■ 張 蕊 ZHANG Rui 古小英 GU Xiaoying 趙為民 ZHAO Weimin

0 引言

圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗在建筑能耗中占有較大比重。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外窗是建筑物熱交換最活躍的部分，其能耗約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%[1]，外窗節(jié)能已經(jīng)成為我國(guó)建筑節(jié)能最重要的環(huán)節(jié)。《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（建科[2017]53 號(hào)）明確提出，“十三五”期間，在門(mén)窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)提升等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，開(kāi)發(fā)高效節(jié)能門(mén)窗產(chǎn)品。節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，也是不斷提升外窗熱工性能要求，根據(jù)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08—205—2015）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08—107—2015）規(guī)定，新建民用建筑外窗的傳熱系數(shù)不應(yīng)大于2.2 W/（m2K）。

隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，外窗型材也在不斷地更新?lián)Q代。長(zhǎng)期以來(lái)，木窗使用普遍，自70 年代年后期開(kāi)始推行“以鋼代木”后，鋼窗曾一度成為市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品，但由于其熱工性能較差、保溫隔熱不良，應(yīng)用量逐漸減少；從八九十年代開(kāi)始，塑料窗、鋁合金窗被廣泛應(yīng)用；到如今，還出現(xiàn)了一些復(fù)合材料的窗框，如鋁塑復(fù)合、木塑復(fù)合等，玻纖增強(qiáng)聚氨酯等新型外窗也不斷涌現(xiàn)，外窗玻璃也經(jīng)歷了從單層玻璃、普通中空玻璃到低輻射中空玻璃的發(fā)展歷程。

對(duì)于外窗來(lái)說(shuō)，其熱工性能主要由窗形、窗框型材、玻璃類(lèi)型和密閉性能等決定。不同類(lèi)型外窗的傳熱系數(shù)差別很大，在當(dāng)前外窗節(jié)能高要求的情況下，如何選擇符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的外窗，對(duì)項(xiàng)目外窗配置造成了一定的困擾；同時(shí)，如何監(jiān)督建設(shè)項(xiàng)目，采用符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的外窗，也為市場(chǎng)監(jiān)管帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

1 建筑外窗應(yīng)用情況調(diào)研

1.1 外窗系統(tǒng)組成

外窗系統(tǒng)是指組成一樘完整外窗的各子系統(tǒng)的所有材料（包括型材、五金、密封元件、玻璃、輔助配件及配套紗窗）的總稱(chēng)。成熟的節(jié)能外窗系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格品牌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)整合和多次實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，需利用專(zhuān)用的加工設(shè)備和安裝工具，按照標(biāo)準(zhǔn)化的工藝加工和安裝。

1.1.1 型材

外窗框、扇型材為外窗組成的主要構(gòu)件，其熱導(dǎo)率對(duì)建筑外窗的保溫隔熱性能影響重大；且型材的斷面結(jié)構(gòu)及裝配結(jié)構(gòu)對(duì)外窗的氣密性和水密性的影響至關(guān)重要，其尺寸精度和行位精度決定外窗的裝配精度，進(jìn)而影響窗的整體性能。目前，建筑節(jié)能外窗常用型材有鋁合金隔熱型材、塑料型材、玻璃鋼型材、實(shí)木、鋁木復(fù)合型材、鋁塑復(fù)合型材及鋼（鋁）塑共擠型材等。

1.1.2 玻璃

玻璃類(lèi)型有平板玻璃、中空玻璃和鍍膜玻璃等。其中，中空玻璃是通過(guò)有效的支撐，將兩片及以上玻璃均勻隔開(kāi)，且周邊密封，使玻璃與玻璃層之間形成有氣體空間的玻璃制品。根據(jù)產(chǎn)品特征不同，鍍膜玻璃可分為導(dǎo)電膜玻璃、Low-E 玻璃和陽(yáng)光控制鍍膜玻璃等。目前，建筑工程外窗采用的鍍膜玻璃主要是后兩種。

