高性能单框双层四玻塑料平开窗热工性能分析——低碳概念窗

宗小丹

前 言

在国家 “十一五”科技支撑计划—“环境友好型建筑材料与产品研究开发”项目中，哈尔滨中大化学建材有限公司承担了子课题项目 “典型地区用建筑外窗系统研究开发”中 “严寒地区用高性能双层窗系统 （单框双层四玻塑料平开窗）”的研制开发。

哈尔滨中大化学建材有限公司多年来一直致力于研发适合于严寒地区使用的节能保温型建筑用门窗。从双玻窗到三玻窗，在十几年的实际应用中，始终引领着严寒、寒冷地区节能门窗的发展趋势。随着国家建筑节能政策的逐步调整，为达到建筑节能为 “低能耗”或 “零能耗”，即要求建筑围护结构上的外窗传热系数能达到1.0W/℃·K以下。目前在市场上通用的塑料三玻窗或双玻窗在此项性能上还略有欠缺，无论从计算上还是实际检测数据上看，传热系数还仅限于1.6～2.2W/℃·K范围内。特别是在季节温差较大的环境中 （如严寒地区，季节温差≥60℃时），还是会发生结露、结冰、结霜等问题，这会极大的影响室内舒适度和居住环境。

研发单框双层四玻窗的目的就是要从根本上解决严寒地区建筑外窗结露、结冰、结霜等问题，使该系统具有更高的耐寒性能、保温性能、气密性能、隔声性能和安装精度，真正符合 “低碳建筑”中对 “低碳门窗”的概念要求。

一、单框双层四玻窗系统设计思路

1.保温性能设计

无论是双玻窗还是三玻窗产生结露、结霜的原因主要是玻璃表面温度偏低所造成的。在严寒地区根据多年的实际观察和测量表明：当室外温度为-25℃左右，室内温度为20℃时，双玻窗室内侧玻璃表面温度：中心部位6～7℃，靠近窗下框部位3～4℃；而三玻窗室内侧玻璃表面温度：中心部位9～10℃，靠近窗下框部位6～7℃。查焓湿表可得，当室内温度为20℃，室内相对湿度分别在50%、55%、60%时，露点温度分别为 9.3℃、10℃、12℃。由此可见，双玻窗和三玻窗的玻璃表面温度均低于露点温度，所以，结露是必然的。若想解决窗户结露问题就得从玻璃下手，如何提高玻璃表面温度是首要条件。减少玻璃面积固然可减少玻璃对室内的冷辐射，但又受采光要求所制约。从玻璃材料考虑，目前市场上虽然有些玻璃材料的新技术，如：Low-E低辐射镀膜玻璃、真空玻璃、吸热玻璃等等，但都因材料成本高，技术推广不普遍，产品质量及技术成熟度等问题不被广大用户所认可。基于此因素，我们从严寒地区特殊的气候条件出发，以广大用户熟悉并认可的双层窗型结构为基础，研制真正适合于严寒地区使用的、符合 “低碳经济”要求的 “低碳概念”窗。

通过对严寒地区市场上采用的不同结构形式双层窗的使用情况调研了解到，无论采用何种材料 （塑料、铝合金、木材），都可以避免在冬季窗内表面结露、结冰、结霜等问题。主要原因是双层窗框之间的间隔层可以起到冷热空气置换的缓冲层作用，而且根据理论计算，间隔层的尺寸对双层窗的传热系数干扰甚小 （见表1）。

表1 双层窗间隔层距离D与K值关系

单框双层四玻塑料平开窗的结构特点是用一附框将两层窗框连接在一起，实现双层窗框组合一体安装。利用双层窗的构造原理，每层窗为双玻中空玻璃结构，达到了单框四玻窗的效果 （见图 1）。

单框双层四玻塑料平开窗的性能特点是利用双层窗框之间的距离形成一个温度缓冲层，起到室内外空气调节微循环作用，其目的是解决由温度梯度造成的室内玻璃表面温度偏低所带来的冷辐射和冷凝露问题。

