基于被動房需求的建筑門窗節(jié)能性能研究

0 引言

傳統(tǒng)建筑門窗的主要功能是遮風(fēng)、避雨、采光。隨著建筑節(jié)能工作的深入推進(jìn)，門窗作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由于其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故門窗系統(tǒng)是影響超低能耗建筑節(jié)能效果的主要關(guān)鍵部位。隨著超低能耗建筑在我國的快速發(fā)展，高性能系統(tǒng)門窗已成為門窗行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題。

我國門窗行業(yè)針對門窗系統(tǒng)的窗框系統(tǒng)的腔體數(shù)量、腔體幾何比例、型材截面等因素對型材的傳熱系數(shù)影響進(jìn)行了大量熱工性能研究；埃因霍溫科技大學(xué)的研究團(tuán)隊開展了門窗節(jié)能性與高視覺舒適性優(yōu)化設(shè)計研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計原則及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);德國針對節(jié)能窗的合成復(fù)合材料及型材熱工性能進(jìn)行了廣泛研究，研制了系列高性能門窗產(chǎn)品并應(yīng)用于被動式建筑中。

為實現(xiàn)門窗系統(tǒng)節(jié)能性能顯著提升，滿足我國超低能耗建筑對高性能門窗系統(tǒng)的發(fā)展需求，本文針對型材材質(zhì)、腔體截面優(yōu)化設(shè)計、玻璃系統(tǒng)配置、密封材料性能、五金系統(tǒng)、窗型等主要因素對門窗系統(tǒng)熱工性能的影響采用理論計算、模擬計算等方法分析，提出實現(xiàn)門窗系統(tǒng)節(jié)能性能提升的主要途徑。

1 超低能耗建筑對門窗的性能要求

我國不同氣候區(qū)域氣候條件差異較大，對門窗性能要求也不同?！侗粍邮匠湍芎木G色建筑技術(shù)導(dǎo)則( 居住建筑) 》中規(guī)定:其他性能要求: 氣密性等級不應(yīng)低于8 級，水密性等級不應(yīng)低于6級，抗風(fēng)壓性能不應(yīng)低于9級，隔聲性能應(yīng)滿足GB50118《建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》的要求。住宅建筑一般外窗底限標(biāo)準(zhǔn)要求空氣隔聲量不小于25 dB。

表1 典型氣候區(qū)外窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)(SHGC) 參考值

由表1 可知: 隨著氣候區(qū)自南向北，我國門窗系統(tǒng)保溫性能( 傳熱系數(shù)) 要求逐步提高，嚴(yán)寒地區(qū)要求最高；嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，冬季以獲得太陽得熱量為主，太陽得熱系數(shù)( SHGC) 應(yīng)盡量選擇對應(yīng)典型氣候區(qū)外窗傳熱系數(shù)參考值的上限，同時兼顧夏季隔熱要求；夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)以盡量減少夏季輻射得熱為主，SHGC 值則應(yīng)盡量選擇對應(yīng)典型氣候區(qū)太陽得熱系數(shù)參考值的下限，同時兼顧冬季得熱。

2 德國節(jié)能門窗的做法

德國是門窗節(jié)能性能要求比較高的國家?，F(xiàn)階段德國外門窗的傳熱系數(shù)K≤0. 6～1. 1 W/(㎡·K) ，實現(xiàn)的主要技術(shù)方法主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）型材系統(tǒng)：PVC 塑料型材主要采用加大型材壁厚，增加保溫腔室，一般為5～7 個保溫腔室，大截面保溫腔室采用填充聚氨酯泡沫等高效保溫材料提高保溫效果降低腔室對流傳熱，開發(fā)能夠替代增強(qiáng)鋼襯的改性PVC塑料型材或增強(qiáng)纖維型材; 斷橋鋁合金型材采取增大斷橋保溫材料寬度、填充保溫材料等方法提高型材保溫效果; 木門窗采取增大型材寬度降低型材傳熱系數(shù)。

（2）玻璃系統(tǒng)：使用充惰性氣體的Low－E 中空玻璃、Low－E 三玻兩腔玻璃、真空復(fù)合中空玻璃，合理選取中空玻璃間隔層寬度等措施降低玻璃傳熱系數(shù)。

