基于保温性能计算的塑料门窗截面及窗型设计

王天东，杨宁

（连云港杰瑞自动化有限公司，江苏 连云港　222006）

基于保温性能计算的塑料门窗截面及窗型设计

王天东，杨宁

（连云港杰瑞自动化有限公司，江苏 连云港222006）

在设计开发阶段利用热工性能软件对塑料门窗进行保温性能分析验证，以提高设计效率。从热损失的产生入手，分析影响传热系数的因素，提出增加型材厚度及腔室、增加框扇密封层数、免钢衬结构、兼顾实用性及保温性的铝塑铝结构等4个方面进行改进设计，并结合保温性能计算结果，分析所设计截面及窗型的优劣。

塑料门窗；保温性能；传热系数；截面设计；窗型设计

0　引言

随着国家对节能减排的重视，各级政府和相关部门纷纷出台了建筑节能设计标准，其中北京、天津率先执行节能75%的政策，建筑外窗的传热系数为1.5～2.0 W/（m2·K）。为了应对市场的变化，各型材企业纷纷开发传热系数符合标准的门窗。而如何能方便快捷地测试门窗的传热系数，即保温性能的验证，越来越受到关注和重视。传热系数的计算模型、理论、公式已趋成熟。JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》就是关于保温性能热工计算的标准，其详细规定了建筑外围护结构中使用的门窗和玻璃幕墙的传热系数计算公式和方法。为了减少工作量、提高效率，相关企事业单位开发了可以模拟计算门窗传热系数的软件，如国外的Therm系列软件、国内的粤建科MQMC系列软件等，使得这一验证可以在应用前就可实现［1-6］。

门窗热损失大致有3个途径：（1）门窗框扇与玻璃热传导（2）门窗框扇之间、扇与玻璃之间、框与墙体之间的空气渗透热交换；（3）窗玻璃的热辐射。而降低型材门窗的传热系数就是在上述这些方面进行改进［1］。

本文从降低传热系数的因素入手，设计开发符合节能标准的塑料门窗截面及窗型，并利用Therm软件对保温性能进行验证。需要说明的是，本文所计算的传热系数只是针对门窗的局部，即一侧窗框的横截面，反映的是型材保温性能。整窗的传热系数是采用四周窗框、玻璃等各部分的传热系数按面积进行加权平均计算得到的。经保温性能热工计算分析，并考虑到型材只占门窗一部分面积，所以型材的传热系数要低于整窗传热系数才能达到节能标准要求。

1　增加型材厚度及腔室以降低传导热损失

增加型材厚度及腔室是降低传热系数最直接的手段。因为空气是热的不良导体，并且腔室垂直于热流方向分布，增加1层腔室可使传热系数降低约4%［1］。但增加腔室使得挤出模具供料腔、紧固螺钉的摆布位置变小，冷却速度变慢，给挤出模具的设计制造带来一定难度。根据保温性能热工计算分析和挤出模具加工经验，腔室尺寸应不小于4 mm［1］。另外，增加型材厚度将导致门窗型材成本上升。所以设计时要综合考虑型材门窗保温性能、模具加工难易程度、生产成本等因素。目前市场上占主流的塑料门窗是60平开系列，结构一般为三腔室两密封，传热系数约为1.8 W/（m2·K），如采用Low-E双层中空玻璃，整窗传热系数能达到2.0 W/（m2·K）。

为设计符合节能标准的型材门窗，我们采用75平开系列，结构为七腔室三密封，其型材组装简图、等温曲线、传热系数如图1所示。设计时，平开框、扇合理分布钢衬腔、排水腔、保温腔等。根据热工性能分析经验，腔室设置在室外侧更能起到降低传热系数的效果，所以腔室尽可能排布在室外侧。三密封结构采用平行大胶条式，结构紧凑，开启方便；三密封胶条将框扇之间的空间分隔成水密室与气密室，从而提高了密封性能，降低了门窗缝隙渗透耗热量，使其保温性能优于两道密封结构。充分考虑到排水需求，框扇排水空间大、排水路线清晰、平开扇外侧凸出，起批水防雨作用。为了能更好地与75平开七腔室三密封型材匹配，玻璃系统采用5+9A+5+9A+5结构，玻璃为5 mm白玻，间隔层充氙气，总厚度为32 mm。

