5．4．1 铝门窗的热工分析
5．4．1．1 热工分析的一些基本概念
（1） 传热方式：传热是指物体内部或者物体与物体之间热传递的现象。凡是一个物体的各个部分或者物体之间存在着温度差，就必然有热能的传递、转移现象发生。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射3种。
① 导热的机理：导热是由温度不同的质点（分子、原子、自由电子）在热运动中引起的热能传递现象。物体的导热传热量一定程度上直接由材料本身的导热系数决定，其单位为。
② 对流的机理：对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能的现象。因此对流换热之发生在流体之中或者固体表面和与其紧邻的运动流体之间。
③ 热辐射的机理：热辐射是凡是温度高于绝对零度（K）的物体，由于物体原子中的电子振动或激动，就会从表面向外界空间以电磁波的形式辐射出热能的现象。由于电磁波的传播不需要任何中间介质，也不需要冷、热物体的直接接触。因此，不论是高温物体还是低温物体，只要其温度高于绝对零度（K），其本身都将向外界辐射热。但当两个物体温度不同时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，从而使高温物体能量传递给了低温物体。
（2） 平壁的稳定传热：铝门窗由玻璃及铝框（钢附框）组成。其大面上绝大部分面积均为玻璃。在建筑热工学上可以将玻璃视为平壁。稳定传热是指我们所研究的物体或者体系，无论是整体还是局部都保持与时间无关的恒定状态，或者说在传热过程中，各点的温度都不随时间而变化。在室内、外的温度不等时，热量总是从温度较高的一侧传向较低的一侧传向较低的一侧。如果室内、外气温都不随时间而变，围护结构的传热就属于稳定传热过程。这也是铝门窗热工分析的前提假设。除分析玻璃传热时采用平壁稳定传热的模型以外，在分析中空玻璃封闭空气层时也可采用平壁稳定传热的模型。
（3） 常用热工物理量及参数：
① 传热系数：当材料层内外温差为1K时，在单位时间1h内通过单位表面积1m2通过的热量；单位为
② 导热系数：当材料层层单位厚度1m内的温度为1K时,在单位时间1h内通过单位表面及1m2通过的热量；单位为
③ 传热热阻：热量从平壁一侧空间传递到另一次空间所受到阻碍的大小。热阻与传热系数是互为倒数的关系；单位为。
④ 体型系数：建筑物与室外大气接触的外表面积（不计算地面）与其所包围的建筑体积之比。体型系数越大，说明单位建筑空间所分担的热损失面积越大，能耗越多。有研究资料表明，体型系数每增大0.01，耗热量指标约增加2-5%，一般宜控制在0.3以下。。
⑤ 窗墙面积比：是指不同朝向上的窗、阳台门和透明部分的总面积与所在朝向建筑的外墙面的总面积（包括该朝向上的窗、阳台河透明部分的总面积）之比。
5．4．1．2 热工分析的基本要求
（1） 围护结构热工分析的气候分区
根据全国各地气候的差异，《公共建筑节能设计标准》GB501-2005中将全国主要城市划分成了5个气候分区：严寒地区A区、严寒地区B区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。见表5.4.1。
表5.4.1 主要城市所处的气候分区
| 气候分区 | 代表性城市 |
| 严寒地区A区 | 海伦、博克图、伊春、呼玛、海拉尔、满洲里、齐齐哈尔、富锦、哈尔滨、牡丹江、克拉玛依、佳木斯、安达 |
| 严寒地区B区 | 长春、乌鲁木齐、延吉、通辽、通化、四平、呼和浩特、抚顺、大柴旦、沈阳、大同、本溪、阜新、哈密、鞍山、张家口、酒泉、伊宁、吐鲁番、西宁、银川、丹东 |
| 寒冷地区 | 兰州、太原、唐山、阿坝、喀什、北京、天津、大连、阳泉、平凉、石家庄、德州、晋城、天水、西安、拉萨、康定、济南、青岛、安阳、郑州、洛阳、宝鸡、徐州 |
| 夏热冬冷地区 | 南京、蚌埠、盐城、南通、合肥、安庆、九江、武汉、黄石、岳阳、汉中、安康、上海、杭州、宁波、宜昌、长沙、南昌、株洲、永州、赣州、韶关、桂林、重庆、达县、万州、涪陵、南充、宜宾、成都、贵阳、遵义、凯里、绵阳 |
| 夏热冬暖地区 | 福州、莆田、龙岩、梅州、兴宁、英德、河池、柳州、贺州、泉州、厦门、广州、深圳、湛江、汕头、海口、南宁、北海、梧州 |
表5.4.2 严寒地区A区围护结构传热系数限值
| 围护结构部位 | 体形系数≤0.3 传热系数K W/(m2·K) | 0.3＜体形系数≤0.4传热系数K W/(m2·K) | |
