影響門窗保溫性能的因素分析

朱豪

摘 要：建筑節(jié)能是當(dāng)代建筑業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是政府持續(xù)推進(jìn)節(jié)能減排的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。節(jié)能門窗在隔熱保溫性能方面均優(yōu)于普通門窗，但仍是建筑節(jié)能中比較薄弱的環(huán)節(jié)。本文闡述了門窗保溫性能在建筑節(jié)能中的作用;影響門窗保溫性能的途徑、方式以及各影響因素的分析，并通過(guò)筆者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證各影響因素在保溫性能分級(jí)中的重要程度。

關(guān)鍵詞：空氣滲透量;型材;斷面設(shè)計(jì);玻璃;窗框比

1 前言

本文依托筆者采集的各類門窗保溫性能分級(jí)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，及各類型門窗配置參數(shù)，簡(jiǎn)要分析影響門窗保溫性能的各種因素，意在尋找提升門窗保溫性能的最佳方向及手段，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)廣大門窗生產(chǎn)廠家在可控成本下盡可能最大化地提升門窗保溫性能，同時(shí)為門窗設(shè)計(jì)從業(yè)者提供實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，助力門窗設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展。

2 門窗保溫對(duì)建筑節(jié)能的作用

門窗作為建筑外圍護(hù)的重要組成部分，在建筑整體節(jié)能中占據(jù)著很大的比例，尤其是近年來(lái)在新型建筑外立面設(shè)計(jì)中，門窗與磚墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比值越來(lái)越大，甚至有的住宅采用大面積的窗型設(shè)計(jì)來(lái)取代傳統(tǒng)的磚墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這給建筑節(jié)能帶來(lái)了新的亮點(diǎn)，同時(shí)也帶來(lái)了困擾，增大了門窗面積能否帶來(lái)相應(yīng)的保溫效果。隨著如今日益成熟的材料科技，廣泛應(yīng)用于節(jié)能門窗的研發(fā)制作，加之門窗結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的磚墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)（可啟閉性），使得節(jié)能門窗可更有效率的控制室內(nèi)外溫差，從而減少人為使用制冷制熱設(shè)備的頻率，達(dá)到降低建筑能耗的目的。

3 影響門窗保溫性能的途徑/方式

3.1 影響門窗保溫性能的途徑

門窗的保溫性能由門窗與墻體直連部分的密封情況及窗體材料的傳熱系數(shù)共同決定。熱量通過(guò)門窗傳導(dǎo)主要通過(guò)兩個(gè)途徑：一是門窗材料的傳熱;二是門窗開(kāi)啟扇接縫處的空氣滲漏。

3.2 影響門窗保溫性能的方式

門窗主要構(gòu)件的熱損失，集中在受室內(nèi)外冷熱溫差影響而導(dǎo)致的熱量散失。而空氣滲漏則出現(xiàn)在窗扇與窗框連接，窗扇與玻璃連接處。以上兩種熱損失途徑均通過(guò)“傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射”三種熱力學(xué)方式呈現(xiàn)。其中，傳導(dǎo)熱損失體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)型材+玻璃的熱傳導(dǎo);輻射熱損失體現(xiàn)在玻璃的投射系數(shù)上;對(duì)流熱損失則以室內(nèi)外氣壓不平衡或門窗開(kāi)啟縫過(guò)大造成的氣流加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，空氣滲透量越大，對(duì)流熱損失就越嚴(yán)重，但是根據(jù)現(xiàn)行的GB/T 8484—2008《建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法》中，建筑外門窗保溫性能的檢測(cè)及分級(jí)要求將窗體開(kāi)啟縫部分進(jìn)行貼合密封進(jìn)行性能檢測(cè)，把窗體本身因?qū)α餍纬傻臒釗p失進(jìn)行了規(guī)避，只以窗體本身材料的熱傳導(dǎo)及外界熱輻射作為影響保溫性能的主要參考指標(biāo)。

以上三種熱損失多數(shù)時(shí)候是相互共同作用，綜合構(gòu)成門窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱散失過(guò)程。

4 門窗保溫性能的影響因素分析

門窗保溫性能對(duì)建筑節(jié)能起著至關(guān)重要的作用，找出影響門窗保溫性能的因素并加以控制或采取適當(dāng)措施予以消除，從而使門窗保溫性能得到顯著提高，滿足建筑節(jié)能的基本需要。

影響門窗保溫性能的因素主要有：型材、玻璃、窗型設(shè)計(jì)、空氣滲透等。

4.1 型材

可用于門窗結(jié)構(gòu)的材料主要有：普通鋁合金、斷橋鋁合金、PVC、木材、玻璃鋼、鋼、聚氨酯塑料等。這里主要展開(kāi)介紹和分析前四類常見(jiàn)材料在門窗保溫性能中的影響效果，各常用窗框材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

