高性能建筑外窗耐候性试验研究及性能影响分析

孙旭灿，潘振，潘玉勤，杨玉忠，郝文，杜永恒

（1.河南省建筑科学研究院有限公司，河南郑州 450053；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

门窗是建筑围护结构的重要组成部分，在建筑围护结构总能耗中，建筑门窗的能耗约占50%[1]。随着我国建筑节能设计标准的提升及超低能耗建筑的快速发展，对门窗部品的性能要求越来越高，门窗部品的性能优劣直接关系到建筑室内热舒适及建筑能耗水平。由于外窗暴露在建筑物的外部，受不同气候条件的影响，时间久了出现玻璃及型材表面结露现象、连接缝隙增大气密性差、五金件强度降低窗扇下垂、密封材料老化气密水密性差等问题，外窗耐候性能直接影响外窗的性能，从而影响建筑的整体节能性能。

耐候性试验是对复杂综合气候条件的模拟，如夏季外围护结构经高温日晒后突降暴雨和冬季昼夜温度的反复作用，是对外围护结构进行的加速气候老化试验，是检验和评价外围护结构质量的重要试验项目，耐候性试验与实际工程有着很好的相关性，能很好地反映实际外围护结构的耐候性[2]。针对建筑外窗在综合气候影响下性能的变化，欧美等国家已开展相关研究并制定标准[3]，而国内此方面的研究较少。课题提出外窗性能耐候性评价方法，研制外窗耐候性能检测设备，通过模拟不同气候变化条件，测试外窗在综合气候条件下的耐候性。本文对耐候性检测试验方法进行研究，并对项目研发的高性能塑料外窗进行耐候性试验，对比试验前后的性能检测结果，分析其影响因素及提出改进塑料门窗耐候性的技术方法。

1 外窗耐候性检测设备

建筑外窗耐候性试验台由温湿度调控系统、雨水模拟系统、阳光模拟系统组成，试验装置示意如图1所示。

图1 建筑门窗耐候性试验装置示意

（1）温湿度调控系统：室内侧环境温度控制在（20±2）℃；室外侧环境温度控制在（-50～50）℃，控制精度±2 ℃；相对湿度要求从20%～90%连续可控，精度要求在±5%以内。

（2）雨水模拟系统：雨水模拟采用雨水喷淋，所用水温为（20±3）℃，试件表面淋水量为（2.0±0.2）L/（m2·min）。

（3）阳光模拟系统：阳光模拟系统采用红外辐射器，辐射器采用波长为1.5～2.6 μm、角度为80°的红外光，红外灯应均匀分布，使试件表面的辐照均匀，辐射强度为（1120±112）W/m2。

2 门窗耐候性试验研究

根据我国不同典型气候区特征，确定不同气候区的模拟检测试验条件，结合气候区冬夏季特点，参考国内关于围护结构耐候性检测标准及国外门窗耐候性检测标准方法制订耐候性试验过程。

2.1 试验原理

首先，对所测试件进行耐候性试验前的性能检测。然后，利用实验装置进行室外环境气候模拟，并通过太阳辐射、低温、淋雨、干燥和水蒸气等不同环境因素的周期性变化对试件进行耐候性试验，试验期间观察试件是否出现功能障碍或损坏，室内侧是否出现严重的结露（结霜）等情况。若出现以上任何现象，则判断试件窗耐候性不合格，若无以上现象出现，再进行耐候性试验后的性能检测，试验后试件水密性、气密性不低于试验前的性能等级，否则判定为不合格。

2.2 试件要求

试件在耐候性试验前应在温度15～30 ℃、相对湿度25%～75%条件下放置不少于3 d。

2.3 试验条件

试验条件包括温湿度、光照辐射强度和淋雨，不同气候区试验条件设置如表1所示。

表1 不同气候区试验条件设置

2.4 试验过程

试验应根据窗应用所在气候区选择一种气候条件（本文高性能塑料窗应用在严寒地区，选择最严格严寒地区耐候性测试条件进行耐候性试验），以12 h为1个循环，耐候性试验运行周期示意如图2所示。

图2 耐候性能试验1个循环运行示意

耐候性试验不少于40个循环，每个循环加载顺序如下：

在常温（20±5）℃条件下保持1 h；0.5 h内将气温从常温调整至冬季气候条件，本文所述高性能节能窗应用在严寒地区，冬季气温条件为（-40±5）℃，并保持4 h；然后0.5 h内将冬季气温条件再调整至常温（20±5）℃；常温下保持1 h；0.5 h内从常温调整至夏季气候条件（40±5）℃；夏季条件保持4 h，其中3 h后进行阳光辐射模拟，试件表面温度控制在（70±5）℃；最后调整至常温条件（20±5）℃，同步进行雨水环境模拟0.5 h。然后进行下一个循环。

耐候性试验期间观察试件室内侧是否出现结露或结霜现象。每完成1个循环，观察试件是否出现破损或功能障碍，如出现以上现象可结束试验，没有出现以上现象则完成至少40次循环试验。

