《Energy and Buildings》：Thermal performance of aluminium-timber composite frames in curtain wall systems
编辑推荐：
本研究提出一种铝木复合百叶窗框设计，通过外层铝材结构层与内层胶合木隔热层结合，有效降低建筑 envelope 的热传导。基于ISO标准，对三种木材种类、三种厚度及多种热断桥和结构设计进行参数分析，数值模拟验证显示，采用雪松木且厚度19.5mm时，U值较传统铝框降低58%，同时保持结构稳定性和制造简便性，为节能建筑提供新方案。
Viet Thang Nguyen|Shanmuganathan Gunalan|Peter Woodfield|Jeung Hwan Doh|Michael Baker|Jim Stringfellow
澳大利亚昆士兰格里菲斯大学工程与建筑环境学院
摘要
建筑物的供暖和制冷占建筑运营能耗的很大比例，其中大量的热量交换通过建筑围护结构发生。铝制幕墙因其结构性能、耐用性和抗腐蚀性而被广泛采用，但其高导热性导致了显著的建筑能耗损失。本研究介绍了一种新型的铝木复合幕墙框架，其中铝作为结构核心，外部包裹着胶合木，结合了耐用性和优异的热性能。根据ISO 10077-2:2017标准，采用混合评估方法进行了全面的参数研究。评估了36种配置，涉及三种木材类型、三种厚度以及不同的隔热和结构设计选项。结果表明，与传统铝制框架相比，这种复合框架的U值显著降低。当与雪松木材结合使用时，隔热层进一步降低了U值，使其低于2.0 W/m2·K。结构玻璃比普通玻璃提高了35-40%的热绝缘性能。分析方法与数值模拟结果高度吻合，实现了快速的设计优化。线性回归分析还显示了框架热性能与窗面板之间的明确线性关系。这种混合评估方法为设计师提供了一种实用工具，可以在不进行昂贵物理测试的情况下进行早期热性能优化，从而支持开发高性能、节能的幕墙系统，以满足可持续建筑设计的需求。
引言
幕墙在现代商业建筑中得到广泛应用，因其良好的抗风性能以及易于制造和安装而受到重视。在考虑通风设计时，热传导率（U值）是计算通过立面传递热量的关键参数[1]。尽管玻璃技术的进步已将玻璃中心的U值降低到低至0.4 W/m2·K[2][3]，但框架仍然是一个重要的热桥，其U值通常比玻璃本身高几倍。铝因其强度、耐用性、轻质性和抗腐蚀性成为幕墙框架的主要材料[4][5]。然而，其高导热性使其成为热量传递的主要途径，导致建筑物的供暖和制冷需求增加，从而增加了运营能耗[6][7]。由于建筑物中超过50%的热量和能量损失是通过建筑围护结构发生的[8]，这不仅提高了公用事业成本，还加剧了建筑行业的碳足迹问题，而在可持续设计中，建筑的能耗占全球能源消耗的40%以上[9]。
已经提出多种策略来解决铝制框架的热效率问题。这些策略包括使用低导热性聚合物进行隔热处理、采用结构框架设计，以及开发结合铝和木材的复合框架。Gustavsen等人[10]提出了一种使用替代隔热材料的框架，通过将木材集成到框架中来改变框架材料，并开发了新的间隔技术，可将框架的U值提高多达42%。Van Den Bossche等人[11]报告称，结合多种策略（如优化框架几何形状、改进垫圈和增加隔热层）可使U值提高多达56%。Jiao等人[12][13]进一步研究表明，通过结合木材填充物、结构设计和增强隔热层，铝木复合框架的性能可比传统铝制框架提高多达85%。
尽管取得了这些进展，但仍存在实际挑战。例如，将隔热材料的导热性降低到0.005 W/m·K是不可能的，因为目前可用于隔热的最低导热性材料是聚氨酯（PU），其导热性约为0.02 W/m·K[14]。此外，聚氨酯的机械性能不如聚酰胺，因此通常不用于幕墙系统。
如图1所示，之前的铝木复合框架解决方案在提高幕墙系统热性能方面显示出潜力。然而，尽管具有热优势，但一些实际限制限制了它们的广泛应用。图1a中的框架配置通过使用隔热层将U值降低了多达80%。然而，这种配置中的木质部分直接暴露在雨水和环境湿度等外部湿气源中，可能导致材料长期退化和铝木界面的劣化[15]。图1b中的带建筑木材的隔热铝框架代表了一种传统的铝制系统，增加了薄木质层。虽然这种方法改善了内部美观性，但由于木质层的厚度有限，对热绝缘性能的提升效果有限。图1c中的锯切木材复合框架采用全木质内部结构，具有良好的热性能。然而，其实际应用受到缺乏明确的结构连接机制以及与商业建筑中常用的单元化幕墙系统不兼容的限制。
