中國塑料門窗(PVC-U)節(jié)能型材數(shù)據(jù)庫建立與應(yīng)用研究

文/楊華秋 楊仕超 閆雷光 吳培浩 馬揚(yáng) 易序彪

1 數(shù)據(jù)庫建立背景

目前建筑節(jié)能工作已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，建筑門窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，也成為建筑節(jié)能中最受關(guān)注的重點(diǎn)。 我國正處于快速城市化過程，每年新建建筑約20億平方米，相當(dāng)于全球40%的新建建筑面積。根據(jù)住建部的相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]到2010年底，全國城鎮(zhèn)新建建筑設(shè)計(jì)階段執(zhí)行節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的比例為99.5%，施工階段執(zhí)行節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的比例為95.4%。同時(shí)，近年來我國綠色建筑蓬勃發(fā)展，截至2010年底，全國有113個(gè)項(xiàng)目獲得了綠色建筑評價(jià)標(biāo)識(shí)，建筑面積超過1300萬平方米。全國實(shí)施了217個(gè)綠色建筑示范工程，建筑面積超過4000萬平方米。

塑料門窗具有優(yōu)良的保溫性能，抗結(jié)露性能優(yōu)異，具有很好的節(jié)能優(yōu)勢，是我國北方地區(qū)主要的節(jié)能門窗品種，在同等保溫性能條件下，塑料門窗與鋁合金門窗、木門窗等相比，具有更高的性價(jià)比。同時(shí)PVC本身也是一種綠色建筑材料，首先是節(jié)約生產(chǎn)能耗，其次回收再利用成本較低時(shí)，能耗和污染小。

住建部于2010年6月18日下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)工作的通知》（建科〔2010〕93號），要求加快門窗節(jié)能標(biāo)識(shí)的推廣、測評等工作，要求用三年的時(shí)間全國規(guī)模以上的企業(yè)主要的門窗產(chǎn)品須通過標(biāo)識(shí)。目前已獲得門窗標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品中嚴(yán)寒地區(qū)約50%的門窗產(chǎn)品為塑料門窗產(chǎn)品，寒冷地區(qū)約30%的產(chǎn)品為塑料門窗產(chǎn)品。

2013年1月1日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《綠色建筑行動(dòng)方案》，綠色建筑迎來全新的發(fā)展時(shí)期。同時(shí)現(xiàn)代建筑若要提升建筑質(zhì)量、提高施工效率、實(shí)現(xiàn)建筑的精品化、標(biāo)準(zhǔn)化，就必須走建筑工業(yè)化的道路，這也是綠色建筑發(fā)展的要求。因此，由于綠色化、工業(yè)化、信息化的發(fā)展要求，對于我們各類建筑材料的配送方式、營銷模式都會(huì)帶來翻天覆地的變化，我們需要建立產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)信息庫。

為了加快塑料節(jié)能門窗的推廣應(yīng)用，普及門窗熱工性能計(jì)算方法，同時(shí)為建筑師、業(yè)主等提供一個(gè)科學(xué)、準(zhǔn)確、可靠的塑料門窗節(jié)能數(shù)據(jù)庫，體現(xiàn)塑料門窗節(jié)能保溫的優(yōu)勢, 推動(dòng)我國塑料門窗的質(zhì)量水平提升，中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)塑料門窗委員會(huì)與廣東省建筑科學(xué)研究院共同建立我國首個(gè)塑料門窗節(jié)能型材節(jié)能數(shù)據(jù)庫。

2 數(shù)據(jù)庫建立方法

數(shù)據(jù)庫的建立方法與門窗節(jié)能標(biāo)識(shí)測評過程類似，采用了科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒M計(jì)算門窗的熱工性能，從而獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。

為規(guī)范和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的建立工作，廣東省建筑科學(xué)研究院與塑料門窗委員會(huì)出臺(tái)了數(shù)據(jù)庫的管理辦法和技術(shù)指南。數(shù)據(jù)庫主要依據(jù)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T151-2008）及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南等，通過統(tǒng)一的計(jì)算模型、玻璃系統(tǒng)、邊界條件和模擬計(jì)算要求，采用粵建科MQMC軟件，經(jīng)過二維傳熱有限元分析計(jì)算，得到的傳熱系數(shù)、線傳熱系數(shù)、框投影長度等一系列的熱工性能參數(shù)，最終建立數(shù)據(jù)庫。

3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)論證與驗(yàn)證

3.1線傳熱系數(shù)ψ插值法驗(yàn)證

JGJ/T 151-2008規(guī)定采用線傳熱系數(shù)理論計(jì)算窗框的熱工性能，把框的傳熱近似看作二維傳熱，但對于玻璃鑲嵌部位，做二維近似存在著一定的偏差，采用了線傳熱系數(shù)ψ來解決這個(gè)問題，因此ψ與型材及玻璃系統(tǒng)皆有關(guān)。若型材構(gòu)造固定時(shí)，則型材的線傳熱系數(shù)隨框搭配的玻璃系統(tǒng)傳系數(shù)變化。