4.1.1 普通鋁合金+斷橋鋁合金

兩者本質(zhì)上都是鋁合金型材，后者在鋁型材中部加入了導(dǎo)熱系數(shù)很小的斷熱材料，從而阻斷延緩了鋁型材的傳熱，通常普通三腔鋁型材傳熱系數(shù)在6.2W/（m2·K）左右，而加入了斷橋材料的鋁合金型材傳熱系數(shù)約為3.3W/（m2·K），保溫性能提升了將近一倍。在門窗厚度截面不變的條件下，斷橋材料的阻熱性能越好，則鋁型材的保溫效果越好。另外，鋁型材腔式設(shè)計(jì)、鋁型材表面圖層處理技術(shù)也會(huì)影響傳熱系數(shù)，通常型材腔式分割越多，傳熱系數(shù)越低;型材表面采用反射涂層也會(huì)降低傳熱系數(shù)，但這二者對(duì)于窗整體的保溫性能變化來(lái)說(shuō)，效果不是很大。

4.1.2 PVC塑料

PVC塑料與鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)相差約1270倍，目前多采用的是三腔、四腔的PVC塑料結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)約為1.9W/（m2·K），是普通三腔鋁合金的1/3，是斷橋鋁合金的將近1/2，因此作為人工合成材料，其在門窗保溫性能上的優(yōu)勢(shì)是非常突出的。

c） 實(shí)木

木質(zhì)窗主要以松木為主材，其傳熱系數(shù)與PVC塑料相近，也是保溫性能優(yōu)異的天然材料，但是木材作為窗框材料的缺點(diǎn)也十分明顯，一是木料以天然實(shí)木為主，價(jià)格昂貴，過(guò)度開(kāi)采不易于環(huán)境保護(hù);二是一旦發(fā)生火災(zāi)，木質(zhì)結(jié)構(gòu)易于燃燒，不利消防安全。

4.2 玻璃

不同類型的玻璃，傳熱系數(shù)的差別很大?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，門窗玻璃占窗面積的比例基本上在55～75%，占比越來(lái)越大，因此選用低傳熱特性的玻璃對(duì)提升門窗保溫性能效果尤為顯著。影響玻璃傳熱的因素大致是以下5個(gè)：玻璃層數(shù)、空氣層厚度、空氣層填充介質(zhì)、玻璃鍍膜處理技術(shù)、中空層玻璃隔條材質(zhì)選用。

4.2.1 玻璃層數(shù)

玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.77W/（m·K），作為窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)的透光部分，其熱對(duì)流的影響幾乎不存在，若單純?cè)黾硬Ａ訑?shù)，根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，單一材料的熱阻值按照下列公式計(jì)算：

R=δ/λ

其中：

R——材料層的熱阻，（m2·K）/W;

δ——材料層的厚度，m;

λ——材料層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

由此可見(jiàn)，當(dāng)增加玻璃厚度時(shí)，熱阻呈線性增加，但是傳熱系數(shù)的降低值對(duì)于玻璃整體而言比較小。

4.2.2 空氣層厚度

空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.028W/（m·K），由于靜止空氣具有隔熱屬性，因此中空玻璃在保溫性能上較單層玻璃提升了將近一倍，關(guān)鍵就在于玻璃間密閉空氣層的存在，而空氣層的厚度又直接影響中空玻璃的保溫性能。筆者試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)空氣層厚度<12mm以下時(shí)，熱阻與玻璃間距幾乎成正線性關(guān)系，玻璃間距在12～20mm時(shí)，熱阻與間距則成正遞升曲線關(guān)系，而當(dāng)玻璃間距>20mm時(shí)，過(guò)大的間距導(dǎo)致空氣層內(nèi)空氣對(duì)流的形成，其阻礙了空氣層熱阻的提升，此時(shí)相較于空氣層的增厚，增加的熱阻值就顯得不那么經(jīng)濟(jì)了，因此，玻璃空氣層厚的選擇，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)需要的熱阻以及框材選用的經(jīng)濟(jì)性共同決定。

4.2.3 空氣層填充介質(zhì)

空氣層除了填充空氣外，還可以填充物化性質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體（氬氣、氪氣），以求達(dá)到更好的保溫性能。筆者對(duì)近兩年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到以下結(jié)論：

同一窗型，空氣層為惰性氣體，窗整體傳熱系數(shù)K值一般優(yōu)于普通空氣層0.1W/（m2·K）～0.15W/（m2·K）左右。

三玻兩腔玻璃或是單塊玻璃面積S>0.5m2的窗型，空氣層填充惰性氣體的，窗整體傳熱系數(shù)K值一般優(yōu)于普通空氣層0.2W/（m2·K）以上。

4.2.4 玻璃鍍膜處理技術(shù)

