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            【李江巖】談高效節能門窗 II版(投稿)I版20171201

            發布時間:2018-11-24閱讀數:1796

            高效鋁合金節能門窗技術分析

            作者:李江巖

            常州華志喆建筑科技有限公司 常州 郵編213000

            [摘要] 窗戶是建筑的外墻圍護,解決采光、通風、保溫、防風、隔音、防水、防盜、防火等功能,由型材、玻璃、EPDM膠條、五金件、窗臺板及窗套等材料結構設計而成,不是材料的簡單組合,窗戶的結構設計及使用的材料加工和安裝工藝會直接影響到窗戶的各項性能指標,以及安全性、可靠性。

            [關鍵詞] 大斷橋 窗臺板 EPDM發泡膠條 舒適度  防水、防滲漏、防結露  五金件防火防撬  加工、安裝工藝規程嚴格執行

            High Performance Aluminum Alloy Engergy Saving window Specs Analyzation

            Jiangyan Li

            Changzhou Hua Zhi Zhe Construction Technology LLC. Changzhou 213000

            Abstract Windows are the protection for the wall of the outside building ,tosolvelighting ,ventilation ,thermal insulation ,wind recovery ,sound insulation ,thief proof ,fire prevention and other functions ,by using sectional , glass ,EPDM foamning adhesive tape ,hardware ,window sill ,andwindow frame by the strucrally material design .It,s not just assemble the material .It,s about the structure and design of the window ,the material manufacturn skills ,and installation skills are the things direct influence every design goals ,safety ,and reliability .

            Keywords Broken bridge structure ,Window sill ,EPDM foaming adhesive tape ,comfort rating ,water proof ,leakage proof ,hardware theft proof ,and execute proper manufacture installation .

            高效節能門窗就是通過設計結構和材料選擇及材料加工的成品窗及配套產品與建筑的安裝處理達到提高節能效果的門窗產品。

            1. 門窗現狀及發展前景

            我國的建筑節能門窗經過三十多年的發展,取得令世界矚目成就。但我國高能耗建筑所占比例巨大,超過90%的比例,尤其值得注意的是,大型公建項目占城鎮總建筑面積小于10%,但其能耗總量(用電量不包括采暖用電為100-300千瓦時/年.m2)單位建筑能耗比同氣候條件下的發達國家高出2-3倍。建筑外圍護結構的性能也相差甚遠,外墻傳熱系數是歐洲的3.5-4.5倍,外窗是2-3倍,屋面為3-6倍,門窗的空氣滲透是3-6倍。作為建筑能耗的關鍵部位 -- 門窗系統的優化設計將會對建筑能耗起到至關重要的影響;而在我國,節能型門窗起步晚、發展慢、成本高,目前節能型門窗的比例不足1%,而在歐美等發達國家已經超過60%以上,歐洲和北美地區節能門窗的總規模早已突破2億m2,這也是我國建筑總能耗相比如此巨大的重要因素之一。

            節能建筑近年來的快速發展,為實現我國2020節能減排戰略目標提供基本保障。尤其作為節能建筑的先鋒典范,超低能耗建筑的迅猛發展,將帶動相關技術、工藝、材料、設計和施工等產業的迅速提升。

            建筑節能還處于發展階段,各地方節能標準也不均衡,以及建筑節能門窗與建筑的匹配,使用門窗的節能標準還比較低,市場上門窗產品魚目混珠,比較混亂,市場監督不足等情況,節能窗的傳熱系數還在2.0-3.0w/m2.k左右,嚴寒地區也保持在2.0w/m2.k左右,任重而道遠。國家政策在積極推進綠色生態建筑,強化并提高門窗產品的規范及標準,并與國際標準和認證進行接軌,2017年11月8日見證中國建研院與德國洛森海姆在上海的簽約合作,標志我國的建筑節能體系將整體大幅提高,節能和減低能耗同時市場發展前景空間廣闊,在歐美國家,節能減排措施已經取得很大程度的進展,全面降低能耗85~95%以上是發展方向。