单一朝向外窗 | 窗墙面积比≤0.2 | ≤3.0 | ≤2.7 |
| 0.2＜窗墙面积比≤0.3 | ≤2.8 | ≤2.5 | |
| 0.3＜窗墙面积比≤0.4 | ≤2.5 | ≤2.2 | |
| 0.4＜窗墙面积比≤0.5 | ≤2.0 | ≤1.7 | |
| 0.5＜窗墙面积比≤0.7 | ≤1.7 | ≤1.5 | |
表5.4.3 严寒地区B区围护结构传热系数限值
| 围护结构部位 | 体形系数≤0.3 传热系数K W/(m2·K) | 0.3＜体形系数≤0.4 传热系数K W/(m2·K) | |
单一朝向外窗 | 窗墙面积比≤0.2 | ≤3.2 | ≤2.8 |
| 0.2＜窗墙面积比≤0.3 | ≤2.9 | ≤2.5 | |
| 0.3＜窗墙面积比≤0.4 | ≤2.6 | ≤2.2 | |
| 0.4＜窗墙面积比≤0.5 | ≤2.1 | ≤1.8 | |
| 0.5＜窗墙面积比≤0.7 | ≤1.8 | ≤1.6 | |
表5.3.4 寒冷地区围护结构传热系数和遮阳系数
| 围护结构部位 | 体形系数≤0.3 传热系数K W/(m2·K) | 0.3＜体形系数≤0.4 传热系数K W/(m2·K) | |||
| 传热系数K W/(m2·K) | 遮阳系数SC （东、南、西向/北向） | 传热系数K W/(m2·K) | 遮阳系数SC （东、南、西向/北向） | ||
| 单一朝向外窗 | 窗墙面积比≤0.2 | ≤3.5 | — | ≤3.0 | — |
| 0.2＜窗墙面积比≤0.3 | ≤3.0 | — | ≤2.5 | — | |
| 0.3＜窗墙面积比≤0.4 | ≤2.7 | ≤0.70/— | ≤2.3 | ≤0.70/— | |
| 0.4＜窗墙面积比≤0.5 | ≤2.3 | ≤0.60/— | ≤2.0 | ≤0.60/— | |
| 0.5＜窗墙面积比≤0.7 | ≤2.0 | ≤0.50/— | ≤1.8 | ≤0.50/— | |
| 有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。 | |||||
表5.4.5 夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数
| 围护结构部位 | 传热系数K W/(m2·K) | ||
| 传热系数K W/(m2·K) | 遮阳系数SC （东、南、西向/北向） | ||
| c 单一朝向外窗 | 窗墙面积比≤0.2 | ≤4.7 | — |
| 0.2＜窗墙面积比≤0.3 | ≤3.5 | ≤0.55/— | |
| 0.3＜窗墙面积比≤0.4 | ≤3.0 | ≤0.50/0.60 | |
| 0.4＜窗墙面积比≤0.5 | ≤2.8 | ≤0.45/0.55 | |
| 0.5＜窗墙面积比≤0.7 | ≤2.5 | ≤0.40/0.50 | |
| 有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。 | |||
| 围护结构部位 | 传热系数K W/(m2·K) | ||
| 传热系数K W/(m2·K) | 遮阳系数SC （东、南、西向/北向） | ||
| c 单一朝向外窗 | 窗墙面积比≤0.2 | ≤6.5 | — |
| 0.2＜窗墙面积比≤0.3 | ≤4.7 | ≤0.50/0.60 | |
| 0.3＜窗墙面积比≤0.4 | ≤3.5 | ≤0.45/0.55 | |
| 0.4＜窗墙面积比≤0.5 | ≤3.0 | ≤0.40/0.50 | |
| 0.5＜窗墙面积比≤0.7 | ≤3.0 | ≤0.35/0.45 | |
| 有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。 | |||
5．4．2．1 体型系数及各个朝向的窗墙面积比
体型系数和各个朝向的窗墙面积比可按上一章节中的定义计算得出。
例5.4.1 一建筑长50m、宽20m、高40m求体形系数。
S=F/V=（50×40×2+20×40×2+20×50）/（50×20×40）=0.165
5．4．2．2 热阻计算
（1） 单一材料层热阻按下式计算：
（5.4.1）
式中
：材料层的热阻（）；
：材料层的厚度（）；
：材料的导热系数（），查表5.4.7采用。
表5.4.7 建筑材料导热系数（）
| 材料种类 | 导热系数（） |
