基于被动房需求的建筑门窗节能性能研究

0 引言

传统建筑门窗的主要功能是遮风、避雨、采光。随着建筑节能工作的深入推进，门窗作为建筑外围护结构的重要组成部分，由于其传热系数远大于非透明围护结构，故门窗系统是影响超低能耗建筑节能效果的主要关键部位。随着超低能耗建筑在我国的快速发展，高性能系统门窗已成为门窗行业研究的热点问题。

我国门窗行业针对门窗系统的窗框系统的腔体数量、腔体几何比例、型材截面等因素对型材的传热系数影响进行了大量热工性能研究；埃因霍温科技大学的研究团队开展了门窗节能性与高视觉舒适性优化设计研究，提出了相应的设计原则及设计标准;德国针对节能窗的合成复合材料及型材热工性能进行了广泛研究，研制了系列高性能门窗产品并应用于被动式建筑中。

为实现门窗系统节能性能显著提升，满足我国超低能耗建筑对高性能门窗系统的发展需求，本文针对型材材质、腔体截面优化设计、玻璃系统配置、密封材料性能、五金系统、窗型等主要因素对门窗系统热工性能的影响采用理论计算、模拟计算等方法分析，提出实现门窗系统节能性能提升的主要途径。

1 超低能耗建筑对门窗的性能要求

我国不同气候区域气候条件差异较大，对门窗性能要求也不同。《被动式超低能耗绿色建筑技术导则( 居住建筑) 》中规定:其他性能要求: 气密性等级不应低于8 级，水密性等级不应低于6级，抗风压性能不应低于9级，隔声性能应满足GB50118《建筑隔声设计规范》的要求。住宅建筑一般外窗底限标准要求空气隔声量不小于25 dB。

表1 典型气候区外窗传热系数和太阳得热系数(SHGC) 参考值

由表1 可知: 随着气候区自南向北，我国门窗系统保温性能( 传热系数) 要求逐步提高，严寒地区要求最高；严寒和寒冷地区，冬季以获得太阳得热量为主，太阳得热系数( SHGC) 应尽量选择对应典型气候区外窗传热系数参考值的上限，同时兼顾夏季隔热要求；夏热冬冷和夏热冬暖地区以尽量减少夏季辐射得热为主，SHGC 值则应尽量选择对应典型气候区太阳得热系数参考值的下限，同时兼顾冬季得热。

2 德国节能门窗的做法

德国是门窗节能性能要求比较高的国家。现阶段德国外门窗的传热系数K≤0. 6～1. 1 W/(㎡·K) ，实现的主要技术方法主要体现在以下几个方面:

（1）型材系统：PVC 塑料型材主要采用加大型材壁厚，增加保温腔室，一般为5～7 个保温腔室，大截面保温腔室采用填充聚氨酯泡沫等高效保温材料提高保温效果降低腔室对流传热，开发能够替代增强钢衬的改性PVC塑料型材或增强纤维型材; 断桥铝合金型材采取增大断桥保温材料宽度、填充保温材料等方法提高型材保温效果; 木门窗采取增大型材宽度降低型材传热系数。

（2）玻璃系统：使用充惰性气体的Low－E 中空玻璃、Low－E 三玻两腔玻璃、真空复合中空玻璃，合理选取中空玻璃间隔层宽度等措施降低玻璃传热系数。

（3) 密封系统：采用三元乙丙密封胶条或硅橡胶密封胶条，科学设计密封系统配合尺寸。

（4) 五金系统：通过精密的转换设计实现平开、平开上悬、平开下悬多种开启方式; 采用多锁点设计均匀分配系统压缩力，提高系统密封性能；良好的力学性能保证系统安全性和耐久性。

3 我国实现门窗节能性能的途径

参考德国的做法，实现门窗系统的综合节能效果最优，需要从材料( 含型材、增强、附件、密封、五金、玻璃) 入手，同时结合门窗构造、门窗形式、设计规则、加工工艺、安装方法等要求提出技术实现途径。

3.1 型材材质选择及腔体优化设计

3.1.1 型材材质选择

常用门窗型材有塑料型材、铝合金型材、木型材、木铝复合型材和铝木复合型材等。从提升整窗保温性能的角度，以相同的玻璃配置，比较不同型材组合下的整窗保温性能。详见表2。

表2 相同玻璃配置、不同型材的整窗传热系数

相同的玻璃配置，塑料窗与木窗的整窗传热系数很接近，铝合金窗较前者保温性能降低8%～27%，木铝复合窗较前者保温性能降低13%～17%，铝木复合窗较前者保温性能降低7%～9%。其中铝合金窗保温性能最差，塑料窗和木窗保温性能最好，铝木复合窗和木铝复合窗性能次之。由此可见：在型材选择上，优先考虑塑料和木型材，复合型材要综合考虑。