            歐洲國家窗戶以內平開內下懸為主,對提高門窗各項性能有幫助,沒有外開窗或推拉窗,門窗傳熱系數為1.0w/m2.k左右,甚至更低,門窗的隔熱斷橋寬度基本都是>40mm,并在型材腔體填充保溫材料,要求在2020年全面實現降低能耗95%以上,這就意味著門窗的傳熱系數要Uf≤0.8w/m2.k,氣密性能≤0.3m3/m.h,氣密和保溫性能是互相受影響的,氣密性直接影響門窗的保溫和結露,因此對于門窗的結構體系和材料,包括:型材、玻璃、膠條、五金、窗臺板及窗套、加工工藝、安裝方法等附件都提出了更高的技術及產品性能要求。

            對于鋁合金門窗型材要達到這一要求是有很大難度的,它的Uf值一定要<1.0 w/m2.k,目前只有塑窗和木窗型材可以滿足要求,而鋁型材斷橋窗為實現這一目標,在隔熱條材料的斷橋上下足了功夫,最大的隔熱條做到>70mm左右,并采用多腔結構,增加材料成型的難度,但為了解決問題,還必須這樣做,結果導致材料成本驟增,不利于產品的應用和推廣,所以市場對于高效節能門窗還是以塑窗為主,包括歐洲市場,在德國的建材超市貨架上基本都是塑窗,肯定是它的銷售價格比較合理,節能效果好有關。

            為實現綠色超低能耗建筑門窗的目標,經過多年的努力和技術研發,追求產品不斷創新的理念,研發出新的專利技術產品。提高窗戶的熱阻值R是解決問題的方法,通過三種途徑:1.降低材料的導熱率;2.提高材料的厚度和寬度;3.結構設計的優化。

            鋁合金高效節能復合窗產品,其復合材料的型材可以實現雙面型材兩種顏色,其他的物理性能指標均高于同類其他產品,同時窗戶型材的傳熱系數Uf值可以實現<1.0w/m2.k,從根本上解決了鋁門窗斷橋隔熱的傳熱系數Uw不能<0.8w/m2.k的格局,從結構設計上實現等壓、等強、等伸縮性能的完美結合。

            通過結構設計采用三玻兩腔或四玻三腔的玻璃可以實現超低節能門窗要求,如果采用雙片真空玻璃也能滿足性能要求,可以減輕窗戶的重量,也實現超低能耗鋁合金門窗節能上的技術突破,窗戶的結構、型材、玻璃、五金、膠條、加工及安裝方法等都提出了技術、產品性能要求。

            門窗作為建筑的外墻圍護結構,需要解決采光、通風、保溫、防風、隔音、防水、防撬、防火、抗老化等功能,產品是由型材、玻璃、EPDM膠條、五金件、窗臺板及窗套等材料設計組合而成,其并不是材料的簡單組合,通過結構設計以及材料的選擇來實現,加工和安裝工藝的細節會直接影響到窗戶的各項性能指標,以及安全性、可靠性的整體結構設計,詳見圖1。

            1窗戶要滿足性能要求

            2.材料的選擇應用

            2.1玻璃的選用

            玻璃的選用是實現節能的重要環節,所占窗的比例最大。目前歐洲市場上多以三玻兩腔和四玻三腔為主,及夾膠+中空玻璃+暖邊間隔條,并且雙銀鋼化超薄玻璃,腔內氣體填充,解決保溫、隔音及防盜,玻璃的傳熱系數Ug0.7 W/m2.K。不提倡采用真空玻璃,建筑門窗Uw通過建筑結構系統及安裝方式來解決整個洞口及墻體的傳熱系數和結露方案。玻璃傳熱系數在填充氣體狀態下Ug見下表1