如何了解和掌握數(shù)據(jù)庫中框的線傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，成為數(shù)據(jù)庫建立和應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。為了研究型材和線傳熱系數(shù)變化規(guī)律，筆者采用粵建科MQMC軟件，模擬計(jì)算搭配不同保溫性能的玻璃系統(tǒng)的塑料窗框的熱工性能，分析塑料窗框的線傳系數(shù)的變化規(guī)律，為數(shù)據(jù)庫的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

為開展塑料窗框線傳熱系數(shù)的驗(yàn)證，筆者作了以下的規(guī)定和假設(shè)：

a 采用統(tǒng)一的計(jì)算邊界條件，即采用JGJ/T 151-2008第10.1.3條規(guī)定的冬季標(biāo)準(zhǔn)邊界條件。

b 選擇適合的玻璃系統(tǒng)進(jìn)行型材線傳熱系數(shù)ψ研究。塑料型材搭配不同保溫性能的玻璃系統(tǒng)，保溫性能的范圍包括目前我國常用的21種雙玻中空玻璃和21種三玻中空玻璃，玻璃表面發(fā)射率在0.02～0.84之間，中空玻璃均采用鋁合金間隔條密封。

c 選擇典型的塑料門窗型材節(jié)點(diǎn)開展線傳熱系數(shù)研究。

d 根據(jù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)指南的要求開展玻璃系統(tǒng)和門窗型材熱工性能模擬計(jì)算。

為了研究型材與玻璃鑲嵌部位ψ值的變化規(guī)律，選擇部分典型塑料門窗型材，如圖1和圖2所示。根據(jù)以上的規(guī)定和假設(shè)，采用粵建科MQMC軟件6種典型塑料窗型材框的熱工性能進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3~4所示。

由圖3、圖4可知典型塑料門窗型材的線傳熱系數(shù)ψ值與玻璃系統(tǒng)的保溫性能變化規(guī)律基本一致，隨典型玻璃系統(tǒng)傳熱的減小逐漸降低。同時(shí)在21種雙玻中空玻璃和21種三玻中空玻璃中確定線傳熱系數(shù)線性變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，玻璃表面和發(fā)射率分別為 0.02、0.15、0.4、0.84。

為驗(yàn)證以上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對6種典型塑料窗型材框的搭配21種雙玻中空玻璃和21種三玻中空玻璃的線傳熱系數(shù)按照線性插值方法進(jìn)行計(jì)算，與直接計(jì)算法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，誤差率基本分布在±1%以內(nèi)，最大誤差率僅為2.34%。

3.2數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證分析

為提高數(shù)據(jù)庫工作的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)各企業(yè)的技術(shù)交流，規(guī)范模擬計(jì)算方法，對比塑料門窗保溫性能模擬計(jì)算和檢測結(jié)果，研究塑料門窗型材數(shù)據(jù)庫計(jì)算方法的合理性。主要驗(yàn)證門窗保溫性能檢測結(jié)果與門窗熱工性能模擬計(jì)算結(jié)果的對比，同時(shí)驗(yàn)證企業(yè)的模擬計(jì)算能力和水平，有10家塑料門窗型材企業(yè)及7家建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)實(shí)驗(yàn)室參加，共有10個(gè)檢測及模擬計(jì)算樣本。

3.2.1 驗(yàn)證項(xiàng)目及樣品

驗(yàn)證包括建筑玻璃光學(xué)熱工性能檢測、門窗保溫性能測試和門窗熱工性能模擬計(jì)算3項(xiàng)，主要驗(yàn)證門窗保溫性能測試與模擬計(jì)算結(jié)果的差異，及企業(yè)門窗熱工性能模擬計(jì)算能力。門窗保溫性能檢測和玻璃光學(xué)熱工性能測試，由企業(yè)送至具有建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)，各參與驗(yàn)證企業(yè)送檢的門窗保溫檢測產(chǎn)品系列及檢測實(shí)驗(yàn)室如表2所示。

圖1 典型雙玻中空塑料窗型材節(jié)點(diǎn)

圖2 典型三玻中空塑料窗型材節(jié)點(diǎn)

圖3 典型雙玻中空塑料窗節(jié)點(diǎn)線傳熱系數(shù)變化

圖4 典型雙玻中空塑料窗節(jié)點(diǎn)線傳熱系數(shù)變化

表1 塑料窗型材節(jié)點(diǎn)線傳熱系數(shù)線性變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

