基于窗框比的窗戶保溫性能分析

卜 科 胡立峰

(1.浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江杭州 310003; 2.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 201108)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的越來(lái)越重視，要求快速發(fā)展的建筑業(yè)也盡快向綠色建筑、節(jié)能建筑轉(zhuǎn)變。提高房屋建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱效能，是一種經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能措施。而建筑外墻上的窗戶又是圍護(hù)節(jié)能的重點(diǎn)。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家在房屋建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，廣泛采用高效保溫材料和多層密封窗，或者限制窗面積與墻面面積的比例。目前，國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)上，為了提高窗戶的保溫性能，采用各種窗框材料的窗戶應(yīng)運(yùn)而生。例如有普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材、PVC塑料型材、木型材以及各種復(fù)合型材等。本文依據(jù)GB/T 8484-2008試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的方法［1］，對(duì)市場(chǎng)上常見的普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材、PVC塑料型材三種窗戶進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合節(jié)能窗(單層窗(中空雙玻))傳熱系數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式，通過對(duì)比不同窗框比的窗戶與傳熱系數(shù)值的關(guān)系，獲得提高窗戶的保溫性能并節(jié)約材料的途徑［2，3］。

1 窗戶的傳熱系數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算分析

窗框與玻璃系統(tǒng)是組成窗戶的主要結(jié)構(gòu)。在DGJ 08-205-2011居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［4］中給出了節(jié)能窗(單層窗(中空雙玻))傳熱系數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式:

其中，KW為窗傳熱系數(shù);Kg為玻璃傳熱系數(shù);Kf為窗框傳熱系數(shù);Ag為玻璃面積(里外兩面投影中取小的一面面積);Af為窗框面積(包括窗扇和窗外套，AW=Ag+Ar);ψ為玻璃、窗框間的傳熱系數(shù);Lg為玻璃、窗框間的線長(zhǎng)，m。假若窗框與玻璃的傳熱嚴(yán)格按照并聯(lián)關(guān)系時(shí)，通過變換公式(1)得到:

式(2)中Af/(Ag+Af)為窗框比。

當(dāng)式(2)中Kf＞Kg，即斜率大于0，則窗傳熱系數(shù)KW隨著窗框比的增加而增加;當(dāng)Kf＜Kg時(shí)，即斜率小于0，則窗傳熱系數(shù)KW隨著窗框比的增加而減小。

2 窗戶的傳熱系數(shù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及試件安裝

試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置為采購(gòu)沈陽(yáng)紫微機(jī)電設(shè)備有限公司的窗保溫性能檢測(cè)系統(tǒng)，熱側(cè)采用特制電暖氣，避免了其他較強(qiáng)熱慣性電熱元件造成的溫度波動(dòng)過大;熱側(cè)加熱溫度波動(dòng)小于0.1K;冷側(cè)制冷溫度波動(dòng)不大于0.2K。將窗戶試件放置于暖房室和冷房室之間的試件片框上，窗戶試件的開啟縫部位采用透明塑料膠帶雙面密封，試件片框和窗戶試件之間的洞口用已知熱導(dǎo)率的聚苯乙烯泡沫塑料填堵。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試件及試驗(yàn)過程

試驗(yàn)樣本采用市場(chǎng)上常見的普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材和PVC塑料型材三種類型的窗戶。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)不被玻璃和窗戶的開啟方式不同而干擾，試驗(yàn)窗戶全部采用中空玻璃為5+9+5的平開窗。采用型材窗框比在20%～50%之間的窗，所有窗戶的面積尺寸不大于2.25 m2。

試驗(yàn)之前測(cè)量每樘窗戶的投影面積尺寸，以及窗戶上玻璃的面積，用來(lái)計(jì)算窗框比。按照GB/T 8484-2008建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)三種材質(zhì)的窗戶進(jìn)行試驗(yàn)。試件安裝在試驗(yàn)片框上并兩側(cè)密封好之后(如圖2所示)，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置上的門和照明設(shè)備。開啟實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)置6 h～8 h設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，直到設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)試驗(yàn)完畢。

