王天東，楊寧

（連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司，江蘇 連云港　222006）

基于保溫性能計(jì)算的塑料門(mén)窗截面及窗型設(shè)計(jì)

王天東，楊寧

（連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司，江蘇 連云港222006）

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段利用熱工性能軟件對(duì)塑料門(mén)窗進(jìn)行保溫性能分析驗(yàn)證，以提高設(shè)計(jì)效率。從熱損失的產(chǎn)生入手，分析影響傳熱系數(shù)的因素，提出增加型材厚度及腔室、增加框扇密封層數(shù)、免鋼襯結(jié)構(gòu)、兼顧實(shí)用性及保溫性的鋁塑鋁結(jié)構(gòu)等4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并結(jié)合保溫性能計(jì)算結(jié)果，分析所設(shè)計(jì)截面及窗型的優(yōu)劣。

塑料門(mén)窗；保溫性能；傳熱系數(shù)；截面設(shè)計(jì)；窗型設(shè)計(jì)

0　引言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視，各級(jí)政府和相關(guān)部門(mén)紛紛出臺(tái)了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中北京、天津率先執(zhí)行節(jié)能75%的政策，建筑外窗的傳熱系數(shù)為1.5～2.0 W/（m2·K）。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化，各型材企業(yè)紛紛開(kāi)發(fā)傳熱系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的門(mén)窗。而如何能方便快捷地測(cè)試門(mén)窗的傳熱系數(shù)，即保溫性能的驗(yàn)證，越來(lái)越受到關(guān)注和重視。傳熱系數(shù)的計(jì)算模型、理論、公式已趨成熟。JGJ/T 151—2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》就是關(guān)于保溫性能熱工計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，其詳細(xì)規(guī)定了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的門(mén)窗和玻璃幕墻的傳熱系數(shù)計(jì)算公式和方法。為了減少工作量、提高效率，相關(guān)企事業(yè)單位開(kāi)發(fā)了可以模擬計(jì)算門(mén)窗傳熱系數(shù)的軟件，如國(guó)外的Therm系列軟件、國(guó)內(nèi)的粵建科MQMC系列軟件等，使得這一驗(yàn)證可以在應(yīng)用前就可實(shí)現(xiàn)［1-6］。

門(mén)窗熱損失大致有3個(gè)途徑：（1）門(mén)窗框扇與玻璃熱傳導(dǎo)（2）門(mén)窗框扇之間、扇與玻璃之間、框與墻體之間的空氣滲透熱交換；（3）窗玻璃的熱輻射。而降低型材門(mén)窗的傳熱系數(shù)就是在上述這些方面進(jìn)行改進(jìn)［1］。

本文從降低傳熱系數(shù)的因素入手，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的塑料門(mén)窗截面及窗型，并利用Therm軟件對(duì)保溫性能進(jìn)行驗(yàn)證。需要說(shuō)明的是，本文所計(jì)算的傳熱系數(shù)只是針對(duì)門(mén)窗的局部，即一側(cè)窗框的橫截面，反映的是型材保溫性能。整窗的傳熱系數(shù)是采用四周窗框、玻璃等各部分的傳熱系數(shù)按面積進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到的。經(jīng)保溫性能熱工計(jì)算分析，并考慮到型材只占門(mén)窗一部分面積，所以型材的傳熱系數(shù)要低于整窗傳熱系數(shù)才能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

1　增加型材厚度及腔室以降低傳導(dǎo)熱損失

增加型材厚度及腔室是降低傳熱系數(shù)最直接的手段。因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，并且腔室垂直于熱流方向分布，增加1層腔室可使傳熱系數(shù)降低約4%［1］。但增加腔室使得擠出模具供料腔、緊固螺釘?shù)臄[布位置變小，冷卻速度變慢，給擠出模具的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)一定難度。根據(jù)保溫性能熱工計(jì)算分析和擠出模具加工經(jīng)驗(yàn)，腔室尺寸應(yīng)不小于4 mm［1］。另外，增加型材厚度將導(dǎo)致門(mén)窗型材成本上升。所以設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮型材門(mén)窗保溫性能、模具加工難易程度、生產(chǎn)成本等因素。目前市場(chǎng)上占主流的塑料門(mén)窗是60平開(kāi)系列，結(jié)構(gòu)一般為三腔室兩密封，傳熱系數(shù)約為1.8 W/（m2·K），如采用Low-E雙層中空玻璃，整窗傳熱系數(shù)能達(dá)到2.0 W/（m2·K）。

