设计师在设计建筑物时，常常会考虑：怎样才能让建筑物内部保持舒适的温度，使人感到冬暖夏凉呢？这可以通过对建筑物的窗户结构进行精心设计来实现。本篇博文我们将了解到窗户的隔热作用，简单来说，就是建筑内部和室外之间的热量是如何通过窗户传递（或隔绝）的。
什么是隔热窗户
要使建筑物窗户传递的热量最小，选择正确的材料和设计是关键。现在，建筑物中的窗户大多为隔热玻璃。隔热玻璃一般由 2~3 块玻璃板制成，玻璃板之间有一定的空隙，起到隔热的作用（在极寒气候环境中，有时甚至用 4 个或 5 个玻璃板制成窗户。）
通常用垫片来分隔 2 块玻璃板。传统的垫片是由金属制成的，但是金属的导热性很好，会加快热量传递，这与我们的设计目标相反。因此，结构泡沫或涂有隔热层的铝是更常用的垫片材料。在玻璃板之间，一般充满了具有较低导热率的气体（例如氩气或氪气），以减少玻璃板之间的热传递。由于这些气体的导热系数比空气低，因此能够很好地阻挡热传导。
窗户结构示意图。粉色块是垫片，红色区域是密封件。图片由Wikipedia提供。
窗户的隔热建模
设计隔热窗户时，确保玻璃之间的空隙宽度正确非常重要。如果空间太大，气体中会发生对流，如果没有阻尼，对流会将热量从较热的玻璃板传导到较冷的玻璃板。另一方面，如果没有足够的空间，热量将很容易从一个窗板传递到另一个窗板，因为它们之间的距离太近，可能发生传导。
我们可以借助仿真软件来设计窗户玻璃之间的最佳距离。国际标准 ISO 10077-2：2012 规定了如何使用仿真软件来预测窗户、门和百叶窗的热性能，并提供了一系列基准。仿真软件必须通过这些基准测试才能被认定为有效的模拟。COMSOL Multiphysics 已经成功通过所有这些基准测试。下面，我们以其中一个基准模型——模拟窗户的热性能为例来进行验证。
窗框和玻璃的横截面。
上图为使用 COMSOL 软件模拟的双层玻璃窗的几何模型。模型包括填充气体；由铝薄板、硅胶层和聚酰胺层组成的垫片；具有多个空腔的木质边框，以及几块乙烯丙烯二烯单体（EPDM）密封橡胶（橡胶可以使窗框保持气密性和防水性）。
窗框中的空腔
在设置仿真模型研究传热时，框架的构成是重要的考虑因素。通常，会在窗框中内置一些空腔。只要空腔中的对流受到限制，它们就可以起到隔热作用。根据每个空腔的形状和通风量，ISO 10077-2：2012 标准对其进行了分类。
空腔的类型有：不通风（完全关闭），这种空腔被嵌在框架内部，与外部边界没有任何连接，或者通过小于 2mm 的缝隙连接；微量通风，即用小于 10mm 的缝隙连接内部与外部的边界；通风良好，上述2种类型以外的所有空腔（通常更多地暴露于外部边界）。
此外，窗户框架的导热性也会影响窗户的隔热（冷）效果。塑料或木制框架（如上图所示）具有较低的导热性和良好的隔热性。由导热性更好的材料（例如金属）制成的框架传热作用更强。铝制框架具有良好的材料强度，常被用于商业建筑，但是，需要精心设计框架才能获得良好的热性能。
隔热效果测试
那么窗户的隔热效果怎样呢？为了模拟穿过窗户的热流，我们需要考虑每种材料的热阻以及几何形状（包括空腔的大小、形状和位置）。同时，还要考虑内部和外部温度，传热计算系数以及定义热通量的边界条件。由下图显示的仿真结果可以看出，玻璃窗的外部边界和内部之间可能存在非常大的温差，这意味着窗户的隔热效果很好。
使用 COMSOL 模拟的窗户模型的温度截面分布。
更多模型案例
模拟建筑部件（如门、百叶窗和窗户）中的传热和热性能，请查看 COMSOL 模型案例教程：
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