建筑节能视角下外窗配置方案探析

■ 张 蕊 ZHANG Rui 古小英 GU Xiaoying 赵为民 ZHAO Weimin

0 引言

围护结构能耗在建筑能耗中占有较大比重。在围护结构中，外窗是建筑物热交换最活跃的部分，其能耗约占围护结构总能耗的40%～50%[1]，外窗节能已经成为我国建筑节能最重要的环节。《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》（建科[2017]53 号）明确提出，“十三五”期间，在门窗节能标准提升等重点领域实现突破，开发高效节能门窗产品。节能设计标准中，也是不断提升外窗热工性能要求，根据《居住建筑节能设计标准》（DGJ 08—205—2015）、《公共建筑节能设计标准》（DGJ 08—107—2015）规定，新建民用建筑外窗的传热系数不应大于2.2 W/（m2K）。

随着技术经济的发展，外窗型材也在不断地更新换代。长期以来，木窗使用普遍，自70 年代年后期开始推行“以钢代木”后，钢窗曾一度成为市场主导产品，但由于其热工性能较差、保温隔热不良，应用量逐渐减少；从八九十年代开始，塑料窗、铝合金窗被广泛应用；到如今，还出现了一些复合材料的窗框，如铝塑复合、木塑复合等，玻纤增强聚氨酯等新型外窗也不断涌现，外窗玻璃也经历了从单层玻璃、普通中空玻璃到低辐射中空玻璃的发展历程。

对于外窗来说，其热工性能主要由窗形、窗框型材、玻璃类型和密闭性能等决定。不同类型外窗的传热系数差别很大，在当前外窗节能高要求的情况下，如何选择符合节能标准的外窗，对项目外窗配置造成了一定的困扰；同时，如何监督建设项目，采用符合节能标准的外窗，也为市场监管带来了挑战。

1 建筑外窗应用情况调研

1.1 外窗系统组成

外窗系统是指组成一樘完整外窗的各子系统的所有材料（包括型材、五金、密封元件、玻璃、辅助配件及配套纱窗）的总称。成熟的节能外窗系统是经过严格品牌技术标准整合和多次实践的标准化产品，需利用专用的加工设备和安装工具，按照标准化的工艺加工和安装。

1.1.1 型材

外窗框、扇型材为外窗组成的主要构件，其热导率对建筑外窗的保温隔热性能影响重大；且型材的断面结构及装配结构对外窗的气密性和水密性的影响至关重要，其尺寸精度和行位精度决定外窗的装配精度，进而影响窗的整体性能。目前，建筑节能外窗常用型材有铝合金隔热型材、塑料型材、玻璃钢型材、实木、铝木复合型材、铝塑复合型材及钢（铝）塑共挤型材等。

1.1.2 玻璃

玻璃类型有平板玻璃、中空玻璃和镀膜玻璃等。其中，中空玻璃是通过有效的支撑，将两片及以上玻璃均匀隔开，且周边密封，使玻璃与玻璃层之间形成有气体空间的玻璃制品。根据产品特征不同，镀膜玻璃可分为导电膜玻璃、Low-E 玻璃和阳光控制镀膜玻璃等。目前，建筑工程外窗采用的镀膜玻璃主要是后两种。

1.1.3 密封元件

按照用途不同，外窗的密封材料可分为框与扇之间密封材料和玻璃镶嵌用密封材料。按照材料不同，又可分为密封胶、密封毛条及密封胶条。其中，密封胶多用于镶嵌玻璃；密封毛条多用于推拉窗框与扇之间的密封；密封胶条同时具有两种用途，但不同用途的密封胶条在规格、型号方面有所不同。在隔热方面，当前铝合金型材窗框最为普及的隔热方式主要有两种：一是使用尼龙+玻璃纤维的穿条式断桥隔热；二是使用聚氨酯隔热胶（PU）的注胶式断桥隔热。

1.1.4 五金件

五金件是将外窗的框与扇连接紧密的部件，包括执手、合页、滑撑、滑轮、锁闭器、螺钉等，是决定外窗各项性能的关键部件。

1.2 常见节能外窗

1.2.1 断桥隔热铝合金窗

断桥隔热铝合金窗的原理是在铝型材中间穿入隔热条，将铝型材断开形成断桥，从而有效阻止热量的传导。断桥隔热铝合金窗因其保温隔热性能好、强度高、防火性能优良、耐腐蚀性好、使用寿命长等优点，越来越受市场的青睐。