為設(shè)計(jì)符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的型材門(mén)窗，我們采用75平開(kāi)系列，結(jié)構(gòu)為七腔室三密封，其型材組裝簡(jiǎn)圖、等溫曲線、傳熱系數(shù)如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)，平開(kāi)框、扇合理分布鋼襯腔、排水腔、保溫腔等。根據(jù)熱工性能分析經(jīng)驗(yàn)，腔室設(shè)置在室外側(cè)更能起到降低傳熱系數(shù)的效果，所以腔室盡可能排布在室外側(cè)。三密封結(jié)構(gòu)采用平行大膠條式，結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)啟方便；三密封膠條將框扇之間的空間分隔成水密室與氣密室，從而提高了密封性能，降低了門(mén)窗縫隙滲透耗熱量，使其保溫性能優(yōu)于兩道密封結(jié)構(gòu)。充分考慮到排水需求，框扇排水空間大、排水路線清晰、平開(kāi)扇外側(cè)凸出，起批水防雨作用。為了能更好地與75平開(kāi)七腔室三密封型材匹配，玻璃系統(tǒng)采用5+9A+5+9A+5結(jié)構(gòu)，玻璃為5 mm白玻，間隔層充氙氣，總厚度為32 mm。

從圖1可以看出，經(jīng)Therm軟件計(jì)算，75平開(kāi)七腔室三密封型材傳熱系數(shù)為1.4631 W/（m2·K），達(dá)到預(yù)期數(shù)值。從等溫曲線可以看出，溫度線分布均勻，充分發(fā)揮PVC型材高保溫性能；0℃線在鋼襯腔外側(cè)，室內(nèi)側(cè)最低點(diǎn)達(dá)到12.5℃，能很好地防止結(jié)露，整體保溫性能優(yōu)異［1-6］。

2　增加框扇密封層數(shù)以降低對(duì)流熱損失

普通塑料平開(kāi)門(mén)窗為兩密封結(jié)構(gòu)。兩密封結(jié)構(gòu)的門(mén)窗五金件安裝空間大，容易加工安裝。但由于排水的需要，在型材上需要打排水孔、氣壓平衡孔。所以框扇組成的空間非完全封閉，不是真正意義上的保溫腔，而是水氣共混腔室。空氣在此空間對(duì)流、熱量損失大。而增加框扇密封層數(shù)，可有效解決這一問(wèn)題。多密封門(mén)窗結(jié)構(gòu)將水氣分離，框扇之間形成獨(dú)立的水密室、氣密室，保溫性能優(yōu)于2道密封結(jié)構(gòu)。相對(duì)于兩密封，多密封門(mén)窗工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)需特別考慮五金件安裝位置及尺寸、排水路線及蓄水量的大小。

為了更大限度地提高保溫性能減低傳熱系數(shù)，我們采用70平開(kāi)系列，結(jié)構(gòu)為六腔室四密封，其型材組裝簡(jiǎn)圖、等溫曲線、傳熱系數(shù)如圖2所示。設(shè)計(jì)理念基本同75平開(kāi)方案，但密封結(jié)構(gòu)采用特制大膠條，并充分考慮排水需要、五金件安裝尺寸及位置等因素。特制大膠條安裝在平開(kāi)框上，設(shè)置兩點(diǎn)與平開(kāi)扇密封配合，使框扇之間形成3個(gè)空間，即1個(gè)水密室專(zhuān)門(mén)排水使用、2個(gè)氣密室為保溫腔室，保溫性能顯著提高。玻璃系統(tǒng)仍采用5+9A+5+9A+5結(jié)構(gòu)，玻璃為5 mm白玻，間隔層充氙氣，總厚度為32 mm。

