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(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

門(mén)窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗中，建筑門(mén)窗的能耗約占50%[1]。隨著我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提升及超低能耗建筑的快速發(fā)展，對(duì)門(mén)窗部品的性能要求越來(lái)越高，門(mén)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(shí)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(qiáng)度降低窗扇下垂、密封材料老化氣密水密性差等問(wèn)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(yàn)是對(duì)復(fù)雜綜合氣候條件的模擬，如夏季外圍護(hù)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(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的加速氣候老化試驗(yàn)，是檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，耐候性試驗(yàn)與實(shí)際工程有著很好的相關(guān)性，能很好地反映實(shí)際外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐候性[2]。針對(duì)建筑外窗在綜合氣候影響下性能的變化，歐美等國(guó)家已開(kāi)展相關(guān)研究并制定標(biāo)準(zhǔn)[3]，而國(guó)內(nèi)此方面的研究較少。課題提出外窗性能耐候性評(píng)價(jià)方法，研制外窗耐候性能檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)模擬不同氣候變化條件，測(cè)試外窗在綜合氣候條件下的耐候性。本文對(duì)耐候性檢測(cè)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并對(duì)項(xiàng)目研發(fā)的高性能塑料外窗進(jìn)行耐候性試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)前后的性能檢測(cè)結(jié)果，分析其影響因素及提出改進(jìn)塑料門(mén)窗耐候性的技術(shù)方法。

1 外窗耐候性檢測(cè)設(shè)備

建筑外窗耐候性試驗(yàn)臺(tái)由溫濕度調(diào)控系統(tǒng)、雨水模擬系統(tǒng)、陽(yáng)光模擬系統(tǒng)組成，試驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

圖1 建筑門(mén)窗耐候性試驗(yàn)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(duì)濕度要求從20%～90%連續(xù)可控，精度要求在±5%以?xún)?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(yáng)光模擬系統(tǒng)：陽(yáng)光模擬系統(tǒng)采用紅外輻射器，輻射器采用波長(zhǎng)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(qiáng)度為（1120±112）W/m2。

2 門(mén)窗耐候性試驗(yàn)研究

根據(jù)我國(guó)不同典型氣候區(qū)特征，確定不同氣候區(qū)的模擬檢測(cè)試驗(yàn)條件，結(jié)合氣候區(qū)冬夏季特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)耐候性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)外門(mén)窗耐候性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法制訂耐候性試驗(yàn)過(guò)程。

2.1 試驗(yàn)原理

首先，對(duì)所測(cè)試件進(jìn)行耐候性試驗(yàn)前的性能檢測(cè)。然后，利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行室外環(huán)境氣候模擬，并通過(guò)太陽(yáng)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(duì)試件進(jìn)行耐候性試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yán)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(wú)以上現(xiàn)象出現(xiàn)，再進(jìn)行耐候性試驗(yàn)后的性能檢測(cè)，試驗(yàn)后試件水密性、氣密性不低于試驗(yàn)前的性能等級(jí)，否則判定為不合格。

2.2 試件要求

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

2.3 試驗(yàn)條件

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

表1 不同氣候區(qū)試驗(yàn)條件設(shè)置

2.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)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(yán)寒地區(qū)，選擇最嚴(yán)格嚴(yán)寒地區(qū)耐候性測(cè)試條件進(jìn)行耐候性試驗(yàn)），以12 h為1個(gè)循環(huán)，耐候性試驗(yàn)運(yùn)行周期示意如圖2所示。

圖2 耐候性能試驗(yàn)1個(gè)循環(huán)運(yùn)行示意

耐候性試驗(yàn)不少于40個(gè)循環(huán)，每個(gè)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(yán)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(jìn)行陽(yáng)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(jìn)行雨水環(huán)境模擬0.5 h。然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

耐候性試驗(yàn)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(gè)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(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)以上現(xiàn)象則完成至少40次循環(huán)試驗(yàn)。

3 高性能外窗耐候性試驗(yàn)結(jié)果分析

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

3.1 高性能塑料節(jié)能窗（見(jiàn)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(mén)窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)窗型（窗型1）、無(wú)亮子窗型（窗型2）和德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)識(shí)專(zhuān)用PHI窗型（窗型3），開(kāi)啟形式均為內(nèi)平開(kāi)。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(jí)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(jì)算值如表2所示。

表2 節(jié)能窗整窗傳熱系數(shù)理論計(jì)算值

3.2 高性能塑料節(jié)能窗性能檢測(cè)及耐候性試驗(yàn)

