建筑门窗保温性能优化设计及软件应用

建筑门窗保温性能优化设计及软件应用一、建筑门窗保温性能在建筑上的重要性世界范围的能源紧张状况日趋严重，各国纷纷实施各项节能政策，建筑节能作为整体节能的重要组成部分，已成为世界性的大趋势，也成为我国可持续发展战略的一部分。据统计，我国2000年建筑用商品能源消耗共计3.56亿平方米，占当年全社会终端能源消耗量的27.8%。近几年全国每年建成的房屋建筑面积达16-19亿平方米，到2000年底，全国即有房屋建筑面积城市为76.6亿平方米，农村为299.4亿平方米。其中能够达到采暖建筑节能设计标准的只有1.8亿平方米，仅占全部城乡建筑面积的0.5%。这说明我国建筑节能水平十分落后，能源浪费严重，目前我国建筑单位面积能耗是气候相近发达国家的3-5倍左右，我国的节能工作形势十分严峻。能源浪费又造成了环境污染。我国的能源结构是以煤为主，煤炭占75%的状况将长期不会改变。目前我国燃煤总量居世界第一位，二氧分碳排放量为世界第二位，从我国总体来看，总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物几项大气主要污染指标，北方城市重于南方城市，采暖期重于非采暖期，建筑采暖已成为城市大气的一个主要污染源。因此，只有从源头上减少建筑采暖能耗，实现建筑节能，都能有效控制环境污染。二、我国的相关政策和节能措施我国下放对建筑节能工作非常重视，根据我国国情，制定了一系列节能政策法规。中华人民共和国节约能源法已于1998年1月1日起实行。其中第三十七条专门规定“建筑物的设计和建造应依照有关法律、行政法规的规定，采用节能型建筑结构、材料、器具和产品，提高保温隔热性能，减少采暖、制冷、照明的能耗”。建设总《建筑节能“九五”计划和2010年规划》、《建筑节能技术政策》规定“夏热冬冷地区新建民用建筑2000年起开始执行建筑热环境及节能标准。”为贯彻落实《节约能源法》，改变我国严寒和寒冷地区大量既有居住建筑采暖能耗大、热环境质量差的现状，采取有效的节能改造技术措施，以达到节约能源，改善居住热环境的目的，建设部制定了《既有采暖居住建筑节能改造技术规程》，规定通过围护结构单位建筑面积的耗热量指标不应超过现行行业标准JGJ26-95《民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)》的规定(见表1)。2000年2月18日，建设部第76号令发布了《民用建筑节能管理规定》，以便加强民和建筑节能管理，提高能源利用率。建设总建科(2002)175号文印发了《建设部节能“十五”计划纲要》的通知，明确提出在“十五”期间，我国的建筑节能工作要产现跨越式发展。表1JGJ26-95标准《不同地区采暖居住建筑对门窗传热系数K值限值》采暖期室外平均温度(℃)代表性城市窗户（含阳台门上部）K值阳台门下部芯板K值外门K值2.0-1.0郑州、洛阳、宝鸡、徐州4.704.001.70/0.9-0.0西安、拉萨、济南、青岛、安阳4.704.001.70/-0.1˜-1.0石家庄、德州、晋城、天水4.704.001.70/-1.1~-2.0北京、天津、大连、阳泉、平凉4.704.001.70/-2.1~-3.0兰州、太原、唐山、阿坝、喀什4.704.001.70/-3.1~-4.0西宁、银川、丹东4.001.70/-4.1~-5.0张家口、鞍山、酒泉、伊宁、吐鲁番3.001.35/-5.1~-6.0沈阳、大同、本溪、阜新、哈密3.001.35/-6.1~-7.0呼和浩特、抚顺、大柴担3.001.352.50-7.1~-8.0延吉、通辽、通化、四平2.501.352.50-8.1~-9.0长春、乌鲁木齐2.501.352.50-9.1~-10.0哈尔滨、牡丹江、克拉玛依2.501.352.50-10.1~-11.0佳木斯、安达、齐齐哈尔、富锦2.501.352.50-11.1~-12.0海伦、博克图2.001.352.50-12.1~-14.5伊春、呼玛、海拉尔、满洲里2.001.352.50注：表中窗户传热系4.70为单框单玻塑料窗，4.00为单框双玻金属窗。