中國塑料門窗(PVC-U)節能型材數據庫建立與應用研究

文/楊華秋 楊仕超 閆雷光 吳培浩 馬揚 易序彪

1 數據庫建立背景

目前建筑節能工作已經成為我國可持續發展戰略的重要組成部分，建筑門窗作為圍護結構節能的薄弱環節，也成為建筑節能中最受關注的重點。 我國正處于快速城市化過程，每年新建建筑約20億平方米，相當于全球40%的新建建筑面積。根據住建部的相關統計[1]到2010年底，全國城鎮新建建筑設計階段執行節能強制性標準的比例為99.5%，施工階段執行節能強制性標準的比例為95.4%。同時，近年來我國綠色建筑蓬勃發展，截至2010年底，全國有113個項目獲得了綠色建筑評價標識，建筑面積超過1300萬平方米。全國實施了217個綠色建筑示范工程，建筑面積超過4000萬平方米。

塑料門窗具有優良的保溫性能，抗結露性能優異，具有很好的節能優勢，是我國北方地區主要的節能門窗品種，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，具有更高的性價比。同時PVC本身也是一種綠色建筑材料，首先是節約生產能耗，其次回收再利用成本較低時，能耗和污染小。

住建部于2010年6月18日下發了《關于進一步加強建筑門窗節能性能標識工作的通知》（建科〔2010〕93號），要求加快門窗節能標識的推廣、測評等工作，要求用三年的時間全國規模以上的企業主要的門窗產品須通過標識。目前已獲得門窗標識的產品中嚴寒地區約50%的門窗產品為塑料門窗產品，寒冷地區約30%的產品為塑料門窗產品。

2013年1月1日，國務院辦公廳發布了《綠色建筑行動方案》，綠色建筑迎來全新的發展時期。同時現代建筑若要提升建筑質量、提高施工效率、實現建筑的精品化、標準化，就必須走建筑工業化的道路，這也是綠色建筑發展的要求。因此，由于綠色化、工業化、信息化的發展要求，對于我們各類建筑材料的配送方式、營銷模式都會帶來翻天覆地的變化，我們需要建立產品的標準信息庫。

為了加快塑料節能門窗的推廣應用，普及門窗熱工性能計算方法，同時為建筑師、業主等提供一個科學、準確、可靠的塑料門窗節能數據庫，體現塑料門窗節能保溫的優勢, 推動我國塑料門窗的質量水平提升，中國建筑金屬結構協會塑料門窗委員會與廣東省建筑科學研究院共同建立我國首個塑料門窗節能型材節能數據庫。

2 數據庫建立方法

數據庫的建立方法與門窗節能標識測評過程類似，采用了科學、嚴謹的方法模擬計算門窗的熱工性能，從而獲得相關的數據。

為規范和統一數據庫的建立工作，廣東省建筑科學研究院與塑料門窗委員會出臺了數據庫的管理辦法和技術指南。數據庫主要依據《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》（JGJ/T151-2008）及相關的標準、技術指南等，通過統一的計算模型、玻璃系統、邊界條件和模擬計算要求，采用粵建科MQMC軟件，經過二維傳熱有限元分析計算，得到的傳熱系數、線傳熱系數、框投影長度等一系列的熱工性能參數，最終建立數據庫。

3 數據庫技術論證與驗證

3.1線傳熱系數ψ插值法驗證

JGJ/T 151-2008規定采用線傳熱系數理論計算窗框的熱工性能，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ψ來解決這個問題，因此ψ與型材及玻璃系統皆有關。若型材構造固定時，則型材的線傳熱系數隨框搭配的玻璃系統傳系數變化。

如何了解和掌握數據庫中框的線傳熱系數的變化規律，成為數據庫建立和應用的關鍵點之一。為了研究型材和線傳熱系數變化規律，筆者采用粵建科MQMC軟件，模擬計算搭配不同保溫性能的玻璃系統的塑料窗框的熱工性能，分析塑料窗框的線傳系數的變化規律，為數據庫的建立提供基礎數據和技術支撐。

為開展塑料窗框線傳熱系數的驗證，筆者作了以下的規定和假設：

a 采用統一的計算邊界條件，即采用JGJ/T 151-2008第10.1.3條規定的冬季標準邊界條件。

b 選擇適合的玻璃系統進行型材線傳熱系數ψ研究。塑料型材搭配不同保溫性能的玻璃系統，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點開展線傳熱系數研究。

d 根據數據庫技術指南的要求開展玻璃系統和門窗型材熱工性能模擬計算。

為了研究型材與玻璃鑲嵌部位ψ值的變化規律，選擇部分典型塑料門窗型材，如圖1和圖2所示。根據以上的規定和假設，采用粵建科MQMC軟件6種典型塑料窗型材框的熱工性能進行模擬計算，計算結果如圖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ψ值與玻璃系統的保溫性能變化規律基本一致，隨典型玻璃系統傳熱的減小逐漸降低。同時在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線性變化的關鍵節點，玻璃表面和發射率分別為 0.02、0.15、0.4、0.84。