3.1.2 型材腔体截面优化设计

以某厂86系列6腔体塑料型材为例，型材截面图见图1。针对型材腔体截面的不同做法，采用MOC－1软件进行模拟计算，比较其热工性能差异，模拟结果见表3。

图1 型材断面图

计算边界条件为: 室内空气温度为20℃，室外空气温度为－20 ℃，室内对流换热系数为3.6 W/(㎡·K) ，室外对流换热系数为16W/( ㎡·K) ，太阳辐射照度为300W/㎡，采用的玻璃配置为5Low－E+14Ar+5Low－E+12Ar+5，其中物理模型左侧为室外侧。

表3 型材腔体截面不同做法的传热系数

从表3 可得出:

（1) 无钢衬型材传热系数明显优于带钢衬的型材，上框、下框、中竖挺传热系数降低25.3%～28.2%;

（2) 在大尺寸腔体内填充保温材料可有效控制对流传热，降低型材传热系数。在带镀锌钢衬的上框、下框、中竖挺腔体内填充聚氨酯保温材料传热系数降低5.3%～13.8%;

（3) 将镀锌钢衬更换为高强度、低传热系数的玻璃钢衬，可有效降低型材传热系数，传热系数降低22.1%～25.6%。

3.1.3 型材腔体数量及分析

计算边界条件与3.1.2 计算边界条件相同，在86系列型材基础上，改变86系列型材腔体数量进行模拟计算，计算结果见图2。

图2 型材传热系数随腔体数量的变化

由图2 可以看出随着上框型材腔体数量增加，上框传热系数逐渐减小，由五腔上框传热系数1.03 W/(㎡·K) 降低至九腔上框传热系数0.84 W/(㎡·K) 。主要原因为：当型材厚度相同时，增加腔体数量可降低腔体内对流传热。故对于86 系列型材设计时兼顾经济性可采用7腔以上设计。

图3～5分别为五腔上框温度场图、七腔上框温度场图、九腔上框温度场图，可以看出随着型材腔体数量增加，型材中部温度场温度和所占面积明显增大，室内侧9.9～17.9 ℃温度区域面积增加，型材温度场有显著改善。

图3 五腔上框温度场图

图4 七腔上框温度场图

图5 九腔上框温度场图

3.2 玻璃配置选择

以保温效果较好的塑料窗、木窗为例，比较相同型材、不同玻璃配置的整窗保温性能，详见表4。

表4 不同玻璃配置、相同型材的整窗传热系数

从序号1测试结果可知，三玻两腔中空玻璃配置，整窗传热系数1.8～2.0 W/( ㎡·K) ，严寒地区和寒冷地区是不适宜的，其他气候区只能满足上限要求。从序号6～9测试结果可知，通过单侧镀银后，保温性能提升了10%～22%，提高幅度较大；通过双侧玻璃镀银，保温性能提升11%～13%，但仍然不满足严寒地区和寒冷地区的需求，在其他气候区应用较为适宜。

从序号2～4可知，两玻单腔中空玻璃，单侧玻璃镀银后传热系数在1.7～2.0 W/(㎡·K) ，严寒地区和寒冷地区是不适宜的，其他气候区只能满足上限要求。通过单侧玻璃镀膜，不管是单银、双银，还是三银，对门窗保温性能的提升没有明显影响。

从序号5可知，两玻单腔中空玻璃+真空玻璃，整窗传热系数1.6～1.8 W/( ㎡·K) ，较普通的三玻两腔中空玻璃配置提高10%～11%，但在严寒地区和寒冷地区仍然是不适宜的，其他气候区只能满足上限要求。从序号10～11 可知，在序号5的基础上，增加镀银，保温性能提升39%～44%，提升幅度最大，适宜各类气候区，但对于严寒地区和寒冷地区的极端条件，还是不满足的。

3.3 密封材料的选择

3.3.1 密封材料常见质量问题

（1) 密封胶条使用耐久性差，使用不久，变硬变脆，失去弹性，密封效果显著下降;

（2) 密封胶条安装后，短时间内收缩脱落，导致返工;

（3) 受太阳光照射或受热后，密封胶条发粘，附着在窗体和玻璃上，出现“渗油”现象，污染门窗;

（4) 因结构原因造成密封胶条的虚粘、假粘，密封效果差。

由此可见，应选择性能优异的密封材料，进行合理的结构设计，从根本上解决密封材料的质量问题。

3.3.2 密封材料关注的主要性能

（1) 回弹恢复: 密封胶条试样或制品受到压缩后恢复其自由高度的能力;

（2) 自由高度: 密封胶条试样或制品在零负荷下的高度;

