門窗保溫性能，與建筑節(jié)能相關(guān)從業(yè)者多數(shù)都打過交道。那么門窗保溫性能到底是啥？門窗是如何傳遞熱量的？如何提高門窗保溫性能呢？不妥之處歡迎指正！

1  保溫性能重要性

說到門窗保溫性能，與建筑節(jié)能相關(guān)從業(yè)者多數(shù)都打過交道。那么門窗保溫性能為什么這么重要？

根本原因是人體適宜的溫濕度范圍較窄（見下圖）。

可見，門窗保溫是人體舒適度對建筑物室內(nèi)溫度環(huán)境的必然要求。

保溫性能越好，室內(nèi)溫度降低越慢，需要補(bǔ)充熱量越少，因而更節(jié)能；保溫性能越差，室內(nèi)溫度降低越快，需要補(bǔ)充熱量越多，越不節(jié)能。

所以，換句話說，保溫性能就是使熱量盡可能長時間保證在一定空間的能力。

2、從暖瓶（保溫杯）說起

還是從大家常見的暖瓶（保溫杯）說起。

把房間想象成暖瓶（保溫杯），想象一下暖瓶（保溫杯）如何長時間保溫，也就搞明白了如何提高門窗的保溫性能。

先來看看暖瓶（保溫杯）熱量是如何流失的吧。

簡單來說，暖瓶（保溫杯）內(nèi)熱水將熱量傳遞給瓶體（杯體），瓶體（杯體）將熱量由內(nèi)壁傳遞給外壁，外壁再將熱量傳遞給環(huán)境。

這個過程中，熱水熱量傳遞給瓶體（杯體），是通過水分子運動傳遞給內(nèi)壁的，這種熱量由流體傳遞給固體表面的過程一般稱為對流換熱。

熱量由暖瓶（保溫杯）內(nèi)壁傳遞給外壁，無支撐物位置是以輻射方式進(jìn)行，類似于太陽向地球傳遞熱量，這種方式稱為輻射換熱。

暖瓶（保溫杯）內(nèi)外壁在支撐物位置是通過固體傳遞熱量的，這種方式稱為導(dǎo)熱。

外壁通過輻射和對流將熱量傳遞給環(huán)境，二者綜合稱為表面換熱。相應(yīng)地，表面換熱系數(shù)由輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)組成。

想提升暖瓶（保溫杯）保溫性能，就要從各個換熱過程著手研究。

這里出現(xiàn)了導(dǎo)熱、對流、輻射三個概念，為熱量傳遞的三種基本方式，可參考下圖理解。

當(dāng)然，如果您想從理論上把概念搞懂、搞透，那得從傳熱學(xué)入手，進(jìn)一步弄明白導(dǎo)熱、對流、輻射、一維穩(wěn)態(tài)傳熱等遵循的物理定律。

從暖瓶（保溫杯）熱量流失過程引出導(dǎo)熱、對流、輻射等概念，這是門窗保溫和建筑節(jié)能的基礎(chǔ)。

3、門窗熱量如何傳遞？

門窗與暖瓶（保溫杯）傳熱原理類似。

室內(nèi)熱量通過對流和輻射傳遞給門窗內(nèi)表面。需要說明，所有高于絕對零度的物體都在向外輻射“熱量”。室內(nèi)物體溫度相對較低，輻射波長范圍約為4.5 um-50 um，而玻璃對這種輻射不透明，也就是說，室內(nèi)熱量無法通過“輻射”直接到室外。

那么，室內(nèi)熱量是如何到室外的呢？

室內(nèi)熱量需要先經(jīng)過輻射和對流方式傳遞給門窗內(nèi)表面，門窗框和玻璃一般為薄壁多腔構(gòu)造，內(nèi)表面熱量以導(dǎo)熱方式傳遞給空腔內(nèi)側(cè)表面，再通過對流和輻射方式傳遞給空腔外側(cè)表面，然后以導(dǎo)熱方式傳遞給門窗外表面，最后以對流和輻射方式傳遞給室外環(huán)境空間。

