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高效铝合金节能门窗的技术分析

1、门窗现状及发展前景


我国的建筑节能门窗经过三十多年的发展,取得令世界瞩目成就。但我国高能耗建筑所占比例巨大,超过90%的比例,尤其值得注意的是,大型公建项目占城镇总建筑面积小于10%,但其能耗总量(用电量不包括采暖用电为100-300千瓦时/年.㎡)单位建筑能耗比同气候条件下的发达国家高出2-3倍。建筑外围护结构的性能也相差甚远,外墙传热系数是欧洲的3.5-4.5倍,外窗是2-3倍,屋面为3-6倍,门窗的空气渗透是3-6倍。作为建筑能耗的关键部位 -- 门窗系统的优化设计将会对建筑能耗起到至关重要的影响;而在我国,节能型门窗起步晚、发展慢、成本高,目前节能型门窗的比例不足1%,而在欧美等发达国家已经超过60%以上,欧洲和北美地区节能门窗的总规模早已突破2亿㎡,这也是我国建筑总能耗相比如此巨大的重要因素之一。


节能建筑近年来的快速发展,为实现我国2020节能减排战略目标提供基本保障。尤其作为节能建筑的先锋典范,超低能耗建筑的迅猛发展,将带动相关技术、工艺、材料、设计和施工等产业的迅速提升。


建筑节能还处于发展阶段,各地方节能标准也不均衡,以及建筑节能门窗与建筑的匹配,使用门窗的节能标准还比较低,市场上门窗产品鱼目混珠,比较混乱,市场监督不足等情况,节能窗的传热系数还在2.0-3.0w/㎡.k左右,严寒地区也保持在2.0w/㎡.k左右,任重而道远。国家政策在积极推进绿色生态建筑,强化并提高门窗产品的规范及标准,并与国际标准和认证进行接轨,2017年11月8日见证中国建研院与德国洛森海姆在上海的签约合作,标志我国的建筑节能体系将整体大幅提高,节能和减低能耗同时市场发展前景空间广阔,在欧美国家,节能减排措施已经取得很大程度的进展,全面降低能耗85~95%以上是发展方向。


欧洲国家窗户以内平开内下悬为主,对提高门窗各项性能有帮助,没有外开窗或推拉窗,门窗传热系数为1.0w/㎡.k左右,甚至更低,门窗的隔热断桥宽度基本都是>40mm,并在型材腔体填充保温材料,要求在2020年全面实现降低能耗95%以上,这就意味着门窗的传热系数要Uf≤0.8w/㎡.k,气密性能≤0.3m3/m.h,气密和保温性能是互相受影响的,气密性直接影响门窗的保温和结露,因此对于门窗的结构体系和材料,包括:型材、玻璃、胶条、五金、窗台板及窗套、加工工艺、安装方法等附件都提出了更高的技术及产品性能要求。


对于铝合金门窗型材要达到这一要求是有很大难度的,它的Uf值一定要<1.0 w/㎡.k,目前只有塑窗和木窗型材可以满足要求,而铝型材断桥窗为实现这一目标,在隔热条材料的断桥上下足了功夫,最大的隔热条做到>70mm左右,并采用多腔结构,增加材料成型的难度,但为了解决问题,还必须这样做,结果导致材料成本骤增,不利于产品的应用和推广,所以市场对于高效节能门窗还是以塑窗为主,包括欧洲市场,在德国的建材超市货架上基本都是塑窗,肯定是它的销售价格比较合理,节能效果好有关。


为实现绿色超低能耗建筑门窗的目标,经过多年的努力和技术研发,追求产品不断创新的理念,研发出新的专利技术产品。提高窗户的热阻值R是解决问题的方法,通过三种途径:1.降低材料的导热率;2.提高材料的厚度和宽度;3.结构设计的优化。


铝合金高效节能复合窗产品,其复合材料的型材可以实现双面型材两种颜色,其他的物理性能指标均高于同类其他产品,同时窗户型材的传热系数Uf值可以实现<1.0w/㎡.k,从根本上解决了铝门窗断桥隔热的传热系数Uw不能<0.8w/㎡.k的格局,从结构设计上实现等压、等强、等伸缩性能的完美结合。