1.1.3 密封元件

按照用途不同，外窗的密封材料可分為框與扇之間密封材料和玻璃鑲嵌用密封材料。按照材料不同，又可分為密封膠、密封毛條及密封膠條。其中，密封膠多用于鑲嵌玻璃；密封毛條多用于推拉窗框與扇之間的密封；密封膠條同時(shí)具有兩種用途，但不同用途的密封膠條在規(guī)格、型號(hào)方面有所不同。在隔熱方面，當(dāng)前鋁合金型材窗框最為普及的隔熱方式主要有兩種：一是使用尼龍+玻璃纖維的穿條式斷橋隔熱；二是使用聚氨酯隔熱膠（PU）的注膠式斷橋隔熱。

1.1.4 五金件

五金件是將外窗的框與扇連接緊密的部件，包括執(zhí)手、合頁(yè)、滑撐、滑輪、鎖閉器、螺釘?shù)?，是決定外窗各項(xiàng)性能的關(guān)鍵部件。

1.2 常見(jiàn)節(jié)能外窗

1.2.1 斷橋隔熱鋁合金窗

斷橋隔熱鋁合金窗的原理是在鋁型材中間穿入隔熱條，將鋁型材斷開(kāi)形成斷橋，從而有效阻止熱量的傳導(dǎo)。斷橋隔熱鋁合金窗因其保溫隔熱性能好、強(qiáng)度高、防火性能優(yōu)良、耐腐蝕性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受市場(chǎng)的青睞。

1.2.2 塑料窗

塑料窗以PVC樹(shù)脂為主要原料，按比例加入改性劑等助劑，擠出成型后再組裝而成。為了提升型材強(qiáng)度，在型材的空腔里加入鋼襯，因此，塑料窗又被稱(chēng)為塑鋼窗。PVC 型材的多腔式結(jié)構(gòu)具有良好的隔熱性能，加上其主要受力部位的內(nèi)部采用鋼襯補(bǔ)強(qiáng)，抗風(fēng)壓強(qiáng)度高，且氣密性、水密性較好。

1.2.3 木窗

木窗是最早使用的窗體材料，也是比較傳統(tǒng)的窗體材料，早在我國(guó)漢代時(shí)期，就已發(fā)展成熟。木窗具有保溫、隔聲性能好、美觀性、裝飾性能好等優(yōu)點(diǎn)，但必須采用優(yōu)質(zhì)木材，配以?xún)?yōu)良工藝，因而價(jià)格較高，多用于別墅等高檔空間處理。

2 整窗傳熱系數(shù)影響因素及其規(guī)律

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，以目前應(yīng)用最多的鋁合金和塑料窗為例，采用粵建科?MQMC 軟件，計(jì)算分析傳熱系數(shù)影響因素及其規(guī)律。

2.1 整窗傳熱系數(shù)計(jì)算方法

依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T 151），外窗的傳熱系數(shù)應(yīng)按公式（1）計(jì)算：

式中，Ut為整窗的傳熱系數(shù)，單位W/（m2K）；Ag為窗玻璃面積，單位m2；Af為窗框面積，單位m2；At表示窗面積，單位m2；lψ為玻璃區(qū)域的邊緣長(zhǎng)度，單位m；Ug為窗玻璃的傳熱系數(shù)，單位W/（m2K）；Uf為窗框傳熱系數(shù)，單位W/（m2K）；ψ為窗框和玻璃之間的線傳熱系數(shù)，單位W/（mK）。

由公式可知，為了提高窗戶(hù)的保溫性能，可對(duì)玻璃保溫性能、窗框保溫性能及熱橋損失進(jìn)行改善。

2.2 鋁合金窗傳熱系數(shù)影響因素及其規(guī)律

窗框傳熱系數(shù)的影響因素包括框材料導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱條高度及導(dǎo)熱系數(shù)等。