圖2　70平開(kāi)六腔室四密封保溫計(jì)算圖示

從圖2可以看出，經(jīng)Therm軟件計(jì)算，70平開(kāi)六腔室四密封型材的傳熱系數(shù)為1.6089 W/（m2·K），比75平開(kāi)設(shè)計(jì)方案略差。從等溫曲線可以看出，溫度線分布均勻，0℃線在鋼襯腔外側(cè)，室內(nèi)側(cè)最低點(diǎn)達(dá)到12.5℃，能很好地防止結(jié)露［1-6］。

3　改進(jìn)鋼襯結(jié)構(gòu)以降低傳導(dǎo)熱損失

鋼襯的主要作用是抵抗風(fēng)載荷，即抗風(fēng)壓。鋼襯設(shè)計(jì)時(shí)需考慮抗風(fēng)壓慣性矩、形狀要求、五金件固定、可加工性、通用性及經(jīng)濟(jì)性。從圖1、圖2可以看出，溫度曲線在鋼襯腔內(nèi)幾乎沒(méi)有顯示，經(jīng)測(cè)量溫差僅為3℃左右。這是因?yàn)殇撘r是熱的良導(dǎo)體，溫度在鋼襯腔內(nèi)變化很小?？梢酝ㄟ^(guò)減小鋼襯腔來(lái)提高保溫性能，但同時(shí)降低了抗風(fēng)壓性能。另一種方法是對(duì)鋼襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，鋼襯分成2段，中間用高強(qiáng)度塑料隔熱條連接，保溫性能得到提高但成本增加很多。目前出現(xiàn)了第3種鋼襯解決方案，即免鋼襯塑料門(mén)窗結(jié)構(gòu)。其采用共擠出技術(shù)，將聚酯合金PBT擠出在型材內(nèi)部代替鋼襯。聚酯合金PBT本身具有的高強(qiáng)度可以代替鋼襯，另外PBT與PVC具有相近的膨脹系數(shù)及較好的融合性。由于不再使用金屬鋼襯，而PVC和PBT的導(dǎo)熱系數(shù)大大低于鋼材，內(nèi)部不再產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，塑料型材及門(mén)窗的傳熱系數(shù)顯著降低。

免鋼襯塑料門(mén)窗設(shè)計(jì)方案采用70平開(kāi)系列，結(jié)構(gòu)為六腔室三密封，其型材組裝簡(jiǎn)圖、等溫曲線、傳熱系數(shù)如圖3所示。其設(shè)計(jì)理念基本同上述2個(gè)方案，其特點(diǎn)為：框扇基本尺寸及形式不變，僅將鋼襯腔壁厚適當(dāng)減小，并設(shè)置2.0 mm厚PBT內(nèi)嵌式共擠層。由于僅調(diào)整改動(dòng)框扇型材內(nèi)部鋼襯腔，模具僅需定制口模，而定型?？梢岳^續(xù)使用，保溫效果明顯提高而付出代價(jià)較小。

圖3　免鋼襯70平開(kāi)六腔室三密封保溫計(jì)算圖示

從圖3可以看出，經(jīng)Therm軟件計(jì)算，70平開(kāi)六腔室三密封型材傳熱系數(shù)為1.4687 W/（m2·K），降低非常明顯。從等溫曲線可以看出，溫度線分布非常均勻，鋼襯腔里也均勻分布了溫度曲線，保溫性能特別優(yōu)異。

4　兼顧實(shí)用性及保溫性的鋁塑鋁結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)鋁合金門(mén)窗仍為主流產(chǎn)品，這是因?yàn)橄鄬?duì)于塑料門(mén)窗其有豐富多變的表面彩色化、大眾偏愛(ài)金屬質(zhì)感等因素造成的。鋁合金門(mén)窗降低傳熱系數(shù)的方法主要為增加隔熱條寬度及密封結(jié)構(gòu)，但其成本增加較多。做同樣傳熱系數(shù)的門(mén)窗，鋁合金門(mén)窗比塑料門(mén)窗增加成本約1/3。為了兼顧實(shí)用性及保溫性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用多腔塑芯代替隔熱條的平開(kāi)窗。其優(yōu)點(diǎn)是，既保留了鋁合金外觀及表面彩色化等優(yōu)點(diǎn)，又利用了PVC的良好保溫性能。

