影響門窗保溫性能的因素分析

朱豪

摘 要：建筑節能是當代建筑業發展的趨勢，也是政府持續推進節能減排的一項關鍵內容。節能門窗在隔熱保溫性能方面均優于普通門窗，但仍是建筑節能中比較薄弱的環節。本文闡述了門窗保溫性能在建筑節能中的作用;影響門窗保溫性能的途徑、方式以及各影響因素的分析，并通過筆者的試驗數據佐證各影響因素在保溫性能分級中的重要程度。

關鍵詞：空氣滲透量;型材;斷面設計;玻璃;窗框比

1 前言

本文依托筆者采集的各類門窗保溫性能分級檢測試驗結果，及各類型門窗配置參數，簡要分析影響門窗保溫性能的各種因素，意在尋找提升門窗保溫性能的最佳方向及手段，通過試驗數據指導廣大門窗生產廠家在可控成本下盡可能最大化地提升門窗保溫性能，同時為門窗設計從業者提供實際檢測試驗數據，助力門窗設計行業的發展。

2 門窗保溫對建筑節能的作用

門窗作為建筑外圍護的重要組成部分，在建筑整體節能中占據著很大的比例，尤其是近年來在新型建筑外立面設計中，門窗與磚墻圍護結構的比值越來越大，甚至有的住宅采用大面積的窗型設計來取代傳統的磚墻圍護結構，這給建筑節能帶來了新的亮點，同時也帶來了困擾，增大了門窗面積能否帶來相應的保溫效果。隨著如今日益成熟的材料科技，廣泛應用于節能門窗的研發制作，加之門窗結構相較于傳統的磚墻圍護結構所具有的獨特優點（可啟閉性），使得節能門窗可更有效率的控制室內外溫差，從而減少人為使用制冷制熱設備的頻率，達到降低建筑能耗的目的。

3 影響門窗保溫性能的途徑/方式

3.1 影響門窗保溫性能的途徑

門窗的保溫性能由門窗與墻體直連部分的密封情況及窗體材料的傳熱系數共同決定。熱量通過門窗傳導主要通過兩個途徑：一是門窗材料的傳熱;二是門窗開啟扇接縫處的空氣滲漏。

3.2 影響門窗保溫性能的方式

門窗主要構件的熱損失，集中在受室內外冷熱溫差影響而導致的熱量散失。而空氣滲漏則出現在窗扇與窗框連接，窗扇與玻璃連接處。以上兩種熱損失途徑均通過“傳導、對流、輻射”三種熱力學方式呈現。其中，傳導熱損失體現為結構型材+玻璃的熱傳導;輻射熱損失體現在玻璃的投射系數上;對流熱損失則以室內外氣壓不平衡或門窗開啟縫過大造成的氣流加速運動導致，空氣滲透量越大，對流熱損失就越嚴重，但是根據現行的GB/T 8484—2008《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》中，建筑外門窗保溫性能的檢測及分級要求將窗體開啟縫部分進行貼合密封進行性能檢測，把窗體本身因對流形成的熱損失進行了規避，只以窗體本身材料的熱傳導及外界熱輻射作為影響保溫性能的主要參考指標。

以上三種熱損失多數時候是相互共同作用，綜合構成門窗圍護結構的熱散失過程。

4 門窗保溫性能的影響因素分析

門窗保溫性能對建筑節能起著至關重要的作用，找出影響門窗保溫性能的因素并加以控制或采取適當措施予以消除，從而使門窗保溫性能得到顯著提高，滿足建筑節能的基本需要。

影響門窗保溫性能的因素主要有：型材、玻璃、窗型設計、空氣滲透等。

4.1 型材

可用于門窗結構的材料主要有：普通鋁合金、斷橋鋁合金、PVC、木材、玻璃鋼、鋼、聚氨酯塑料等。這里主要展開介紹和分析前四類常見材料在門窗保溫性能中的影響效果，各常用窗框材料導熱系數如表1所示。