（3) 工作范围: 门窗关闭或玻璃镶嵌的工作状态，密封胶条可压缩的距离;

（4) 定伸强度: 试样拉伸达到给定长度所需施加的单位面积上的负荷量，是检验橡胶材料的一项重要指标。

3.3.3 推荐密封材料

三元乙丙橡胶( EPDM) 分子结构中的主链不含双键，能够完全抵抗空气中臭氧和氧的腐蚀，在臭氧浓度为100PPM 的环境中，2430h内不出现龟裂(丁基橡胶500h龟裂，氯丁橡胶40h龟裂) ; 在50PPM、静拉伸30%的条件下，150h不龟裂(丁基橡胶2h龟裂) 。常与二烯弹性体并用，以改善其耐臭氧性和抗氧化性(NＲ、SBＲ等遇到臭氧时会引起应力开裂、落片和物理性能劣化) ，具有优异的耐臭氧和耐氧化性。

EPDM具有良好的耐候性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性能、耐多种极性溶剂等性能，是目前国内门窗理想的配套材料。

3.4 五金件

门窗五金件的质量好坏直接影响门窗的使用寿命和整窗气密性能，因此要慎重选择。门窗五金件通常包括开窗器、闭门器、合页、拉手、插销。一般不锈钢的门窗五金件使用寿命为8年以上，质量好的五金件表面光泽度要好，保护层致密，没有碰划伤现象开启应灵活。当前我国门窗行业使用的五金及型材系统的结构大部分与欧洲的现行系统相同。其特点是除了窗扇的四边可以同时锁紧外，五金系统可以实现窗扇相对于窗框的三维调整，最大限度地保证了门窗各项性能处于最佳状态。但不同五金件对门窗节能性能影响的量化分析有待进一步研究。

3.5窗型设计及节点构造

门窗的形式设计包括门窗的形状、尺寸、开启形式( 平开、推拉、折叠、悬窗等) 、分格、构造( 如框、扇、中横框、中竖框、拼接、延伸功能、安装) 。不同设计形式不仅影响门窗的节能性能，还直接决定门窗的成本。

公式（1) 为整窗传热系数理论计算公式:

式中：Ut为整樘窗的传热系数;
Ag为窗玻璃面积;
Ug为窗玻璃的传热系数;
Af为窗框面积;
Uf为窗框的传热系数;
lφ为玻璃区域的边缘长度;
φg为窗框和窗玻璃之间的线传热系数;
At为窗面积。

由式（1) 可知整窗传热系数与型材传热系数、玻璃传热系数、线传热系数密切相关;

图6为我国门窗标识标准窗型，图7为无亮子窗型。在两窗型玻璃配置为5Low－E+14Ar+5Low－E+12Ar+5，86系列型材(上框传热系数为0.95W/(㎡·K) ，下框传热系数为1.17 W/(㎡·K) ，中横梃传热系数为1.45 W/( ㎡·K) ，中竖挺为1.60 W/(㎡·K) ，以及整窗尺寸、计算边界条件都相同时得出：窗系统标识标准窗型传热系数为1.09 W/(㎡·K) ，无亮子窗型传热系数为1.01W/(㎡·K) ，无亮子窗型由于减少了中横挺和中横挺线传热长度lφ，从而降低了整窗传热系数。在被动式超低能耗建筑、零能耗建筑等对窗系统保温性能要求高的建筑中，建议使用无亮子窗型。

图6 我国门窗标识标准窗型

图7 无亮子窗型

国内已经相继开发门窗设计优化软件，通过软件模拟、理论分析，可优化节点构造，有效减少中试成本，缩短研发周期，实现门窗系统综合性能优化。

4 结论

综上所述，根据典型气候区的气候特征，关注不同气候区门窗系统热工性能的差异化需求，选择配套节能玻璃、型材、密封材料以及五金件，通过软件模拟、理论分析，可以得出通过以下途径可有效提升门窗节能性能:

（1) 在型材选择上，优先考虑塑料和木型材，复合型材要综合考虑。型材的腔体宜选择6腔及以上腔体，且截面填充聚氨酯等高效保温材料，有效提升型材的保温性能。

（2) 玻璃配置应结合不同气候区的需求，选择不同配置。通过改变玻璃腔体层数，增加玻璃镀膜等方式，可满足严寒寒冷地区之外的气候区的需求; 严寒寒冷地区宜采用中空复合真空的玻璃配置。

（3) 在力学性能可以保证的前提下推荐使用无亮子典型窗型，降低整窗传热系数提高窗系统保温性能。

（4) 采用具有良好的耐候性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性能、耐多种极性溶剂等性能的密封材料，配套五金系统，实现窗扇相对于窗框的三维调整，提高整窗的气密性能。