（3) 密封系統(tǒng)：采用三元乙丙密封膠條或硅橡膠密封膠條，科學(xué)設(shè)計密封系統(tǒng)配合尺寸。

（4) 五金系統(tǒng)：通過精密的轉(zhuǎn)換設(shè)計實現(xiàn)平開、平開上懸、平開下懸多種開啟方式; 采用多鎖點(diǎn)設(shè)計均勻分配系統(tǒng)壓縮力，提高系統(tǒng)密封性能；良好的力學(xué)性能保證系統(tǒng)安全性和耐久性。

3 我國實現(xiàn)門窗節(jié)能性能的途徑

參考德國的做法，實現(xiàn)門窗系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果最優(yōu)，需要從材料( 含型材、增強(qiáng)、附件、密封、五金、玻璃) 入手，同時結(jié)合門窗構(gòu)造、門窗形式、設(shè)計規(guī)則、加工工藝、安裝方法等要求提出技術(shù)實現(xiàn)途徑。

3.1 型材材質(zhì)選擇及腔體優(yōu)化設(shè)計

3.1.1 型材材質(zhì)選擇

常用門窗型材有塑料型材、鋁合金型材、木型材、木鋁復(fù)合型材和鋁木復(fù)合型材等。從提升整窗保溫性能的角度，以相同的玻璃配置，比較不同型材組合下的整窗保溫性能。詳見表2。

表2 相同玻璃配置、不同型材的整窗傳熱系數(shù)

相同的玻璃配置，塑料窗與木窗的整窗傳熱系數(shù)很接近，鋁合金窗較前者保溫性能降低8%～27%，木鋁復(fù)合窗較前者保溫性能降低13%～17%，鋁木復(fù)合窗較前者保溫性能降低7%～9%。其中鋁合金窗保溫性能最差，塑料窗和木窗保溫性能最好，鋁木復(fù)合窗和木鋁復(fù)合窗性能次之。由此可見：在型材選擇上，優(yōu)先考慮塑料和木型材，復(fù)合型材要綜合考慮。

3.1.2 型材腔體截面優(yōu)化設(shè)計

以某廠86系列6腔體塑料型材為例，型材截面圖見圖1。針對型材腔體截面的不同做法，采用MOC－1軟件進(jìn)行模擬計算，比較其熱工性能差異，模擬結(jié)果見表3。

圖1 型材斷面圖

計算邊界條件為: 室內(nèi)空氣溫度為20℃，室外空氣溫度為－20 ℃，室內(nèi)對流換熱系數(shù)為3.6 W/(㎡·K) ，室外對流換熱系數(shù)為16W/( ㎡·K) ，太陽輻射照度為300W/㎡，采用的玻璃配置為5Low－E+14Ar+5Low－E+12Ar+5，其中物理模型左側(cè)為室外側(cè)。

表3 型材腔體截面不同做法的傳熱系數(shù)

從表3 可得出:

（1) 無鋼襯型材傳熱系數(shù)明顯優(yōu)于帶鋼襯的型材，上框、下框、中豎挺傳熱系數(shù)降低25.3%～28.2%;

（2) 在大尺寸腔體內(nèi)填充保溫材料可有效控制對流傳熱，降低型材傳熱系數(shù)。在帶鍍鋅鋼襯的上框、下框、中豎挺腔體內(nèi)填充聚氨酯保溫材料傳熱系數(shù)降低5.3%～13.8%;

（3) 將鍍鋅鋼襯更換為高強(qiáng)度、低傳熱系數(shù)的玻璃鋼襯，可有效降低型材傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)降低22.1%～25.6%。

3.1.3 型材腔體數(shù)量及分析

計算邊界條件與3.1.2 計算邊界條件相同，在86系列型材基礎(chǔ)上，改變86系列型材腔體數(shù)量進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果見圖2。

圖2 型材傳熱系數(shù)隨腔體數(shù)量的變化

由圖2 可以看出隨著上框型材腔體數(shù)量增加，上框傳熱系數(shù)逐漸減小，由五腔上框傳熱系數(shù)1.03 W/(㎡·K) 降低至九腔上框傳熱系數(shù)0.84 W/(㎡·K) 。主要原因為：當(dāng)型材厚度相同時，增加腔體數(shù)量可降低腔體內(nèi)對流傳熱。故對于86 系列型材設(shè)計時兼顧經(jīng)濟(jì)性可采用7腔以上設(shè)計。

圖3～5分別為五腔上框溫度場圖、七腔上框溫度場圖、九腔上框溫度場圖，可以看出隨著型材腔體數(shù)量增加，型材中部溫度場溫度和所占面積明顯增大，室內(nèi)側(cè)9.9～17.9 ℃溫度區(qū)域面積增加，型材溫度場有顯著改善。