3 高性能外窗耐候性试验结果分析

对课题组研发的高性能PVC-U塑料节能窗进行耐候性试验，并对耐候性试验前后试件性能进行检测，分析耐候性试验前后节能窗性能的变化。

3.1 高性能塑料节能窗（见图3）

图3 节能窗窗型示意

如图3所示，节能窗采用住建部建筑门窗节能性能标识窗型（窗型1）、无亮子窗型（窗型2）和德国被动房标识专用PHI窗型（窗型3），开启形式均为内平开。制作节能窗采用的配置为：采用真空复合中空玻璃TL6+0.4V+T6+32Ar+T5，玻璃的传热系数为0.4 W/（m2·K）；采用课题组研发92系列7腔体PVC-U塑料型材，采用超级暖边间隔条（30%玻纤复合丙烯腈苯乙烯聚合物复合非金属高分子薄膜）。型材综合传热系数最大为0.78 W/（m2·K），线传热系数为0.03 W/（m·K）。各窗型配置下的整窗传热系数的理论计算值如表2所示。

表2 节能窗整窗传热系数理论计算值

3.2 高性能塑料节能窗性能检测及耐候性试验

首先，对项目研制的节能窗进行保温性能、气密性、水密性、抗风压等性能的测试，然后进行耐候性试验。由于高性能节能门窗可应用在严寒地区，本次耐候性试验采用的试验条件见表1。耐候性试验现场如图4所示，耐候性循环试验期间采集试件信息，并观察试件是否出现部件破损、功能障碍，以上3樘节能窗耐候性试验过程中均未出现部件破损、功能障碍，并完成40次以上循环试验；最后，再次对3樘节能窗进行保温性能、气密性、水密性、抗风压等性能的测试。

图4 节能窗耐候性试验现场

3.3 耐候性试验前后测试结果对比

3樘节能窗进行耐候性试验前后依照GB/T 28887—2012《建筑用塑料窗》进行气密性、水密性、抗风压性、保温性能分级测试，结果如表3所示。

由表3可以看出，3樘节能窗经耐候性试验后，其各项性能指标均存在不同程度的下降，其中保温性能变化不大，其保温性能等级不变，抗风压性能仅窗型2的性能等级下降，而3樘节能窗的气密性、水密性等级均下降。

根据耐候性试验结果评价方法，以上3樘节能窗的气密性、水密性均低于试验前的性能等级，所以其耐候性不合格。

3.4 试验结果分析及耐候性改进方法

外窗的实际使用场合是各种气候因素综合作用的环境，单一性能达标的外窗在多种气候条件作用下往往会产生各种各样的问题[4]。本次试验前后出现的气密性、水密性等级降低，说明塑料节能窗的密封性能变差，可能的原因为：（1）试验条件为冬季时，室内外温差达60 ℃，导致外窗型材及玻璃变形增大；（2）试验条件为夏季时，气候条件为室外温度40 ℃，后调整至常温条件，同步进行雨水喷淋0.5 h，突然淋雨使外窗表面温度急剧下降，导致材料变形；（3）高温时外窗的密封材料变软、热胀，导致密封条变得松软；（4）实验室进行不同试验时对试件的运输、安装与拆卸等，导致五金件松动，使得气密性、水密性降低。

通过以上原因分析，可采取分别提高塑料门窗不同构件的方法对塑料节能窗的耐候性进行改进：（1）对型材可采用材料共挤技术，挤出后可在基材上再采用喷涂、覆膜等后处理技术，提高其耐候性、色彩丰富性[5]；（2）提高玻璃的保温性能，根据需求对玻璃进行覆膜，可有效提高玻璃的保温性；（3）采用耐候性能较好的密封条，如三元乙丙橡胶（EPDM）密封条，一般来说能使用50年[1]；（4）门窗的五金系统采用多锁点设计，使得门窗受力更均匀，密封性更好。另外，建议耐候性试验与其它性能试验在同一个试验台进行，可以减少因搬运、安装与拆卸对性能造成的影响。

4 结语

（1）门窗的耐候性对建筑节能至关重要，外窗耐候性能检测评价是一项新型的检验技术，对评价外窗实际使用时综合性能具有重要意义。采用项目组提出的门窗耐候性能评价方法及搭建的检测设备，参照国内外耐候性检测方法，研究耐候性试验方案，并对研发的高性能塑料节能窗进行性能检测和耐候性试验。结果表明，耐候性试验后3种窗型的塑料节能窗的性能均有所降低，其中保温性能、抗风压性能等级基本不变，而气密性、水密性等级均下降，通过分析密封性能下降的原因，提出提高塑料门窗耐候性的技术方法。

（2）对于文中提出的耐候性试验方案，尚需更多的试验进行验证和改进，并对不同气候条件下的耐候性影响进行分析，针对特殊区域使用的外窗可考虑增加风速、增大太阳辐射等因素，使得耐候性试验模拟条件更接近实际情况。目前因耐候性试验和门窗性能试验条件的不同，耐候性试验台和门窗性能检测试验台是分开的，可开展进一步研究，进行试验台的功能整合，减少人为因素的影响，以得到更科学的试验数据。同时可对不同种类的门窗进行耐候性分析，有助于改进各种门窗的耐候性，以提高实际工程应用中门窗的综合性能。