2.2.1 隔熱條高度

玻璃和鋁型材是鋁合金窗中最常用的材料。鋁型材在鋁合金窗中的熱工面積一般在25%～30%之間[2]，降低窗框傳熱系數(shù)是提升鋁合金窗保溫性能的關(guān)鍵點(diǎn)之一（圖1）。隔熱條的高度對(duì)鋁合金窗框傳熱系數(shù)的影響比較大，隔熱條高度越大，窗框傳熱系數(shù)越低，隔熱效果越好?；趪?guó)內(nèi)常用隔熱條規(guī)格尺寸調(diào)研結(jié)果，取高度在14.8～30 mm 內(nèi)的9 種隔熱條，采用粵建科?MQMC 軟件，計(jì)算不同高度隔熱條下鋁合金窗框的傳熱系數(shù)。

圖1 典型鋁合金窗框構(gòu)造圖

圖2 為不同隔熱條高度下鋁合金窗框有限元計(jì)算結(jié)果，圖中的曲線為等溫線，可以看出，溫度曲線主要集中在隔熱條部位，且分布均勻；而在鋁合金空腔內(nèi)幾乎沒(méi)有溫度曲線，說(shuō)明溫度在鋁合金空腔內(nèi)變化很小。這是因?yàn)槟M采用的隔熱條材料為尼龍66+25%玻璃纖維，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/（mK），隔熱條的保溫性能優(yōu)異，而鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)160 W/（mK），是熱的良導(dǎo)體。

圖2 鋁合金窗框有限元計(jì)算結(jié)果溫度曲線圖

根據(jù)模擬計(jì)算，不同隔熱條高度下，鋁合金窗框的傳熱系數(shù)如表1 和圖3 所示。隨著隔熱條高度的增加，鋁合金窗框傳熱系數(shù)逐步降低。當(dāng)隔熱條高度由14.8 mm 增加到30 mm時(shí)，窗框傳熱系數(shù)由3.74 W/（m2K）降低到3.17 W/（m2K）。由此可見(jiàn)，增加隔熱條高度可有效降低鋁合金窗框傳熱系數(shù)，提高窗框保溫性能。但是，若隔熱條高度過(guò)長(zhǎng)，對(duì)型材結(jié)構(gòu)安全有影響。為保證型材結(jié)構(gòu)安全，不宜采用高度大于26.0 mm 的隔熱條。

圖3 不同隔熱條高度下窗框傳熱系數(shù)

表1 不同隔熱條高度下窗框傳熱系數(shù)

2.2.2 隔熱條、密封條導(dǎo)熱系數(shù)

以隔熱條高度為20 mm、26 mm 的典型鋁合金窗框?yàn)槔?，模擬分析常見(jiàn)隔熱、密封材料下的窗框傳熱系數(shù)（表2、3）。從表2 可以看出，采用固體聚丙烯作為隔熱條材料時(shí)，窗框傳熱系數(shù)最低，且相比高密度聚乙烯HD，分別降低了0.14 W/（m2K）、0.13 W/（m2K）；從表3可以看出，采用柔性人造橡膠泡沫作為防水密封條材料時(shí)，窗框傳熱系數(shù)最低，且相比EPDM（三元乙丙），分別降低了0.16 W/（m2K）、0.14 W/（m2K）。由表可見(jiàn)，采用熱工性能好的隔熱、密封材料，可降低鋁合金窗框傳熱系數(shù)，提升窗框保溫性能。

表2 不同隔熱條材料下窗框傳熱系數(shù)

表3 不同防水密封條材料下窗框傳熱系數(shù)

2.3 塑料窗傳熱系數(shù)影響因素及其規(guī)律

塑料窗框的熱工性能與型材的厚度、腔室數(shù)、腔體形狀等因素有關(guān)。選取典型塑料窗框（圖4），采用粵建科?MQMC 軟件，計(jì)算不同腔室數(shù)下塑料窗框的傳熱系數(shù)。

圖4 典型塑料窗框構(gòu)造圖

圖5 為相同截面寬度下，三～五腔室數(shù)塑料窗框有限元計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，溫度曲線在鋼襯腔內(nèi)幾乎沒(méi)有顯示，這是因?yàn)殇撘r導(dǎo)熱系數(shù)為50 W/（mK），導(dǎo)熱性能優(yōu)良，溫度在鋼襯腔內(nèi)變化很小。

