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塑料型材及門窗熱工性能分析

來源:中國建設報　作者:* 　日期:2010-3-24 　頁面功能【字體：大中小】【打印】【投稿】【評論】【啄木鳥】

關鍵詞：塑料型材門窗熱工性能分析

　　為配合國家“十一五”科技支撐計劃項目及黑龍江省建設科技示范工程項目，專業機構對塑料型材及門窗的熱工性能進行了系統模擬計算，分析計算結果可以作為指導型材及門窗熱工性能設計的依據。

　　塑料型材與門窗熱工性能是保溫節能型門窗的主要指標。根據《全國民用建筑工程設計技術措施——節能篇》(2007)中規定，以哈爾濱地區為例，在窗墻面積比為0.305范圍內時，外窗（含陽臺門透明部分）的傳熱系數限值K在2.1～1.8。

　　外窗是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位，盡管面積一般只占建筑外圍護結構面積的1.315，但多數建筑中通過窗戶消耗的采暖和制冷熱能損失，往往占到建筑圍護結構能耗的一半以上。熱量主要經由外窗玻璃、型材和邊緣結合部分散失，其中通過型材散失的熱量比例約占10%%~30%%，通過玻璃散失的熱量比例約占60%%以上，因而提高整窗熱工性能的重要途徑之一就是改善型材及中空玻璃的熱工性能。

　　按照國家“十一五”科技支撐計劃項目子課題目標要求，嚴寒、寒冷地區建筑外窗體系研制的考核指標是外窗的傳熱系數小于1.8。某公司在中國建筑科學研究院物理所和北京工業大學材料科學與工程學院的配合下，運用門窗熱工性能模擬軟件，系統地對三腔、四腔、五腔和六腔系列塑料型材及雙玻窗、三玻窗、四玻窗和雙層窗的熱工性能進行了模擬計算。計算結果為型材和門窗的設計開發提供了一個參考依據。

　　因為型材的熱工性能與型材的厚度、壁厚、腔室數、腔體形狀等因素有關，所以模擬分別采用哈爾濱中大化學建材有限公司66系列和70系列塑料型材設計結構。

　　66系列和70系列型材均為不同腔室數目的三玻三密封平開窗型材，腔室數目（包括型鋼腔）分別為四、五和六腔。為研究腔室（除型鋼腔）空氣層厚度對型材熱工性能的影響，特設計型材的型鋼腔室、可視面與非可視面壁厚、間隔壁厚、密封構造等相應結構的尺寸均相同，從而得到了腔室的數目和尺寸不同的系列型材。

　　將66系列、70系列三腔、四腔、五腔和六腔型材均按照相應的方法和步驟進行設置和計算，型材傳熱系數K值模擬計算結果列表如下：66系列和70系列型材，隨著腔室數目的增加，同時腔室尺寸的減小，型材的傳熱系數均先呈下降趨勢，隨后又出現上升趨勢。

　　以66系列型材為例，三腔到四腔：型材的傳熱系數降低了0.0655，降低比例為3.38%；四腔到五腔：型材的傳熱系數降低了0.0532，降低比例為2.84%；五腔到六腔：型材的傳熱系數上升了0.0104，上升比例為0.57％。

　　70系列型材也有和66系列型材類似的現象。由此可見，對于同一系列型材，腔室數量并非越多越好；適當的腔室數目會降低型材的傳熱系數，而過多的腔室數量反而會起到相反作用。當型材壁厚相同時，增加腔室數量會相應減少腔室的空氣層厚度。空氣層厚度的減小會減少空氣層的對流傳熱，會在一定范圍內減小型材的傳熱系數值。當空氣層厚度的減小超出一定范圍時，即也減少了隔熱層厚度，從而導致型材總體傳熱系數的上升。對比的數據，66系列和70系列型材腔室的最佳尺寸應在5.9毫米和6.9毫米之間。基于上述分析，在設計66型材和70系列型材時，建議采用四腔、五腔設計。

　　哈爾濱中大化學建材有限公司在參加國家“十一五”科技支撐計劃項目的同時，又接受了黑龍江省住房和城鄉建設廳的建設科技示范工程任務，即，伊春市“北山林都”棚戶區改造項目。該示范工程要求應用太陽能建筑一體化技術、低溫輻射電熱地膜供暖技術、HS-ICF外墻外保溫建筑節能體系成套技術和高性能塑料門窗成套技術，最終達到建筑節能65%的標準要求。該項目責成哈爾濱中大化學建材有限公司、哈爾濱鴻盛房地產開發集團有限公司等單位來研制開發配套系統及技術，并在黑龍江省住房和城鄉建設廳科技處指導下完成。