圖3 五腔上框溫度場圖

圖4 七腔上框溫度場圖

圖5 九腔上框溫度場圖

3.2 玻璃配置選擇

以保溫效果較好的塑料窗、木窗為例，比較相同型材、不同玻璃配置的整窗保溫性能，詳見表4。

表4 不同玻璃配置、相同型材的整窗傳熱系數(shù)

從序號1測試結(jié)果可知，三玻兩腔中空玻璃配置，整窗傳熱系數(shù)1.8～2.0 W/( ㎡·K) ，嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)是不適宜的，其他氣候區(qū)只能滿足上限要求。從序號6～9測試結(jié)果可知，通過單側(cè)鍍銀后，保溫性能提升了10%～22%，提高幅度較大；通過雙側(cè)玻璃鍍銀，保溫性能提升11%～13%，但仍然不滿足嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的需求，在其他氣候區(qū)應(yīng)用較為適宜。

從序號2～4可知，兩玻單腔中空玻璃，單側(cè)玻璃鍍銀后傳熱系數(shù)在1.7～2.0 W/(㎡·K) ，嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)是不適宜的，其他氣候區(qū)只能滿足上限要求。通過單側(cè)玻璃鍍膜，不管是單銀、雙銀，還是三銀，對門窗保溫性能的提升沒有明顯影響。

從序號5可知，兩玻單腔中空玻璃+真空玻璃，整窗傳熱系數(shù)1.6～1.8 W/( ㎡·K) ，較普通的三玻兩腔中空玻璃配置提高10%～11%，但在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)仍然是不適宜的，其他氣候區(qū)只能滿足上限要求。從序號10～11 可知，在序號5的基礎(chǔ)上，增加鍍銀，保溫性能提升39%～44%，提升幅度最大，適宜各類氣候區(qū)，但對于嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的極端條件，還是不滿足的。

3.3 密封材料的選擇

3.3.1 密封材料常見質(zhì)量問題

（1) 密封膠條使用耐久性差，使用不久，變硬變脆，失去彈性，密封效果顯著下降;

（2) 密封膠條安裝后，短時間內(nèi)收縮脫落，導(dǎo)致返工;

（3) 受太陽光照射或受熱后，密封膠條發(fā)粘，附著在窗體和玻璃上，出現(xiàn)“滲油”現(xiàn)象，污染門窗;

（4) 因結(jié)構(gòu)原因造成密封膠條的虛粘、假粘，密封效果差。

由此可見，應(yīng)選擇性能優(yōu)異的密封材料，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從根本上解決密封材料的質(zhì)量問題。

3.3.2 密封材料關(guān)注的主要性能

（1) 回彈恢復(fù): 密封膠條試樣或制品受到壓縮后恢復(fù)其自由高度的能力;

（2) 自由高度: 密封膠條試樣或制品在零負(fù)荷下的高度;

（3) 工作范圍: 門窗關(guān)閉或玻璃鑲嵌的工作狀態(tài)，密封膠條可壓縮的距離;

（4) 定伸強(qiáng)度: 試樣拉伸達(dá)到給定長度所需施加的單位面積上的負(fù)荷量，是檢驗橡膠材料的一項重要指標(biāo)。

3.3.3 推薦密封材料

三元乙丙橡膠( EPDM) 分子結(jié)構(gòu)中的主鏈不含雙鍵，能夠完全抵抗空氣中臭氧和氧的腐蝕，在臭氧濃度為100PPM 的環(huán)境中，2430h內(nèi)不出現(xiàn)龜裂(丁基橡膠500h龜裂，氯丁橡膠40h龜裂) ; 在50PPM、靜拉伸30%的條件下，150h不龜裂(丁基橡膠2h龜裂) 。常與二烯彈性體并用，以改善其耐臭氧性和抗氧化性(NＲ、SBＲ等遇到臭氧時會引起應(yīng)力開裂、落片和物理性能劣化) ，具有優(yōu)異的耐臭氧和耐氧化性。

EPDM具有良好的耐候性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性能、耐多種極性溶劑等性能，是目前國內(nèi)門窗理想的配套材料。