从图1可以看出，经Therm软件计算，75平开七腔室三密封型材传热系数为1.4631 W/（m2·K），达到预期数值。从等温曲线可以看出，温度线分布均匀，充分发挥PVC型材高保温性能；0℃线在钢衬腔外侧，室内侧最低点达到12.5℃，能很好地防止结露，整体保温性能优异［1-6］。

2　增加框扇密封层数以降低对流热损失

普通塑料平开门窗为两密封结构。两密封结构的门窗五金件安装空间大，容易加工安装。但由于排水的需要，在型材上需要打排水孔、气压平衡孔。所以框扇组成的空间非完全封闭，不是真正意义上的保温腔，而是水气共混腔室。空气在此空间对流、热量损失大。而增加框扇密封层数，可有效解决这一问题。多密封门窗结构将水气分离，框扇之间形成独立的水密室、气密室，保温性能优于2道密封结构。相对于两密封，多密封门窗工艺复杂，设计时需特别考虑五金件安装位置及尺寸、排水路线及蓄水量的大小。

为了更大限度地提高保温性能减低传热系数，我们采用70平开系列，结构为六腔室四密封，其型材组装简图、等温曲线、传热系数如图2所示。设计理念基本同75平开方案，但密封结构采用特制大胶条，并充分考虑排水需要、五金件安装尺寸及位置等因素。特制大胶条安装在平开框上，设置两点与平开扇密封配合，使框扇之间形成3个空间，即1个水密室专门排水使用、2个气密室为保温腔室，保温性能显著提高。玻璃系统仍采用5+9A+5+9A+5结构，玻璃为5 mm白玻，间隔层充氙气，总厚度为32 mm。

图2　70平开六腔室四密封保温计算图示

从图2可以看出，经Therm软件计算，70平开六腔室四密封型材的传热系数为1.6089 W/（m2·K），比75平开设计方案略差。从等温曲线可以看出，温度线分布均匀，0℃线在钢衬腔外侧，室内侧最低点达到12.5℃，能很好地防止结露［1-6］。

3　改进钢衬结构以降低传导热损失

钢衬的主要作用是抵抗风载荷，即抗风压。钢衬设计时需考虑抗风压惯性矩、形状要求、五金件固定、可加工性、通用性及经济性。从图1、图2可以看出，温度曲线在钢衬腔内几乎没有显示，经测量温差仅为3℃左右。这是因为钢衬是热的良导体，温度在钢衬腔内变化很小。可以通过减小钢衬腔来提高保温性能，但同时降低了抗风压性能。另一种方法是对钢衬结构进行改进，钢衬分成2段，中间用高强度塑料隔热条连接，保温性能得到提高但成本增加很多。目前出现了第3种钢衬解决方案，即免钢衬塑料门窗结构。其采用共挤出技术，将聚酯合金PBT挤出在型材内部代替钢衬。聚酯合金PBT本身具有的高强度可以代替钢衬，另外PBT与PVC具有相近的膨胀系数及较好的融合性。由于不再使用金属钢衬，而PVC和PBT的导热系数大大低于钢材，内部不再产生热桥效应，塑料型材及门窗的传热系数显著降低。

免钢衬塑料门窗设计方案采用70平开系列，结构为六腔室三密封，其型材组装简图、等温曲线、传热系数如图3所示。其设计理念基本同上述2个方案，其特点为：框扇基本尺寸及形式不变，仅将钢衬腔壁厚适当减小，并设置2.0 mm厚PBT内嵌式共挤层。由于仅调整改动框扇型材内部钢衬腔，模具仅需定制口模，而定型模可以继续使用，保温效果明显提高而付出代价较小。

图3　免钢衬70平开六腔室三密封保温计算图示

从图3可以看出，经Therm软件计算，70平开六腔室三密封型材传热系数为1.4687 W/（m2·K），降低非常明显。从等温曲线可以看出，温度线分布非常均匀，钢衬腔里也均匀分布了温度曲线，保温性能特别优异。

