高性能單框雙層四玻塑料平開窗熱工性能分析——低碳概念窗

宗小丹

前 言

在國家 “十一五”科技支撐計劃—“環(huán)境友好型建筑材料與產(chǎn)品研究開發(fā)”項(xiàng)目中，哈爾濱中大化學(xué)建材有限公司承擔(dān)了子課題項(xiàng)目 “典型地區(qū)用建筑外窗系統(tǒng)研究開發(fā)”中 “嚴(yán)寒地區(qū)用高性能雙層窗系統(tǒng) （單框雙層四玻塑料平開窗）”的研制開發(fā)。

哈爾濱中大化學(xué)建材有限公司多年來一直致力于研發(fā)適合于嚴(yán)寒地區(qū)使用的節(jié)能保溫型建筑用門窗。從雙玻窗到三玻窗，在十幾年的實(shí)際應(yīng)用中，始終引領(lǐng)著嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)節(jié)能門窗的發(fā)展趨勢。隨著國家建筑節(jié)能政策的逐步調(diào)整，為達(dá)到建筑節(jié)能為 “低能耗”或 “零能耗”，即要求建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的外窗傳熱系數(shù)能達(dá)到1.0W/℃·K以下。目前在市場上通用的塑料三玻窗或雙玻窗在此項(xiàng)性能上還略有欠缺，無論從計算上還是實(shí)際檢測數(shù)據(jù)上看，傳熱系數(shù)還僅限于1.6～2.2W/℃·K范圍內(nèi)。特別是在季節(jié)溫差較大的環(huán)境中 （如嚴(yán)寒地區(qū)，季節(jié)溫差≥60℃時），還是會發(fā)生結(jié)露、結(jié)冰、結(jié)霜等問題，這會極大的影響室內(nèi)舒適度和居住環(huán)境。

研發(fā)單框雙層四玻窗的目的就是要從根本上解決嚴(yán)寒地區(qū)建筑外窗結(jié)露、結(jié)冰、結(jié)霜等問題，使該系統(tǒng)具有更高的耐寒性能、保溫性能、氣密性能、隔聲性能和安裝精度，真正符合 “低碳建筑”中對 “低碳門窗”的概念要求。

一、單框雙層四玻窗系統(tǒng)設(shè)計思路

1.保溫性能設(shè)計

無論是雙玻窗還是三玻窗產(chǎn)生結(jié)露、結(jié)霜的原因主要是玻璃表面溫度偏低所造成的。在嚴(yán)寒地區(qū)根據(jù)多年的實(shí)際觀察和測量表明：當(dāng)室外溫度為-25℃左右，室內(nèi)溫度為20℃時，雙玻窗室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度：中心部位6～7℃，靠近窗下框部位3～4℃；而三玻窗室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度：中心部位9～10℃，靠近窗下框部位6～7℃。查焓濕表可得，當(dāng)室內(nèi)溫度為20℃，室內(nèi)相對濕度分別在50%、55%、60%時，露點(diǎn)溫度分別為 9.3℃、10℃、12℃。由此可見，雙玻窗和三玻窗的玻璃表面溫度均低于露點(diǎn)溫度，所以，結(jié)露是必然的。若想解決窗戶結(jié)露問題就得從玻璃下手，如何提高玻璃表面溫度是首要條件。減少玻璃面積固然可減少玻璃對室內(nèi)的冷輻射，但又受采光要求所制約。從玻璃材料考慮，目前市場上雖然有些玻璃材料的新技術(shù)，如：Low-E低輻射鍍膜玻璃、真空玻璃、吸熱玻璃等等，但都因材料成本高，技術(shù)推廣不普遍，產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)成熟度等問題不被廣大用戶所認(rèn)可。基于此因素，我們從嚴(yán)寒地區(qū)特殊的氣候條件出發(fā)，以廣大用戶熟悉并認(rèn)可的雙層窗型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研制真正適合于嚴(yán)寒地區(qū)使用的、符合 “低碳經(jīng)濟(jì)”要求的 “低碳概念”窗。