首先，對(duì)項(xiàng)目研制的節(jié)能窗進(jìn)行保溫性能、氣密性、水密性、抗風(fēng)壓等性能的測(cè)試，然后進(jìn)行耐候性試驗(yàn)。由于高性能節(jié)能門(mén)窗可應(yīng)用在嚴(yán)寒地區(qū)，本次耐候性試驗(yàn)采用的試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。耐候性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，耐候性循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)過(guò)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(yàn)；最后，再次對(duì)3樘節(jié)能窗進(jìn)行保溫性能、氣密性、水密性、抗風(fēng)壓等性能的測(cè)試。

圖4 節(jié)能窗耐候性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 耐候性試驗(yàn)前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3樘節(jié)能窗進(jìn)行耐候性試驗(yàn)前后依照GB/T 28887—2012《建筑用塑料窗》進(jìn)行氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性、保溫性能分級(jí)測(cè)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(yàn)后，其各項(xiàng)性能指標(biāo)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(jí)不變，抗風(fēng)壓性能僅窗型2的性能等級(jí)下降，而3樘節(jié)能窗的氣密性、水密性等級(jí)均下降。

根據(jù)耐候性試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)方法，以上3樘節(jié)能窗的氣密性、水密性均低于試驗(yàn)前的性能等級(jí)，所以其耐候性不合格。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析及耐候性改進(jìn)方法

外窗的實(shí)際使用場(chǎng)合是各種氣候因素綜合作用的環(huán)境，單一性能達(dá)標(biāo)的外窗在多種氣候條件作用下往往會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題[4]。本次試驗(yàn)前后出現(xiàn)的氣密性、水密性等級(jí)降低，說(shuō)明塑料節(jié)能窗的密封性能變差，可能的原因?yàn)椋海?）試驗(yàn)條件為冬季時(shí)，室內(nèi)外溫差達(dá)60 ℃，導(dǎo)致外窗型材及玻璃變形增大；（2）試驗(yàn)條件為夏季時(shí)，氣候條件為室外溫度40 ℃，后調(diào)整至常溫條件，同步進(jìn)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(shí)外窗的密封材料變軟、熱脹，導(dǎo)致密封條變得松軟；（4）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同試驗(yàn)時(shí)對(duì)試件的運(yùn)輸、安裝與拆卸等，導(dǎo)致五金件松動(dòng)，使得氣密性、水密性降低。

通過(guò)以上原因分析，可采取分別提高塑料門(mén)窗不同構(gòu)件的方法對(duì)塑料節(jié)能窗的耐候性進(jìn)行改進(jìn)：（1）對(duì)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(duì)玻璃進(jìn)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(lái)說(shuō)能使用50年[1]；（4）門(mén)窗的五金系統(tǒng)采用多鎖點(diǎn)設(shè)計(jì)，使得門(mén)窗受力更均勻，密封性更好。另外，建議耐候性試驗(yàn)與其它性能試驗(yàn)在同一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，可以減少因搬運(yùn)、安裝與拆卸對(duì)性能造成的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）門(mén)窗的耐候性對(duì)建筑節(jié)能至關(guān)重要，外窗耐候性能檢測(cè)評(píng)價(jià)是一項(xiàng)新型的檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)評(píng)價(jià)外窗實(shí)際使用時(shí)綜合性能具有重要意義。采用項(xiàng)目組提出的門(mén)窗耐候性能評(píng)價(jià)方法及搭建的檢測(cè)設(shè)備，參照國(guó)內(nèi)外耐候性檢測(cè)方法，研究耐候性試驗(yàn)方案，并對(duì)研發(fā)的高性能塑料節(jié)能窗進(jìn)行性能檢測(cè)和耐候性試驗(yàn)。結(jié)果表明，耐候性試驗(yàn)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(jí)基本不變，而氣密性、水密性等級(jí)均下降，通過(guò)分析密封性能下降的原因，提出提高塑料門(mén)窗耐候性的技術(shù)方法。

（2）對(duì)于文中提出的耐候性試驗(yàn)方案，尚需更多的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，并對(duì)不同氣候條件下的耐候性影響進(jìn)行分析，針對(duì)特殊區(qū)域使用的外窗可考慮增加風(fēng)速、增大太陽(yáng)輻射等因素，使得耐候性試驗(yàn)?zāi)M條件更接近實(shí)際情況。目前因耐候性試驗(yàn)和門(mén)窗性能試驗(yàn)條件的不同，耐候性試驗(yàn)臺(tái)和門(mén)窗性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)是分開(kāi)的，可開(kāi)展進(jìn)一步研究，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的功能整合，減少人為因素的影響，以得到更科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)可對(duì)不同種類(lèi)的門(mén)窗進(jìn)行耐候性分析，有助于改進(jìn)各種門(mén)窗的耐候性，以提高實(shí)際工程應(yīng)用中門(mén)窗的綜合性能。