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塑料型材及门窗热工性能分析

来源:中国建设报　作者:* 　日期:2010-3-24 　页面功能【字体：大中小】【打印】【投稿】【评论】【啄木鸟】

关键词：塑料型材门窗热工性能分析

　　为配合国家“十一五”科技支撑计划项目及黑龙江省建设科技示范工程项目，专业机构对塑料型材及门窗的热工性能进行了系统模拟计算，分析计算结果可以作为指导型材及门窗热工性能设计的依据。

　　塑料型材与门窗热工性能是保温节能型门窗的主要指标。根据《全国民用建筑工程设计技术措施——节能篇》(2007)中规定，以哈尔滨地区为例，在窗墙面积比为0.305范围内时，外窗（含阳台门透明部分）的传热系数限值K在2.1～1.8。

　　外窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，尽管面积一般只占建筑外围护结构面积的1.315，但多数建筑中通过窗户消耗的采暖和制冷热能损失，往往占到建筑围护结构能耗的一半以上。热量主要经由外窗玻璃、型材和边缘结合部分散失，其中通过型材散失的热量比例约占10%%~30%%，通过玻璃散失的热量比例约占60%%以上，因而提高整窗热工性能的重要途径之一就是改善型材及中空玻璃的热工性能。

　　按照国家“十一五”科技支撑计划项目子课题目标要求，严寒、寒冷地区建筑外窗体系研制的考核指标是外窗的传热系数小于1.8。某公司在中国建筑科学研究院物理所和北京工业大学材料科学与工程学院的配合下，运用门窗热工性能模拟软件，系统地对三腔、四腔、五腔和六腔系列塑料型材及双玻窗、三玻窗、四玻窗和双层窗的热工性能进行了模拟计算。计算结果为型材和门窗的设计开发提供了一个参考依据。

　　因为型材的热工性能与型材的厚度、壁厚、腔室数、腔体形状等因素有关，所以模拟分别采用哈尔滨中大化学建材有限公司66系列和70系列塑料型材设计结构。

　　66系列和70系列型材均为不同腔室数目的三玻三密封平开窗型材，腔室数目（包括型钢腔）分别为四、五和六腔。为研究腔室（除型钢腔）空气层厚度对型材热工性能的影响，特设计型材的型钢腔室、可视面与非可视面壁厚、间隔壁厚、密封构造等相应结构的尺寸均相同，从而得到了腔室的数目和尺寸不同的系列型材。

　　将66系列、70系列三腔、四腔、五腔和六腔型材均按照相应的方法和步骤进行设置和计算，型材传热系数K值模拟计算结果列表如下：66系列和70系列型材，随着腔室数目的增加，同时腔室尺寸的减小，型材的传热系数均先呈下降趋势，随后又出现上升趋势。

　　以66系列型材为例，三腔到四腔：型材的传热系数降低了0.0655，降低比例为3.38%；四腔到五腔：型材的传热系数降低了0.0532，降低比例为2.84%；五腔到六腔：型材的传热系数上升了0.0104，上升比例为0.57％。

　　70系列型材也有和66系列型材类似的现象。由此可见，对于同一系列型材，腔室数量并非越多越好；适当的腔室数目会降低型材的传热系数，而过多的腔室数量反而会起到相反作用。当型材壁厚相同时，增加腔室数量会相应减少腔室的空气层厚度。空气层厚度的减小会减少空气层的对流传热，会在一定范围内减小型材的传热系数值。当空气层厚度的减小超出一定范围时，即也减少了隔热层厚度，从而导致型材总体传热系数的上升。对比的数据，66系列和70系列型材腔室的最佳尺寸应在5.9毫米和6.9毫米之间。基于上述分析，在设计66型材和70系列型材时，建议采用四腔、五腔设计。

　　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，即，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，最终达到建筑节能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。

　　根据该项目希望塑料门窗系统的传热系数K值，在该建筑承重结构仅为200毫米宽的条件下，中大公司提出以下几种窗型构造设计方案，并在中国建筑科学研究院物理所的配合下，对这些窗型构造进行热工性能计算。

　　通过上述计算，单框四玻窗和双层窗的传热系数非常理想，而双层窗的传热系数K值和抗凝露温度为最佳。因考虑四玻窗有诸多不利因素存在，如四玻窗的重量与五金件承载能力的匹配间题、目前市场上加工四层中空玻璃的设备配套问题，四玻窗的可操作难度较大。这里仅对双层窗的计算结果和市场应用调研作一分析介绍。

　　目前市场上采用不同结构形式双层窗的使用情况在城市中个案居多（用户自主改造）。由于受传统木窗的影响，在城郊和农村市场新建或改建的平房及多层建筑中，采用双层窗的使用量可达到60%%，如黑龙江省绥化、绥棱、拜泉等城乡地区。双层窗多以外铝或塑推拉＋内塑平开、双塑内开或内外平开结构形式。在调研中发现，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。有实际测量数据表明，同一天，同一处，南向、塑料双层窗，双层窗间隔120毫米；白天中午，室外温度：-10℃，室内温度：20℃，室内玻璃表面温度能达到18℃；凌晨4时，室外温度：零下25℃，室内温度：16℃，间隔层内温度为零下6℃，室内玻璃表面温度为14℃。通过调查发现，无论是南向窗还是北向窗，室内玻璃表面温度与室内温度仅差20℃左右，这就很能说明问题。如果室内玻璃表面温度与室内温度能保持在50℃之差范围内，就会彻底解决塑料窗结露问题。

　　通过走访调研也同样证明，许多先期使用塑料单框双玻窗的用户遭遇结露的困扰后采用了双层窗结构，在冬季最冷的情况下，从未出现室内侧玻璃结露现象，且室内温度也保持得很好。

　　根据双层窗的结构特点，双层窗已实现了四道密封结构。水密性能仅在外侧窗框就可以实现，甚至可以牺牲最外层密封（等压原理）来保证渗入雨水的排出。气密性能在四道密封结构或三道密封的基础上会大大高于现行的单框三密封结构。

　　双层窗的隔声性能是极佳的，因为利用中空玻璃和双层窗的空气间隔层的“弹性变形”可以起到减震作用。间隔层的尺寸与隔声量有直接关系，一般情况下，间隔层的尺寸大于80毫米，隔声量值趋于稳定。

　　双层窗的间隔层结构非常好地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。

　　双层窗非常适用于严寒地区的节能建筑，特别是在北向窗上可以彻底解决结露问题。但考虑到双层窗的后期应用（维护与清洗），应对承重结构的墙体厚度有要求。

　　双层窗的开启功能受到限制。如果采用外推拉内平开的开启形式，双层窗的密封性能会受到影响；如果采用内、外开启窗扇的结构，则需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。且按照相关标准要求，7层及7层以上外开窗被限制使用。所以，高层建筑采用此开启方式的双层窗受到限制。

　　作为节能窗的发展方向和产品的深化研发，双层窗是很好的选择。但双层窗要想作长足发展应首先解决材料成本问题。在保证窗户的功能和性能的前提下，可考虑在型材和玻璃的使用上降低成本。闻言

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