计理念的正确性，根据计算结果寻找隔热型材优化设计的途径和规律。
型材节点处理
由于热工仿真软件Therm及JGJ/T 151-2008 《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》规定的计算是建筑门窗、玻璃幕墙空气渗透量为零，且采用稳态传热计算方法进行的计算，故选用的型材节点均为结构相同，只是型腔大小或隔热条位置不同，以保证其可比性。
边界条件
采用JGJ/T151-2008标准规定的传热系数计算边界条件，如表1所示。
表1 边界条件
|
室内 |
室外 |
||
|
周边环境 |
温度(℃) |
20 |
-20 |
|
对流换热系数 (W﹒m-2﹒K-1) |
3.6 |
16 |
|
|
门窗周边框 |
对流换热系数 (W﹒m-2﹒K-1) |
— |
8 |
|
玻璃边缘 |
12 |
结果处理
用热工仿真软件Therm显示截面图形中的等温线，利用等温线可清楚看到温度梯度分布；计算各门窗节点传热系数U值。
3 计算结果
图 A
如上图A所示：（1）框，扇隔热条几何中心线与中空玻璃几何中心线在同一条直线上时，为上述设计理念1节点图，如图中紫色线所示，计算结果显示框扇的等温线与隔热条几何中心线却几乎在一条直线上
（2）框扇几何中心线与玻璃的几何中心线在一条直线上时，计算结果显示框扇等温线线（与几何中心线近似重合）与玻璃的等温线不在同一直线上，有一明显偏移，相差2.5mm。（3）U值计算结果为：frame=2.5729W/m2.k
图 B
如上图B所示：1、框，扇隔热条几何中心线在同一条直线上时，如图中紫色线所示，计算结果显示框扇的等温线与隔热条几何中心线也几乎在一条直线上
2、框扇几何中心线与玻璃的几何中心线相差2.5mm时，计算结果显示框玻璃等温线与框扇等温线几乎在同一直线上，偏左1mm。
3、U值计算结果为：frame=2.5709W/m2.k
图 C
如上图C所示：1、框，扇隔热条几何中心线在同一条直线上时，如图中紫色线所示，计算结果显示框扇的等温线与隔热条几何中心线也几乎在一条直线上
2、框扇几何中心线与玻璃的几何中心线相差1mm时，计算结果显示框扇等温线与玻璃的等温线基本重合。3、U值计算结果为：frame=2.5707W/m2.k
图 D
如上图D所示：1、框，扇隔热条几何中心线在同一条直线上时，如图中紫色线所示，计算结果显示框扇的等温线与隔热条几何中心线也几乎在一条直线上
2、玻璃的几何中心线与框扇几何中心线偏左8mm时，计算结果显示玻璃的等温线与框扇等温线偏左5mm。3、U值计算结果为：frame=2.5753W/m2.k
图 E
如上图E所示：1、框，扇隔热条几何中心线与框扇的几何中心线不在同一条直线上（相差8mm）时，为室外腔减小，是上述设计理念2节点图，如图中紫色线所示，计算结果显示框扇的等温线与隔热条几何中心线却几乎在一条直线上
2、框扇几何中心线与玻璃的几何中心线相差1mm时，计算结果显示框扇几何中心线与玻璃的等温线基本重合。
3、U值计算结果为：frame=2.5769W/m2.k
4 分析讨论
从图A、B、C、D计算结果可以分析，当框扇及玻璃在的几何中心线在同一直线时，框扇的等温线与几何中心线几乎在同一直线上，但玻璃的等温线则与框扇的等温线不在同一直线上，有一定偏移，一般在玻璃几何中心线偏右（即室内侧）；玻璃等温线与框扇等温线偏移越小，隔热系数U值越小，当玻璃等温线与框扇等温线重合时，隔热系数U值最小；所以设计理念1中所述的：门窗框扇隔热条及中空玻璃三者几何中心线在一直线上，则由它们组成的节点等温线也在一直线上，且此时的传热系数U值是最小。计算证明，三者等温线并不全在一直线上，只有框扇等温线在同一直线上，且此时传热系数U值并不是最小的，而是当三者等温线重合时，传热系数U值最小。
从图D计算结果可以分析，当隔热型材室外腔减小时，传热系数U值并没有随之减小，反而变大，图D是框扇及玻璃三者等温线重合，按图A、B、C、D计算结果分析，已是此结构传热系数U值最小的情况，但仍大于图A、B、C、D任一节点的传热系数U值，所以设计理念2：型材室外腔减小，可以降低型材传热系数，对提高整窗保温性能有较大帮助；通过以上计算分析也是没有理论依据的。
5 结论作为衡量隔热性能的重要技术参数，型材传热系数的大小是直接影响甚至是决定门窗隔热节能及保温性能的重要因素。本文针对目前行业中普遍认为的隔热型材节能设计理念，利用热工仿真软件Therm对不同型腔和隔热条与传热系数的关系进行计算分析，验证这些理念的准确性，并通过对计算结果的分析讨论，得出了科学的设计理念，对隔热型材及节能门窗的设计具有良好的指导意义。
本文以隔热门窗五个节点为研究对象，采用Therm软件计算了它们的等温线和隔热系数U值，计算结果表明，两个等验证常用设计理念均是错误的的（设计理论2）或部分是错误的（设计理论1），即减小隔热型材室外空腔并不能降低型材传热系数U值，反而数值增大，当门窗框扇隔热条及中空玻璃三者几何中心线在一直线上时，它们的等温线只有框扇等温线在一条直线上，玻璃的等温线则有一定的偏移，且此时的隔热系数U值并不是最小的。并分析总结了以下隔热型材及节能门窗系统优化设计的措施：门窗节点中框扇隔热条几何中心线在一条直线上时，它们的等温线也在一条直线上，且与隔热条几何中心线重合；框扇及玻璃三者等温线在同一直线上时，传热系数U值最小。
