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1 引言
“被动房”又被称为被动式超低能耗绿色建筑，这一概念在上世纪八十年代由德国建筑物理学家Feist博士创建[1]。被动房是一个建筑的综合概念，对房屋的结构、功能，尤其是使用过程中的能耗等均提出了严格的要求。同时，也对门窗提出了十分苛刻的节能要求[2]。
传统门窗中，最多应用的是铝合金和塑料门窗（PVC）两大类。铝合金同时具有高强度、高模量和高导热特性[3]，而PVC模量和强度均较低，阻热性能优良，两者的应用均受较大的限制。为了节能考虑，铝合金设计成为断热铝合金，这无疑牺牲了其强度优势，而塑料通过衬钢增强也提高了其热传导性。随着节能要求的提高，传统的木窗也回到了人们的视野，包括铝木复合等形式的窗。为了方便比较，表1中列出了作为门窗型材使用材料的部分力学性能（弯曲）和导热系数参数。
对比表1中不同材质型材的数据可以看出，高强度、高模量且低导热的玻纤增强聚氨酯复合材料的出现为门窗的设计提供了新的可能，也受到了广泛的关注[4]。高性能的聚氨酯树脂使得生产的复合材料具有尺寸稳定高、成型尺寸精度高的特点，完全满足其作为门窗型材的使用要求。
同时，复合材料拉挤生产工艺，可以保证线性复合材料的高效、连续、稳定生产，为复合材料的大规模应用提供了前提条件。
表1 常用型材的力学性能和导热系数
2 玻纤增强聚氨酯复合材料
作为门窗型材使用时，材料的力学性能主要包括弯曲模量、弯曲强度等是作为受力杆件应用的基础，传热系数低则说明了采用其制作的门窗型材理论上具有更加优异的节能性。玻纤增强聚氨酯复合材料的主要性能的指标参数见表2。
表2 玻纤增强聚氨酯复合材料性能参数
由表2可知，玻纤增强聚氨酯复合材料力学性能优异，具有极高的弯曲强度、较高的弯曲模量。此外，玻纤增强聚氨酯复合材料具有优异的形变回复能力，主要由于弯曲变形过程中，玻璃纤维均在弹性限度范围内，因此当外力移除时，材料可以回复原形状。这一特性可以在门窗使用过程中，即使经历极端天气时发生大变形的情况下，如果门窗本身结构不发生破坏则仍可保持原有的气密、水密性能。
玻纤增强聚氨酯复合材料还具有耐火的特性，适宜作为耐火窗型材使用。在无任何处理情况下，其垂直玻璃纤维方向的氧指数可达到45以上。复合材料受火时，聚氨酯树脂会分解并一定程度的结炭，残余的炭层和玻璃纤维层构成火焰的屏障，显著降低热量的传递，减缓材料的分解，从而表现出良好的耐火性能。
聚氨酯树脂还赋予玻纤增强聚氨酯复合材料优异的耐腐蚀性能，可以长时间耐受酸、碱和盐类的腐蚀，因此该类材料也非常适宜在沿海地区或者船只上应用。
玻纤增强聚氨酯型材的使用温度范围宽，可以容许在-60℃条件下长期使用，其线膨胀率约为6.4×10-6K-1[5]，长周期使用时与结构出现缝隙导致漏水的概率低。因此，玻纤增强聚氨酯复合材料型材在极端气候环境下具有突出的优势。
3 低传热系数门窗结构设计
基于玻纤增强聚氨酯复合材料的优异特性进行门窗型材的设计。其中窗和门的截面设计分别如图1和图2所示。
图1被动房用窗的截面设计
图2被动房用门的截面设计
如图1所示，窗框的空腔填入导热系数仅为0.024W·m-1·K-1的聚氨酯硬泡保温材料（后续计算中聚氨酯硬泡导热系数取值0.03W·m-1·K-1），窗扇的玻璃槽口内也填入聚氨酯硬泡材料。这种设计使门窗的框、扇部位的传热系数均较低，可以达到0.9W·m-2·K-1。本设计采用三道密封，以保证窗的气密性。
对框腔体填充泡沫后传热系数进行计算：
其中L型材指填泡沫部分的型材厚度，设计值为6mm，λ型材为型材的导热系数，取值0.25W·m-1·K-1，L硬泡为填充硬泡厚度，设计值为79mm，λ硬泡为硬泡的导热系数，取值0.03W·m-1·K-1，开放空气热阻取值0.16m2·K·W-1，带入计算得R1=2.81m2·K·W-1。
对框的竖筋部位进行计算：
同理R2为型材部分热阻，L型材为型材厚度，设计值为85mm，λ型材为型材的导热系数，取值0.25W·m-1·K-1，开放空气热阻取值0.16m2·K·W-1，带入计算得R2=0.5m2·K·W-1。
对整框（不含通道）部分进行传热系数计算：
D1为填硬泡部分宽度，设计值为18mm，D2为型材竖筋壁厚，设计值为4mm，R1和R2分别为式2和3的计算值，计算得K框=0.65W·m-2·K-1，相当于等厚度的匀质材料导热系数达到0.062W·m-1·K-1的隔热效果。85mm厚的玻纤增强聚氨酯型材隔热性能相当于160mm后的导热系数为0.12的匀质材料，也相当于9个空气腔的中空型材的隔热性能。