1.2.2 塑料窗

塑料窗以PVC树脂为主要原料，按比例加入改性剂等助剂，挤出成型后再组装而成。为了提升型材强度，在型材的空腔里加入钢衬，因此，塑料窗又被称为塑钢窗。PVC 型材的多腔式结构具有良好的隔热性能，加上其主要受力部位的内部采用钢衬补强，抗风压强度高，且气密性、水密性较好。

1.2.3 木窗

木窗是最早使用的窗体材料，也是比较传统的窗体材料，早在我国汉代时期，就已发展成熟。木窗具有保温、隔声性能好、美观性、装饰性能好等优点，但必须采用优质木材，配以优良工艺，因而价格较高，多用于别墅等高档空间处理。

2 整窗传热系数影响因素及其规律

根据调研结果，以目前应用最多的铝合金和塑料窗为例，采用粤建科®MQMC 软件，计算分析传热系数影响因素及其规律。

2.1 整窗传热系数计算方法

依据现行行业标准《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T 151），外窗的传热系数应按公式（1）计算：

式中，Ut为整窗的传热系数，单位W/（m2K）；Ag为窗玻璃面积，单位m2；Af为窗框面积，单位m2；At表示窗面积，单位m2；lψ为玻璃区域的边缘长度，单位m；Ug为窗玻璃的传热系数，单位W/（m2K）；Uf为窗框传热系数，单位W/（m2K）；ψ为窗框和玻璃之间的线传热系数，单位W/（mK）。

由公式可知，为了提高窗户的保温性能，可对玻璃保温性能、窗框保温性能及热桥损失进行改善。

2.2 铝合金窗传热系数影响因素及其规律

窗框传热系数的影响因素包括框材料导热系数、隔热条高度及导热系数等。

2.2.1 隔热条高度

玻璃和铝型材是铝合金窗中最常用的材料。铝型材在铝合金窗中的热工面积一般在25%～30%之间[2]，降低窗框传热系数是提升铝合金窗保温性能的关键点之一（图1）。隔热条的高度对铝合金窗框传热系数的影响比较大，隔热条高度越大，窗框传热系数越低，隔热效果越好。基于国内常用隔热条规格尺寸调研结果，取高度在14.8～30 mm 内的9 种隔热条，采用粤建科®MQMC 软件，计算不同高度隔热条下铝合金窗框的传热系数。

图1 典型铝合金窗框构造图

图2 为不同隔热条高度下铝合金窗框有限元计算结果，图中的曲线为等温线，可以看出，温度曲线主要集中在隔热条部位，且分布均匀；而在铝合金空腔内几乎没有温度曲线，说明温度在铝合金空腔内变化很小。这是因为模拟采用的隔热条材料为尼龙66+25%玻璃纤维，导热系数为0.3 W/（mK），隔热条的保温性能优异，而铝合金导热系数高达160 W/（mK），是热的良导体。

图2 铝合金窗框有限元计算结果温度曲线图

根据模拟计算，不同隔热条高度下，铝合金窗框的传热系数如表1 和图3 所示。随着隔热条高度的增加，铝合金窗框传热系数逐步降低。当隔热条高度由14.8 mm 增加到30 mm时，窗框传热系数由3.74 W/（m2K）降低到3.17 W/（m2K）。由此可见，增加隔热条高度可有效降低铝合金窗框传热系数，提高窗框保温性能。但是，若隔热条高度过长，对型材结构安全有影响。为保证型材结构安全，不宜采用高度大于26.0 mm 的隔热条。

图3 不同隔热条高度下窗框传热系数

表1 不同隔热条高度下窗框传热系数

2.2.2 隔热条、密封条导热系数

以隔热条高度为20 mm、26 mm 的典型铝合金窗框为例，模拟分析常见隔热、密封材料下的窗框传热系数（表2、3）。从表2 可以看出，采用固体聚丙烯作为隔热条材料时，窗框传热系数最低，且相比高密度聚乙烯HD，分别降低了0.14 W/（m2K）、0.13 W/（m2K）；从表3可以看出，采用柔性人造橡胶泡沫作为防水密封条材料时，窗框传热系数最低，且相比EPDM（三元乙丙），分别降低了0.16 W/（m2K）、0.14 W/（m2K）。由表可见，采用热工性能好的隔热、密封材料，可降低铝合金窗框传热系数，提升窗框保温性能。