            1三玻兩腔玻璃不同中空間距的玻璃傳熱系數      單位W/m2.K


            2.1.1玻璃新技術


            國內市場玻璃的選用多采用真空玻璃+中空、三玻兩腔或雙片真空玻璃,其雙片真空玻璃傳熱系數最低可達到0.19 W/m2.K,包括玻璃暖邊間隔條的設計和使用,也是技術創新和突破,對于產品的選擇應用,要看建筑的設計要求來決定。

            隨著創新產品、新材料的日新月異發展,無極變色玻璃等產品的出現,可以替代Low-E玻璃和內外遮陽的產品,實現節能智能化,從而解決玻璃的根本問題,其性能可見下表2,可以比較出與現有產品的差異。

            2無極變色玻璃光學及熱學的性能

            2.1.2暖邊間隔條的應用

            暖邊間隔條技術源于歐洲,何謂“暖邊間隔條”:目前在國際上公認的暖邊間隔條定義是依據EN 10077標準提出的定義方法。評價間隔條保溫隔熱性能的優劣,主要看間隔條阻隔熱量傳遞的能力;一般來說,熱量通過間隔條傳遞到另外一側的多少,取決于熱量的傳遞路徑及材料的導熱系數;標準把傳遞路徑的材料厚度及材料的導熱系數乘積加權求和,就得到一個單位溫差下通過間隔材料的傳熱量,我們可以稱之為間隔條的導熱因子,其計算公式如下公式(1),這個值不大于0.007W/K,我們就稱之為暖邊間隔條,反之,稱之為冷邊間隔條。通過定義,我們明顯看出,導熱因子越低的間隔條,其材料的阻隔熱量傳遞的能力就越強,材料的保溫性能就越優秀。

            (d×λ)=2(d1×λ1)+d2×λ2

            公式 1 間隔條導熱因子計算公式

            根據這個定義,我們對鋁間隔條計算其導熱因子為0.112W/K,壁厚為0.35mm的普通不銹鋼間隔條的導熱因子0.016 W/K,所以它們都是冷邊間隔材料;對于典型暖邊間隔材料的玻纖增強型復合間隔條,我們計算得出其導熱因子為0.0006 W/K,遠遠低于標準上限值,所以玻纖增強性暖邊間隔材料是真正的暖邊間隔條,也是目前公認的隔熱性能最好的暖邊間隔材料。

            目前國內市場常見的多種品牌暖邊間隔條,其材質、工藝各不相同,所表現出的性能也是良莠不齊。表3列舉了各種暖邊間隔材料的導熱系數。鋁的導熱系數為160 W/(m·k),因此作為性能最優的玻纖增強型暖邊材料,其隔熱性能必傳統的鋁管提升了1000多倍。

            3 常用中空玻璃暖邊間隔條材料的導熱系數λ   單位為W/(m·k)


            為獲得最佳的門窗保溫性能,就必須確保門窗各個組成部分均具備優良的保溫特性,同時最大限度的避免局部連接位置的熱橋問題;傳統的中空玻璃邊部采用金屬間隔條因其傳熱系數較高,在玻璃邊部形成了局部熱橋效應,增大了玻璃邊部的線性傳熱損失。

            對這個部位的節能設計是以往容易被我們忽視的,但卻是非常關鍵的節能改善途徑。通過對于一定的框玻比及長寬比的玻璃窗進行熱工模擬計算,我們發現熱量通過玻璃邊部流失比例占整窗的流失比例可高達20%,這對于整窗性能的影響是巨大的,因此我們需要使用暖邊間隔材料替換冷邊間隔材料,以實現最大限度的降低玻璃邊部的線性傳熱損失。如圖2