通過對嚴(yán)寒地區(qū)市場上采用的不同結(jié)構(gòu)形式雙層窗的使用情況調(diào)研了解到，無論采用何種材料 （塑料、鋁合金、木材），都可以避免在冬季窗內(nèi)表面結(jié)露、結(jié)冰、結(jié)霜等問題。主要原因是雙層窗框之間的間隔層可以起到冷熱空氣置換的緩沖層作用，而且根據(jù)理論計算，間隔層的尺寸對雙層窗的傳熱系數(shù)干擾甚小 （見表1）。

表1 雙層窗間隔層距離D與K值關(guān)系

單框雙層四玻塑料平開窗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用一附框?qū)蓪哟翱蜻B接在一起，實(shí)現(xiàn)雙層窗框組合一體安裝。利用雙層窗的構(gòu)造原理，每層窗為雙玻中空玻璃結(jié)構(gòu)，達(dá)到了單框四玻窗的效果 （見圖 1）。

單框雙層四玻塑料平開窗的性能特點(diǎn)是利用雙層窗框之間的距離形成一個溫度緩沖層，起到室內(nèi)外空氣調(diào)節(jié)微循環(huán)作用，其目的是解決由溫度梯度造成的室內(nèi)玻璃表面溫度偏低所帶來的冷輻射和冷凝露問題。

2.密封性能設(shè)計

圖1 單框雙層四玻窗構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖

采用雙層窗結(jié)構(gòu)即實(shí)現(xiàn)了四道密封系統(tǒng)，利用室外側(cè)窗框密封系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙層窗的水密性能；依靠室內(nèi)側(cè)窗框密封系統(tǒng)完成雙層窗的氣密性能，由此補(bǔ)充原雙道或三道密封的不足 （見圖2）。配合橡膠類三元乙丙膠條，氣、水密性等級可提高2～3個級別，可實(shí)現(xiàn) “無滲透、低能耗”的 “低碳經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)要求。

圖2 單框雙層四玻窗氣、水密系統(tǒng)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖

3.隔聲性能設(shè)計

雙玻窗的隔聲性能可以達(dá)到30～32dB，三玻窗的隔聲性能可以達(dá)到36～40dB，四玻窗是由兩個雙玻窗組成，并且雙層窗的空氣間隔層的 “彈性變形”可以起到聲波衰減作用。間隔層的尺寸與隔聲量有直接關(guān)系，一般情況下，間隔層的尺寸＞80mm時，隔聲量值趨于穩(wěn)定。所以，單框雙層四玻窗是實(shí)現(xiàn) “綠色環(huán)保”指標(biāo)的最好選擇。

4.通風(fēng)性能設(shè)計

雙層窗的間隔層結(jié)構(gòu)非常好的解決了塑料窗通風(fēng)換氣的問題。由室內(nèi)排出的熱空氣與室外滲入的冷空氣在間隔層內(nèi)交匯，形成一個微循環(huán)系統(tǒng)。冷熱空氣在不斷交換的同時，又起到了一個恒溫層的作用。

5.五金件設(shè)計

無需單獨(dú)開發(fā)五金件，與市場上國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的五金件均能通用。標(biāo)準(zhǔn)化高，適用性強(qiáng)，可滿足不同規(guī)格、不同承重級別的功能要求。

6.安裝構(gòu)造設(shè)計

單框雙層四玻窗結(jié)構(gòu)設(shè)計即是為解決雙層窗框在分別安裝時的誤差。由于雙層窗框在分別安裝時要考慮內(nèi)開窗扇套開的最小尺寸范圍，就需要雙層窗在窗型設(shè)計、制作、安裝時都要做到準(zhǔn)確無誤。采用一附框?qū)蓪哟翱蜻B接在一起，實(shí)現(xiàn)雙層窗框組合一體安裝，既保證安裝精度，又可根據(jù)不同墻體構(gòu)造實(shí)現(xiàn)配套組合 （見圖3）。

