建筑節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

圍護結構能耗在建筑能耗中占有較大比重。在圍護結構中，外窗是建筑物熱交換最活躍的部分，其能耗約占圍護結構總能耗的40%～50%[1]，外窗節能已經成為我國建筑節能最重要的環節。《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》（建科[2017]53 號）明確提出，“十三五”期間，在門窗節能標準提升等重點領域實現突破，開發高效節能門窗產品。節能設計標準中，也是不斷提升外窗熱工性能要求，根據《居住建筑節能設計標準》（DGJ 08—205—2015）、《公共建筑節能設計標準》（DGJ 08—107—2015）規定，新建民用建筑外窗的傳熱系數不應大于2.2 W/（m2K）。

隨著技術經濟的發展，外窗型材也在不斷地更新換代。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產品，但由于其熱工性能較差、保溫隔熱不良，應用量逐漸減少；從八九十年代開始，塑料窗、鋁合金窗被廣泛應用；到如今，還出現了一些復合材料的窗框，如鋁塑復合、木塑復合等，玻纖增強聚氨酯等新型外窗也不斷涌現，外窗玻璃也經歷了從單層玻璃、普通中空玻璃到低輻射中空玻璃的發展歷程。

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差別很大，在當前外窗節能高要求的情況下，如何選擇符合節能標準的外窗，對項目外窗配置造成了一定的困擾；同時，如何監督建設項目，采用符合節能標準的外窗，也為市場監管帶來了挑戰。

1 建筑外窗應用情況調研

1.1 外窗系統組成

外窗系統是指組成一樘完整外窗的各子系統的所有材料（包括型材、五金、密封元件、玻璃、輔助配件及配套紗窗）的總稱。成熟的節能外窗系統是經過嚴格品牌技術標準整合和多次實踐的標準化產品，需利用專用的加工設備和安裝工具，按照標準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件，其熱導率對建筑外窗的保溫隔熱性能影響重大；且型材的斷面結構及裝配結構對外窗的氣密性和水密性的影響至關重要，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、鋁木復合型材、鋁塑復合型材及鋼（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。根據產品特征不同，鍍膜玻璃可分為導電膜玻璃、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格、型號方面有所不同。在隔熱方面，當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，包括執手、合頁、滑撐、滑輪、鎖閉器、螺釘等，是決定外窗各項性能的關鍵部件。

1.2 常見節能外窗

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。斷橋隔熱鋁合金窗因其保溫隔熱性能好、強度高、防火性能優良、耐腐蝕性好、使用壽命長等優點，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 型材的多腔式結構具有良好的隔熱性能，加上其主要受力部位的內部采用鋼襯補強，抗風壓強度高，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，也是比較傳統的窗體材料，早在我國漢代時期，就已發展成熟。木窗具有保溫、隔聲性能好、美觀性、裝飾性能好等優點，但必須采用優質木材，配以優良工藝，因而價格較高，多用于別墅等高檔空間處理。

2 整窗傳熱系數影響因素及其規律

根據調研結果，以目前應用最多的鋁合金和塑料窗為例，采用粵建科?MQMC 軟件，計算分析傳熱系數影響因素及其規律。

2.1 整窗傳熱系數計算方法

依據現行行業標準《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》（JGJ/T 151），外窗的傳熱系數應按公式（1）計算：

式中，Ut為整窗的傳熱系數，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為玻璃區域的邊緣長度，單位m；Ug為窗玻璃的傳熱系數，單位W/（m2K）；Uf為窗框傳熱系數，單位W/（m2K）；ψ為窗框和玻璃之間的線傳熱系數，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 鋁合金窗傳熱系數影響因素及其規律

窗框傳熱系數的影響因素包括框材料導熱系數、隔熱條高度及導熱系數等。

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]，降低窗框傳熱系數是提升鋁合金窗保溫性能的關鍵點之一（圖1）。隔熱條的高度對鋁合金窗框傳熱系數的影響比較大，隔熱條高度越大，窗框傳熱系數越低，隔熱效果越好。基于國內常用隔熱條規格尺寸調研結果，取高度在14.8～30 mm 內的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。

