节能门窗优化策略分析（暖边篇）

1  发展节能门窗的重要意义

中国建筑节能走过了近40年的奋斗历程，坚持自主研发兼顾借鉴国际先进的发展思路，到现在已经取得了长足的发展，建筑节能技术、节能产业更是百花齐放、百家争鸣。但我们不得不深刻的认识到，我国的建筑节能事业仍旧任重道远，充满挑战。从以下几点考虑，我们可以看到节能门窗发展的必要性。

1.1  建筑能耗的关键流失途径

门窗部位的保温性能对整个建筑的能量流失具有至关重要的影响，是真正的建筑能量损耗关键途径，也是我们进行建筑节能设计首要解决的环节，建筑节能需要从门窗开始。

1.2  门窗应用所面临的主要问题

我们不得不面对因为门窗质量的低劣而带来的负面影响；由于门窗的保温性能不好，传热系数过高，造成门窗表面结露、渗水，并产生发霉、腐蚀等问题。久而久之，带来门窗的型材部件损坏、并容易产生细菌的滋生、外观的腐蚀，带来大量的维护成本增加及使用寿命的降低。因此，门窗的保温性能不仅仅对降低能耗产生重要影响，而且会严重影响建筑的品质、生活的质量。

1.3  国家的节能政策及标准发展

近年来，随着绿色建筑、节能建筑的推进和发展，越来越多的省市地区开始更新升级本区域的建筑节能设计标准。1985年到2015年，我国建筑节能历经30年完成三步走的战略任务，实现65%节能标准。2012年多个省市开始实施4步节能标准。目前，北京率先提出5步节能设计标准，中国的建筑节能已经进入小步快跑的快速发展阶段。

因此，无论从门窗的使用现状、国家节能政策法规，还是从建筑能耗途径分析角度来看，发展节能门窗、优化门窗系统综合性能均符合国家节能发展的战略要求。节能门窗行业势必将进入蓬勃发展的快车道。

2  节能门窗发展中的经济性问题

门窗作为建筑节能的关键突破口，往往所带来的成本增加会相对较大。只要脱离本位的局部的短期的思想羁绊，注重建筑大环境、放眼宏观、长期、可持续的经济效益，我们不难发现，发展建筑节能门窗具有投入少、产出多的特点。用建筑造价5%~10%的节能成本实现30%~75%的节能收益，住宅冬季室温提高10度以上，将会获得非常理想的投资回报期，从而实现建筑节能最优化发展。对于西欧和北欧的一些国家，高舒适度和低能耗建筑发展较早，其节能门窗造价仅比普通门窗造价增加3%~8%左右，但可以实现65%-90%以上的节能比例，经济效益非常显著。因此，节能门窗的发展，将会越来越重视新材料、新技术的应用和发展；不断寻求新的突破，寻求小材料，大收益，以小博大的发展空间。

3  节能门窗性能优化的途径分析

由于门窗是产生建筑能耗的关键区域，追根溯源，节能门窗所追求的最基本要素当属门窗的隔热保温性能。高性能的节能门窗的发展也将围绕如何降低整窗传热系数、控制门窗失热效率而进行各个局部工艺技术、构造和材料的研发，逐步探索和应用一些细微节点的精细化设计，获得事半功倍的性能改善和提升。诸如，玻璃暖边技术的应用发展，进一步消除了门窗玻璃的热桥问题，控制了门窗的失热途径，门窗也因此获得到以下这些更加优秀的节能特性和使用特性：采暖负荷低（制冷负荷也会降低）带来能源节约；窗子内表面的温度与室内温度更加接近，寒冷的冬季，室内的舒适使用空间大大提升，窗子的不舒适使用距离也会明显缩短；窗子内表面温度高于室内环境露点温度，从而降低结露结霜风险，且因此而延长使用寿命，获得更大的寿命周期内的节能收益，是可持续建筑解决方案的关键改善环节。