圖5 塑料窗框有限元計(jì)算結(jié)果溫度曲線圖

根據(jù)模擬計(jì)算，不同腔室數(shù)下塑料窗框的傳熱系數(shù)如表4 所示?？梢钥闯?，當(dāng)截面寬度相同時(shí)，塑料窗框傳熱系數(shù)隨著腔室數(shù)量的增加而降低。這主要是因?yàn)榇翱蚯皇业目諝鈱雍穸入S著腔室數(shù)量的增加而減少，從而引起空氣層的對(duì)流傳熱減少，在一定程度上降低了型材的傳熱系數(shù)值。但是，增加腔室數(shù)會(huì)給擠出模具的設(shè)計(jì)制造增加難度，因此，在進(jìn)行塑料窗框設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮模具加工難易程度、保溫性能等因素。

表4 不同腔室數(shù)下窗框傳熱系數(shù)

2.4 玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)影響因素及其規(guī)律

玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)的影響因素包括玻璃種類(lèi)、填充氣體類(lèi)型及氣體間層厚度等。采用粵建科?MQMC軟件，計(jì)算不同玻璃種類(lèi)、氣體間層厚度、氣體種類(lèi)組合玻璃系統(tǒng)在冬季的傳熱系數(shù)（表5～8）。

表5 不同空氣間層厚度的普通中空玻璃傳熱系數(shù)

可以看出：①隨著氣體間層厚度的增加，傳熱系數(shù)降低至一定值后保持不變或有所增加；②相對(duì)于普通中空玻璃，相同構(gòu)造的鍍膜中空玻璃傳熱系數(shù)顯著降低，遮陽(yáng)系數(shù)較高的高透型低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)可降低0.6～0.7 W/（m2K），而遮陽(yáng)系數(shù)較低的遮陽(yáng)型低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)可降低0.8～0.9 W/（m2K）；③將低輻射中空玻璃中的空氣換成氬氣時(shí)，傳熱系數(shù)也有所降低；④三玻雙腔中空玻璃傳熱系數(shù)較低，采用鍍膜玻璃、填充氬氣后，傳熱系數(shù)可低至1.1 W/（m2K）。

表6 不同氣體間層厚度的低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)（高透型）

表7 不同氣體間層厚度的低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)（遮陽(yáng)型）

表8 三玻雙腔中空玻璃傳熱系數(shù)

3 主要配置方案下的外窗傳熱系數(shù)

根據(jù)公式（1），結(jié)合不同類(lèi)型玻璃、窗框傳熱系數(shù)，計(jì)算得到鋁合金、塑料外窗傳熱系數(shù)（表9、10），其中，綠色部分為滿足《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08—205—2015）中外窗傳熱系數(shù)要求的數(shù)值。由表可見(jiàn)，三～五腔室塑料窗框配置選定的鍍膜中空玻璃或三玻雙腔中空玻璃、鋁合金窗框配置選定的部分遮陽(yáng)型鍍膜中空玻璃或三玻雙腔中空玻璃，外窗傳熱系數(shù)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中2.2 W/（m2K）的限值要求。

表9 鋁合金外窗傳熱系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)優(yōu)化配置方案，三～五腔室塑料窗框配置選定的鍍膜中空玻璃或三玻雙腔中空玻璃、鋁合金窗框配置選定的部分遮陽(yáng)型鍍膜中空玻璃或三玻雙腔中空玻璃，可從理論上滿足現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，高性能外窗的最終實(shí)現(xiàn)，需從源頭抓起，貫穿設(shè)計(jì)、制造、安裝、驗(yàn)收和定期維修的全過(guò)程，包括設(shè)計(jì)過(guò)程中的“量身定做”、材料的科學(xué)搭配、加工過(guò)程中的工業(yè)化手段保證、安裝施工的創(chuàng)新、驗(yàn)收工程中的把關(guān)等全過(guò)程質(zhì)量管理。

表10 塑料外窗傳熱系數(shù)