通过结构设计采用三玻两腔或四玻三腔的玻璃可以实现超低节能门窗要求,如果采用双片真空玻璃也能满足性能要求,可以减轻窗户的重量,也实现超低能耗铝合金门窗节能上的技术突破,窗户的结构、型材、玻璃、五金、胶条、加工及安装方法等都提出了技术、产品性能要求。


门窗作为建筑的外墙围护结构,需要解决采光、通风、保温、防风、隔音、防水、防撬、防火、抗老化等功能,产品是由型材、玻璃、EPDM胶条、五金件、窗台板及窗套等材料设计组合而成,其并不是材料的简单组合,通过结构设计以及材料的选择来实现,加工和安装工艺的细节会直接影响到窗户的各项性能指标,以及安全性、可靠性的整体结构设计,详见图1。



图1窗户要满足性能要求

2、材料的选择应用


2.1玻璃的选用

玻璃的选用是实现节能的重要环节,所占窗的比例最大。目前欧洲市场上多以三玻两腔和四玻三腔为主,及夹胶+中空玻璃+暖边间隔条,并且双银钢化超薄玻璃,腔内气体填充,解决保温、隔音及防盗,玻璃的传热系数Ug<0.7 W/㎡.K。不提倡采用真空玻璃,建筑门窗Uw通过建筑结构系统及安装方式来解决整个洞口及墙体的传热系数和结露方案。玻璃传热系数在填充气体状态下Ug见下表1


表1三玻两腔玻璃不同中空间距的玻璃传热系数 单位W/㎡.K

Ug(W/m2.K)

10mm缝隙

12mm缝隙

14mm缝隙u

16mm缝隙

100%  Air

1.1

0.9

0.8

0.8

90%  Argon

0.8

0.7

0.6

0.6

90% Krypton

0.6

0.5

0.5

0.5

2.1.1玻璃新技术

国内市场玻璃的选用多采用真空玻璃+中空、三玻两腔或双片真空玻璃,其双片真空玻璃传热系数最低可达到0.19 W/㎡.K,包括玻璃暖边间隔条的设计和使用,也是技术创新和突破,对于产品的选择应用,要看建筑的设计要求来决定。

随着创新产品、新材料的日新月异发展,无极变色玻璃等产品的出现,可以替代Low-E玻璃和内外遮阳的产品,实现节能智能化,从而解决玻璃的根本问题,其性能可见下表2,可以比较出与现有产品的差异。


表2无极变色玻璃光学及热学的性能



2.1.2暖边间隔条的应用

暖边间隔条技术源于欧洲,何谓“暖边间隔条”:目前在国际上公认的暖边间隔条定义是依据EN 10077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及材料的导热系数;标准把传递路径的材料厚度及材料的导热系数乘积加权求和,就得到一个单位温差下通过间隔材料的传热量,我们可以称之为间隔条的导热因子,其计算公式如下公式(1),这个值不大于0.007W/K,我们就称之为暖边间隔条,反之,称之为冷边间隔条。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0.016 W/K,所以它们都是冷边间隔材料;对于典型暖边间隔材料的玻纤增强型复合间隔条,我们计算得出其导热因子为0.0006 W/K,远远低于标准上限值,所以玻纤增强性暖边间隔材料是真正的暖边间隔条,也是目前公认的隔热性能最好的暖边间隔材料。


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3列举了各种暖边间隔材料的导热系数。铝的导热系数为160 W/(m·k),因此作为性能最优的玻纤增强型暖边材料,其隔热性能必传统的铝管提升了1000多倍。


表3 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)

材料

不锈钢(200/300)

聚丙烯塑料

热熔聚异丁烯胶

硅酮微孔材料

玻纤增强丙烯腈与苯乙烯聚合物

λ

15

0.19

0.20

0.17

0.14

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优良的保温特性,同时最大限度的避免局部连接位置的热桥问题;传统的中空玻璃边部采用金属间隔条因其传热系数较高,在玻璃边部形成了局部热桥效应,增大了玻璃边部的线性传热损失。


