傳統(tǒng)建筑門窗的主要功能是遮風(fēng)、避雨和采光。然而，隨著建筑節(jié)能工作的深入推進，門窗作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于非透明圍護結(jié)構(gòu)，因此成為影響超低能耗建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵部位。隨著超低能耗建筑在我國的快速發(fā)展，高性能系統(tǒng)門窗已成為國內(nèi)門窗行業(yè)研究的熱點問題。

我國門窗行業(yè)針對門窗系統(tǒng)的窗框系統(tǒng)腔體數(shù)量、腔體幾何比例、型材截面等因素對型材的傳熱系數(shù)影響進行了大量熱工性能研究;埃因霍溫科技大學(xué)的研究團隊開展了門窗節(jié)能性與高視覺舒適性的優(yōu)化設(shè)計研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計原則及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);德國針對節(jié)能窗的合成復(fù)合材料及型材熱工性能同時進行了廣泛研究，研制出了”系列”高性能門窗產(chǎn)品并應(yīng)用于被動式建筑中。為實現(xiàn)門窗系統(tǒng)節(jié)能性能顯著提升，滿足我國超低能耗建筑對高性能門窗系統(tǒng)的發(fā)展需求，本文針對型材材質(zhì)、腔體截面優(yōu)化設(shè)計、玻璃系統(tǒng)配置、密封材料性能、五金系統(tǒng)、窗型等主要因素對門窗系統(tǒng)熱工性能的影響采用理論計算、模擬計算等一系列方法分析，提出實現(xiàn)門窗系統(tǒng)性能提升的主要途徑。

1.超低能耗建筑對門窗的性能要求

我國地域廣闊不同氣候區(qū)域氣候條件存在著較大差異，對門窗性能要求也有所不同?！侗粍邮匠湍芎木G色建筑技術(shù)導(dǎo)則( 居住建筑) 》中規(guī)定:其他性能要求: 氣密性等級不應(yīng)低于8 級，水密性等級不應(yīng)低于6級，抗風(fēng)壓性能不應(yīng)低于9級，隔聲性能應(yīng)滿足GB50118《建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》的要求。住宅建筑一般外窗底限標(biāo)準(zhǔn)要求空氣隔聲量不小于25 dB。

表1 典型氣候區(qū)外窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)(SHGC) 參考值

由表1 可知: 隨著氣候區(qū)自南向北，我國門窗系統(tǒng)保溫性能( 傳熱系數(shù)) 要求逐步提高，嚴(yán)寒地區(qū)要求最高;嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，冬季以獲得太陽得熱量為主，太陽得熱系數(shù)( SHGC) 應(yīng)盡量選擇對應(yīng)典型氣候區(qū)外窗傳熱系數(shù)參考值的上限，同時兼顧夏季隔熱要求;夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)以盡量減少夏季輻射得熱為主，SHGC 值則應(yīng)盡量選擇對應(yīng)典型氣候區(qū)太陽得熱系數(shù)參考值的下限，同時兼顧冬季得熱。

2.歐洲節(jié)能門窗的做法

德國是門窗節(jié)能性能要求比較高的國家?，F(xiàn)階段德國外門窗的傳熱系數(shù)K≤0. 6～1. 1 W/( ㎡·K) ，實現(xiàn)的主要技術(shù)方法主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)斷橋鋁型材:采取增大斷橋隔熱材料的寬度、填充保溫材料及優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)比例等方法來提高鋁型材的保溫效果。 (2)木質(zhì)型材:門窗在保持呈現(xiàn)美觀的基礎(chǔ)上，采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提升支撐等因素增大材料的寬度實現(xiàn)降低整窗的導(dǎo)熱系數(shù)。(3)PVC 塑料型:材采用增加保溫腔室，大截面保溫腔室采用填充聚氨酯泡沫等高效保溫材料來提高保溫效果降低腔室對流傳熱。(4)玻璃系統(tǒng)：使用充惰性氣體的Low-E 中空玻璃、Low-E 三玻兩腔玻璃、真空復(fù)合中空玻璃，合理選取中空玻璃間隔層寬度等措施降低玻璃傳熱系數(shù)。(5) 密封系統(tǒng)：采用三元乙丙密封膠條或硅橡膠密封膠條，科學(xué)設(shè)計密封系統(tǒng)配合尺寸。(4) 五金系統(tǒng)：通過精密的轉(zhuǎn)換設(shè)計實現(xiàn)內(nèi)平開、平開上懸、平開下懸多種開啟方式; 采用多鎖點設(shè)計均勻分配系統(tǒng)壓縮力，提高系統(tǒng)密封性能;良好的力學(xué)性能保證了系統(tǒng)安全性和耐久性。

3.窗型設(shè)計及節(jié)點構(gòu)造

門窗的形式設(shè)計包括門窗的形狀、尺寸、開啟形式( 平開、平推、內(nèi)倒、側(cè)移、折疊、推拉、懸窗等) 、分格、構(gòu)造( 如框、扇、中橫框、中豎框、拼接、延伸功能、安裝) 。不同設(shè)計形式不僅影響門窗的節(jié)能性能，還直接決定門窗的成本。

公式(1) 為整窗傳熱系數(shù)理論計算公式:

式中：Ut為整樘窗的傳熱系數(shù);

Ag為窗玻璃面積;

Ug為窗玻璃的傳熱系數(shù);

Af為窗框面積;

Uf為窗框的傳熱系數(shù);

lφ為玻璃區(qū)域的邊緣長度;

φg為窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數(shù);

At為窗面積。

由式(1) 可知整窗傳熱系數(shù)與型材傳熱系數(shù)、玻璃傳熱系數(shù)、線傳熱系數(shù)密切相關(guān);在兩窗型玻璃配置為5Low-E+14Ar+5Low-E+12Ar+5，86系列型材(上框傳熱系數(shù)為0.95W/(㎡·K) ，下框傳熱系數(shù)為1.17 W/(㎡·K) ，中橫梃傳熱系數(shù)為1.45 W/( ㎡·K) ，中豎挺為1.60 W/(㎡·K) 。以及整窗尺寸、計算邊界條件都同時得出：窗系統(tǒng)標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)窗型傳熱系數(shù)為1.09 W/(㎡·K) ，無亮子窗型傳熱系數(shù)為1.01W/(㎡·K) ，無亮子窗型由于減少了中橫挺和中橫挺線傳熱長度lφ，從而降低了整窗傳熱系數(shù)。在被動式超低能耗建筑、零能耗建筑等對窗系統(tǒng)保溫性能要求高的建筑中，建議使用無亮子窗型。

結(jié)論

在確保力學(xué)性能的前提下，建議使用無亮子的典型窗型，以降低整窗的傳熱系數(shù)并提高窗系統(tǒng)的保溫性能。同時，應(yīng)選擇具有良好耐候性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性能和耐多種極性溶劑等性能的密封材料，并配備相應(yīng)的五金系統(tǒng)，以實現(xiàn)窗扇相對于窗框的三維調(diào)整，從而提高整窗的氣密性能。此外，玻璃配置應(yīng)根據(jù)不同氣候區(qū)的需求進行選擇，例如通過改變玻璃腔體層數(shù)和增加玻璃鍍膜等方式來滿足嚴(yán)寒寒冷地區(qū)以外的氣候區(qū)的需求;而在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)，宜采用中空復(fù)合真空的玻璃配置。綜上所述，根據(jù)典型氣候區(qū)的氣候特征，關(guān)注不同氣候區(qū)門窗系統(tǒng)熱工性能的差異化需求，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、軟件模擬和理論分析等方法，可以得出有效提升門窗應(yīng)用節(jié)能效果的方案。