| 钢筋混凝土 | 1.74 |
| 碎石、卵石混凝土（ρ0=2300kg/m3） | 1.51 |
| 碎石、卵石混凝土（ρ0=2100kg/m3） | 1.28 |
| 加气混凝土（ρ0=700kg/m3） | 0.22 |
| 加气混凝土（ρ0=500kg/m3） | 0.19 |
| 重砂浆砌筑粘土砖砌体 | 0.81 |
| 轻砂浆砌筑粘土砖砌体 | 0.76 |
| 水泥沙浆 | 0.93 |
| 石灰水泥沙浆 | 0.87 |
| 石灰沙浆 | 0.81 |
| 石灰石膏沙浆 | 0.76 |
| 保温沙浆 | 0.29 |
| 矿棉、岩棉（ρ0=70以下kg/m3） | 0.05 |
| 矿棉、岩棉（ρ0=70~120以下kg/m3） | 0.045 |
| 花岗石 | 3.49 |
| 平板玻璃 | 0.76 |
| 铝 | 203 |
| 尼龙（PA）66 | 0.23 |
（5.4.2）
式中
、、：各种材料层热阻（）。
（3） 围护结构的热阻按下式计算：
（5.4.3）
式中
：围护结构的热阻（）；
：内表面换热阻（），查表5.4.8采用；
：外表面换热阻（）；查表5.4.9采用。
：围护结构热阻（）。
表5.4.8 内表面换热系数αi及内表面换热阻Ri值
| 适用季节 | 表面特征 | αi [W/（m2·K）] | Ri (m2·K/W) |
| 冬季和夏季 | 墙面、地面、表面平整或有肋状突出物的顶棚，当h/s＜0.3时 | 8.7 | 0.11 |
| 有肋状突出物的顶棚，当h/s＞0.3时 | 7.6 | 0.13 |
| 适用季节 | 表面特征 | αe [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 | 23.0 | 0.04 |
| 与室外空气相通的不采暖地下室上面的楼板 | 17.0 | 0.06 | |
| 闷顶、外墙上有窗的不采暖地下室上面的楼板 | 12.0 | 0.08 | |
| 外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板 | 6.0 | 0.17 | |
| 夏季 | 外墙和屋顶 | 19.0 | 0.05 |
封闭空气间层的热阻可按表5.4.10-1与表5.4.10-2采用
表5.4.10-1 冬季空气间层热阻值
| 位置、热流状态及材料特征 | 冬季状况 | ||||||
| 间层厚度（mm） | |||||||
| 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60以上 | |
| 一般空气间层 | |||||||
| 热流向下(水平、倾斜) | 0．10 | 0．14 | 0．17 | 0．18 | 0．19 | 0．20 | 0．20 |
| 热流向上(水平、倾斜) | 0．10 | 0．14 | 0．15 | 0．16 | 0．17 | 0．17 | 0．17 |
| 垂直空气间层 | 0．10 | 0．14 | 0．16 | 0．17 | 0．18 | 0．18 | 0．18 |
| 位置、热流状态及材料特征 | 夏季状况 | ||||||
| 间层厚度（mm） | |||||||
| 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60以上 | |
| 一般空气间层 | |||||||
| 热流向下(水平、倾斜) | 0.09 | 0.12 | 0.15 | 0.15 | 0.16 | 0.16 | 0.15 |
| 热流向上(水平、倾斜) | 0.09 | 0.11 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 |
| 垂直空气间层 | 0.09 | 0.12 | 0.14 | 0.14 | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
例5.4.2某铝外窗采用6+9A+5的中空玻璃，求6+9A+5中空玻璃的热阻及传热系数
按式5.4.1计算出玻璃的热阻：
6mm厚平板玻璃的热阻
5mm厚平板玻璃的热阻
按表5.4.8及表5.4.9查出玻璃的内外表面换热阻
内表面换热阻：
冬季外表面换热阻：
夏季外表面换热阻：
按表5.4.10-1及表5.4.10-2查出9mm空气间层热阻
冬季空气间层热阻：
夏季空气间层热阻：