            2門窗熱量流失途徑示意圖。

            由于金屬材質的冷邊間隔條在玻璃嵌入框體的部位形成了熱橋,我們對典型的住宅窗戶室內測表面溫度進行紅外探測后發現,玻璃與框體交界的區域溫度通常會較低,主要是由于冷邊間隔條熱橋影響,一般影響范圍在距離框邊63mm以內的區域。通過紅外成像檢測的熱流分布如圖3所示;通過曲線圖可以看出,相同條件下,使用暖邊間隔條可以有效提高室內測表面溫度。因此我們有必要探究一下如何有效應用暖邊間隔條改善節能門窗系統的保溫性能,以及暖邊間隔條在被動式建筑門窗中發揮的重要作用。

            3窗室內側表面熱流分布示意圖

            2.2型材的選用

            鋁合金門窗的型材選擇,主要體現在型材的材質、隔熱材料和壁厚上,目前市場銷售的型材基本上以6063-T5、壁厚為1.4-1.6mm為主,為保證型材的強度和剛度,建議選用6063-AT6材質,根據不同區域及窗戶的分格,以及建筑高度計算型材的壁厚,實現產品優化,但是應≥1.8mm,解決窗框的抗沖擊和防撬性能。

            2.3五金、膠條、組角膠的選用

            2.3.1五金件的選用

            門窗五金件是直接影響門窗的各項性能關鍵產品,不僅僅解決開關問題,它與門窗的氣密、保溫、隔音等性能密切相關。建議廣泛采用隱藏式合頁系統五金,蘑菇頭鎖點,可以充分提高窗戶的承重、氣密、水密、防撬、防火、抗沖擊等性能,防止掉扇和脫落。

            門窗五金件是門窗的“心臟”,五金件的材質和加工工藝很重要,解決窗扇與窗框鎖點連接安全可靠,并有足夠的承重力,防止掉扇角,目前國內市場窗五金一般采用都是兩點或四點鎖,這是不對的,很多較大尺寸的窗戶應采用6-8點鎖才是正確的,可整體解決氣密、抗風壓及防撬,國內五金企業研發的防火、防撬、抗沖擊五金對提高門窗性能具有重大意義。

            2.3.2門窗膠條設計

            建筑門窗膠條作為主要配套部件之一,在門窗中所占比例很小,其作用很大,解決防水、密封、隔音、防塵、防凍、減震、保溫及節能的作用。門窗結構采用多腔及EPDM的發泡復合材料,復合膠條的物理性能要高于其他產品,對于提高門窗不同位置(框扇間、玻璃內外、中部等壓、結構伸縮膠條的壓縮量、回彈力要求)的氣密、水密、保溫、抗紫外線、耐溫、抗老化性能有很大的幫助,針對不同地區選用的材料是很必要的。

            建筑密封條主要由具有良好彈性和抗壓縮變形、耐老化、臭氧、化學作用、較寬的使用溫度范圍(-40℃-+120℃)的三元乙丙橡膠(EPDM)橡膠發泡與密實復合而成,通過斷面的合理設計及驗證,滿足堅固耐用,利于安裝,提高整體性能。不同材質的膠條適用的溫度范圍:

            PVC   材質 (-25℃-60℃)

            EPDM  材質 (-60℃-150℃)

            MVQ   材質 (-60℃-300℃)

            TPV   材質 (-40℃-150℃)

            等壓膠條的設計是膠條重點,常規做法按德系要求大同小異,基本可以滿足窗的氣密、水密性能要求,但是膠條結構設計不僅僅滿足這兩點,等壓膠條的關鍵點是解決氣密性能、隔熱保溫、水密和隔聲等性能,等壓膠條是窗框與窗扇之間的主要載體,有承上啟下的作用,往往在門窗設計時忽略了這些,不是設計越復雜越好,關鍵要做適合滿足不同區域門窗性能的產品,復雜問題簡單化,作為門窗的關鍵部件,其結構設計和材料選材必須要引起高度重視。

            2.3.3雙組份組角膠的應用

            雙組份組角膠的應用是很重要的,對于節能斷橋窗扇角部處理,不僅僅是組角機組好就完事了,要通過注膠孔將雙組份組角膠注入角碼與型材腔體結合的間隙通道處,使其與型材和角碼之間充分粘接,增加角部強度的同時也起到了防水的功能,保證窗戶的安全可靠性。

