高性能建筑外窗耐候性試驗研究及性能影響分析

孫旭燦，潘振，潘玉勤，楊玉忠，郝文，杜永恒

（1.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，河南鄭州 450053；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

門窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在建筑圍護結(jié)構(gòu)總能耗中，建筑門窗的能耗約占50%[1]。隨著我國建筑節(jié)能設(shè)計標準的提升及超低能耗建筑的快速發(fā)展，對門窗部品的性能要求越來越高，門窗部品的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑室內(nèi)熱舒適及建筑能耗水平。由于外窗暴露在建筑物的外部，受不同氣候條件的影響，時間久了出現(xiàn)玻璃及型材表面結(jié)露現(xiàn)象、連接縫隙增大氣密性差、五金件強度降低窗扇下垂、密封材料老化氣密水密性差等問題，外窗耐候性能直接影響外窗的性能，從而影響建筑的整體節(jié)能性能。

耐候性試驗是對復(fù)雜綜合氣候條件的模擬，如夏季外圍護結(jié)構(gòu)經(jīng)高溫日曬后突降暴雨和冬季晝夜溫度的反復(fù)作用，是對外圍護結(jié)構(gòu)進行的加速氣候老化試驗，是檢驗和評價外圍護結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要試驗項目，耐候性試驗與實際工程有著很好的相關(guān)性，能很好地反映實際外圍護結(jié)構(gòu)的耐候性[2]。針對建筑外窗在綜合氣候影響下性能的變化，歐美等國家已開展相關(guān)研究并制定標準[3]，而國內(nèi)此方面的研究較少。課題提出外窗性能耐候性評價方法，研制外窗耐候性能檢測設(shè)備，通過模擬不同氣候變化條件，測試外窗在綜合氣候條件下的耐候性。本文對耐候性檢測試驗方法進行研究，并對項目研發(fā)的高性能塑料外窗進行耐候性試驗，對比試驗前后的性能檢測結(jié)果，分析其影響因素及提出改進塑料門窗耐候性的技術(shù)方法。

1 外窗耐候性檢測設(shè)備

建筑外窗耐候性試驗臺由溫濕度調(diào)控系統(tǒng)、雨水模擬系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)組成，試驗裝置示意如圖1所示。

圖1 建筑門窗耐候性試驗裝置示意

（1）溫濕度調(diào)控系統(tǒng)：室內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度控制在（20±2）℃；室外側(cè)環(huán)境溫度控制在（-50～50）℃，控制精度±2 ℃；相對濕度要求從20%～90%連續(xù)可控，精度要求在±5%以內(nèi)。

（2）雨水模擬系統(tǒng)：雨水模擬采用雨水噴淋，所用水溫為（20±3）℃，試件表面淋水量為（2.0±0.2）L/（m2·min）。

（3）陽光模擬系統(tǒng)：陽光模擬系統(tǒng)采用紅外輻射器，輻射器采用波長為1.5～2.6 μm、角度為80°的紅外光，紅外燈應(yīng)均勻分布，使試件表面的輻照均勻，輻射強度為（1120±112）W/m2。

2 門窗耐候性試驗研究

根據(jù)我國不同典型氣候區(qū)特征，確定不同氣候區(qū)的模擬檢測試驗條件，結(jié)合氣候區(qū)冬夏季特點，參考國內(nèi)關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)耐候性檢測標準及國外門窗耐候性檢測標準方法制訂耐候性試驗過程。

2.1 試驗原理

首先，對所測試件進行耐候性試驗前的性能檢測。然后，利用實驗裝置進行室外環(huán)境氣候模擬，并通過太陽輻射、低溫、淋雨、干燥和水蒸氣等不同環(huán)境因素的周期性變化對試件進行耐候性試驗，試驗期間觀察試件是否出現(xiàn)功能障礙或損壞，室內(nèi)側(cè)是否出現(xiàn)嚴重的結(jié)露（結(jié)霜）等情況。若出現(xiàn)以上任何現(xiàn)象，則判斷試件窗耐候性不合格，若無以上現(xiàn)象出現(xiàn)，再進行耐候性試驗后的性能檢測，試驗后試件水密性、氣密性不低于試驗前的性能等級，否則判定為不合格。