3 試驗(yàn)分析［5］

3.1 傳熱系數(shù)與窗框比的關(guān)系

窗框比是指窗戶上的窗框型材面積與該窗戶的面積之比。為了顯示窗框比和傳熱系數(shù)的關(guān)系，以每種材質(zhì)的窗按照窗框比作為橫坐標(biāo)，該材質(zhì)窗戶的測(cè)試結(jié)果傳熱系數(shù)作為縱坐標(biāo)繪制曲線如圖3所示。

圖3中a是普通鋁合金窗、b是斷熱鋁合金窗、c是塑料窗。圖中曲線經(jīng)過Excel2003軟件的線性擬合如表1所示。

從圖3可以知道a，b直線，隨著窗框比的增加傳熱系數(shù)在增加，為正線形相關(guān);c直線，隨著窗框比的增加傳熱系數(shù)在減少，為負(fù)線形相關(guān)。結(jié)合表1和式(2)可以知道，a，b直線的斜率都是大于0，導(dǎo)致它們的傳熱系數(shù)隨著窗框比的增加而增加，而c直線的斜率是小于0，所以傳熱系數(shù)效果隨著窗框比的增加而減小。

表1 傳熱系數(shù)與窗框比的擬合曲線

3.2 窗框比的變化對(duì)三種窗戶的傳熱系數(shù)影響

從表1可知:三種線性擬合趨勢(shì)線中普通鋁合金窗的斜率最大，斷熱鋁合金窗次之且都為正數(shù)。若窗框比相同變化時(shí)，普通鋁合金窗的傳熱系數(shù)變化要大于斷熱鋁合金窗傳熱系數(shù)的變化。而塑料窗斜率最小，傳熱系數(shù)隨窗框比的變化比較小，雖然窗框比增加時(shí)可以提高窗戶的保溫性能，但是從圖3中c直線可以看出它的提高效果并不明顯。

3.3 窗戶的傳熱系數(shù)與窗框的關(guān)系分析

從圖3中可以看出:在窗框比相同的情況下，傳熱系數(shù)值a直線最大，b直線次之，c直線最小。

結(jié)合表2可以得到:窗傳熱系數(shù)與窗框型材的傳熱系數(shù)存在著密切相關(guān)關(guān)系。在窗戶的玻璃系統(tǒng)相同且窗框比相同的情況下，隨著型材的傳熱系數(shù)值的增加而增加。

表2 三種窗框傳熱系數(shù) W/(m2·K)

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)三種材質(zhì)的窗戶在試驗(yàn)條件下的研究，驗(yàn)證了節(jié)能窗的簡(jiǎn)化公式對(duì)傳熱系數(shù)的分析是正確的。對(duì)于窗框的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于中空玻璃時(shí)，窗框比降低可明顯提高窗的保溫性能;對(duì)于窗框的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于中空玻璃時(shí)，窗框比增加可明顯提高窗的保溫性能。增加塑料在窗戶中所占面積可提高塑料等材質(zhì)的窗戶保溫性能。對(duì)于鋁合金和斷熱鋁合金材質(zhì)的窗戶，降低窗框比即提高中空玻璃所占窗的面積比，既提高了窗的保溫性能，又節(jié)約了金屬材料來(lái)降低成本。

［1］GB/T 8484-2008，建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法［S］.

［2］莊一新.影響檢測(cè)門窗傳熱系數(shù)的重要因素［J］.門窗，2008(10)：35-36.

［3］徐 軍，馮 磊，張 秀.平塑鋼門窗節(jié)能效果分析［J］.新型建筑材料，2010，355(8)：31-34.

［4］DGJ 08-205-2011，居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］李 萍，王靈璽，張肖林.建筑門窗傳熱系數(shù)分析與試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2009，35(34)：258-259.