建筑節(jié)能視角下外窗配置方案探析

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

0 引言

圍護結(jié)構(gòu)能耗在建筑能耗中占有較大比重。在圍護結(jié)構(gòu)中，外窗是建筑物熱交換最活躍的部分，其能耗約占圍護結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%[1]，外窗節(jié)能已經(jīng)成為我國建筑節(jié)能最重要的環(huán)節(jié)?！督ㄖ?jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（建科[2017]53 號）明確提出，“十三五”期間，在門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)提升等重點領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，開發(fā)高效節(jié)能門窗產(chǎn)品。節(jié)能設(shè)計標(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)計標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08—205—2015）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(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)濟的發(fā)展，外窗型材也在不斷地更新?lián)Q代。長期以來，木窗使用普遍，自70 年代年后期開始推行“以鋼代木”后，鋼窗曾一度成為市場主導(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。

對于外窗來說，其熱工性能主要由窗形、窗框型材、玻璃類型和密閉性能等決定。不同類型外窗的傳熱系數(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，對項目外窗配置造成了一定的困擾；同時，如何監(jiān)督建設(shè)項目，采用符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的外窗，也為市場監(jiān)管帶來了挑戰(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。成熟的節(jié)能外窗系統(tǒng)是經(jīng)過嚴(yán)格品牌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)整合和多次實踐的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，需利用專用的加工設(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，中空玻璃是通過有效的支撐，將兩片及以上玻璃均勻隔開，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；密封膠條同時具有兩種用途，但不同用途的密封膠條在規(guī)格、型號方面有所不同。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、滑撐、滑輪、鎖閉器、螺釘?shù)?，是決定外窗各項性能的關(guān)鍵部件。

1.2 常見節(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、強度高、防火性能優(yōu)良、耐腐蝕性好、使用壽命長等優(yōu)點，越來越受市場的青睞。

1.2.2 塑料窗

塑料窗以PVC樹脂為主要原料，按比例加入改性劑等助劑，擠出成型后再組裝而成。為了提升型材強度，在型材的空腔里加入鋼襯，因此，塑料窗又被稱為塑鋼窗。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)部采用鋼襯補強，抗風(fēng)壓強度高，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，早在我國漢代時期，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，但必須采用優(yōu)質(zhì)木材，配以優(yōu)良工藝，因而價格較高，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)計算方法

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

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，為了提高窗戶的保溫性能，可對玻璃保溫性能、窗框保溫性能及熱橋損失進行改善。

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)鍵點之一（圖1）。隔熱條的高度對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?；趪鴥?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)幾乎沒有溫度曲線，說明溫度在鋁合金空腔內(nèi)變化很小。這是因為模擬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160 W/（mK），是熱的良導(dǎo)體。

圖2 鋁合金窗框有限元計算結(jié)果溫度曲線圖

根據(jù)模擬計算，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，窗框傳熱系數(shù)由3.74 W/（m2K）降低到3.17 W/（m2K）。由此可見，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，若隔熱條高度過長，對型材結(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 的典型鋁合金窗框為例，模擬分析常見隔熱、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，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，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，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)塑料窗框有限元計算結(jié)果。可以看出，溫度曲線在鋼襯腔內(nèi)幾乎沒有顯示，這是因為鋼襯導(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 塑料窗框有限元計算結(jié)果溫度曲線圖

根據(jù)模擬計算，不同腔室數(shù)下塑料窗框的傳熱系數(shù)如表4 所示?？梢钥闯觯?dāng)截面寬度相同時，塑料窗框傳熱系數(shù)隨著腔室數(shù)量的增加而降低。這主要是因為窗框腔室的空氣層厚度隨著腔室數(shù)量的增加而減少，從而引起空氣層的對流傳熱減少，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)會給擠出模具的設(shè)計制造增加難度，因此，在進行塑料窗框設(shè)計時，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、填充氣體類型及氣體間層厚度等。采用粵建科?MQMC軟件，計算不同玻璃種類、氣體間層厚度、氣體種類組合玻璃系統(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），而遮陽系數(shù)較低的遮陽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，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)合不同類型玻璃、窗框傳熱系數(shù)，計算得到鋁合金、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，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

綜上所述，通過優(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現(xiàn)，需從源頭抓起，貫穿設(shè)計、制造、安裝、驗收和定期維修的全過程，包括設(shè)計過程中的“量身定做”、材料的科學(xué)搭配、加工過程中的工業(yè)化手段保證、安裝施工的創(chuàng)新、驗收工程中的把關(guān)等全過程質(zhì)量管理。

表10 塑料外窗傳熱系數(shù)