表2 數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證項(xiàng)目

3.2.2 驗(yàn)證結(jié)果

表3 樣品檢測及樣品模擬計(jì)算結(jié)果匯總表

表4 88系列推拉塑料窗模擬計(jì)算結(jié)果匯總表

由表3可知，E和F企業(yè)模擬計(jì)算的結(jié)果與保溫檢測結(jié)果誤差大于5%，通過分析檢測報(bào)告和模擬計(jì)算文件發(fā)現(xiàn)主要由模擬計(jì)算的邊界條件定義有誤及材料定義有誤造成。其他企業(yè)的模擬計(jì)算結(jié)果與檢測結(jié)果誤差率小于5%，符合門窗標(biāo)識(shí)的要求。由表4可知，序代號I的企業(yè)玻璃光學(xué)熱工性能計(jì)算結(jié)果及整樘窗計(jì)算結(jié)果與其他企業(yè)存在較大的誤差，經(jīng)檢查其玻璃系統(tǒng)組合中沒有按要求選用100%的氬氣，而是采用空氣進(jìn)行模擬計(jì)算。其余各企業(yè)的模擬計(jì)算結(jié)果基本相同。

通過本次驗(yàn)證結(jié)果可知，保溫檢測性能檢測結(jié)果基本滿意，經(jīng)分析主要是模擬計(jì)算存在問題，同時(shí)也說明了只要模擬計(jì)算操作處理正確，其結(jié)果與檢測基本一致。

4 數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

經(jīng)過四年多的建設(shè)和多次的技術(shù)驗(yàn)證，目前數(shù)據(jù)庫建立工作基本完成，已有12家塑料門窗型材企業(yè)，共計(jì)30個(gè)產(chǎn)品系列加入到數(shù)據(jù)中，覆蓋了我國主要的型材企業(yè)和主要的節(jié)能塑料門窗產(chǎn)品，并建立了數(shù)據(jù)庫網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)和手機(jī)應(yīng)用軟件。

數(shù)據(jù)庫手機(jī)軟件不但具有查詢的功能，同時(shí)依據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可計(jì)算門窗整體的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)和可見光透射比，滿足業(yè)主、設(shè)計(jì)師門窗選型、設(shè)計(jì)計(jì)算的要求。塑料門窗數(shù)據(jù)庫與粵建科MQMC軟件相比，只缺少框二維型材有限元分析功能，但已具有豐富型材節(jié)能數(shù)據(jù)，免去了復(fù)雜、煩瑣的框型材有限元建模過程。

隨著我國建筑節(jié)能水平的大幅提高，特別是北方地區(qū)對外窗節(jié)能要求的大幅提高，鋁合金斷熱型材將較難滿足其節(jié)能性能的要求，且經(jīng)濟(jì)性較差，塑料門窗將在我國寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)迎來快速發(fā)展的機(jī)遇，同時(shí)高性能塑料門窗將是市場的主流產(chǎn)品。數(shù)據(jù)庫也將隨這股潮流將成為門窗行業(yè)中門窗選型、設(shè)計(jì)的常用和必備的數(shù)據(jù)庫。隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的普及，數(shù)據(jù)庫手機(jī)軟件的推出將會(huì)大大加快數(shù)據(jù)庫的推廣應(yīng)用。

數(shù)據(jù)庫推廣后，將會(huì)有越來越多的企業(yè)加入數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫可逐漸發(fā)展提升為塑料型材行業(yè)節(jié)能產(chǎn)品推廣目錄。在塑料窗型材數(shù)據(jù)庫建立的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，我們還要繼續(xù)思考塑料窗產(chǎn)品信息化的推動(dòng)工作，不僅限于節(jié)能，而是產(chǎn)品的全信息，緊隨著建筑工業(yè)化、信息化的發(fā)展道路，才不會(huì)被時(shí)代淘汰。

表5 已加入數(shù)據(jù)庫的企業(yè)及產(chǎn)品系列

圖5軟件操作界面

圖6 整窗查詢結(jié)果

圖7 節(jié)點(diǎn)詳細(xì)查詢結(jié)果

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑節(jié)能與科技司.“十二五”建筑節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃.

[2] 馬 揚(yáng),楊 仕 超,楊 華 秋 .塑 料（PVC-U）窗框熱工性能模擬計(jì)算研究.建筑金屬結(jié)構(gòu)，2012（65～69）.

[3] 閆雷光. 建筑用塑料門窗.建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（53~57）.

[3] JGJ/T 151-2008. 建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程[S].

[4] ISO 15099:2003.Thermal performance of windows, doors and shading devices — Detailed calculations[S].

[5] ISO 9050:2003.Glass in building- Determination of light transmittance,solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors[S].

[6] ISO 10077-2:2003. Thermal performance of windows, doors and shutters -Calculation of thermal transmittance -Part 2:Numerical method for frames[S].

[7]《中國塑料門窗型材節(jié)能數(shù)據(jù)庫管理方法》.

[8]《中國塑料門窗型材節(jié)能數(shù)據(jù)庫技術(shù)指南》.