圖3 單框雙層四玻窗安裝構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖

二、單框雙層四玻窗系統(tǒng)熱工計算與檢測、應(yīng)用結(jié)果

1.單框雙層四玻窗系統(tǒng)熱工計算結(jié)果

根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院采用美國Therm6.0-Window5.0熱工計算軟件，對單框雙層四玻窗的傳熱系數(shù)U值、抗凝露溫度進(jìn)行了模擬計算，計算結(jié)果為：傳熱系數(shù)U值=1.12W/℃·K，抗凝露溫度=11.7℃ （見圖4）。 與三玻窗的傳熱系數(shù) （U值=1.7W/℃·K，計算與檢測值）比較，傳熱系數(shù)U值降低了34%，抗凝露溫度提高了5℃左右。如果采用Low-E低輻射鍍膜玻璃或充惰性氣體，該窗型的傳熱系數(shù)則可降到0.9W/℃·K以下。對整窗的保溫效果會有更大的提高。

2.單框雙層四玻窗 （五玻窗）系統(tǒng)熱工檢測結(jié)果

圖4 節(jié)點(diǎn)Aj等溫線分布圖與U值

我們采用相對應(yīng)的型材結(jié)構(gòu)模擬雙層四玻窗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑節(jié)能檢測中心 《建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件綜合能耗實(shí)驗(yàn)臺》進(jìn)行檢測試驗(yàn)，檢測結(jié)果：四玻窗的傳熱系數(shù)K=1.2W/℃·K；我們將外層窗換上三層玻璃，即形成單框雙層五玻窗，檢測結(jié)果：五玻窗的傳熱系數(shù)K=1.12W/℃·K。

3.單框雙層四玻窗 （五玻窗）系統(tǒng)模擬應(yīng)用結(jié)果

經(jīng)采用相對應(yīng)的型材結(jié)構(gòu)模擬雙層四玻窗（五玻窗）安裝在某辦公室與居室進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用結(jié)果表明：采用單框三玻窗，室外溫度-30℃，室內(nèi)溫度20℃，室內(nèi)玻璃表面結(jié)冰、結(jié)霜（見圖5）。

圖5 居室用三玻窗結(jié)冰、結(jié)霜照片

在三玻窗的內(nèi)側(cè)增加了一層雙玻窗，形成五玻窗結(jié)構(gòu)。在與上述相同環(huán)境溫度下，室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度與室內(nèi)溫度僅差2℃左右，無結(jié)露、結(jié)冰現(xiàn)象 （見圖6）。

圖6 居室用雙層五玻窗照片

采用單框雙層四玻窗在某開發(fā)商辦公室安裝，室外溫度-30℃，室內(nèi)溫度17℃，雙層窗之間間隔層溫度-7℃，室內(nèi)玻璃表面溫度13℃，與室內(nèi)溫差為4℃。并且在窗臺上擺滿花盆的情況下，也未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。據(jù)用戶反映，自從安上雙層窗，外面的噪音一點(diǎn)也聽不到，擺脫了臨街辦公噪聲困擾的問題。

上述實(shí)驗(yàn)表明，單框雙層四玻窗 （五玻窗）的應(yīng)用，可以使室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度與室內(nèi)溫度的溫度差控制在2～4℃，降低了溫度梯度，從根本上杜絕了冷輻射和冷凝露問題，達(dá)到了高保溫、低能耗的效果。

三、單框雙層四玻窗系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

由省住房城鄉(xiāng)建設(shè)部門窗專家委員會專家及哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑節(jié)能檢測中心鄭茂余教授進(jìn)行計算，按照 《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26－95的規(guī)定，哈爾濱地區(qū)節(jié)能50%的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，以一個建筑面積為10萬m2的建筑群為計算單位，在一個采暖期內(nèi)，以單框雙玻窗與單框雙層四玻窗作對比，數(shù)據(jù)如下 （詳細(xì)計算略）：