近几年，我国部分地区也已经开始制定或逐步完善建筑节能管理办法，部分省、市、自治区也颁布了相应的行政法规。例如北京市建委1999年发布的《北京市“九五”住宅建设标准，建筑外窗部分补充规定》的通知规定：2000年1月1日起，北京市行政区域内的各类住宅建筑外窗应达到传热系数K≤3.5/（m2•k）。三、影响建筑门窗保温性能的因素建筑门窗的保温性能对建筑节能起着相当大的作用，为此，我们有必要找出影响建筑门窗保温性能的因素，并采取适当措施，提高门窗保温性能、影响建筑门窗保温性能的因素主要有：型材、玻璃、窗型、密封等。1、型材建筑门窗选用的型材材质不同、结构不同，其保温性能会有很大的差别。在建筑节能实施措施中关于窗户保温方案的讨论中，不同窗框材料窗户的传热系数是其中的焦点问题。常用窗框材料的导热系数见表2。表2常用窗框材料的导热系数窗框材料钢材铝合金PVCPA松木玻璃钢导热系数58.22030.160.230.170.52塑料窗框的传热：PVC塑料窗框传热系数与窗框型材结构设计有关，PVC塑料窗框型材有单腔、二腔、三腔、四腔之分，从表4“不同塑料窗的传热系数”可以看出不同结构窗框具有不同的传热系数，单腔结构窗框的传热系数最高，四腔结构最低。单腔结构和二腔结构窗框设计正逐步被淘汰，目前大多选用三腔结构和四腔结构的窗框设计。普通铝合金窗框的传热铝合金与PVC塑料的导热系数相差约1270倍，但在铝合金窗框型材截面中贯通内外表面的金属实体部分所占比例很小，因此对整人窗框的保温性能影响程度降低。由热力学公式计算出普通三腔结构铝合金窗框的传热系数在6.2W/(m2•k)左右，是三腔结构的PVC塑料窗框传热系数1.9W/(m2•k)的3.26倍。隔热断桥铝合金窗框传热隔热断桥铝合金窗框的传热方式相当于两块金属之间由导热系数较小的断热桥和空气间隙联结。这种型材结构设计，大大降低了窗框的传热系数，由热力学公式计算出断热铝合金窗框的传热系数在3.3W/(m2•k)左右。由以上数据看出，隔热断桥铝合金窗框在保温性能上比普通铝合金窗框提高了将近一倍。目前隔热断桥铝合金窗发展迅速，与此有很大的关系。2、玻璃（1）不同类型玻璃的传热系数玻璃面积约占整窗面积的60%-70%，不同类型的玻璃，传热系数差别很大，玻璃的选用对门窗的保温性能起着重要的作用。由表3可以看出双层玻璃的传热能力和双层玻璃的间距直接有关，三层玻璃保温性能好，Low-E中空玻璃传热系数最小。（2）中空玻璃周边铝隔条是热的良导体，使中空玻璃周边传热强度远远大于中部，在严寒冬季常出现中空玻璃内表面周边结露的现象。中空玻璃安装时，铝隔条应尽量埋在门窗的沟槽中，使铭隔条处内外玻璃表面不暴露在空气中，以减少或消除铝隔条内层玻璃表面结露。中空玻璃铝隔条长度与中空玻璃面积之比愈大，铝隔条传热所占比重愈大，越不利于中空玻璃的保温性能。现在国内外许多公司开始生产暖边中空玻璃，从根本上消除了普通中空玻璃内表面周边结露现象。表3不同玻璃的传热系数玻璃类型玻璃结构（mm）传热系数K(w/m2•k)单层玻璃56.39双层中空玻璃5×9×53.265×12×53.11三层中空玻璃5×9×5×9×52.225×12×5×12×52.08Low-E中空玻璃5×12×51.713、窗型设计门窗立面分割不同将影响窗框和玻璃的面积之比，从而影响门窗的保温性能。在设计建筑外窗时必须考虑到抗风压、保温和采光等要求合理确定框玻比，以达到最佳设计性能。4、密封建筑门窗的保温性能与门窗的密封性能有密切关系，空气渗透性能差的门窗，造成通风热损失大。保温性能良好的塑料窗要求空气渗透性能达到qo≤0.5m3/(m•h)，平开窗通常为两层密封结构，中间形成一个空气保温腔，三层密封的平开窗有效阴止空气渗透，保温性能优于两层密封。