中国塑料门窗(PVC-U)节能型材数据库建立与应用研究

文/杨华秋 杨仕超 闫雷光 吴培浩 马扬 易序彪

1 数据库建立背景

目前建筑节能工作已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分，建筑门窗作为围护结构节能的薄弱环节，也成为建筑节能中最受关注的重点。 我国正处于快速城市化过程，每年新建建筑约20亿平方米，相当于全球40%的新建建筑面积。根据住建部的相关统计[1]到2010年底，全国城镇新建建筑设计阶段执行节能强制性标准的比例为99.5%，施工阶段执行节能强制性标准的比例为95.4%。同时，近年来我国绿色建筑蓬勃发展，截至2010年底，全国有113个项目获得了绿色建筑评价标识，建筑面积超过1300万平方米。全国实施了217个绿色建筑示范工程，建筑面积超过4000万平方米。

塑料门窗具有优良的保温性能，抗结露性能优异，具有很好的节能优势，是我国北方地区主要的节能门窗品种，在同等保温性能条件下，塑料门窗与铝合金门窗、木门窗等相比，具有更高的性价比。同时PVC本身也是一种绿色建筑材料，首先是节约生产能耗，其次回收再利用成本较低时，能耗和污染小。

住建部于2010年6月18日下发了《关于进一步加强建筑门窗节能性能标识工作的通知》（建科〔2010〕93号），要求加快门窗节能标识的推广、测评等工作，要求用三年的时间全国规模以上的企业主要的门窗产品须通过标识。目前已获得门窗标识的产品中严寒地区约50%的门窗产品为塑料门窗产品，寒冷地区约30%的产品为塑料门窗产品。

2013年1月1日，国务院办公厅发布了《绿色建筑行动方案》，绿色建筑迎来全新的发展时期。同时现代建筑若要提升建筑质量、提高施工效率、实现建筑的精品化、标准化，就必须走建筑工业化的道路，这也是绿色建筑发展的要求。因此，由于绿色化、工业化、信息化的发展要求，对于我们各类建筑材料的配送方式、营销模式都会带来翻天覆地的变化，我们需要建立产品的标准信息库。

为了加快塑料节能门窗的推广应用，普及门窗热工性能计算方法，同时为建筑师、业主等提供一个科学、准确、可靠的塑料门窗节能数据库，体现塑料门窗节能保温的优势, 推动我国塑料门窗的质量水平提升，中国建筑金属结构协会塑料门窗委员会与广东省建筑科学研究院共同建立我国首个塑料门窗节能型材节能数据库。

2 数据库建立方法

数据库的建立方法与门窗节能标识测评过程类似，采用了科学、严谨的方法模拟计算门窗的热工性能，从而获得相关的数据。

为规范和统一数据库的建立工作，广东省建筑科学研究院与塑料门窗委员会出台了数据库的管理办法和技术指南。数据库主要依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T151-2008）及相关的标准、技术指南等，通过统一的计算模型、玻璃系统、边界条件和模拟计算要求，采用粤建科MQMC软件，经过二维传热有限元分析计算，得到的传热系数、线传热系数、框投影长度等一系列的热工性能参数，最终建立数据库。

3 数据库技术论证与验证

3.1线传热系数ψ插值法验证

JGJ/T 151-2008规定采用线传热系数理论计算窗框的热工性能，把框的传热近似看作二维传热，但对于玻璃镶嵌部位，做二维近似存在着一定的偏差，采用了线传热系数ψ来解决这个问题，因此ψ与型材及玻璃系统皆有关。若型材构造固定时，则型材的线传热系数随框搭配的玻璃系统传系数变化。

如何了解和掌握数据库中框的线传热系数的变化规律，成为数据库建立和应用的关键点之一。为了研究型材和线传热系数变化规律，笔者采用粤建科MQMC软件，模拟计算搭配不同保温性能的玻璃系统的塑料窗框的热工性能，分析塑料窗框的线传系数的变化规律，为数据库的建立提供基础数据和技术支撑。

为开展塑料窗框线传热系数的验证，笔者作了以下的规定和假设：

a 采用统一的计算边界条件，即采用JGJ/T 151-2008第10.1.3条规定的冬季标准边界条件。

b 选择适合的玻璃系统进行型材线传热系数ψ研究。塑料型材搭配不同保温性能的玻璃系统，保温性能的范围包括目前我国常用的21种双玻中空玻璃和21种三玻中空玻璃，玻璃表面发射率在0.02～0.84之间，中空玻璃均采用铝合金间隔条密封。

c 选择典型的塑料门窗型材节点开展线传热系数研究。

d 根据数据库技术指南的要求开展玻璃系统和门窗型材热工性能模拟计算。

为了研究型材与玻璃镶嵌部位ψ值的变化规律，选择部分典型塑料门窗型材，如图1和图2所示。根据以上的规定和假设，采用粤建科MQMC软件6种典型塑料窗型材框的热工性能进行模拟计算，计算结果如图3~4所示。

由图3、图4可知典型塑料门窗型材的线传热系数ψ值与玻璃系统的保温性能变化规律基本一致，随典型玻璃系统传热的减小逐渐降低。同时在21种双玻中空玻璃和21种三玻中空玻璃中确定线传热系数线性变化的关键节点，玻璃表面和发射率分别为 0.02、0.15、0.4、0.84。