3.4 五金件

門窗五金件的質(zhì)量好壞直接影響門窗的使用壽命和整窗氣密性能，因此要慎重選擇。門窗五金件通常包括開窗器、閉門器、合頁、拉手、插銷。一般不銹鋼的門窗五金件使用壽命為8年以上，質(zhì)量好的五金件表面光澤度要好，保護(hù)層致密，沒有碰劃傷現(xiàn)象開啟應(yīng)靈活。當(dāng)前我國門窗行業(yè)使用的五金及型材系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大部分與歐洲的現(xiàn)行系統(tǒng)相同。其特點(diǎn)是除了窗扇的四邊可以同時鎖緊外，五金系統(tǒng)可以實現(xiàn)窗扇相對于窗框的三維調(diào)整，最大限度地保證了門窗各項性能處于最佳狀態(tài)。但不同五金件對門窗節(jié)能性能影響的量化分析有待進(jìn)一步研究。

3.5窗型設(shè)計及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

門窗的形式設(shè)計包括門窗的形狀、尺寸、開啟形式( 平開、推拉、折疊、懸窗等) 、分格、構(gòu)造( 如框、扇、中橫框、中豎框、拼接、延伸功能、安裝) 。不同設(shè)計形式不僅影響門窗的節(jié)能性能，還直接決定門窗的成本。

公式（1) 為整窗傳熱系數(shù)理論計算公式:

式中：Ut為整樘窗的傳熱系數(shù);
Ag為窗玻璃面積;
Ug為窗玻璃的傳熱系數(shù);
Af為窗框面積;
Uf為窗框的傳熱系數(shù);
lφ為玻璃區(qū)域的邊緣長度;
φg為窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數(shù);
At為窗面積。

由式（1) 可知整窗傳熱系數(shù)與型材傳熱系數(shù)、玻璃傳熱系數(shù)、線傳熱系數(shù)密切相關(guān);

圖6為我國門窗標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)窗型，圖7為無亮子窗型。在兩窗型玻璃配置為5Low－E+14Ar+5Low－E+12Ar+5，86系列型材(上框傳熱系數(shù)為0.95W/(㎡·K) ，下框傳熱系數(shù)為1.17 W/(㎡·K) ，中橫梃傳熱系數(shù)為1.45 W/( ㎡·K) ，中豎挺為1.60 W/(㎡·K) ，以及整窗尺寸、計算邊界條件都相同時得出：窗系統(tǒng)標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)窗型傳熱系數(shù)為1.09 W/(㎡·K) ，無亮子窗型傳熱系數(shù)為1.01W/(㎡·K) ，無亮子窗型由于減少了中橫挺和中橫挺線傳熱長度lφ，從而降低了整窗傳熱系數(shù)。在被動式超低能耗建筑、零能耗建筑等對窗系統(tǒng)保溫性能要求高的建筑中，建議使用無亮子窗型。

圖6 我國門窗標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)窗型

圖7 無亮子窗型

國內(nèi)已經(jīng)相繼開發(fā)門窗設(shè)計優(yōu)化軟件，通過軟件模擬、理論分析，可優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，有效減少中試成本，縮短研發(fā)周期，實現(xiàn)門窗系統(tǒng)綜合性能優(yōu)化。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)典型氣候區(qū)的氣候特征，關(guān)注不同氣候區(qū)門窗系統(tǒng)熱工性能的差異化需求，選擇配套節(jié)能玻璃、型材、密封材料以及五金件，通過軟件模擬、理論分析，可以得出通過以下途徑可有效提升門窗節(jié)能性能:

（1) 在型材選擇上，優(yōu)先考慮塑料和木型材，復(fù)合型材要綜合考慮。型材的腔體宜選擇6腔及以上腔體，且截面填充聚氨酯等高效保溫材料，有效提升型材的保溫性能。

（2) 玻璃配置應(yīng)結(jié)合不同氣候區(qū)的需求，選擇不同配置。通過改變玻璃腔體層數(shù)，增加玻璃鍍膜等方式，可滿足嚴(yán)寒寒冷地區(qū)之外的氣候區(qū)的需求; 嚴(yán)寒寒冷地區(qū)宜采用中空復(fù)合真空的玻璃配置。

（3) 在力學(xué)性能可以保證的前提下推薦使用無亮子典型窗型，降低整窗傳熱系數(shù)提高窗系統(tǒng)保溫性能。

（4) 采用具有良好的耐候性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性能、耐多種極性溶劑等性能的密封材料，配套五金系統(tǒng)，實現(xiàn)窗扇相對于窗框的三維調(diào)整，提高整窗的氣密性能。