目前节能门窗的技术发展迅速，已经具备了非常优秀的技术和工艺，可以获得极低的整窗传热系数。门窗保温性能的优化途径大致有如下4个方面：节能玻璃设计，玻璃边部线性传热损失的优化设计，窗框型材系统的优化设计，门窗安装及密封设计要点。由于篇幅所限，本文将着重阐述暖边间隔条应用的相关技术要点。

3.1  暖边间隔条的应用

寒冷的冬季，大量的热量会通过窗子流失到室外造成能源浪费。热量的流失途径主要有：玻璃传热损失，玻璃边部的线性传热损失，窗框的传热损失及其他连接部位的密封失热。我们通过前面的分析，解决了玻璃的节能设计问题，但这仅仅是解决了节能门窗系统的一个局部的设计。为获得最佳的门窗保温性能，就必须确保门窗各个组成部分均具备相当优良的保温性能，同时最大限度的避免局部连接位置的热桥问题，比如玻璃边部的线性传热损失，这个部位的节能设计是我们以往容易被忽视的，但却是非常关键的节能设计途径。尤其随着国家建筑节能设计标准的不断升级，被动式超低能耗建筑的快速发展，门窗节能优化设计也越来越关注局部细节优化问题，更加强调门窗性能的系统化提升。在被动式超低能耗建筑节能设计标准中更是明确地提出了对被动式门窗玻璃暖边间隔条的应用要求。

图1  设定条件下的热量流失途径模拟

对热量通过门窗的流失路径模拟分析可知，如图1所示。对于不同分格形式，不同的框玻比及长宽比的玻璃窗，因窗框型材影响整窗性能的比例不同，热量通过玻璃边部流失的热量比例占整窗的流失比例可高达20%以上。这对于整窗性能的影响是巨大的。我们必须使用暖边间隔材料替换传统的冷边间隔材料，以实现最大限度的降低玻璃边部的线性传热损失。

由于金属材质的冷边间隔条会在玻璃嵌入框体的部位形成热桥，我们通过对典型的住宅窗户内测温度进行红外检测会发现，玻璃与框体交界的区域温度通常会较低，主要是由于冷边间隔条热桥影响，一般影响范围在距离框边63mm以内的区域。通过红外成像检测的热流分布，如图2所示。通过曲线可以看出，相同条件下，使用暖边间隔条可以有效提高内侧玻璃边缘部分的表面温度。因此，我们有必要探究如何有效应用暖边间隔条改善节能门窗系统的综合性能。

从图2中还可以看出，使用暖边间隔条可以有效改善玻璃边缘部分的温度分布梯度，对于降低此区域的线性传热损失作用明显。但是对于玻璃中心区域没有明显的热工改善，也就是说，使用了暖边间隔条，可以通过降低玻璃边部线性传热损失，从而有效改善整窗的保温性能，但不能有效降低玻璃的传热系数。因为我们所说的玻璃传热系数通常是指玻璃中心区域的传热系数，而使用暖边对于距离窗框边缘12mm范围内的玻璃边缘部分热工性能会有明显的改善，而这一部分区域也正是“冷边效应”特别明显的区域。

图2  暖边间隔条及冷边间隔条玻璃边部温度分布

暖边间隔条对于整窗的热工改善作用明显，也得到了越来越广泛的推广和应用，接下来详细分析暖边间隔条应用细节。

3.1.1 暖边的定义及分类

目前，在国际上公认的暖边定义是依据EN10077标准提出的定义方法。评价间隔条保温隔热性能的优劣，主要看间隔条阻隔热量传递的能力。一般来说，热量通过间隔条传递到另外一侧的多少，取决于热量的传递路径材料壁厚及材料的导热系数。因此，把热量传递路径的材料壁厚及材料的导热系数乘积求和，就得到一个单位温差下通过间隔材料的传热量，称之为间隔条的导热因子。其计算按公式（1），这个值不大于0.007W/K，称之为暖边间隔条，反之，则为冷边间隔条。通过定义，我们明显看出，导热因子越低的间隔条，其材料的阻隔热量传递的能力就越强，材料的保温性能就越优秀。