按式5.4.3计算得出6+9A+5中空玻璃的热阻为：
冬季：
夏季：
6+9A+5中空玻璃的传热系数为：
冬季：
夏季：
（5） 铝门窗框梃扇的热阻确定：
铝门窗的玻璃由于材料单一，材性布置均匀，所以可以按照平壁稳定传热的模型来确定其传热系数；但铝门窗的边框、中梃以及开启扇却不能按照平壁稳定传热的模型来确定其传热系数。作为隔热型铝门窗，其框梃扇一般都是由铝合金型材以及尼龙隔热条来组成。由其断面图可知，在垂直于热传导方向上，铝门窗框梃扇的材质并不统一。有由封闭空气层和铝组成的传热面，也有由封闭空气层与尼龙隔热条组成的传热面。若还使用平壁稳定传热的模型，统计出每个面的热阻并进行计算，将带来很多问题：1.这样的非匀质层面太多，计算量大；2.求总热阻的时候是各层热阻求和，单层热阻计算已经存在误差，由于需计算的层面太多，造成误差叠加，可能加大误差，以至于偏离真实热阻值。所以平壁稳定传热的模型在此时是不适用的。
铝门窗框梃扇传热复杂，一般情况下若要较为准确的计算其热阻，都依靠热工分析软件或者实验来计算其热阻。此处提供一种简易算法以供采用。
以铝窗的框梃扇为例，将铝型材简化成如下图（图5.4.1）的模型。
图5.4.1 铝门窗框梃扇的计算模型
由图可知，由于隔热型材结构原因形成了很多小的空腔，为了方便计算，同时在厚度为d的平行间隙中，在建筑中常见的边界温差下，空气对流受到很大的制约，空腔间隙对流换热微乎其微，既认为空气间隙只存在热传导，在每一个夹层的当量导热系数和厚度知道的情况下，其空腔中空气的当量导热系数可按下式计算：
（5.4.4）
或者 （5.4.5）
式中
：内部夹层的导热系数（）；
：夹层的厚度（）；
：内部夹层的厚度（）。
５．5——门窗遮阳分析和计算（冯）
5．5．1 太阳高度角与方位角的计算
为了进行日照时数、日照面积、房屋朝向和间距以及房屋周围阴影区范围等问题的设计，就必须确定太阳的高度角以及方位角。
影响太阳高度角和方位角的因素有三个：赤纬，它表明季节（即日期）的变化；时角，它表明时间的变化；地理纬度，它表明观察点所在地方的差异。
5．5．1．1 太阳高度角和方位角的计算公式为
（1） 求太阳高度角
（5.5.1）
（2） 求太阳方位角
（5.5.2）
（3） 求日出，日没时的方位角
因日出、日没时，代入式（5.5.1）和式（5.5.2）得
（5.5.3）
（5.5.4）
（4） 求中午的太阳高度角
以，代入式（5.5.1）得
（5.5.5）
（5） 关于计算参数的说明
时角正午12点时为0，每小时15度，上午为正，下午为负。
（6） 司机阳光直射地球的变化
| 节气 | 日期 | 赤纬 | 节气 | 日期 | 赤纬 |
| 立春 | 2月4日 | (-16°23′) | 立秋 | 8月8日 | 16°18′ |
| 雨水 | 2月19日 | (-11°29′) | 处暑 | 8月23日 | 11°38′ |
| 惊蛰 | 3月6日 | (-5°53′) | 白露 | 9月8日 | 5°55′ |
| 春分 | 3月21日 | 0°00′ | 秋分 | 9月23日 | 0°09′ |
| 清明 | 4月5日 | 5°51′ | 寒露 | 10月8日 | (-5°40′) |
| 谷雨 | 4月20日 | 11°19′ | 霜降 | 10月24日 | (-11°33′) |
| 立夏 | 5月6日 | 16°22′ | 立冬 | 11月8日 | (-16°24′) |
| 小满 | 5月21日 | 20°04′ | 小雪 | 11月23日 | (-20°13′) |
| 芒种 | 6月6日 | 22°35′ | 大雪 | 12月7日 | (-22°32′) |
| 夏至 | 6月22日 | 23°27′ | 冬至 | 12月22日 | (-23°27′) |
| 小暑 | 7月7日 | 22°39′ | 小寒 | 1月6日 | (-22°34′) |
| 大暑 | 7月23日 | 20°12′ | 大寒 | 1月20日 | (-20°14′) |
5．5．2 综合遮阳系数
5．5．2．1 综合遮阳系数的计算
有外遮阳时：综合遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数
无外遮阳时：综合遮阳系数=玻璃的遮阳系数
（5.5.6）
式中
：窗的综合遮阳系数；
：玻璃的遮阳系数；
：窗框的遮阳系数；
：窗的外遮阳系数。
5．5．2．2 玻璃的遮阳系数
（5.5.7）
式中
：玻璃的遮阳系数；
：玻璃的太阳光总透射比；