对这个部位的节能设计是以往容易被我们忽视的,但却是非常关键的节能改善途径。通过对于一定的框玻比及长宽比的玻璃窗进行热工模拟计算,我们发现热量通过玻璃边部流失比例占整窗的流失比例可高达20%,这对于整窗性能的影响是巨大的,因此我们需要使用暖边间隔材料替换冷边间隔材料,以实现最大限度的降低玻璃边部的线性传热损失。如图2



图2门窗热量流失途径示意图。

由于金属材质的冷边间隔条在玻璃嵌入框体的部位形成了热桥,我们对典型的住宅窗户室内测表面温度进行红外探测后发现,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3所示;通过曲线图可以看出,相同条件下,使用暖边间隔条可以有效提高室内测表面温度。因此我们有必要探究一下如何有效应用暖边间隔条改善节能门窗系统的保温性能,以及暖边间隔条在被动式建筑门窗中发挥的重要作用。



图3窗室内侧表面热流分布示意图

2.2型材的选用

铝合金门窗的型材选择,主要体现在型材的材质、隔热材料和壁厚上,目前市场销售的型材基本上以6063-T5、壁厚为1.4-1.6mm为主,为保证型材的强度和刚度,建议选用6063-AT6材质,根据不同区域及窗户的分格,以及建筑高度计算型材的壁厚,实现产品优化,但是应≥1.8mm,解决窗框的抗冲击和防撬性能。

2.3五金、胶条、组角胶的选用

2.3.1五金件的选用

门窗五金件是直接影响门窗的各项性能关键产品,不仅仅解决开关问题,它与门窗的气密、保温、隔音等性能密切相关。建议广泛采用隐藏式合页系统五金,蘑菇头锁点,可以充分提高窗户的承重、气密、水密、防撬、防火、抗冲击等性能,防止掉扇和脱落。

门窗五金件是门窗的“心脏”,五金件的材质和加工工艺很重要,解决窗扇与窗框锁点连接安全可靠,并有足够的承重力,防止掉扇角,目前国内市场窗五金一般采用都是两点或四点锁,这是不对的,很多较大尺寸的窗户应采用6-8点锁才是正确的,可整体解决气密、抗风压及防撬,国内五金企业研发的防火、防撬、抗冲击五金对提高门窗性能具有重大意义。

2.3.2门窗胶条设计

建筑门窗胶条作为主要配套部件之一,在门窗中所占比例很小,其作用很大,解决防水、密封、隔音、防尘、防冻、减震、保温及节能的作用。门窗结构采用多腔及EPDM的发泡复合材料,复合胶条的物理性能要高于其他产品,对于提高门窗不同位置(框扇间、玻璃内外、中部等压、结构伸缩胶条的压缩量、回弹力要求)的气密、水密、保温、抗紫外线、耐温、抗老化性能有很大的帮助,针对不同地区选用的材料是很必要的。

建筑密封条主要由具有良好弹性和抗压缩变形、耐老化、臭氧、化学作用、较宽的使用温度范围(-40℃-+120℃)的三元乙丙橡胶(EPDM)橡胶发泡与密实复合而成,通过断面的合理设计及验证,满足坚固耐用,利于安装,提高整体性能。不同材质的胶条适用的温度范围:

PVC 材质 (-25℃-60℃)

EPDM 材质 (-60℃-150℃)

MVQ 材质 (-60℃-300℃)

TPV 材质 (-40℃-150℃)

等压胶条的设计是胶条重点,常规做法按德系要求大同小异,基本可以满足窗的气密、水密性能要求,但是胶条结构设计不仅仅满足这两点,等压胶条的关键点是解决气密性能、隔热保温、水密和隔声等性能,等压胶条是窗框与窗扇之间的主要载体,有承上启下的作用,往往在门窗设计时忽略了这些,不是设计越复杂越好,关键要做适合满足不同区域门窗性能的产品,复杂问题简单化,作为门窗的关键部件,其结构设计和材料选材必须要引起高度重视。

2.3.3双组份组角胶的应用

双组份组角胶的应用是很重要的,对于节能断桥窗扇角部处理,不仅仅是组角机组好就完事了,要通过注胶孔将双组份组角胶注入角码与型材腔体结合的间隙通道处,使其与型材和角码之间充分粘接,增加角部强度的同时也起到了防水的功能,保证窗户的安全可靠性。


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