根据这个定义，我们对铝间隔条计算其导热因子为0.112W/K，壁厚为0.35mm的普通不锈钢间隔条的导热因子0.016W/K，所以按照此标准定义，它们都属于冷边间隔材料。对于典型暖边间隔材料的非金属玻纤增强型复合间隔条，我们计算得出其导热因子为0.0006W/K。

目前，国内市场常见的多种品牌暖边间隔条，其材质、工艺各不相同，所表现出的性能也是良莠不齐。表1列举了各种暖边间隔材料的导热系数。铝的导热系数为160W/(m·k)，玻纤增强型暖边材料，其热工性能比传统的铝条提升1000多倍，导热系数为0.14W/(m·k)。

表（1）常用中空玻璃暖边间隔条材料的导热系数λ单位为W/(m·k)

3.1.2 暖边间隔条的应用意义

实践证明，暖边间隔条的应用可以为门窗综合性能带来明显提升。

（1）实现整窗的节能设计，提升门窗系统的保温性能

获得高性能的节能门窗系统，不仅需要高质量的玻璃系统，保温优良的窗框型材系统，还不能忽视玻璃边部的暖边间隔材料的应用。暖边间隔条可以最大限度的降低玻璃边部线性传热损失，从而大大改善整窗的保温性能。使用暖边间隔条可以为整窗性能带来多少提升？针对不同的窗子，其比例不尽相同。通过整窗传热系数的计算公式可以看出，其与边部线性传热损失比例高低，间隔条的线性传热系数，玻璃的长宽比，窗子的框玻比，以及玻璃、框材的导热系数等因素相关。我们以SWISSPACERU为例进行计算，来看看该暖边间隔条的使用能够为整窗保温性能带来多大的改善。计算结果，如下表2、表3计算报告所述。

表2  使用铝间隔条计算结果

表3  使用SWISSPACERU间隔条计算结果

备注：上述计算使用德国SommerInformatikGmbH2013Caluwin软件，依据标准为iftguidelineWA-08/1热改善型间隔条PSI值测定标准。

选用玻璃的传热系数Ug=1.1W/(m2·k)，选用优质断桥铝型材Uf=1.6W/(m2·k)，窗外径尺寸按照欧标准窗1,23x1,48m。通过报告我们可以看出，SWISSPACERU型暖边的使用，使这扇窗的整窗传热系数Uw值相较使用铝间隔条降低了0.20W/(m2·k)，性能提升将近13%。

由此可见，暖边间隔条相对整窗系统虽然是一个比较小的材料，所增加的成本占整窗的成本不足1%，但其对整窗性能的提升能够达到10%-20%或以上。因此，使用暖边间隔条进行门窗系统的优化设计是一个经济、高效的改善途径。

（2）使用暖边间隔条可以降低整窗边部结露风险，提升居住舒适度

因为暖边间隔条的低导热性能，可以使玻璃边部获得极佳的保温特性，避免大量热量通过边部线性传热流失。正因其良好的保温特性，使得寒冷冬季室内侧玻璃边部区域表面的温度得以保持更接近室内环境温度，且高于室内环境露点温度，从而避免表面结露、结霜，保持玻璃表面干燥，避免因潮湿而发生型材霉变、细菌滋生、带来损坏、缩减寿命、增加维护成本等使用问题。同时，室内表面温度较使用冷边间隔条提升5℃以上，有效增加了室内舒适使用空间。即使人靠近窗子，也不会明显感受到前热后冷的不适感，同时还节约了大量能耗。

我们通过对一扇窗子进行热工模拟，便可以看出暖边间隔条对室内表面温度的改善状况。假定环境条件：室外温度为-10℃,室内温度为20℃,相对湿度为50%，室内环境露点温度Tdw=9.27℃；使用三玻两腔LOW-E中空玻璃Ug=0.7W/(m2·k)；框材选用普通断桥铝型材Uf=1.2W/(m2·k)；玻璃间隔条分别使用铝管和SWISSPACERU暖边间隔条。模拟结果温度曲线如图3和图4所示。

通过模拟温度曲线可知，使用冷边间隔条，室内玻璃边部温度为8.09℃，低于室内露点温度Tdw=9.27℃，因此会形成凝露；改用暖边间隔条后，室内玻璃边部温度为12.86℃，温度升高近5℃，且高于Tdw=9.27℃，因此不会结露。