2.2 試件要求

試件在耐候性試驗前應(yīng)在溫度15～30 ℃、相對濕度25%～75%條件下放置不少于3 d。

2.3 試驗條件

試驗條件包括溫濕度、光照輻射強度和淋雨，不同氣候區(qū)試驗條件設(shè)置如表1所示。

表1 不同氣候區(qū)試驗條件設(shè)置

2.4 試驗過程

試驗應(yīng)根據(jù)窗應(yīng)用所在氣候區(qū)選擇一種氣候條件（本文高性能塑料窗應(yīng)用在嚴寒地區(qū)，選擇最嚴格嚴寒地區(qū)耐候性測試條件進行耐候性試驗），以12 h為1個循環(huán)，耐候性試驗運行周期示意如圖2所示。

圖2 耐候性能試驗1個循環(huán)運行示意

耐候性試驗不少于40個循環(huán)，每個循環(huán)加載順序如下：

在常溫（20±5）℃條件下保持1 h；0.5 h內(nèi)將氣溫從常溫調(diào)整至冬季氣候條件，本文所述高性能節(jié)能窗應(yīng)用在嚴寒地區(qū)，冬季氣溫條件為（-40±5）℃，并保持4 h；然后0.5 h內(nèi)將冬季氣溫條件再調(diào)整至常溫（20±5）℃；常溫下保持1 h；0.5 h內(nèi)從常溫調(diào)整至夏季氣候條件（40±5）℃；夏季條件保持4 h，其中3 h后進行陽光輻射模擬，試件表面溫度控制在（70±5）℃；最后調(diào)整至常溫條件（20±5）℃，同步進行雨水環(huán)境模擬0.5 h。然后進行下一個循環(huán)。

耐候性試驗期間觀察試件室內(nèi)側(cè)是否出現(xiàn)結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象。每完成1個循環(huán)，觀察試件是否出現(xiàn)破損或功能障礙，如出現(xiàn)以上現(xiàn)象可結(jié)束試驗，沒有出現(xiàn)以上現(xiàn)象則完成至少40次循環(huán)試驗。

3 高性能外窗耐候性試驗結(jié)果分析

對課題組研發(fā)的高性能PVC-U塑料節(jié)能窗進行耐候性試驗，并對耐候性試驗前后試件性能進行檢測，分析耐候性試驗前后節(jié)能窗性能的變化。

3.1 高性能塑料節(jié)能窗（見圖3）

圖3 節(jié)能窗窗型示意

如圖3所示，節(jié)能窗采用住建部建筑門窗節(jié)能性能標識窗型（窗型1）、無亮子窗型（窗型2）和德國被動房標識專用PHI窗型（窗型3），開啟形式均為內(nèi)平開。制作節(jié)能窗采用的配置為：采用真空復(fù)合中空玻璃TL6+0.4V+T6+32Ar+T5，玻璃的傳熱系數(shù)為0.4 W/（m2·K）；采用課題組研發(fā)92系列7腔體PVC-U塑料型材，采用超級暖邊間隔條（30%玻纖復(fù)合丙烯腈苯乙烯聚合物復(fù)合非金屬高分子薄膜）。型材綜合傳熱系數(shù)最大為0.78 W/（m2·K），線傳熱系數(shù)為0.03 W/（m·K）。各窗型配置下的整窗傳熱系數(shù)的理論計算值如表2所示。

表2 節(jié)能窗整窗傳熱系數(shù)理論計算值

3.2 高性能塑料節(jié)能窗性能檢測及耐候性試驗

首先，對項目研制的節(jié)能窗進行保溫性能、氣密性、水密性、抗風(fēng)壓等性能的測試，然后進行耐候性試驗。由于高性能節(jié)能門窗可應(yīng)用在嚴寒地區(qū)，本次耐候性試驗采用的試驗條件見表1。耐候性試驗現(xiàn)場如圖4所示，耐候性循環(huán)試驗期間采集試件信息，并觀察試件是否出現(xiàn)部件破損、功能障礙，以上3樘節(jié)能窗耐候性試驗過程中均未出現(xiàn)部件破損、功能障礙，并完成40次以上循環(huán)試驗；最后，再次對3樘節(jié)能窗進行保溫性能、氣密性、水密性、抗風(fēng)壓等性能的測試。