在中空玻璃外片上鍍上一層不可見(jiàn)的銀質(zhì)金屬層，從而大幅度降低玻璃的輻射熱傳遞。Low-E中空玻璃（5mm+12A+5mm）的傳熱系數(shù)約為1.7W/（m2·K）左右，而普通中空玻璃（5mm+12A+5mm）的傳熱系數(shù)為3.1W/（m2·K）左右，傳熱效果降低了45%，因此Low-E玻璃研究發(fā)展及應(yīng)用也是未來(lái)門窗節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。

4.2.5 中空層玻璃隔條材質(zhì)選用

目前市場(chǎng)上的中空玻璃隔條多采用的是鋁隔條，組裝后嵌與扇料內(nèi)，容易與扇料型材形成熱傳導(dǎo)，在玻璃周長(zhǎng)上形成較大面積的熱散失從而產(chǎn)生諸如室內(nèi)側(cè)玻璃結(jié)露、結(jié)霜等現(xiàn)象，影響保溫性能。

而采用暖邊技術(shù)時(shí)利用橡膠間隔條，阻礙玻璃邊緣向窗扇結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程，從而降低中空玻璃周長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳熱水平，減少結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.3 窗型設(shè)計(jì)

根據(jù)熱力學(xué)公式：

Uw=（Ag×Ug+Af×Uf+Lg×ψg）/（Ag+Af）

其中：

Uw——整窗的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

Ag——玻璃的投射面積，m2;

Ug——玻璃的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

Af——窗框的投射面積，m2;

Uf——窗框的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

Lg——玻璃的區(qū)域周長(zhǎng)，m;

ψg——玻璃邊界的線性傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

傳熱系數(shù)與玻璃的投射面積、窗框的投射面積以及玻璃的周長(zhǎng)具有相關(guān)性，玻璃與型材的傳熱系數(shù)不同，將它們兩個(gè)以不同面積比組合在一起必然影響到整窗的傳熱系數(shù)，同時(shí)在同一規(guī)格尺寸下，不同的窗型設(shè)計(jì)分割、不同的窗扇開(kāi)啟方式，會(huì)造成很大的傳熱系數(shù)波動(dòng)區(qū)間，因此注重窗型設(shè)計(jì)也是降低傳熱系數(shù)，提高窗整體保溫性能的重要手段。

4.4空氣滲透

由于GB/T 8484—2008《建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法》中，對(duì)于門窗保溫性能分級(jí)的判定是以窗扇縫隙密封條件下進(jìn)行的，因此使用檢測(cè)的手段驗(yàn)證空氣滲透對(duì)于窗整體保溫性能的影響具有一定局限性。筆者結(jié)合日常保溫檢測(cè)工作，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：結(jié)論參見(jiàn)表2。

（選取試驗(yàn)對(duì)象為密封狀態(tài)下，滲透量造成的傳熱損失可忽略不計(jì)的兩組65系列斷橋鋁合金平開(kāi)窗，中空玻璃配置為：Low-E玻璃，空氣層5mm+12A+5mm。A：氣密性指標(biāo)6級(jí)，B：氣密性指標(biāo)4級(jí)）。

由此可見(jiàn)，空氣滲透對(duì)于門窗保溫性能的影響甚至大于前面各類因素。從檢測(cè)工作出發(fā)，由于結(jié)構(gòu)性原因，推拉窗在未密閉的狀態(tài)下，保溫性能不是很理想，想要真正提高門窗保溫性能，必須從著手改進(jìn)推拉窗的氣密性能開(kāi)始。

5 結(jié)語(yǔ)

影響門窗保溫的因素有很多，主要的就是型材、玻璃、窗型設(shè)計(jì)、空氣滲透等。

排在首位是空氣滲透造成的熱損失，但是在現(xiàn)行的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)下，由空氣滲透造成的對(duì)流熱損失往往被忽略了，在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中亦被規(guī)避，這也導(dǎo)致了我們的門窗保溫檢測(cè)工作中存在著一定的不確定性與偏差，給門窗保溫在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用推廣增加了阻力。

其次窗型設(shè)計(jì)從大的層面上決定了其傳熱系數(shù)的范圍，因此這也是從業(yè)者需要關(guān)注的地方。

至于型材、玻璃的選用，更多的是在窗型設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)好的傳熱系數(shù)范圍內(nèi)（已選定型材種類、玻璃類型），結(jié)合自身企業(yè)成本、設(shè)計(jì)等綜合采用。

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