由此可见，使用了暖边间隔条后，明显提升了整窗系统抗结露性能，也就提升了窗子承受室外极端温度的能力，我们再对下面这扇窗进行模拟分析：窗子规格1,23x1,48m，框材选用塑钢型材Uf=1.2W/（m²·K）；玻璃选用IGU4low-e+16Ar+4配置，Ug=1.1W/（m²·K）；室内温度20℃，相对湿度50%；中空玻璃的间隔条分别采用铝、不锈钢、非金属刚性暖边，计算出室内边部

开始发生结露时的室外极限温度，见表4。

图3  使用铝管间隔条的中空玻璃温度曲线

图4  使用暖边间隔条的中空玻璃温度曲线

表4  不同间隔条玻璃结露时室外临界温度

从表4中可以看出，对于该扇窗，如果使用冷边间隔条，室外环境温度到达零下3℃时室内表面便开始结露，如果使用暖边间隔条，产生结露的室外临界温度降低到零下14℃，抗结露温度改善达10℃以上。

（3）改善玻璃版面温度分布梯度，降低玻璃破损风险

从图2可以看出，使用优质暖边间隔条可以提升玻璃边部温度5℃、甚至更高，从而减小玻璃板面端部与中部的温差，改善玻璃板面的温度梯度分布，减小玻璃板面的温度应力，从而降低玻璃的破损风险。

根据JGJ113-2015-建筑玻璃应用技术规程对建筑玻璃防热炸裂设计的相关规定：

玻璃的端面应力按下式计算：

装配玻璃板边框温度直接影响玻璃边部的温度，使用暖边间隔条对于提升玻璃边部区域温度有明显作用，玻璃边部与中部温度差降低5℃，可以使温度应力降低2.7N/mm以上（根据不同的阴影分布，窗帘形式，玻璃面积，固定开启而作用不同），因此，暖边应用可以一定程度的降低玻璃热炸裂和自爆的风险。

（4）改善门窗的外观效果

不同材料的暖边间隔条生产工艺和特性不尽相同，除了可以获得不同的热工性能外，也会显现不同的外观效果。传统的铝管多为银白色的金属本色，也有少量使用黑色铝管，色彩非常单一，而且银白色铝管使用中也会存在一定的镜面效果，光照比较强时容易形成局部眩光，冷色彩与不同框体型材颜色质感的匹配度有限。因此，为获得更加优秀的外观效果，在选择间隔条时，需要综合考量其色彩与型材匹配度、表面眩光等影响因素。一些非金属暖边材料属于哑光质感，表层光泽慢反射，不存在任何眩光影象。同时具备多种颜色的选择，可以满足不同类型、不同色彩和风格的窗框型材的搭配，成就完美的整窗外观效果。

（5）暖边间隔条的其它贡献价值

使用优质的耐久性良好的暖边间隔条，不仅可以改善整窗的保温性能，降低玻璃边部结露风险，而且还可以因此提升门窗边部抗霉变性能，提升边部温度系数，减少细菌滋生，发霉老化，降低维护成本等问题。通过提高室内侧局部温度，改善室内侧整窗表面的温度分布，减小温差，从而减小因温差带来的冷辐射，冷风混流等不舒适感，增大室内舒适使用空间。

此外，非金属暖边间隔条对于改善玻璃边部的隔音降噪特性也有积极作用。相比较金属间隔条，非金属暖边间隔条可以一定程度的改善玻璃边部声桥效应，实现“软连接”对于声波传递的减缓作用。

3.1.3 配置暖边间隔条改善整窗热工性能的经济性分析

提升整窗保温性能的途径很多，可以用性能卓越的玻璃配置，如双中空双low-e充氩气，也可以用性能优秀的保温型材，如多腔塑钢，木框，聚氨酯隔热超保温型材等等。当然也可以使用性价比更高的暖边材料，实现“小投入大回报”。其实，采用什么改善途径，关键要看经济性，改变什么最经济，性价比更高。