4　兼顾实用性及保温性的铝塑铝结构

国内铝合金门窗仍为主流产品，这是因为相对于塑料门窗其有丰富多变的表面彩色化、大众偏爱金属质感等因素造成的。铝合金门窗降低传热系数的方法主要为增加隔热条宽度及密封结构，但其成本增加较多。做同样传热系数的门窗，铝合金门窗比塑料门窗增加成本约1/3。为了兼顾实用性及保温性，我们设计了一种使用多腔塑芯代替隔热条的平开窗。其优点是，既保留了铝合金外观及表面彩色化等优点，又利用了PVC的良好保温性能。

设计时，铝塑复合部分采用隔热条标准结构。为提高保温性能降低传热系数，塑芯设计为三腔室结构。多密封结构采用大胶条式，胶条安装及配合都在塑芯上。其余设计按照常规设计，可以使用普通五金件。因采用铝合金门窗角码组装方式不用再装钢衬。我们设计了65平开铝塑铝三密封结构，其型材组装简图、等温曲线、传热系数如图4所示。

图4　65平开铝塑铝三密封保温计算图示

由图4可知，使用Therm软件计算，65平开铝塑铝三密封型材的传热系数为1.9085 W/（m2·K），比上述3个塑料异型材方案的高。从等温曲线可以看出，温度线聚集在塑芯部分，绝大部分保温功能由塑芯承担。铝塑铝结构优缺点明显综合保温性能、市场接受度，仍为目前较为适用的截面及窗型。

5　结语

随着节能减排工作的深入，门窗保温性能的验证必将越来越受到重视。降低传热系数的方法和措施仅是塑料门窗截面及窗型开发时需要考虑的一部分。影响保温性能的因素还有很多，如玻璃、五金件、洞口大小、开启方式等。利用热工性能计算分析软件，可以方便快捷地计算出型材、门窗的传热系数。这使我们在设计开发阶段就能进行型材门窗保温性能的验证，方便及时调整和修改。

只要了解、认识、掌握了影响保温性能的因素，结合实际情况有针对性地改进，在设计开发阶段用热工性能软件进行传热系数的计算，逐步调整方案，就一定能设计出符合节能要求的塑料门窗。

［1］杨宁，吴正华.基于保温性能分析的塑料异型材设计［J］.绿色建筑，2011（3）：55-57.

［2］徐军，冯磊，张秀平.塑钢门窗节能效果分析［J］.新型建筑材料2010（8）：31-34.

［3］任华升，杨宁，赵继恩.浅议门、窗用PVC-U塑料异型材发展趋势［J］.建筑节能，2011（3）：52-54.

［4］冯伟刚.塑料门窗系统节能因素的思考［J］.门窗，2010（8）：44-56.

［5］杨宁，毛玉.门、窗用PVC-U塑料异型材截面设计思路［J］.新型建筑材料，2011（1）：48-52.

［6］张其东.提高塑料门窗保温性能的方法和措施［J］.塑料科技，2012 （8）：100-102.

Plastic windows and doors section and window profile design based on the calculation of thermal insulation performance

WANG Tiandong，YANG Ning
（Lianyungang Jari Auto Co.Ltd.，Lianyungang 222006，Jiangsu，China）

Analyze and test the insulation performance of plastic doors and windows by the thermal properties software in the design and development stage，in order to improve the design efficiency.Starts from the analysis of the influence factors of heat loss，heat transfer coefficient，proposes to improve the design by increasing the thickness and cavity of profile，increasing the sealing layers of plastic windows and doors，adopting structure without steel lining and aluminum-plastic-aluminum structure featured with practicality and thermal insulation.Combined with the calculation results of insulation performance，analyze the pros and cons of the design.

plastic doors and windows，thermal insulation，coefficient of heat transfer，section design，window profile design

TU532+.65

A

1001-702X（2015）10-0011-03

2015-04-29；

2014-06-01

王天东，男，1979年生，吉林长春人，工程师，长期从事塑料门窗设计开发工作。