基于窗框比的窗戶保溫性能分析

卜 科 胡立峰

(1.浙江杭蕭鋼構股份有限公司，浙江杭州 310003; 2.上海市建筑科學研究院，上海 201108)

0 引言

隨著國家對環境保護的越來越重視，要求快速發展的建筑業也盡快向綠色建筑、節能建筑轉變。提高房屋建筑圍護結構的保溫隔熱效能，是一種經濟有效的節能措施。而建筑外墻上的窗戶又是圍護節能的重點。因此，發達國家在房屋建筑的圍護結構上，廣泛采用高效保溫材料和多層密封窗，或者限制窗面積與墻面面積的比例。目前，國內建筑市場上，為了提高窗戶的保溫性能，采用各種窗框材料的窗戶應運而生。例如有普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材、PVC塑料型材、木型材以及各種復合型材等。本文依據GB/T 8484-2008試驗檢測標準的方法［1］，對市場上常見的普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材、PVC塑料型材三種窗戶進行試驗，結合節能窗(單層窗(中空雙玻))傳熱系數簡化計算公式，通過對比不同窗框比的窗戶與傳熱系數值的關系，獲得提高窗戶的保溫性能并節約材料的途徑［2，3］。

1 窗戶的傳熱系數簡化計算分析

窗框與玻璃系統是組成窗戶的主要結構。在DGJ 08-205-2011居住建筑節能設計標準［4］中給出了節能窗(單層窗(中空雙玻))傳熱系數簡化計算公式:

其中，KW為窗傳熱系數;Kg為玻璃傳熱系數;Kf為窗框傳熱系數;Ag為玻璃面積(里外兩面投影中取小的一面面積);Af為窗框面積(包括窗扇和窗外套，AW=Ag+Ar);ψ為玻璃、窗框間的傳熱系數;Lg為玻璃、窗框間的線長，m。假若窗框與玻璃的傳熱嚴格按照并聯關系時，通過變換公式(1)得到:

式(2)中Af/(Ag+Af)為窗框比。

當式(2)中Kf＞Kg，即斜率大于0，則窗傳熱系數KW隨著窗框比的增加而增加;當Kf＜Kg時，即斜率小于0，則窗傳熱系數KW隨著窗框比的增加而減小。

2 窗戶的傳熱系數試驗

2.1 試驗裝置及試件安裝

試驗裝置如圖1所示。試驗裝置為采購沈陽紫微機電設備有限公司的窗保溫性能檢測系統，熱側采用特制電暖氣，避免了其他較強熱慣性電熱元件造成的溫度波動過大;熱側加熱溫度波動小于0.1K;冷側制冷溫度波動不大于0.2K。將窗戶試件放置于暖房室和冷房室之間的試件片框上，窗戶試件的開啟縫部位采用透明塑料膠帶雙面密封，試件片框和窗戶試件之間的洞口用已知熱導率的聚苯乙烯泡沫塑料填堵。

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 試件及試驗過程

試驗樣本采用市場上常見的普通鋁合金型材、斷熱鋁合金型材和PVC塑料型材三種類型的窗戶。為了使試驗數據不被玻璃和窗戶的開啟方式不同而干擾，試驗窗戶全部采用中空玻璃為5+9+5的平開窗。采用型材窗框比在20%～50%之間的窗，所有窗戶的面積尺寸不大于2.25 m2。

試驗之前測量每樘窗戶的投影面積尺寸，以及窗戶上玻璃的面積，用來計算窗框比。按照GB/T 8484-2008建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法標準規定的實驗方法，對三種材質的窗戶進行試驗。試件安裝在試驗片框上并兩側密封好之后(如圖2所示)，關閉實驗裝置上的門和照明設備。開啟實驗裝置，設置6 h～8 h設備運行時間，直到設備自動運行系統試驗完畢。

3 試驗分析［5］

3.1 傳熱系數與窗框比的關系

窗框比是指窗戶上的窗框型材面積與該窗戶的面積之比。為了顯示窗框比和傳熱系數的關系，以每種材質的窗按照窗框比作為橫坐標，該材質窗戶的測試結果傳熱系數作為縱坐標繪制曲線如圖3所示。

圖3中a是普通鋁合金窗、b是斷熱鋁合金窗、c是塑料窗。圖中曲線經過Excel2003軟件的線性擬合如表1所示。

從圖3可以知道a，b直線，隨著窗框比的增加傳熱系數在增加，為正線形相關;c直線，隨著窗框比的增加傳熱系數在減少，為負線形相關。結合表1和式(2)可以知道，a，b直線的斜率都是大于0，導致它們的傳熱系數隨著窗框比的增加而增加，而c直線的斜率是小于0，所以傳熱系數效果隨著窗框比的增加而減小。

表1 傳熱系數與窗框比的擬合曲線

3.2 窗框比的變化對三種窗戶的傳熱系數影響

從表1可知:三種線性擬合趨勢線中普通鋁合金窗的斜率最大，斷熱鋁合金窗次之且都為正數。若窗框比相同變化時，普通鋁合金窗的傳熱系數變化要大于斷熱鋁合金窗傳熱系數的變化。而塑料窗斜率最小，傳熱系數隨窗框比的變化比較小，雖然窗框比增加時可以提高窗戶的保溫性能，但是從圖3中c直線可以看出它的提高效果并不明顯。

3.3 窗戶的傳熱系數與窗框的關系分析

從圖3中可以看出:在窗框比相同的情況下，傳熱系數值a直線最大，b直線次之，c直線最小。

結合表2可以得到:窗傳熱系數與窗框型材的傳熱系數存在著密切相關關系。在窗戶的玻璃系統相同且窗框比相同的情況下，隨著型材的傳熱系數值的增加而增加。

表2 三種窗框傳熱系數 W/(m2·K)

4 結語

通過對三種材質的窗戶在試驗條件下的研究，驗證了節能窗的簡化公式對傳熱系數的分析是正確的。對于窗框的傳熱系數遠大于中空玻璃時，窗框比降低可明顯提高窗的保溫性能;對于窗框的傳熱系數遠小于中空玻璃時，窗框比增加可明顯提高窗的保溫性能。增加塑料在窗戶中所占面積可提高塑料等材質的窗戶保溫性能。對于鋁合金和斷熱鋁合金材質的窗戶，降低窗框比即提高中空玻璃所占窗的面積比，既提高了窗的保溫性能，又節約了金屬材料來降低成本。

［1］GB/T 8484-2008，建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法［S］.

［2］莊一新.影響檢測門窗傳熱系數的重要因素［J］.門窗，2008(10)：35-36.

［3］徐 軍，馮 磊，張 秀.平塑鋼門窗節能效果分析［J］.新型建筑材料，2010，355(8)：31-34.

［4］DGJ 08-205-2011，居住建筑節能設計標準［S］.

［5］李 萍，王靈璽，張肖林.建筑門窗傳熱系數分析與試驗研究［J］.山西建筑，2009，35(34)：258-259.