            2.4窗臺板和窗套、遮陽系列產品應用

            2.4.1窗臺板和窗套

            窗臺板是窗戶室外側的一排水板,采用鋁型材或鋁板制作成型,并與窗戶抬高附框進行連接,或室外側增加窗套,并在窗臺上添加保溫材料及膨脹棉、室內外防水布,從而達到防水、防滲漏、保溫、防發霉、美觀等功能要求,詳見圖4。

            窗臺板和窗套系列產品本身就是門窗組成的一部分,在歐洲門窗市場很早就普及使用,并且窗戶安裝在室外側,與室外墻體保溫、窗臺成為一體,解決建筑的整體性能,并形成標準和規范,在建筑上進行強制執行。而我國目前的建筑設計時,卻將窗臺板結構系統給忽略了,不僅僅是降低成本的問題,并破壞了窗戶的整體性能的提高。為完善門窗性能要求,解決居住環境舒適度,逐漸采用窗臺板、窗套結構系統是必然的趨勢,并形成行業規范,是整體解決門窗方案。

            4窗臺板結構應用

            2.3.2遮陽產品包括外置遮陽和中置遮陽,其主要解決遮陽保溫,目前外遮陽使用率并不是很高,需要廣泛推廣應用。

            2.4為了防霉菌生長,在室內空氣相對濕度人體感到舒適的范圍為30%~60%之間,這樣窗設計應取極限即相對溫度為65%時不結露,這時露點溫度為13.2℃,因此窗的內表面溫度最低點位置應保持在13℃以上。

            5高性能塑窗結構

            3.門窗的加工工藝、安裝工藝

            門窗的加工制作、現場安裝工藝是門窗的很關鍵流程,門窗的結構設計和選材是主要環節,加工制造及安裝是關鍵環節,每個環節和細節都必須嚴格執行到位,百分百的設計與百分百的安裝,實現免售后服務,達到客戶的真正滿意,實現產品的品質提升和品牌效應。

            門窗的加工制作精度、拼裝工藝和安裝工藝流程的編制和落實,產品進行全面質量管理體系管理流程,每道工序都有記錄檢查,保證產品的出廠為100%合格率,這些要素都會直接影響門窗產品質量、使用功能和門窗性能,尤其對抗風壓、水密性、氣密性、保溫性、隔音能表現尤為突出,也關系到門窗安全性及可靠性,因此需要生產加工企業和施工單位加強培訓,嚴格監督檢查,把能夠發生的關系到產品質量的因素,問題解決在事前是最關鍵的,在批量生產前,應先制作一樘樣窗,檢查窗戶整體配合及質量是否有問題,確認沒有問題后,再批量生產。

            3.1門窗加工組裝工藝要求

            門窗加工及組裝工藝流程要求是很嚴格的,不是說有臺雙頭鋸、組角機就可以加工門窗產品,要建立完整加工流水線,同時加工尺寸要有加工標準,包括成品半成品的保護,這一點組裝后偏差就表現出來了,要形成完整的生產流水線,按加工工藝流程要求進行加工,其要求下面做些分析:

            3.1.1型材加工的尺寸偏差為<±0.5mm;窗框型材之間(包括中挺)為90度連接,窗扇型材為45度加工,窗框型材端面要配備專用刀具進行端銑加工,窗框及窗扇之間的連接要采用專用連接件,通過注膠導流槽注膠使角碼直接與型材形成了一個整體,其門窗角部強度大幅度提高,增強防水性能和門窗角強度功能,組角注膠后水密性和門窗的整體結構性能全面提高。角碼的注膠流道設計的優化,角碼注膠時保證充分粘接,保證其物理性能安全可靠。