需要強(qiáng)調(diào)的是，沒有絕對真空，我們所說的“真空”也存在對流和輻射換熱，只是相對幅度很小。

整個傳熱過程綜合起來，就是一維穩(wěn)態(tài)傳熱，理論模型見下圖。

這個圖看著可能不太容易理解，沒關(guān)系，了解清楚門窗傳熱過程就可以了，圖就留給愿意繼續(xù)鉆研的同學(xué)吧。

與暖瓶（保溫杯）類似，門窗傳熱過程也可以分為三個階段：室內(nèi)到門窗內(nèi)表面，門窗內(nèi)表面到外表面，門窗外表面到環(huán)境空間，有導(dǎo)熱、對流、輻射三種基本方式組合而成。

4、門窗保溫性能如何提高？

明白了熱量通過門窗的傳熱過程，那么就可以考慮如何提高門窗保溫性能了。

首先是室內(nèi)熱量通過對流和輻射傳遞給門窗內(nèi)表面，那么是不是可以通過改變這兩種傳熱方式來降低熱量傳遞強(qiáng)度呢？

答案是可以。

從降低輻射傳熱角度，Low-E玻璃膜層可位于室內(nèi)表面，大大降低熱量傳遞強(qiáng)度。但膜層在室內(nèi)側(cè)易沾染灰塵、清洗劃傷等，且效果略差些，因此這種情況實際中并不多見。

從降低對流換熱角度，室內(nèi)側(cè)表面附近一般只有溫差引起的熱空氣上升流動，在傳熱學(xué)上稱為“自然對流”，換熱量較小，已沒有潛力可挖。

說了室內(nèi)側(cè)，再說說門窗本身和空腔。

門窗室內(nèi)外必然有薄壁連接，這就存在固體導(dǎo)熱，我們可采用降低材料導(dǎo)熱系數(shù)方式降低傳熱系數(shù)。如需了解導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)區(qū)別，請查閱文章：傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)，搞清二者區(qū)別，門窗節(jié)能你就入門了！。

由于非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)相比金屬材料低的多，因此采用非金屬材料成為改善門窗保溫性能的重要方式，如窗框采用PVC塑料、木材、聚氨酯材料，金屬窗框采用非金屬斷橋處理，間隔條采用低導(dǎo)熱系數(shù)的暖邊條等。

然后就是空腔了。

空腔兩表面以對流和輻射方式傳遞熱量，因此降低空腔對流和輻射強(qiáng)度是重要途徑。

從降低輻射換熱角度，低輻射表面處理是首要方式，最典型的就是Low-E玻璃了。

Low-E玻璃的E，就是“輻射率”英文“Emissivity”的首字母，膜層輻射率可以低至0.15~0.25（在線）和0.02~0.15（離線），而普通玻璃輻射率為0.84。

低輻射鍍膜玻璃的輻射率是指溫度293 K、波長4.5 um~25 um波段范圍內(nèi)膜面的半球輻射率。離線低輻射鍍膜玻璃輻射率應(yīng)小于0.15；在線低輻射鍍膜玻璃輻射率應(yīng)小于0.25。

——GB/T 18915.2-2013《鍍膜玻璃 第2部分：低輻射鍍膜玻璃》

以普通中空玻璃為例，空腔換熱為對流和輻射形式，其中輻射換熱約占60%，如果將其中一片更換為Low-E玻璃（膜層朝向空腔），假定輻射率為0.02，則輻射換熱所占比例下降至6%，大大降低了輻射換熱強(qiáng)度。

Low-E玻璃與保溫性能相關(guān)的參數(shù)是輻射率，反映的是4.5 um~50 um的換熱特性；而Low-E玻璃在300 nm~2500 nm，尤其在780 nm~2500 nm波段透過率很低，反映的是對太陽光波段的屏蔽作用，是玻璃的隔熱性能，熱工參數(shù)為太陽得熱系數(shù)。這個話題可以寫一篇“保溫&隔熱”專題。

從對流換熱角度，減弱空氣流動是降低對流換熱的方式。由于空腔內(nèi)也是“自然”狀態(tài)，因此只能采用改變氣體種類和降低空氣含量方式。

改變氣體種類最典型的就是填充氬氣、氪氣等惰性氣體，由于這些惰性氣體分子運動相對較慢，熱量傳遞強(qiáng)度略低，因此可以降低空腔的換熱系數(shù)，但幅度相對有限。