4.1.1 普通鋁合金+斷橋鋁合金

兩者本質上都是鋁合金型材，后者在鋁型材中部加入了導熱系數很小的斷熱材料，從而阻斷延緩了鋁型材的傳熱，通常普通三腔鋁型材傳熱系數在6.2W/（m2·K）左右，而加入了斷橋材料的鋁合金型材傳熱系數約為3.3W/（m2·K），保溫性能提升了將近一倍。在門窗厚度截面不變的條件下，斷橋材料的阻熱性能越好，則鋁型材的保溫效果越好。另外，鋁型材腔式設計、鋁型材表面圖層處理技術也會影響傳熱系數，通常型材腔式分割越多，傳熱系數越低;型材表面采用反射涂層也會降低傳熱系數，但這二者對于窗整體的保溫性能變化來說，效果不是很大。

4.1.2 PVC塑料

PVC塑料與鋁合金導熱系數相差約1270倍，目前多采用的是三腔、四腔的PVC塑料結構，其傳熱系數約為1.9W/（m2·K），是普通三腔鋁合金的1/3，是斷橋鋁合金的將近1/2，因此作為人工合成材料，其在門窗保溫性能上的優勢是非常突出的。

c） 實木

木質窗主要以松木為主材，其傳熱系數與PVC塑料相近，也是保溫性能優異的天然材料，但是木材作為窗框材料的缺點也十分明顯，一是木料以天然實木為主，價格昂貴，過度開采不易于環境保護;二是一旦發生火災，木質結構易于燃燒，不利消防安全。

4.2 玻璃

不同類型的玻璃，傳熱系數的差別很大。現代建筑設計中，門窗玻璃占窗面積的比例基本上在55～75%，占比越來越大，因此選用低傳熱特性的玻璃對提升門窗保溫性能效果尤為顯著。影響玻璃傳熱的因素大致是以下5個：玻璃層數、空氣層厚度、空氣層填充介質、玻璃鍍膜處理技術、中空層玻璃隔條材質選用。

4.2.1 玻璃層數

玻璃的導熱系數為0.77W/（m·K），作為窗圍護結構的透光部分，其熱對流的影響幾乎不存在，若單純增加玻璃層數，根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》的規定，單一材料的熱阻值按照下列公式計算：

R=δ/λ

其中：

R——材料層的熱阻，（m2·K）/W;

δ——材料層的厚度，m;

λ——材料層的導熱系數，W/（m·K）。

由此可見，當增加玻璃厚度時，熱阻呈線性增加，但是傳熱系數的降低值對于玻璃整體而言比較小。

4.2.2 空氣層厚度

空氣的導熱系數僅為0.028W/（m·K），由于靜止空氣具有隔熱屬性，因此中空玻璃在保溫性能上較單層玻璃提升了將近一倍，關鍵就在于玻璃間密閉空氣層的存在，而空氣層的厚度又直接影響中空玻璃的保溫性能。筆者試驗數據統計，當空氣層厚度<12mm以下時，熱阻與玻璃間距幾乎成正線性關系，玻璃間距在12～20mm時，熱阻與間距則成正遞升曲線關系，而當玻璃間距>20mm時，過大的間距導致空氣層內空氣對流的形成，其阻礙了空氣層熱阻的提升，此時相較于空氣層的增厚，增加的熱阻值就顯得不那么經濟了，因此，玻璃空氣層厚的選擇，應根據所設計需要的熱阻以及框材選用的經濟性共同決定。

4.2.3 空氣層填充介質

空氣層除了填充空氣外，還可以填充物化性質穩定的惰性氣體（氬氣、氪氣），以求達到更好的保溫性能。筆者對近兩年的試驗數據進行統計分析得到以下結論：

同一窗型，空氣層為惰性氣體，窗整體傳熱系數K值一般優于普通空氣層0.1W/（m2·K）～0.15W/（m2·K）左右。

三玻兩腔玻璃或是單塊玻璃面積S>0.5m2的窗型，空氣層填充惰性氣體的，窗整體傳熱系數K值一般優于普通空氣層0.2W/（m2·K）以上。

4.2.4 玻璃鍍膜處理技術

在中空玻璃外片上鍍上一層不可見的銀質金屬層，從而大幅度降低玻璃的輻射熱傳遞。Low-E中空玻璃（5mm+12A+5mm）的傳熱系數約為1.7W/（m2·K）左右，而普通中空玻璃（5mm+12A+5mm）的傳熱系數為3.1W/（m2·K）左右，傳熱效果降低了45%，因此Low-E玻璃研究發展及應用也是未來門窗節能的發展趨勢。

