基于被動(dòng)房需求的建筑門(mén)窗節能性能研究

0 引言

傳統建筑門(mén)窗的主要功能是遮風(fēng)、避雨、采光。隨著(zhù)建筑節能工作的深入推進(jìn)，門(mén)窗作為建筑外圍護結構的重要組成部分，由于其傳熱系數遠大于非透明圍護結構，故門(mén)窗系統是影響超低能耗建筑節能效果的主要關(guān)鍵部位。隨著(zhù)超低能耗建筑在我國的快速發(fā)展，高性能系統門(mén)窗已成為門(mén)窗行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

我國門(mén)窗行業(yè)針對門(mén)窗系統的窗框系統的腔體數量、腔體幾何比例、型材截面等因素對型材的傳熱系數影響進(jìn)行了大量熱工性能研究；埃因霍溫科技大學(xué)的研究團隊開(kāi)展了門(mén)窗節能性與高視覺(jué)舒適性?xún)?yōu)化設計研究，提出了相應的設計原則及設計標準;德國針對節能窗的合成復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(mén)窗產(chǎn)品并應用于被動(dòng)式建筑中。

為實(shí)現門(mén)窗系統節能性能顯著(zhù)提升，滿(mǎn)足我國超低能耗建筑對高性能門(mén)窗系統的發(fā)展需求，本文針對型材材質(zhì)、腔體截面優(yōu)化設計、玻璃系統配置、密封材料性能、五金系統、窗型等主要因素對門(mén)窗系統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(shí)現門(mén)窗系統節能性能提升的主要途徑。

1 超低能耗建筑對門(mén)窗的性能要求

我國不同氣候區域氣候條件差異較大，對門(mén)窗性能要求也不同?！侗粍?dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導則( 居住建筑) 》中規定:其他性能要求: 氣密性等級不應低于8 級，水密性等級不應低于6級，抗風(fēng)壓性能不應低于9級，隔聲性能應滿(mǎn)足GB50118《建筑隔聲設計規范》的要求。住宅建筑一般外窗底限標準要求空氣隔聲量不小于25 dB。

表1 典型氣候區外窗傳熱系數和太陽(yáng)得熱系數(SHGC) 參考值

由表1 可知: 隨著(zhù)氣候區自南向北，我國門(mén)窗系統保溫性能( 傳熱系數) 要求逐步提高，嚴寒地區要求最高；嚴寒和寒冷地區，冬季以獲得太陽(yáng)得熱量為主，太陽(yáng)得熱系數( SHGC) 應盡量選擇對應典型氣候區外窗傳熱系數參考值的上限，同時(shí)兼顧夏季隔熱要求；夏熱冬冷和夏熱冬暖地區以盡量減少夏季輻射得熱為主，SHGC 值則應盡量選擇對應典型氣候區太陽(yáng)得熱系數參考值的下限，同時(shí)兼顧冬季得熱。

2 德國節能門(mén)窗的做法

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

（1）型材系統：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(gè)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(kāi)發(fā)能夠替代增強鋼襯的改性PVC塑料型材或增強纖維型材; 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(mén)窗采取增大型材寬度降低型材傳熱系數。

（2）玻璃系統：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。

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

（4) 五金系統：通過(guò)精密的轉換設計實(shí)現平開(kāi)、平開(kāi)上懸、平開(kāi)下懸多種開(kāi)啟方式; 采用多鎖點(diǎn)設計均勻分配系統壓縮力，提高系統密封性能；良好的力學(xué)性能保證系統安全性和耐久性。

3 我國實(shí)現門(mén)窗節能性能的途徑

參考德國的做法，實(shí)現門(mén)窗系統的綜合節能效果最優(yōu)，需要從材料( 含型材、增強、附件、密封、五金、玻璃) 入手，同時(shí)結合門(mén)窗構造、門(mén)窗形式、設計規則、加工工藝、安裝方法等要求提出技術(shù)實(shí)現途徑。

3.1 型材材質(zhì)選擇及腔體優(yōu)化設計

3.1.1 型材材質(zhì)選擇

常用門(mén)窗型材有塑料型材、鋁合金型材、木型材、木鋁復合型材和鋁木復合型材等。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(jiàn)表2。

表2 相同玻璃配置、不同型材的整窗傳熱系數

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

3.1.2 型材腔體截面優(yōu)化設計

以某廠(chǎng)86系列6腔體塑料型材為例，型材截面圖見(jiàn)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，模擬結果見(jiàn)表3。

圖1 型材斷面圖

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

表3 型材腔體截面不同做法的傳熱系數

從表3 可得出:

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

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

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

3.1.3 型材腔體數量及分析

計算邊界條件與3.1.2 計算邊界條件相同，在86系列型材基礎上，改變86系列型材腔體數量進(jìn)行模擬計算，計算結果見(jiàn)圖2。

圖2 型材傳熱系數隨腔體數量的變化

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

圖3～5分別為五腔上框溫度場(chǎng)圖、七腔上框溫度場(chǎng)圖、九腔上框溫度場(chǎng)圖，可以看出隨著(zhù)型材腔體數量增加，型材中部溫度場(chǎng)溫度和所占面積明顯增大，室內側9.9～17.9 ℃溫度區域面積增加，型材溫度場(chǎng)有顯著(zhù)改善。