設(shè)計(jì)時(shí)，鋁塑復(fù)合部分采用隔熱條標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。為提高保溫性能降低傳熱系數(shù)，塑芯設(shè)計(jì)為三腔室結(jié)構(gòu)。多密封結(jié)構(gòu)采用大膠條式，膠條安裝及配合都在塑芯上。其余設(shè)計(jì)按照常規(guī)設(shè)計(jì)，可以使用普通五金件。因采用鋁合金門(mén)窗角碼組裝方式不用再裝鋼襯。我們?cè)O(shè)計(jì)了65平開(kāi)鋁塑鋁三密封結(jié)構(gòu)，其型材組裝簡(jiǎn)圖、等溫曲線、傳熱系數(shù)如圖4所示。

圖4　65平開(kāi)鋁塑鋁三密封保溫計(jì)算圖示

由圖4可知，使用Therm軟件計(jì)算，65平開(kāi)鋁塑鋁三密封型材的傳熱系數(shù)為1.9085 W/（m2·K），比上述3個(gè)塑料異型材方案的高。從等溫曲線可以看出，溫度線聚集在塑芯部分，絕大部分保溫功能由塑芯承擔(dān)。鋁塑鋁結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)明顯綜合保溫性能、市場(chǎng)接受度，仍為目前較為適用的截面及窗型。

5　結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能減排工作的深入，門(mén)窗保溫性能的驗(yàn)證必將越來(lái)越受到重視。降低傳熱系數(shù)的方法和措施僅是塑料門(mén)窗截面及窗型開(kāi)發(fā)時(shí)需要考慮的一部分。影響保溫性能的因素還有很多，如玻璃、五金件、洞口大小、開(kāi)啟方式等。利用熱工性能計(jì)算分析軟件，可以方便快捷地計(jì)算出型材、門(mén)窗的傳熱系數(shù)。這使我們?cè)谠O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段就能進(jìn)行型材門(mén)窗保溫性能的驗(yàn)證，方便及時(shí)調(diào)整和修改。

只要了解、認(rèn)識(shí)、掌握了影響保溫性能的因素，結(jié)合實(shí)際情況有針對(duì)性地改進(jìn)，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段用熱工性能軟件進(jìn)行傳熱系數(shù)的計(jì)算，逐步調(diào)整方案，就一定能設(shè)計(jì)出符合節(jié)能要求的塑料門(mén)窗。

［1］楊寧，吳正華.基于保溫性能分析的塑料異型材設(shè)計(jì)［J］.綠色建筑，2011（3）：55-57.

［2］徐軍，馮磊，張秀平.塑鋼門(mén)窗節(jié)能效果分析［J］.新型建筑材料2010（8）：31-34.

［3］任華升，楊寧，趙繼恩.淺議門(mén)、窗用PVC-U塑料異型材發(fā)展趨勢(shì)［J］.建筑節(jié)能，2011（3）：52-54.

［4］馮偉剛.塑料門(mén)窗系統(tǒng)節(jié)能因素的思考［J］.門(mén)窗，2010（8）：44-56.

［5］楊寧，毛玉.門(mén)、窗用PVC-U塑料異型材截面設(shè)計(jì)思路［J］.新型建筑材料，2011（1）：48-52.

［6］張其東.提高塑料門(mén)窗保溫性能的方法和措施［J］.塑料科技，2012 （8）：100-102.

Plastic windows and doors section and window profile design based on the calculation of thermal insulation performance

WANG Tiandong，YANG Ning
（Lianyungang Jari Auto Co.Ltd.，Lianyungang 222006，Jiangsu，China）

Analyze and test the insulation performance of plastic doors and windows by the thermal properties software in the design and development stage，in order to improve the design efficiency.Starts from the analysis of the influence factors of heat loss，heat transfer coefficient，proposes to improve the design by increasing the thickness and cavity of profile，increasing the sealing layers of plastic windows and doors，adopting structure without steel lining and aluminum-plastic-aluminum structure featured with practicality and thermal insulation.Combined with the calculation results of insulation performance，analyze the pros and cons of the design.

plastic doors and windows，thermal insulation，coefficient of heat transfer，section design，window profile design

TU532+.65

A

1001-702X（2015）10-0011-03

2015-04-29；

2014-06-01

王天東，男，1979年生，吉林長(zhǎng)春人，工程師，長(zhǎng)期從事塑料門(mén)窗設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。