：3mm厚的普通透明平板玻璃的太阳能总投射比，理论值为0.9。
5．5．2．3 窗框的遮阳系数
（5.5.8）
式中
：玻璃的遮阳系数；
：窗框的遮阳系数；
：玻璃的面积；
：窗框的面积。
考虑到窗框一般不透明，透过窗框的太阳辐射热不多，而且窗框所占面积小，令为零，那么窗框的遮阳系数为：
（5.5.9）
5．5．2．4 外遮阳板（水平、垂直、综合）的遮阳系数计算
图5.5.1 水平、垂直遮阳板示意图
水平遮阳板： （5.5.10）
垂直遮阳板： （5.5.11）
遮阳板外挑系数： （5.5.12）
式中
：水平遮阳板夏季外遮阳系数；
：垂直遮阳板夏季外遮阳系数；
、、、：计算系数，按表5.5.2取定；
：遮阳板外挑系数，当计算出的时，取；
：遮阳板外挑长度（见图5.5.1）；
：遮阳板根部到窗对边距离（见图5.5.1）。
| 气候区 | 遮阳装置 | 系数 | 东 | 东南 | 南 | 西南 | 西 | 西北 | 北 | 东北 |
| 寒冷地区 | 水平遮阳板 | ah | 0.35 | 0.53 | 0.63 | 0.37 | 0.35 | 0.35 | 0.29 | 0.52 |
| bh | -0.76 | -0.95 | -0.99 | -0.68 | -0.78 | -0.66 | -0.54 | -0.92 | ||
| 垂直遮阳板 | av | 0.32 | 0.39 | 0.43 | 0.44 | 0.31 | 0.42 | 0.47 | 0.41 | |
| bv | -0.63 | -0.75 | -0.78 | -0.85 | -0.61 | -0.83 | -0. | -0.79 | ||
| 夏热冬冷地区 | 水平遮阳板 | ah | 0.35 | 0.48 | 0.47 | 0.36 | 0.36 | 0.36 | 0.3 | 0.48 |
| bh | -0.75 | -0.83 | -0.79 | -0.68 | -0.76 | -0.68 | -0.58 | -0.83 | ||
| 垂直遮阳板 | av | 0.32 | 0.42 | 0.42 | 0.42 | 0.33 | 0.41 | 0.44 | 0.43 | |
| bv | -0.65 | -0.8 | -0.8 | -0.82 | -0.66 | -0.82 | -0.84 | -0.83 | ||
| 夏热冬暖地区 | 水平遮阳板 | ah | 0.35 | 0.42 | 0.41 | 0.36 | 0.36 | 0.36 | 0.32 | 0.43 |
| bh | -0.73 | -0.75 | -0.72 | -0.67 | -0.72 | -0.69 | -0.61 | -0.78 | ||
| 垂直遮阳板 | av | 0.34 | 0.42 | 0.41 | 0.41 | 0.36 | 0.4 | 0.32 | 0.43 | |
| bv | -0.68 | -0.81 | -0.72 | -0.82 | -0.72 | -0.81 | -0.61 | -0.83 | ||
| 注：其他朝向的计算系数按上表中最接近的朝向选取。 | ||||||||||
5．5．2．5 窗口前方所设置的并与窗面平行的挡板（或花格等）遮阳的外遮阳系数应按下式计算确定：
（5.5.13）
式中
：挡板轮廓透光比。即窗洞口面积减去挡板轮廓由太阳光线投影在窗洞口上所产生的阴影面积后的剩余面积与洞口面积的比值。挡板各朝向的轮廓透光比按该朝向上的4组典型太阳光线入射角，采用平行光投射方法分贝计算或实验测定，其轮廓透光比取4个透光比的平均值。典型太阳入射角按表5.5.3取定；
表5.5.3 典型太阳光线入射角
：挡板构造投射比。
混凝土、金属类挡板取
厚帆布、玻璃钢类挡板取
深色玻璃、有机玻璃类挡板取
浅色玻璃、有机玻璃类挡板取
金属或其他非透明材料制作的花格、百叶类构造取
| 窗口朝向 | 南 | 东、西 | 北 | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 太阳高度角 | 0 | 0 | 60 | 60 | 0 | 0 | 45 | 45 | 0 | 30 | 30 | 30 |
| 太阳方位角 | 0 | 45 | 0 | 45 | 75 | 90 | 75 | 0 | 180 | 180 | 135 | -135 |
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