下圖可以看出，填充氬氣的中空玻璃傳熱系數(shù)比填充空氣約低0.14。

降低空氣含量的典型案例，就是大家所知道的“真空玻璃”，目前真空度一般可以達(dá)到0.01 Pa。

普通玻璃空腔中輻射換熱占60%，對流換熱占40%，真空則是降低了這40%的對流換熱，因此僅真空方式對保溫性能改善有限。普通中空玻璃傳熱系數(shù)約為2.6-2.7，改為真空后約為2.2左右。

最理想的是既降低對流又降低輻射了，這也是真空玻璃必須采用Low-E玻璃的原因。由于真空玻璃中兩片玻璃需要支承物，成為了換熱通道，因此真空與Low-E組合可降低80%~90%的換熱量。

目前Low-E真空中空玻璃的傳熱系數(shù)約為0.3~0.8。

真空玻璃是未來近零能耗建筑中前景可期的新型高節(jié)能玻璃，通過優(yōu)化支撐物的材料、直徑及排布距離等，可進(jìn)一步提升其保溫性能。

同樣，多腔處理也會降低窗框的傳熱系數(shù)，最典型的如塑料窗。以某66系列內(nèi)平開窗框為例，在保持總尺寸不變時，將空腔數(shù)量調(diào)整為3、4、5、6，結(jié)果如下。

對鋁合金窗框，主要通過增加隔熱條截面高度，合理設(shè)置等溫線，隔熱條改為多腔，腔體填充泡沫材料等方式來提高保溫性能。

在玻璃和窗框都做到一定程度之后，窗框與玻璃、窗框與窗扇結(jié)合部位就成為了研究重點。

玻璃安裝部位保溫性能改善的常見措施有：采用長尾膠條，空腔填塞泡沫材料，采用暖邊間隔條。長尾膠條對節(jié)點保溫性能改善有限，填塞泡沫材料有一定效果。

這里要說說暖邊間隔條，一方面降低了節(jié)點的傳熱系數(shù)，提高了整窗的保溫性能，但幅度有限；另一方面提高了玻璃邊緣溫度，降低了結(jié)露霉變概率，降低裝修破壞或損害人體健康的風(fēng)險。

窗框與窗扇部位保溫性能，一般采用多道密封或多腔膠條方式改善，如將雙道密封改為三道、四道密封形式，中間的鴨嘴膠條改為多腔構(gòu)造等方式。

說完窗戶本身和空腔，再說說室外側(cè)，和室內(nèi)側(cè)類似，為輻射和對流換熱。

由于室外側(cè)環(huán)境更為惡劣，因此不太可能在室外側(cè)對玻璃做鍍膜處理；從對流角度，室外側(cè)空氣流速較大，為“受迫對流”，為不可控因素，通常取為3 m/s。因此，室外側(cè)沒啥好改善措施。

簡單總結(jié)一下，門窗保溫性能可以從室內(nèi)側(cè)、窗戶本身和室外側(cè)三個環(huán)節(jié)的熱傳遞方式來考慮，分析了目前幾類主流產(chǎn)品及主要的保溫性能改進(jìn)措施。

5、結(jié)論

保溫性能為什么這么重要？根本原因是人體適宜的溫濕度范圍較窄，是人體舒適度對建筑物室內(nèi)溫度環(huán)境的必然要求。

想從理論上搞懂、搞透相關(guān)概念，需要研究傳熱學(xué)基本理論，重點是熱量傳遞三種方式（導(dǎo)熱、對流、輻射）和一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型。

從室內(nèi)側(cè)、窗戶本身和室外側(cè)三個環(huán)節(jié)，結(jié)合各自的熱傳遞方式，從熱工角度對于目前主要的節(jié)能措施進(jìn)行了一些分析，對從原理角度理解門窗節(jié)能措施有一定參考意義。

從玻璃、窗框、框玻結(jié)合、框扇結(jié)合等角度，對Low-E玻璃、填充惰性氣體、真空玻璃、鋁合金窗框、塑料窗框、鋁木復(fù)合窗框、長尾膠條、暖邊間隔條、多道密封等門窗節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了掃描式盤點，對門窗節(jié)能設(shè)計具有一定參考價值，盡管還需深入探討。

門窗保溫，憑啥別人做的比你好？

答案是：在傳熱理論的指導(dǎo)下，針對門窗與室內(nèi)外熱交換、門窗主要構(gòu)成材料-玻璃和窗框、框玻框扇結(jié)合部位等進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究提升。