4.2.5 中空層玻璃隔條材質選用

目前市場上的中空玻璃隔條多采用的是鋁隔條，組裝后嵌與扇料內，容易與扇料型材形成熱傳導，在玻璃周長上形成較大面積的熱散失從而產生諸如室內側玻璃結露、結霜等現象，影響保溫性能。

而采用暖邊技術時利用橡膠間隔條，阻礙玻璃邊緣向窗扇結構的傳熱過程，從而降低中空玻璃周長范圍內的傳熱水平，減少結露、結霜現象的產生。

4.3 窗型設計

根據熱力學公式：

Uw=（Ag×Ug+Af×Uf+Lg×ψg）/（Ag+Af）

其中：

Uw——整窗的傳熱系數，W/（m2·K）;

Ag——玻璃的投射面積，m2;

Ug——玻璃的傳熱系數，W/（m2·K）;

Af——窗框的投射面積，m2;

Uf——窗框的傳熱系數，W/（m2·K）;

Lg——玻璃的區域周長，m;

ψg——玻璃邊界的線性傳熱系數，W/（m2·K）。

傳熱系數與玻璃的投射面積、窗框的投射面積以及玻璃的周長具有相關性，玻璃與型材的傳熱系數不同，將它們兩個以不同面積比組合在一起必然影響到整窗的傳熱系數，同時在同一規格尺寸下，不同的窗型設計分割、不同的窗扇開啟方式，會造成很大的傳熱系數波動區間，因此注重窗型設計也是降低傳熱系數，提高窗整體保溫性能的重要手段。

4.4空氣滲透

由于GB/T 8484—2008《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》中，對于門窗保溫性能分級的判定是以窗扇縫隙密封條件下進行的，因此使用檢測的手段驗證空氣滲透對于窗整體保溫性能的影響具有一定局限性。筆者結合日常保溫檢測工作，進行了如下試驗：結論參見表2。

（選取試驗對象為密封狀態下，滲透量造成的傳熱損失可忽略不計的兩組65系列斷橋鋁合金平開窗，中空玻璃配置為：Low-E玻璃，空氣層5mm+12A+5mm。A：氣密性指標6級，B：氣密性指標4級）。

由此可見，空氣滲透對于門窗保溫性能的影響甚至大于前面各類因素。從檢測工作出發，由于結構性原因，推拉窗在未密閉的狀態下，保溫性能不是很理想，想要真正提高門窗保溫性能，必須從著手改進推拉窗的氣密性能開始。

5 結語

影響門窗保溫的因素有很多，主要的就是型材、玻璃、窗型設計、空氣滲透等。

排在首位是空氣滲透造成的熱損失，但是在現行的檢測標準下，由空氣滲透造成的對流熱損失往往被忽略了，在檢測標準中亦被規避，這也導致了我們的門窗保溫檢測工作中存在著一定的不確定性與偏差，給門窗保溫在現實中應用推廣增加了阻力。

其次窗型設計從大的層面上決定了其傳熱系數的范圍，因此這也是從業者需要關注的地方。

至于型材、玻璃的選用，更多的是在窗型設計預設好的傳熱系數范圍內（已選定型材種類、玻璃類型），結合自身企業成本、設計等綜合采用。

參考文獻：

[1] 王波，孫文遷.氣密性對建筑門窗保溫性能的影響[J].新型建筑材料，2012（3）：88～90.

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

[3] GB 50176—2016.民用建筑熱工設計規范[S].

[4] 蔡強.淺談影響鋁合金節能門窗保溫性能的主要因素[A].上海鋁業行業協會成立二十周年大會暨長三角鋁業峰會論文集[C].上海：上海鋁業行業協會，2010：150～155.

[5] 楊迪，秦達超.門窗保溫隔熱性能淺論[J].卷宗，2011（8）：60～61.