2.密封性能设计

图1 单框双层四玻窗构造节点图

采用双层窗结构即实现了四道密封系统，利用室外侧窗框密封系统实现双层窗的水密性能；依靠室内侧窗框密封系统完成双层窗的气密性能，由此补充原双道或三道密封的不足 （见图2）。配合橡胶类三元乙丙胶条，气、水密性等级可提高2～3个级别，可实现 “无渗透、低能耗”的 “低碳经济”目标要求。

图2 单框双层四玻窗气、水密系统构造节点图

3.隔声性能设计

双玻窗的隔声性能可以达到30～32dB，三玻窗的隔声性能可以达到36～40dB，四玻窗是由两个双玻窗组成，并且双层窗的空气间隔层的 “弹性变形”可以起到声波衰减作用。间隔层的尺寸与隔声量有直接关系，一般情况下，间隔层的尺寸＞80mm时，隔声量值趋于稳定。所以，单框双层四玻窗是实现 “绿色环保”指标的最好选择。

4.通风性能设计

双层窗的间隔层结构非常好的解决了塑料窗通风换气的问题。由室内排出的热空气与室外渗入的冷空气在间隔层内交汇，形成一个微循环系统。冷热空气在不断交换的同时，又起到了一个恒温层的作用。

5.五金件设计

无需单独开发五金件，与市场上国际、国内标准的五金件均能通用。标准化高，适用性强，可满足不同规格、不同承重级别的功能要求。

6.安装构造设计

单框双层四玻窗结构设计即是为解决双层窗框在分别安装时的误差。由于双层窗框在分别安装时要考虑内开窗扇套开的最小尺寸范围，就需要双层窗在窗型设计、制作、安装时都要做到准确无误。采用一附框将两层窗框连接在一起，实现双层窗框组合一体安装，既保证安装精度，又可根据不同墙体构造实现配套组合 （见图3）。

图3 单框双层四玻窗安装构造节点图

二、单框双层四玻窗系统热工计算与检测、应用结果

1.单框双层四玻窗系统热工计算结果

根据中国建筑科学研究院采用美国Therm6.0-Window5.0热工计算软件，对单框双层四玻窗的传热系数U值、抗凝露温度进行了模拟计算，计算结果为：传热系数U值=1.12W/℃·K，抗凝露温度=11.7℃ （见图4）。 与三玻窗的传热系数 （U值=1.7W/℃·K，计算与检测值）比较，传热系数U值降低了34%，抗凝露温度提高了5℃左右。如果采用Low-E低辐射镀膜玻璃或充惰性气体，该窗型的传热系数则可降到0.9W/℃·K以下。对整窗的保温效果会有更大的提高。

2.单框双层四玻窗 （五玻窗）系统热工检测结果

图4 节点Aj等温线分布图与U值

我们采用相对应的型材结构模拟双层四玻窗在哈尔滨工业大学建筑节能检测中心 《建筑围护结构构件综合能耗实验台》进行检测试验，检测结果：四玻窗的传热系数K=1.2W/℃·K；我们将外层窗换上三层玻璃，即形成单框双层五玻窗，检测结果：五玻窗的传热系数K=1.12W/℃·K。

3.单框双层四玻窗 （五玻窗）系统模拟应用结果

经采用相对应的型材结构模拟双层四玻窗（五玻窗）安装在某办公室与居室进行应用实验，应用结果表明：采用单框三玻窗，室外温度-30℃，室内温度20℃，室内玻璃表面结冰、结霜（见图5）。

图5 居室用三玻窗结冰、结霜照片

在三玻窗的内侧增加了一层双玻窗，形成五玻窗结构。在与上述相同环境温度下，室内侧玻璃表面温度与室内温度仅差2℃左右，无结露、结冰现象 （见图6）。

图6 居室用双层五玻窗照片

采用单框双层四玻窗在某开发商办公室安装，室外温度-30℃，室内温度17℃，双层窗之间间隔层温度-7℃，室内玻璃表面温度13℃，与室内温差为4℃。并且在窗台上摆满花盆的情况下，也未出现结露现象。据用户反映，自从安上双层窗，外面的噪音一点也听不到，摆脱了临街办公噪声困扰的问题。