圖4 節(jié)能窗耐候性試驗現(xiàn)場

3.3 耐候性試驗前后測試結(jié)果對比

3樘節(jié)能窗進行耐候性試驗前后依照GB/T 28887—2012《建筑用塑料窗》進行氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性、保溫性能分級測試，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，3樘節(jié)能窗經(jīng)耐候性試驗后，其各項性能指標均存在不同程度的下降，其中保溫性能變化不大，其保溫性能等級不變，抗風(fēng)壓性能僅窗型2的性能等級下降，而3樘節(jié)能窗的氣密性、水密性等級均下降。

根據(jù)耐候性試驗結(jié)果評價方法，以上3樘節(jié)能窗的氣密性、水密性均低于試驗前的性能等級，所以其耐候性不合格。

3.4 試驗結(jié)果分析及耐候性改進方法

外窗的實際使用場合是各種氣候因素綜合作用的環(huán)境，單一性能達標的外窗在多種氣候條件作用下往往會產(chǎn)生各種各樣的問題[4]。本次試驗前后出現(xiàn)的氣密性、水密性等級降低，說明塑料節(jié)能窗的密封性能變差，可能的原因為：（1）試驗條件為冬季時，室內(nèi)外溫差達60 ℃，導(dǎo)致外窗型材及玻璃變形增大；（2）試驗條件為夏季時，氣候條件為室外溫度40 ℃，后調(diào)整至常溫條件，同步進行雨水噴淋0.5 h，突然淋雨使外窗表面溫度急劇下降，導(dǎo)致材料變形；（3）高溫時外窗的密封材料變軟、熱脹，導(dǎo)致密封條變得松軟；（4）實驗室進行不同試驗時對試件的運輸、安裝與拆卸等，導(dǎo)致五金件松動，使得氣密性、水密性降低。

通過以上原因分析，可采取分別提高塑料門窗不同構(gòu)件的方法對塑料節(jié)能窗的耐候性進行改進：（1）對型材可采用材料共擠技術(shù)，擠出后可在基材上再采用噴涂、覆膜等后處理技術(shù)，提高其耐候性、色彩豐富性[5]；（2）提高玻璃的保溫性能，根據(jù)需求對玻璃進行覆膜，可有效提高玻璃的保溫性；（3）采用耐候性能較好的密封條，如三元乙丙橡膠（EPDM）密封條，一般來說能使用50年[1]；（4）門窗的五金系統(tǒng)采用多鎖點設(shè)計，使得門窗受力更均勻，密封性更好。另外，建議耐候性試驗與其它性能試驗在同一個試驗臺進行，可以減少因搬運、安裝與拆卸對性能造成的影響。

4 結(jié)語

（1）門窗的耐候性對建筑節(jié)能至關(guān)重要，外窗耐候性能檢測評價是一項新型的檢驗技術(shù)，對評價外窗實際使用時綜合性能具有重要意義。采用項目組提出的門窗耐候性能評價方法及搭建的檢測設(shè)備，參照國內(nèi)外耐候性檢測方法，研究耐候性試驗方案，并對研發(fā)的高性能塑料節(jié)能窗進行性能檢測和耐候性試驗。結(jié)果表明，耐候性試驗后3種窗型的塑料節(jié)能窗的性能均有所降低，其中保溫性能、抗風(fēng)壓性能等級基本不變，而氣密性、水密性等級均下降，通過分析密封性能下降的原因，提出提高塑料門窗耐候性的技術(shù)方法。

（2）對于文中提出的耐候性試驗方案，尚需更多的試驗進行驗證和改進，并對不同氣候條件下的耐候性影響進行分析，針對特殊區(qū)域使用的外窗可考慮增加風(fēng)速、增大太陽輻射等因素，使得耐候性試驗?zāi)M條件更接近實際情況。目前因耐候性試驗和門窗性能試驗條件的不同，耐候性試驗臺和門窗性能檢測試驗臺是分開的，可開展進一步研究，進行試驗臺的功能整合，減少人為因素的影響，以得到更科學(xué)的試驗數(shù)據(jù)。同時可對不同種類的門窗進行耐候性分析，有助于改進各種門窗的耐候性，以提高實際工程應(yīng)用中門窗的綜合性能。