圖1 典型鋁合金窗框構造圖

圖2 為不同隔熱條高度下鋁合金窗框有限元計算結果，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；而在鋁合金空腔內幾乎沒有溫度曲線，說明溫度在鋁合金空腔內變化很小。這是因為模擬采用的隔熱條材料為尼龍66+25%玻璃纖維，導熱系數為0.3 W/（mK），隔熱條的保溫性能優異，而鋁合金導熱系數高達160 W/（mK），是熱的良導體。

圖2 鋁合金窗框有限元計算結果溫度曲線圖

根據模擬計算，不同隔熱條高度下，鋁合金窗框的傳熱系數如表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逐步降低。當隔熱條高度由14.8 mm 增加到30 mm時，窗框傳熱系數由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，提高窗框保溫性能。但是，若隔熱條高度過長，對型材結構安全有影響。為保證型材結構安全，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

表1 不同隔熱條高度下窗框傳熱系數

2.2.2 隔熱條、密封條導熱系數

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（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，提升窗框保溫性能。

表2 不同隔熱條材料下窗框傳熱系數

表3 不同防水密封條材料下窗框傳熱系數

2.3 塑料窗傳熱系數影響因素及其規律

塑料窗框的熱工性能與型材的厚度、腔室數、腔體形狀等因素有關。選取典型塑料窗框（圖4），采用粵建科?MQMC 軟件，計算不同腔室數下塑料窗框的傳熱系數。

圖4 典型塑料窗框構造圖

圖5 為相同截面寬度下，三～五腔室數塑料窗框有限元計算結果。可以看出，溫度曲線在鋼襯腔內幾乎沒有顯示，這是因為鋼襯導熱系數為50 W/（mK），導熱性能優良，溫度在鋼襯腔內變化很小。

圖5 塑料窗框有限元計算結果溫度曲線圖

根據模擬計算，不同腔室數下塑料窗框的傳熱系數如表4 所示。可以看出，當截面寬度相同時，塑料窗框傳熱系數隨著腔室數量的增加而降低。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值。但是，增加腔室數會給擠出模具的設計制造增加難度，因此，在進行塑料窗框設計時，要綜合考慮模具加工難易程度、保溫性能等因素。

表4 不同腔室數下窗框傳熱系數

2.4 玻璃系統傳熱系數影響因素及其規律

玻璃系統傳熱系數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在冬季的傳熱系數（表5～8）。

表5 不同空氣間層厚度的普通中空玻璃傳熱系數

可以看出：①隨著氣體間層厚度的增加，傳熱系數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，相同構造的鍍膜中空玻璃傳熱系數顯著降低，遮陽系數較高的高透型低輻射中空玻璃傳熱系數可降低0.6～0.7 W/（m2K），而遮陽系數較低的遮陽型低輻射中空玻璃傳熱系數可降低0.8～0.9 W/（m2K）；③將低輻射中空玻璃中的空氣換成氬氣時，傳熱系數也有所降低；④三玻雙腔中空玻璃傳熱系數較低，采用鍍膜玻璃、填充氬氣后，傳熱系數可低至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（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（遮陽型）

表8 三玻雙腔中空玻璃傳熱系數

3 主要配置方案下的外窗傳熱系數

根據公式（1），結合不同類型玻璃、窗框傳熱系數，計算得到鋁合金、塑料外窗傳熱系數（表9、10），其中，綠色部分為滿足《居住建筑節能設計標準》（DGJ 08—205—2015）中外窗傳熱系數要求的數值。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，外窗傳熱系數可以達到標準中2.2 W/（m2K）的限值要求。

表9 鋁合金外窗傳熱系數

4 結語

綜上所述，通過優化配置方案，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，可從理論上滿足現行節能標準要求。但是，高性能外窗的最終實現，需從源頭抓起，貫穿設計、制造、安裝、驗收和定期維修的全過程，包括設計過程中的“量身定做”、材料的科學搭配、加工過程中的工業化手段保證、安裝施工的創新、驗收工程中的把關等全過程質量管理。

表10 塑料外窗傳熱系數