　　根據該項目希望塑料門窗系統的傳熱系數K值，在該建筑承重結構僅為200毫米寬的條件下，中大公司提出以下幾種窗型構造設計方案，并在中國建筑科學研究院物理所的配合下，對這些窗型構造進行熱工性能計算。

　　通過上述計算，單框四玻窗和雙層窗的傳熱系數非常理想，而雙層窗的傳熱系數K值和抗凝露溫度為最佳。因考慮四玻窗有諸多不利因素存在，如四玻窗的重量與五金件承載能力的匹配間題、目前市場上加工四層中空玻璃的設備配套問題，四玻窗的可操作難度較大。這里僅對雙層窗的計算結果和市場應用調研作一分析介紹。

　　目前市場上采用不同結構形式雙層窗的使用情況在城市中個案居多（用戶自主改造）。由于受傳統木窗的影響，在城郊和農村市場新建或改建的平房及多層建筑中，采用雙層窗的使用量可達到60%%，如黑龍江省綏化、綏棱、拜泉等城鄉地區。雙層窗多以外鋁或塑推拉＋內塑平開、雙塑內開或內外平開結構形式。在調研中發現，雙層窗框之間的間隔層可以起到冷熱空氣置換的緩沖層作用，而且根據理論計算，間隔層的尺寸對雙層窗的傳熱系數干擾甚小。有實際測量數據表明，同一天，同一處，南向、塑料雙層窗，雙層窗間隔120毫米；白天中午，室外溫度：-10℃，室內溫度：20℃，室內玻璃表面溫度能達到18℃；凌晨4時，室外溫度：零下25℃，室內溫度：16℃，間隔層內溫度為零下6℃，室內玻璃表面溫度為14℃。通過調查發現，無論是南向窗還是北向窗，室內玻璃表面溫度與室內溫度僅差20℃左右，這就很能說明問題。如果室內玻璃表面溫度與室內溫度能保持在50℃之差范圍內，就會徹底解決塑料窗結露問題。

　　通過走訪調研也同樣證明，許多先期使用塑料單框雙玻窗的用戶遭遇結露的困擾后采用了雙層窗結構，在冬季最冷的情況下，從未出現室內側玻璃結露現象，且室內溫度也保持得很好。

　　根據雙層窗的結構特點，雙層窗已實現了四道密封結構。水密性能僅在外側窗框就可以實現，甚至可以犧牲最外層密封（等壓原理）來保證滲入雨水的排出。氣密性能在四道密封結構或三道密封的基礎上會大大高于現行的單框三密封結構。

　　雙層窗的隔聲性能是極佳的，因為利用中空玻璃和雙層窗的空氣間隔層的“彈性變形”可以起到減震作用。間隔層的尺寸與隔聲量有直接關系，一般情況下，間隔層的尺寸大于80毫米，隔聲量值趨于穩定。

　　雙層窗的間隔層結構非常好地解決了塑料窗通風換氣的問題。由室內排出的熱空氣與室外滲入的冷空氣在間隔層內交匯，形成一個微循環系統，冷熱空氣在不斷交換的同時，又起到了一個恒溫層的作用。

　　雙層窗非常適用于嚴寒地區的節能建筑，特別是在北向窗上可以徹底解決結露問題。但考慮到雙層窗的后期應用（維護與清洗），應對承重結構的墻體厚度有要求。

　　雙層窗的開啟功能受到限制。如果采用外推拉內平開的開啟形式，雙層窗的密封性能會受到影響；如果采用內、外開啟窗扇的結構，則需考慮外側外開窗扇的五金件承載問題及外開窗扇的允許高寬比尺寸問題。且按照相關標準要求，7層及7層以上外開窗被限制使用。所以，高層建筑采用此開啟方式的雙層窗受到限制。

　　作為節能窗的發展方向和產品的深化研發，雙層窗是很好的選擇。但雙層窗要想作長足發展應首先解決材料成本問題。在保證窗戶的功能和性能的前提下，可考慮在型材和玻璃的使用上降低成本。聞言

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