本文将介绍一种新的设计，该设计保留铝作为防潮和结构核心，同时用胶合木（glulam）包围内部的铝，评估不同厚度的胶合木对框架的影响。此外，还将采用多种策略来提出优化设计。本文提出了一种分析计算方法，利用对流和传导热传递的基本原理来确定框架的U值。
本研究介绍了一种新型的铝木复合幕墙框架，其中铝作为连续的、防潮的结构核心，而胶合木仅应用于内侧作为热增强层。这种配置是基于结构性能、耐用性考虑以及与现有幕墙系统的实际兼容性而精心选择的。铝作为主要承重材料，因为它具有较高的强度重量比、抗腐蚀性，并在商业立面应用中得到广泛应用；而木材则具有较低的热导率和良好的建筑性能，但本质上对湿度暴露和长期环境影响更为敏感。通过保留传统的铝制幕墙配置并将木材限制在内部，所提出的设计旨在克服先前铝木复合系统在耐用性和可建造性方面的问题，同时最大化热性能。通过研究不同的胶合木厚度和设计策略，进行了全面评估，以确定优化的框架配置。此外，还开发了一种基于对流和传导热传递基本原理的分析计算方法，以便快速评估性能并进行早期设计优化，而无需根本改变现有的立面制造工艺。
最初，一维分析计算结果通过使用THERM 8.0的一系列二维有限元模型进行了验证。模型中使用的参数包括三种不同的木材厚度、三种木材类型、隔热选项和结构玻璃选项。共使用了36个模型来验证分析计算结果。此外，还使用了商业软件WINDOW 8.0来提供框架热性能与窗面板之间的关系。然后进行了详细的参数研究，利用经过验证的分析计算结果进一步探讨了各种参数的影响。
章节片段
框架类型
本节介绍了两种主要类型的框架：铝制框架和铝木复合框架。此外，还介绍了结构玻璃和隔热框架等变体。图2展示了铝制框架的类型。
数值建模
本节概述了用于评估不同幕墙框架类型热性能的数值建模方法。工作流程包括选择材料属性、设置截面几何形状、指定边界条件、定义建模假设以及进行网格收敛性分析。所有模拟均使用THERM 8.0软件进行，遵循ISO 10077-2:2017标准[18]，以确保U值预测的一致性和准确性。
假设和初始条件
框架U值的分析计算基于几个关键假设，以确保与数值模拟结果的一致性和可比性。
一维热流
假设热量通过框架截面垂直传递，这一假设适用于典型的幕墙剖面，但在角落或锚固点处可能会因三维效应引入轻微误差。
THERM结果
为了展示木材对幕墙框架U值的影响，使用了四种设计类型（类型1-4）进行铝制框架和复合框架的比较。
用于比较的代表性模型厚度为19.5毫米，完全由雪松木材制成[13]。铝制框架和复合框架之间的比较结果见表5。表面温度和热流量的可视化对比见图8-11。
木材集成到
结论
本研究全面探讨了复合幕墙中的热桥效应减少问题，提出了一种新的防潮设计，挑战了对传统隔热层的依赖。研究表明，仅通过集成木材就可以实现显著的热性能改进，同时保持结构完整性和制造的简便性。
所提出的复合设计带来了卓越的性能提升：U值降低了58%和55%
科学写作中生成式AI的声明
在准备本工作时，作者使用了Perplexity工具来提高内容的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Viet Thang Nguyen：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Shanmuganathan Gunalan：撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、概念化。Peter Woodfield：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。Jeung Hwan Doh：撰写——审阅与编辑、监督。Michael Baker：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