为验证以上的关键节点，对6种典型塑料窗型材框的搭配21种双玻中空玻璃和21种三玻中空玻璃的线传热系数按照线性插值方法进行计算，与直接计算法得到的结果进行比较，误差率基本分布在±1%以内，最大误差率仅为2.34%。

3.2数据库验证分析

为提高数据库工作的科学性和严谨性，数据的准确性，加强各企业的技术交流，规范模拟计算方法，对比塑料门窗保温性能模拟计算和检测结果，研究塑料门窗型材数据库计算方法的合理性。主要验证门窗保温性能检测结果与门窗热工性能模拟计算结果的对比，同时验证企业的模拟计算能力和水平，有10家塑料门窗型材企业及7家建筑门窗节能性能标识实验室参加，共有10个检测及模拟计算样本。

3.2.1 验证项目及样品

验证包括建筑玻璃光学热工性能检测、门窗保温性能测试和门窗热工性能模拟计算3项，主要验证门窗保温性能测试与模拟计算结果的差异，及企业门窗热工性能模拟计算能力。门窗保温性能检测和玻璃光学热工性能测试，由企业送至具有建筑门窗节能性能标识资质的实验室机构，各参与验证企业送检的门窗保温检测产品系列及检测实验室如表2所示。

图1 典型双玻中空塑料窗型材节点

图2 典型三玻中空塑料窗型材节点

图3 典型双玻中空塑料窗节点线传热系数变化

图4 典型双玻中空塑料窗节点线传热系数变化

表1 塑料窗型材节点线传热系数线性变化的关键节点

表2 数据库验证项目

3.2.2 验证结果

表3 样品检测及样品模拟计算结果汇总表

表4 88系列推拉塑料窗模拟计算结果汇总表

由表3可知，E和F企业模拟计算的结果与保温检测结果误差大于5%，通过分析检测报告和模拟计算文件发现主要由模拟计算的边界条件定义有误及材料定义有误造成。其他企业的模拟计算结果与检测结果误差率小于5%，符合门窗标识的要求。由表4可知，序代号I的企业玻璃光学热工性能计算结果及整樘窗计算结果与其他企业存在较大的误差，经检查其玻璃系统组合中没有按要求选用100%的氩气，而是采用空气进行模拟计算。其余各企业的模拟计算结果基本相同。

通过本次验证结果可知，保温检测性能检测结果基本满意，经分析主要是模拟计算存在问题，同时也说明了只要模拟计算操作处理正确，其结果与检测基本一致。

4 数据库现状及应用展望

经过四年多的建设和多次的技术验证，目前数据库建立工作基本完成，已有12家塑料门窗型材企业，共计30个产品系列加入到数据中，覆盖了我国主要的型材企业和主要的节能塑料门窗产品，并建立了数据库网页查询系统和手机应用软件。

数据库手机软件不但具有查询的功能，同时依据数据库的数据可计算门窗整体的传热系数、遮阳系数和可见光透射比，满足业主、设计师门窗选型、设计计算的要求。塑料门窗数据库与粤建科MQMC软件相比，只缺少框二维型材有限元分析功能，但已具有丰富型材节能数据，免去了复杂、烦琐的框型材有限元建模过程。

随着我国建筑节能水平的大幅提高，特别是北方地区对外窗节能要求的大幅提高，铝合金断热型材将较难满足其节能性能的要求，且经济性较差，塑料门窗将在我国寒冷地区和严寒地区迎来快速发展的机遇，同时高性能塑料门窗将是市场的主流产品。数据库也将随这股潮流将成为门窗行业中门窗选型、设计的常用和必备的数据库。随着互联网和智能手机的普及，数据库手机软件的推出将会大大加快数据库的推广应用。

数据库推广后，将会有越来越多的企业加入数据库中，该数据库可逐渐发展提升为塑料型材行业节能产品推广目录。在塑料窗型材数据库建立的经验基础之上，我们还要继续思考塑料窗产品信息化的推动工作，不仅限于节能，而是产品的全信息，紧随着建筑工业化、信息化的发展道路，才不会被时代淘汰。

表5 已加入数据库的企业及产品系列

图5软件操作界面

图6 整窗查询结果

图7 节点详细查询结果

[1] 住房和城乡建设部建筑节能与科技司.“十二五”建筑节能专项规划.

[2] 马 扬,杨 仕 超,杨 华 秋 .塑 料（PVC-U）窗框热工性能模拟计算研究.建筑金属结构，2012（65～69）.

[3] 闫雷光. 建筑用塑料门窗.建筑金属结构，2013（53~57）.

[3] JGJ/T 151-2008. 建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].

[4] ISO 15099:2003.Thermal performance of windows, doors and shading devices — Detailed calculations[S].

[5] ISO 9050:2003.Glass in building- Determination of light transmittance,solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors[S].

[6] ISO 10077-2:2003. Thermal performance of windows, doors and shutters -Calculation of thermal transmittance -Part 2:Numerical method for frames[S].

[7]《中国塑料门窗型材节能数据库管理方法》.

[8]《中国塑料门窗型材节能数据库技术指南》.