1.單框雙玻窗的耗熱量q雙=114.9W；

2.單框雙層四玻塑窗的耗熱量q四=12.4W；

3.將單框雙玻窗換成單框雙層四玻窗減少的耗熱量△q=102.5W；

4.單框雙玻窗換成單框雙層四玻窗室溫升高△t=14.6℃；

5.可節(jié)約620.3噸標(biāo)煤 （標(biāo)煤發(fā)熱值Q=29304 KJ/kg）或964.7噸煙煤（煙煤發(fā)熱值Q=18842KJ/kg）。

四、單框雙層四玻窗系統(tǒng)環(huán)境效益分析

供暖鍋爐燃煤時，要向大氣排放大量的有害物質(zhì)。10萬m2的建筑物如果采用高性能的單框雙層四玻窗，可減少排放二氧化碳1351噸，二氧化硫16.4噸，一氧化碳21.2噸，飛灰4.3噸；還可減少964.7噸煤的運(yùn)輸、貯存和300多噸爐渣的排放等，對 “低碳經(jīng)濟(jì)”、 “綠色環(huán)保”的國策要求起到了積極促進(jìn)作用。

五、單框雙層四玻窗系統(tǒng)成本分析與應(yīng)用

1.材料成本分析

按現(xiàn)行市場報價僅對雙層窗的材料成本作宏觀計算，設(shè)窗型規(guī)格為1500×1500mm，單開扇。雙層窗的材料成本與單框三玻窗相比需增加200元/㎡左右。

2.制作成本分析

雙層窗制作成本比單框窗增加了一倍，但制作工藝并不復(fù)雜。因?yàn)橛须p層窗附框尺寸的限定，雙層窗的內(nèi)外窗框尺寸則以附框結(jié)構(gòu)尺寸為基準(zhǔn)即可 （見圖1）。

3.使用功能范圍

在多層建筑中，雙層窗的開啟功能可采用內(nèi)平開或內(nèi)外平開方式。采用內(nèi)、外開啟窗扇功能時，要考慮外側(cè)外開窗扇的五金件承載問題及外開窗扇的允許高寬比尺寸問題。在高層建筑中，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，7層及7層以上外開窗被限制使用。所以，雙層窗應(yīng)該采用雙內(nèi)平開形式。

六、單框雙層四玻窗系統(tǒng)項(xiàng)目應(yīng)用

哈爾濱中大化學(xué)建材有限公司在參加國家“十一五”科技支撐計劃項(xiàng)目的同時，又接受了黑龍江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳的建設(shè)科技示范工程任務(wù)，既伊春市 “北山林都”棚戶區(qū)改造項(xiàng)目。該示范工程要求應(yīng)用太陽能建筑一體化技術(shù)、低溫輻射電熱地膜供暖技術(shù)、HS-ICF外墻外保溫建筑節(jié)能體系成套技術(shù)和高性能塑料門窗成套技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)要求。該項(xiàng)目責(zé)成哈爾濱中大化學(xué)建材有限公司、哈爾濱鴻盛房地產(chǎn)開發(fā)集團(tuán)有限公司等單位來研制開發(fā)配套系統(tǒng)及技術(shù)，并在黑龍江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技處指導(dǎo)下完成。

根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計目標(biāo)，力求達(dá)到 “無采暖、零能耗、零排放”，對門窗系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K值≤1.0W/（m2·K）以下。中大的單框雙層四玻窗將首次應(yīng)用在該項(xiàng)目中，我們將繼續(xù)關(guān)注雙層窗的應(yīng)用情況。

七、結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前 “低碳經(jīng)濟(jì)”政策要求，單框雙層四玻塑料平開窗是保證 “低能耗、低排放、低污染”的最好選擇。作為 “低碳建筑”和 “低碳門窗”的發(fā)展方向和產(chǎn)品的深化研發(fā)，雙層窗還應(yīng)繼續(xù)解決材料成本問題、功能和性能問題，以及系統(tǒng)化配套問題。所以，單框雙層四玻塑料平開窗的研發(fā)還任重道遠(yuǎn)。

[1]班廣生.談建筑節(jié)能門窗的功能化趨勢-節(jié)能窗技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.