表2 不同隔热条材料下窗框传热系数

表3 不同防水密封条材料下窗框传热系数

2.3 塑料窗传热系数影响因素及其规律

塑料窗框的热工性能与型材的厚度、腔室数、腔体形状等因素有关。选取典型塑料窗框（图4），采用粤建科®MQMC 软件，计算不同腔室数下塑料窗框的传热系数。

图4 典型塑料窗框构造图

图5 为相同截面宽度下，三～五腔室数塑料窗框有限元计算结果。可以看出，温度曲线在钢衬腔内几乎没有显示，这是因为钢衬导热系数为50 W/（mK），导热性能优良，温度在钢衬腔内变化很小。

图5 塑料窗框有限元计算结果温度曲线图

根据模拟计算，不同腔室数下塑料窗框的传热系数如表4 所示。可以看出，当截面宽度相同时，塑料窗框传热系数随着腔室数量的增加而降低。这主要是因为窗框腔室的空气层厚度随着腔室数量的增加而减少，从而引起空气层的对流传热减少，在一定程度上降低了型材的传热系数值。但是，增加腔室数会给挤出模具的设计制造增加难度，因此，在进行塑料窗框设计时，要综合考虑模具加工难易程度、保温性能等因素。

表4 不同腔室数下窗框传热系数

2.4 玻璃系统传热系数影响因素及其规律

玻璃系统传热系数的影响因素包括玻璃种类、填充气体类型及气体间层厚度等。采用粤建科®MQMC软件，计算不同玻璃种类、气体间层厚度、气体种类组合玻璃系统在冬季的传热系数（表5～8）。

表5 不同空气间层厚度的普通中空玻璃传热系数

可以看出：①随着气体间层厚度的增加，传热系数降低至一定值后保持不变或有所增加；②相对于普通中空玻璃，相同构造的镀膜中空玻璃传热系数显著降低，遮阳系数较高的高透型低辐射中空玻璃传热系数可降低0.6～0.7 W/（m2K），而遮阳系数较低的遮阳型低辐射中空玻璃传热系数可降低0.8～0.9 W/（m2K）；③将低辐射中空玻璃中的空气换成氩气时，传热系数也有所降低；④三玻双腔中空玻璃传热系数较低，采用镀膜玻璃、填充氩气后，传热系数可低至1.1 W/（m2K）。

表6 不同气体间层厚度的低辐射中空玻璃传热系数（高透型）

表7 不同气体间层厚度的低辐射中空玻璃传热系数（遮阳型）

表8 三玻双腔中空玻璃传热系数

3 主要配置方案下的外窗传热系数

根据公式（1），结合不同类型玻璃、窗框传热系数，计算得到铝合金、塑料外窗传热系数（表9、10），其中，绿色部分为满足《居住建筑节能设计标准》（DGJ 08—205—2015）中外窗传热系数要求的数值。由表可见，三～五腔室塑料窗框配置选定的镀膜中空玻璃或三玻双腔中空玻璃、铝合金窗框配置选定的部分遮阳型镀膜中空玻璃或三玻双腔中空玻璃，外窗传热系数可以达到标准中2.2 W/（m2K）的限值要求。

表9 铝合金外窗传热系数

4 结语

综上所述，通过优化配置方案，三～五腔室塑料窗框配置选定的镀膜中空玻璃或三玻双腔中空玻璃、铝合金窗框配置选定的部分遮阳型镀膜中空玻璃或三玻双腔中空玻璃，可从理论上满足现行节能标准要求。但是，高性能外窗的最终实现，需从源头抓起，贯穿设计、制造、安装、验收和定期维修的全过程，包括设计过程中的“量身定做”、材料的科学搭配、加工过程中的工业化手段保证、安装施工的创新、验收工程中的把关等全过程质量管理。

表10 塑料外窗传热系数