表4不同塑料窗的传热系数W/（m2•k）窗框结构窗框传热系数窗框面积比%单腔二腔三腔四腔2.52.11.91.630303030双层中空玻璃5×12×53.112.932.812.752.66三层中空玻璃5×12×5×12×52.082.212.092.031.94Low-E中空玻璃5×12×51.711.951.831.771.68四、建筑门窗保温性能优化设计不同结构的窗框型材不同结构类型的玻璃组合可以得到保温性能不同的门窗。见表4（以塑料窗为例）。不同材质的窗框型材与不同结构类型的玻璃组合可以得到保温性能不同的门窗。表5数据显示Low-E：随着所用玻璃系统由单玻向双玻、Low-E中空玻璃的逐步变化，窗户的传热系数呈现明显的台阶式降低，这说明，减少窗户传热系数最有力的措施在于采用热绝缘系数较高的玻璃系统。表5不同窗户的传热系数W/（m2•k）窗框材料窗框传热系数窗框面积比/%铝合金PVC断桥铝合金6.21.93.75203030402540单玻6.396.356.335.044.595.735.33双层中空玻璃5×9×53.263.854.142.852.723.383.46双层中空玻璃5×12×53.113.734.042.752.633.273.37三层中空玻璃5×9×5×9×52.223.023.412.122.092.602.83三层中空玻璃5×12×5×12×52.082.903.322.032.012.502.75Low-E中空玻璃5×12×51.712.613.061.771.792.222.53从减少窗户传热系数的角度来看，PVC窗框无疑是最佳选择，其与Low-E中空玻璃的搭配可以使窗户传热系数降低到2.0W/（m2•k）以下，与普通中空玻璃的搭配可以使窗户传热系数降低到3.0W/（m2•k）以下；断热型铝合金窗框具有良好的绝热性能，其与Low-E中空玻璃的搭配可使窗户的传热系数降低到2.5W/（m2•k）以下，与普通中人玻璃的搭配可以使窗户传热系数降低到3.5W/（m2•k）以下；从门窗性能价格比以及当前我国的国情来看，大力推广中空玻璃塑料窗和中空玻璃隔热断桥铝合金窗对我国的建筑节能具有现实意义。门窗设计人员根据不同地区的建筑节能要求，通过选用不同的窗框型材结构和不同玻璃结构以及不同窗型的框玻比，即可设计出具有不同保温性能的窗户。五、建筑门窗保温性能优化设计软件功能及应用为适应我国建筑节能的要求，山东建筑工程学院门窗幕墙研究所开发了“建筑门窗保温性能优化设计软化”。为建筑门窗行业技术人员的研究人员提供了门窗保温性能优化建设计算的实用工具，希望能推动节能门窗在我国的应用和普及。该软件以二维稳态传热模型为基本的数学模型，其主要功能是设计计算。它适用于各利型材不同类型窗户的传热系数的计算。该软件根据用户选择的窗户类型、输入的几何尺寸以及设计参数等，可以优化设计计算出窗户的综合传热系数K值，并给出该窗户的保温性能等级。该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户，使用户使用起来简单明了。流程图1描述了该软件的运行过程，及要求输入数据和输出结果。软件将窗户类型分为平开窗和推拉窗两类，其中每一类又包括单窗和组合窗。对于组合窗的计算可以近似按多个单窗计算，然后再计算组合窗的综合传热系数。在每个单窗计算过程中，主要分为四部分：1•窗框传热系数的计算；2•窗扇传热系数的计算；3•玻璃传热系数的计算；4•整窗传热系数的计算。图2即是该软件在Windows平台下的应用界面。由于需要输入的数据较细致，软件为用户提供了设计算所需要的大量数据和资料，并建有门窗型材及玻璃导热系数的数据库，且允许用户对数据库进行维护；为了适应日后新开发的各种节能窗，该软件具有很大的灵活性，例如该软件可以计算窗框及窗扇窗空腔内有填充物时的导热系数等。产品描述框扇传热系数计算窗户计算主界面（平开窗或推拉窗）玻璃传热系数计算窗户综合传热系数计算输出结果：产品的描述，窗户的几何参数，计算的保温系数及保温等级