圖3 五腔上框溫度場(chǎng)圖

圖4 七腔上框溫度場(chǎng)圖

圖5 九腔上框溫度場(chǎng)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(jiàn)表4。

表4 不同玻璃配置、相同型材的整窗傳熱系數

從序號1測試結果可知，三玻兩腔中空玻璃配置，整窗傳熱系數1.8～2.0 W/( ㎡·K) ，嚴寒地區和寒冷地區是不適宜的，其他氣候區只能滿(mǎn)足上限要求。從序號6～9測試結果可知，通過(guò)單側鍍銀后，保溫性能提升了10%～22%，提高幅度較大；通過(guò)雙側玻璃鍍銀，保溫性能提升11%～13%，但仍然不滿(mǎn)足嚴寒地區和寒冷地區的需求，在其他氣候區應用較為適宜。

從序號2～4可知，兩玻單腔中空玻璃，單側玻璃鍍銀后傳熱系數在1.7～2.0 W/(㎡·K) ，嚴寒地區和寒冷地區是不適宜的，其他氣候區只能滿(mǎn)足上限要求。通過(guò)單側玻璃鍍膜，不管是單銀、雙銀，還是三銀，對門(mén)窗保溫性能的提升沒(méi)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%，但在嚴寒地區和寒冷地區仍然是不適宜的，其他氣候區只能滿(mǎn)足上限要求。從序號10～11 可知，在序號5的基礎上，增加鍍銀，保溫性能提升39%～44%，提升幅度最大，適宜各類(lèi)氣候區，但對于嚴寒地區和寒冷地區的極端條件，還是不滿(mǎn)足的。

3.3 密封材料的選擇

3.3.1 密封材料常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)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(zhù)下降;

（2) 密封膠條安裝后，短時(shí)間內收縮脫落，導致返工;

（3) 受太陽(yáng)光照射或受熱后，密封膠條發(fā)粘，附著(zhù)在窗體和玻璃上，出現“滲油”現象，污染門(mén)窗;

（4) 因結構原因造成密封膠條的虛粘、假粘，密封效果差。

由此可見(jiàn)，應選擇性能優(yōu)異的密封材料，進(jìn)行合理的結構設計，從根本上解決密封材料的質(zhì)量問(wèn)題。

3.3.2 密封材料關(guān)注的主要性能

（1) 回彈恢復: 密封膠條試樣或制品受到壓縮后恢復其自由高度的能力;

（2) 自由高度: 密封膠條試樣或制品在零負荷下的高度;

（3) 工作范圍: 門(mén)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) 定伸強度: 試樣拉伸達到給定長(cháng)度所需施加的單位面積上的負荷量，是檢驗橡膠材料的一項重要指標。

3.3.3 推薦密封材料

三元乙丙橡膠( EPDM) 分子結構中的主鏈不含雙鍵，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內不出現龜裂(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(shí)會(huì )引起應力開(kāi)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，是目前國內門(mén)窗理想的配套材料。

3.4 五金件

門(mén)窗五金件的質(zhì)量好壞直接影響門(mén)窗的使用壽命和整窗氣密性能，因此要慎重選擇。門(mén)窗五金件通常包括開(kāi)窗器、閉門(mén)器、合頁(yè)、拉手、插銷(xiāo)。一般不銹鋼的門(mén)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，保護層致密，沒(méi)有碰劃傷現象開(kāi)啟應靈活。當前我國門(mén)窗行業(yè)使用的五金及型材系統的結構大部分與歐洲的現行系統相同。其特點(diǎn)是除了窗扇的四邊可以同時(shí)鎖緊外，五金系統可以實(shí)現窗扇相對于窗框的三維調整，最大限度地保證了門(mén)窗各項性能處于最佳狀態(tài)。但不同五金件對門(mén)窗節能性能影響的量化分析有待進(jìn)一步研究。

3.5窗型設計及節點(diǎn)構造

門(mén)窗的形式設計包括門(mén)窗的形狀、尺寸、開(kāi)啟形式( 平開(kāi)、推拉、折疊、懸窗等) 、分格、構造( 如框、扇、中橫框、中豎框、拼接、延伸功能、安裝) 。不同設計形式不僅影響門(mén)窗的節能性能，還直接決定門(mén)窗的成本。

公式（1) 為整窗傳熱系數理論計算公式:

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

由式（1) 可知整窗傳熱系數與型材傳熱系數、玻璃傳熱系數、線(xiàn)傳熱系數密切相關(guān);

圖6為我國門(mén)窗標識標準窗型，圖7為無(wú)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(上框傳熱系數為0.95W/(㎡·K) ，下框傳熱系數為1.17 W/(㎡·K) ，中橫梃傳熱系數為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(shí)得出：窗系統標識標準窗型傳熱系數為1.09 W/(㎡·K) ，無(wú)亮子窗型傳熱系數為1.01W/(㎡·K) ，無(wú)亮子窗型由于減少了中橫挺和中橫挺線(xiàn)傳熱長(cháng)度lφ，從而降低了整窗傳熱系數。在被動(dòng)式超低能耗建筑、零能耗建筑等對窗系統保溫性能要求高的建筑中，建議使用無(wú)亮子窗型。

圖6 我國門(mén)窗標識標準窗型

圖7 無(wú)亮子窗型

國內已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)門(mén)窗設計優(yōu)化軟件，通過(guò)軟件模擬、理論分析，可優(yōu)化節點(diǎn)構造，有效減少中試成本，縮短研發(fā)周期，實(shí)現門(mén)窗系統綜合性能優(yōu)化。

4 結論

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

（1) 在型材選擇上，優(yōu)先考慮塑料和木型材，復合型材要綜合考慮。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) 玻璃配置應結合不同氣候區的需求，選擇不同配置。通過(guò)改變玻璃腔體層數，增加玻璃鍍膜等方式，可滿(mǎn)足嚴寒寒冷地區之外的氣候區的需求; 嚴寒寒冷地區宜采用中空復合真空的玻璃配置。

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

（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，實(shí)現窗扇相對于窗框的三維調整，提高整窗的氣密性能。