同时对阻热薄弱的框扇咬合部位进行加强隔热设计。增加塑料扣件和聚氨酯硬泡材料填充，使通道间隙达到6mm以下，这样设计通过模拟计算，通道的传热系数不大于1.25W·m-2·K-1。
根据公式模拟计算1450mm×1450mm标准窗整窗传热系数：
其中K框取值0.9W·m-2·K-1，A框为窗框面积，计算值为0.48m2，K玻取值0.75W·m-2·K-1，A玻为玻璃面积，计算值为1.62m2，L玻为玻璃的周长取为7.72m，ψ取值0.03W·m-1·K-1，A窗为2.10m2带入计算得K窗=0.89W·m-2·K-1。
通常情况，被动房要求的外墙传热系数K≤0.15W·m-2·K-1，门窗相对与墙体的传热系数仍然较高，因此被动房的窗墙比较低，即相对窗面积较小。在不牺牲整体维护结构的阻热性的基础上，降低窗的框玻比是提高窗的通透性的理想途径。
如图1的设计窗框与扇的截面宽度为70mm以下，相对与通常型材的值（120mm）截面宽度下降了40%，以1450mm×1450mm标准窗（一扇固定一扇开启，两扇面积相等）为依据计算，框玻比仅为23:77左右显著低于传统被动房型材的35:65左右。窗框玻比会随着窗尺寸变小，意味着被动房通常框玻比更高。
如图2的结构，以2100mm×900mm标准门进行计算，该门的框玻比约为28:72。这样的门窗在被动房中应用均具有通透性更好的特点。
对门的隔热最薄弱的通道位置其中一条线进行模拟计算：
其中L软泡为软泡两层总厚度，设计值为8mm，λ软泡为软泡导热系数，取值为0.04W·m-1·K-1，R空腔1对应靠近室内面第一个空腔热阻，取值0.18m2·K·W-1，R空腔2为软泡内空腔热阻，取值为0.16m2·K·W-1，R空腔3为靠近室外面空腔热阻，取值为0.18m2·K·W-1，R空气为开放空气热阻取值为0.16m2·K·W-1，带入数据计算得R通道=0.88m2·K·W-1，即K通道≤1.15W·m-2·K-1。
以上设计中，当采用5LowE+16Ar+5+16Ar+5LowE的玻璃配置时，窗框部分的传热系数为0.9W·m-2·K-1，玻璃为0.75W·m-2·K-1，门窗的传热系数都可以达到0.9W·m-2·K-1的被动房设计值，如果采用传热系数为0.5W·m-2·K-1的真空中空复合玻璃，则门窗的传热系数仅0.7W·m-2·K-1。
除了隔热性能，由于门的尺寸通常较大，这就对角强度和五金连结强度提出了更高的要求。由于玻纤增强聚氨酯材料具有高强度、高模量的特点，通过角码、组角胶和端面胶等措施很容易满足大尺寸门所要求的角强度，通过五金连接部位局部增加钢背衬也能解决五金联接强度的问题。
总之，由于玻纤增强聚氨酯材料的轻质、高强、低导热的优异特性，通过反复的优化设计，被动房用TICO聚氨酯节能门窗除了具有节能通透的优异特性外，其抗风压性能、气密性能和水密性能也均达到门窗行业现行标准的最高等级。
4结论
材料是工业的基础，新材料的特性可以给产品设计提供全新的理念和价值。由于玻纤增强聚氨酯复合材料同时具有强度、模量高和隔热性能优的特点，采用其作为门窗型材进行低传热系数的门窗设计，即可满足高节能门窗的需求。
当采用玻纤增强聚氨酯复合材料型材时，可以设计出框扇截面宽度小于70mm的窗和框扇截面宽度小于100mm的门，使窗和门的框玻比相对与传统结构均显著降低，达到门窗使用过程中更加通透的效果。
采用玻纤增强聚氨酯复合材料设计的上述门窗在配置合理的玻璃情况下可以达到0.9W·m-2·K-1甚至更低的传热系数，在被动房中具有很高的应用价值。
参考文献：
[1]彭梦月.中欧被动式低能耗建筑发展现状及比较[R].住房和城乡建设部科技与产业化发展中心.
[2]住房城乡建设部.被动式超低能耗绿色建筑技术导则[Z].2015-10.
[3]陈泱光.温格润Wingreen：能满足被动房要求的铝合金门窗系统[J].绿色建筑,2014,(4):11.
[4]卢军凯,王之冰.连续玻璃纤维增强聚氨酯复合材料的力学性能[J].工程塑料应用,2017,(3).
[5]聂雷,胡庆华.聚氨酯复合材料型材及成型方法：中国,CN102174982A,[P].2011-09-07.
作者
上海克络蒂材料科技发展有限公司 孙生根 郭红 徐伟
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