被动式门窗用五金系统的研究——被动隐藏式五金系统设计探索

1 前言

自从在2010 年上海世博会上，出再了一栋代表世界先进水平的“汉堡之家”之后，中国开始引入了“被动房”这一源于欧洲的创新节能建筑概念，同时中国政府及地方主动作为引入并发展被动房；北京、天津、河北、山东、河南、黑龙江、辽宁、江苏、福建、陕西、内蒙古等省市出台了相关政策鼓励发展被动房，并完善了相关节能标准；促进了与建筑相关的企业对节能、环保材料的研究。

据统计，建筑能耗已占全社会总能耗的40% 以上，而通过门窗损失的能耗约占建筑总能耗的50%。由此可见，建筑的门窗节能成为关建环节，研究门窗节能也成为节能的重要方面，门窗节能除了研究型材、玻璃、胶条外，所配套使用的五金也非常关键。

2 设计理念

在门窗中五金实现了门窗的开启（包括内倒、外悬）与关闭功能；同时在框和扇中主要起连接、承重作用；以上两点在大家的认知中是显而易见的。但与隔热节能联系起来，好象是风马牛不相及，下面我们来看一以下两种窗型结构图。

图1 市场上的常见窗型

图1 是现在市场上比较常见的三种窗型，图3 为下合页, 是外挂式合页；无论使用铝合金型材，还是PVC类型材（本次讨论对象不包括木窗），为保证合页安装通道，必须对室内侧的胶条进行断割，现有的工艺水平是无法达到完全密封的，同时增加了门窗厂加工制作的难度。

图2 热对流

从图2 中我们不难理解, 外露式合页安装后，除了断割胶条外，还有合页与型材之间的缝隙形成漏气点，而且框、扇之间形成热对流。

我们对寒冷地区的北京、河北，严寒地区的东北多处工地现场及业主家庭进行了调查了解：京津冀等寒冷地区，冬天内外温差较大，一般屋内温度为20℃，屋外温度为-10 ℃以下，温差近30 ℃；东北等严寒地区，冬天内外温差更大，一般屋内温度为20℃，屋外温度为-20℃以下，温差近40℃；内外温差较大窗户的合页处开始结露、结冰、结霜。（图3、图4）。

图3 合页处结露

图4 合页处结霜

同时，我们对中间加装了等压胶条的窗型进行了观察，冬天因室内外温差较大，在等压胶条的室外侧表面形成了大量水珠，流入框的下排水口处，结冰后堵排水口（图5）。导致凝结水越来越多，冰越来越厚，挤压等压胶条变形；最后窗户失去密封性，有的甚至打不开( 图6）。

图5 等压胶条的室外侧表面形成水珠

图6 窗户结冰

现在市场上门窗上下合页均采用外挂式的也很多，采用图7 侧边外挂合页的型材主要是PVC 和木质型材（本次讨论对象不包括木窗）；采用图8 在正立面外装式合页的型材主要是铝合金型材。

图7 侧边外挂合页

图8 正立面外装式合页

图7 侧边外挂式门窗其强度就取决与型材本，一般用于重量小于20 公斤对的窗型。现假设一个窗户用两只侧边外挂式合页，用四个ST4.2 螺丝固定并穿过两腔，PVC 壁厚为c=3MM, 型材的屈服强度σ=60Mp; 窗扇所承受的最大拉力F;

F=2*4*S*σ

S 螺纹接触表面积=

从理论计算看F 值只有105N, 所以PVC 窗现在一般不用侧边外挂式合页的主要原因是强度不足。对被动窗抗风压性能等级不应低于9 级，否则更无法保证。

采用图8 外装式合页的基本是主要门，主要的问题是生产制作过程中被坏了型材的腔体，合页与型材腔体之间存在缝隙，同样会在腔体内产生热对流，包括门锁孔漏气问题一直是业内无法解决的问题。

现在河北省对被动房用门窗作出了“外门窗应具有良好的气密、水密和抗风压性能。依据现行国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106，其气密性等级不应低于8 级、水密性等级不应低于6 级、抗风压性能等级不应低于9 级。”的规定。所以五金安装要保证门窗胶条完整性是非常重要的。

3 结构方式

通过与众多门窗企业相关人员沟通发现传统五金水密性能基本在4 级左右，气密性能也在5-6 级之间，主要原因是传统五金破坏了门窗密封胶条或型材的完整性。我们设计研究发现采用隐藏式方案可以保证密封胶条的完全整性，同时要降低热导率；减少因内外温差引起的热对流。

图9 适用于PVC 型材的五金系统隐藏设计方案

图10 适用于铝合金型材的五金系统隐藏设计方案

图9 为适用于PVC 型材的五金系统隐藏设计方案（部分），图10 为适用于铝合金型材的五金系统隐藏设计方案（部分），从设计方案可以看出，完全保证了密封胶条完整性，达到降低热导率；减少热对流的要求。

通过PTC-Creo-Simulate 的热传导及热辐射可以看出，图11 为外装式合页门窗，热辐射大量集中在合页表面上，图12 为隐藏式合页门窗，热辐射表面非常均匀，与窗面成直线分布。

图11 外装式合页门窗

图12 隐藏式合面门窗

在国标GB16809 防火窗标准“6.3 五金件、附件、紧固件应满足功能要求，其安装应正确、齐全、牢固，具有足够的强度，启闭灵活，承受反复运动的五金件、附件应便于更换。“采用隐藏式开装设计便可以满足这一要求。同时行业内的耐火窗的五金件通常采用钢制构件，因钢质材料的热容率低，热传导系数大，如果采用传统的外露方式会将大量的热量传入框、扇之间，到导型材变型；同时断割胶条导致门窗的跑火、窜火现象发生。采用隐藏式的设计可以完全避免此问题。

4 结论

在使用铝合金型材及PVC 型材的被动门窗中采用隐藏式五金系统改变了传统门窗的加工工艺，保证了门窗密封系统的完整性，杜绝了因外装式合页向框、扇之间的热传导，降低了门窗的隔热系数 ；对提高被动窗的气密性、水密性有明显的帮助；同时在耐火窗中采用隐藏式五金系统可以降低门窗的跑火、窜火现象发生，提高门窗的耐火性要求。

参考文献

[1] 孙义明 《PVC 型材及应用材料指标可行性分析报告》.

[2] 张小玲《我国被动房发展现状及影响健康发展的制约因素》.

[3] GB 16809-2008《防火窗》.

[4] GB/T7106-2008 《建筑外门窗气密，水密，抗风压性能分级及检测方法》.

[5] http://www.gba.org.cn/.