為驗證以上的關鍵節點，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按照線性插值方法進行計算，與直接計算法得到的結果進行比較，誤差率基本分布在±1%以內，最大誤差率僅為2.34%。

3.2數據庫驗證分析

為提高數據庫工作的科學性和嚴謹性，數據的準確性，加強各企業的技術交流，規范模擬計算方法，對比塑料門窗保溫性能模擬計算和檢測結果，研究塑料門窗型材數據庫計算方法的合理性。主要驗證門窗保溫性能檢測結果與門窗熱工性能模擬計算結果的對比，同時驗證企業的模擬計算能力和水平，有10家塑料門窗型材企業及7家建筑門窗節能性能標識實驗室參加，共有10個檢測及模擬計算樣本。

3.2.1 驗證項目及樣品

驗證包括建筑玻璃光學熱工性能檢測、門窗保溫性能測試和門窗熱工性能模擬計算3項，主要驗證門窗保溫性能測試與模擬計算結果的差異，及企業門窗熱工性能模擬計算能力。門窗保溫性能檢測和玻璃光學熱工性能測試，由企業送至具有建筑門窗節能性能標識資質的實驗室機構，各參與驗證企業送檢的門窗保溫檢測產品系列及檢測實驗室如表2所示。

圖1 典型雙玻中空塑料窗型材節點

圖2 典型三玻中空塑料窗型材節點

圖3 典型雙玻中空塑料窗節點線傳熱系數變化

圖4 典型雙玻中空塑料窗節點線傳熱系數變化

表1 塑料窗型材節點線傳熱系數線性變化的關鍵節點

表2 數據庫驗證項目

3.2.2 驗證結果

表3 樣品檢測及樣品模擬計算結果匯總表

表4 88系列推拉塑料窗模擬計算結果匯總表

由表3可知，E和F企業模擬計算的結果與保溫檢測結果誤差大于5%，通過分析檢測報告和模擬計算文件發現主要由模擬計算的邊界條件定義有誤及材料定義有誤造成。其他企業的模擬計算結果與檢測結果誤差率小于5%，符合門窗標識的要求。由表4可知，序代號I的企業玻璃光學熱工性能計算結果及整樘窗計算結果與其他企業存在較大的誤差，經檢查其玻璃系統組合中沒有按要求選用100%的氬氣，而是采用空氣進行模擬計算。其余各企業的模擬計算結果基本相同。

通過本次驗證結果可知，保溫檢測性能檢測結果基本滿意，經分析主要是模擬計算存在問題，同時也說明了只要模擬計算操作處理正確，其結果與檢測基本一致。

4 數據庫現狀及應用展望

經過四年多的建設和多次的技術驗證，目前數據庫建立工作基本完成，已有12家塑料門窗型材企業，共計30個產品系列加入到數據中，覆蓋了我國主要的型材企業和主要的節能塑料門窗產品，并建立了數據庫網頁查詢系統和手機應用軟件。

數據庫手機軟件不但具有查詢的功能，同時依據數據庫的數據可計算門窗整體的傳熱系數、遮陽系數和可見光透射比，滿足業主、設計師門窗選型、設計計算的要求。塑料門窗數據庫與粵建科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能數據，免去了復雜、煩瑣的框型材有限元建模過程。

隨著我國建筑節能水平的大幅提高，特別是北方地區對外窗節能要求的大幅提高，鋁合金斷熱型材將較難滿足其節能性能的要求，且經濟性較差，塑料門窗將在我國寒冷地區和嚴寒地區迎來快速發展的機遇，同時高性能塑料門窗將是市場的主流產品。數據庫也將隨這股潮流將成為門窗行業中門窗選型、設計的常用和必備的數據庫。隨著互聯網和智能手機的普及，數據庫手機軟件的推出將會大大加快數據庫的推廣應用。

數據庫推廣后，將會有越來越多的企業加入數據庫中，該數據庫可逐漸發展提升為塑料型材行業節能產品推廣目錄。在塑料窗型材數據庫建立的經驗基礎之上，我們還要繼續思考塑料窗產品信息化的推動工作，不僅限于節能，而是產品的全信息，緊隨著建筑工業化、信息化的發展道路，才不會被時代淘汰。

表5 已加入數據庫的企業及產品系列

圖5軟件操作界面

圖6 整窗查詢結果

圖7 節點詳細查詢結果

[1] 住房和城鄉建設部建筑節能與科技司.“十二五”建筑節能專項規劃.

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

[3] 閆雷光. 建筑用塑料門窗.建筑金屬結構，2013（53~57）.

[3] JGJ/T 151-2008. 建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程[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能數據庫管理方法》.

[8]《中國塑料門窗型材節能數據庫技術指南》.