图5是整窗性能价格曲线图，由图可知，随着整窗性能的不断提升，传热系数K值降低，玻璃，窗框及整窗的价格都会增加，而且，K值越低，改善单位的整窗性能所增加的玻璃、型材的价格幅度就越大（这条价值曲线越陡），而使用暖边隔条增加的成本始终保持不变，

从图5可以看出，整窗U值小于1.6时，使用暖边间隔条来改善整窗保温性能就开始显露出成本优势，是非常经济的改善途径。

图5  整窗性能价格曲线图

表5  暖边对整窗性能的改善比率

对于不同配置的门窗，使用暖边间隔条对其整窗热工性能的改善比率不同，如表5所示。暖边对整窗热工性能改善比率（举例），由此可见，整窗传热系数小于1.6时，使用暖边就可以带来较大的热工改善比率，整窗传热系数越低，相同配置下使用暖边带来的热工改善比率越大。

3.1.4 选用暖边间隔条还需要关注的几个要点

暖边间隔条为门窗的节能改善带来较大收益，但同时我们也要认识到暖边使用时所面对的一些风险，如果使用不当或暖边品质较差，对于中空玻璃的内在质量带来系统性质量隐患。目前，国内已发布的被动式超低能耗建筑节能设计标准，基本都对暖边间隔条的应用作出了规定：“使用耐久性良好的暖边间隔条”。因此，我们在选用暖边间隔条时必须对其耐久性给予严格评估。

1）由表1可知，暖边间隔条的材质不同，其导热系数也不尽相同，不同材质的暖边间隔条其热稳定性也不同。在高温环境下会产生不同程度的挥发性气体，对中空玻璃腔体带来不同程度的外观质量甚至内在性能的影响，尤其有的材料在高温状态下产生大量挥发性物质会带来low-e膜层的污染和损伤，从而影响中空玻璃的使用寿命。JC/T2453—2018中空玻璃间隔条第3部分：暖边间隔条的行业标准（以下简称《标准》），是目前国内玻璃深加工行业所执行的最高级别的暖边间隔条标准，也是全球范围内最全面和系统的暖边间隔条参考标准。《标准》6.9部分明确了暖边间隔条的热失重测试流程及标准值。

将事先做好预置处理并达到稳态的暖边条样品，放置在70℃的环境中168小时后进行称重，并按照下式计算测试结果。

通过测试计算后得到的平均热失重要求不大于0.05%；玻纤增强复合材料+复合膜材料热失重Mv要求不大于0.35%。

2）除了暖边间隔条挥发性物质影响中空玻璃内在品质，部分间隔条材质还存在可靠性问题，易老化，变色，脆化等问题，这些都将系统的影响到中空玻璃的内在品质和使用寿命，需要在选用时给与重点关注。《标准》5.11明确规定，暖边间隔条通过耐紫外线照射测试后，试样表面应无明显变色、粉化等现象。因此，暖边使用前需要对其按照《标准》6.10规定的标准流程和方法进行产品耐紫外线性能的测试。

3）暖边间隔条作为中空玻璃边部密封系统的主体结构，其侧面和背面分别与主密封胶丁基胶和次密封胶相粘结，因此，暖边间隔条与主、次密封胶还应该具备很好的粘结性，还需要对其依据《标准》进行相容性测试，避免带来粘结不牢，脱胶等系统性风险。

4  总结

使用暖边间隔条是提升整窗的热工性能的关键途径。不仅能够获得可观的性能提升、额外的节能收益，而且综合提升了整窗的使用可靠性、舒适性、美观性等。我们也应该认识到，暖边间隔条作为整窗系统的一个细分材料，对整窗的造价成本增加非常有限，仅有1%～2%左右的成本增量，而获得的性能提升可以高达10%~18%，具有明显的经济性优势。同时在暖边使用过程中，尽量控制好暖边的品质风险，最大化发挥暖边材料为整窗性能优化设计带来的贡献。由此可见，使用暖边间隔条来优化和提升门窗综合性能是一种有效措施，在未来会有更大的应用空间。