上述实验表明，单框双层四玻窗 （五玻窗）的应用，可以使室内侧玻璃表面温度与室内温度的温度差控制在2～4℃，降低了温度梯度，从根本上杜绝了冷辐射和冷凝露问题，达到了高保温、低能耗的效果。

三、单框双层四玻窗系统经济效益分析

由省住房城乡建设部门窗专家委员会专家及哈尔滨工业大学建筑节能检测中心郑茂余教授进行计算，按照 《民用建筑节能设计标准》JGJ26－95的规定，哈尔滨地区节能50%的各项技术指标，以一个建筑面积为10万m2的建筑群为计算单位，在一个采暖期内，以单框双玻窗与单框双层四玻窗作对比，数据如下 （详细计算略）：

1.单框双玻窗的耗热量q双=114.9W；

2.单框双层四玻塑窗的耗热量q四=12.4W；

3.将单框双玻窗换成单框双层四玻窗减少的耗热量△q=102.5W；

4.单框双玻窗换成单框双层四玻窗室温升高△t=14.6℃；

5.可节约620.3吨标煤 （标煤发热值Q=29304 KJ/kg）或964.7吨烟煤（烟煤发热值Q=18842KJ/kg）。

四、单框双层四玻窗系统环境效益分析

供暖锅炉燃煤时，要向大气排放大量的有害物质。10万m2的建筑物如果采用高性能的单框双层四玻窗，可减少排放二氧化碳1351吨，二氧化硫16.4吨，一氧化碳21.2吨，飞灰4.3吨；还可减少964.7吨煤的运输、贮存和300多吨炉渣的排放等，对 “低碳经济”、 “绿色环保”的国策要求起到了积极促进作用。

五、单框双层四玻窗系统成本分析与应用

1.材料成本分析

按现行市场报价仅对双层窗的材料成本作宏观计算，设窗型规格为1500×1500mm，单开扇。双层窗的材料成本与单框三玻窗相比需增加200元/㎡左右。

2.制作成本分析

双层窗制作成本比单框窗增加了一倍，但制作工艺并不复杂。因为有双层窗附框尺寸的限定，双层窗的内外窗框尺寸则以附框结构尺寸为基准即可 （见图1）。

3.使用功能范围

在多层建筑中，双层窗的开启功能可采用内平开或内外平开方式。采用内、外开启窗扇功能时，要考虑外侧外开窗扇的五金件承载问题及外开窗扇的允许高宽比尺寸问题。在高层建筑中，按照相关标准要求，7层及7层以上外开窗被限制使用。所以，双层窗应该采用双内平开形式。

六、单框双层四玻窗系统项目应用

哈尔滨中大化学建材有限公司在参加国家“十一五”科技支撑计划项目的同时，又接受了黑龙江省住房和城乡建设厅的建设科技示范工程任务，既伊春市 “北山林都”棚户区改造项目。该示范工程要求应用太阳能建筑一体化技术、低温辐射电热地膜供暖技术、HS-ICF外墙外保温建筑节能体系成套技术和高性能塑料门窗成套技术，最终实现建筑节能65%的标准要求。该项目责成哈尔滨中大化学建材有限公司、哈尔滨鸿盛房地产开发集团有限公司等单位来研制开发配套系统及技术，并在黑龙江省住房和城乡建设厅科技处指导下完成。

根据项目的设计目标，力求达到 “无采暖、零能耗、零排放”，对门窗系统的传热系数K值≤1.0W/（m2·K）以下。中大的单框双层四玻窗将首次应用在该项目中，我们将继续关注双层窗的应用情况。

七、结语

根据当前 “低碳经济”政策要求，单框双层四玻塑料平开窗是保证 “低能耗、低排放、低污染”的最好选择。作为 “低碳建筑”和 “低碳门窗”的发展方向和产品的深化研发，双层窗还应继续解决材料成本问题、功能和性能问题，以及系统化配套问题。所以，单框双层四玻塑料平开窗的研发还任重道远。

[1]班广生.谈建筑节能门窗的功能化趋势-节能窗技术.北京:中国建筑工业出版社，2003.