            3.1.2常規角碼與專用角碼的不同

            3.1.2.1角碼加塑料導流片:主要的問題是塑料導流片與角碼和型材之間形成了隔離層,不能使角碼與型材腔體形成一個整體,當有外力沖擊可導致角碼與型材發生位移,導致注膠膠面開裂影響防水性能和角部強度。

            3.1.2.1壓鑄角碼:主要的問題是壓鑄產品性能淬硬易碎,用組角機或打銷釘時容易將壓鑄角碼弄碎,從而影響門窗角部強度和防水性能。

            3.1.2.3注塑角碼:由于注塑角碼的自身強度低,材質屬于軟性的,無法達到門窗所要求的強度,其門窗角部強度性能特別差,具有嚴重的安全隱患。

            3.1.3窗框中挺要用中梃連接件連接,連接處使用雙組份組角膠注膠,增加連接強度,拼縫通過拼縫膠或者專用的密封膠墊密封,保證連接可靠性和防水密封性能;

            3.1.4拒絕使用自攻螺絲釘,所有連接必須采用機制螺絲連接,并進行涂膠處理,這種連接方式首先保證不了門窗的幾何尺寸的準確性,制作工人很難掌握加工尺寸的準確性,其次這種用自攻螺絲釘連接方式存在巨大的安全隱患,有些制作工人使用自攻螺絲釘時用力不當,致使螺絲釘存在半斷裂狀態,稍加外力就可以使其中梃組件脫落,沒有安全保障性能。

            3.1.5窗扇型材加工為45度切角,并加工執手連接孔等加工,通過專用注膠角碼連接,并進行鉚角和采用雙組份組角膠在注膠孔進行注膠連接,窗扇鉚角時,每個角為8個點進行鉚角,配備專用刀具進行組裝;

            3.1.6窗框和窗扇組裝完成后,其窗的對角線尺寸偏差要<±1.0mm,窗框上下連接孔為長條孔,解決窗戶伸縮問題;

            3.1.7安裝好五金件后,安裝玻璃和膠條,并進行檢查調整各處間隙是否符合要求;

            注膠角碼及注膠效果詳見圖6。

            6角部注膠效果

            3.1.8窗臺板及窗套要復核洞口窗臺尺寸,再進行專門定制加工與安裝。

            3.2門窗的安裝工藝要求

            鋁、塑窗上一定要安裝抬高窗下口副框和窗臺板、窗套,為什么要這樣做?下面作詳細分析:

            3.2.1窗戶副框連接為干法施工,干法施工是很規矩的做法,通過副框將窗洞口尺寸保證與設計的圖實相符,保證窗與副框的連接安全可靠,窗與副框之間增加保溫墊,使窗戶無熱橋,同時采用窗臺板、窗套 結構,使窗戶的施工形成完整系統;

            3.2.2窗副框與洞口的縫隙約為20mm-30mm左右,應采用膨脹棉進行填充,窗框下口與窗抬高副框的上口要用防雨布做好室內外的防水施工,隨后安裝窗框、窗扇、玻璃、保溫板及室外窗臺板,以及室內窗臺板,這樣可以提高窗戶的防水、防滲漏、保溫、防霉等性能,使窗成為完整系統體系;

            3.2.3安裝固定玻璃時,固定玻璃的安裝位置要在斷橋窗的斷橋位置最好,墊好玻璃墊,在玻璃內四周塞好泡沫棒,然后用密封膠在玻璃與窗框間隙中填充密封,徹底解決窗戶滲漏問題;

            3.2.4窗扇玻璃的安裝是有方法的,玻璃墊塊應與合頁的對角線處位置安裝,將窗扇位置調整好后,用中性密封膠固定玻璃墊,防止使用過程中發生滑動,導致窗扇掉角下墜現象;

            3.2.5在窗戶安裝在墻體外側時,應采用鐵件連接與窗框和墻體,這樣防水雨布和保溫墊塊的使用,使用窗臺板或窗套,徹底解決防水和無滲漏問題;

            3.2.6窗戶安裝的所有機制螺釘連接需要涂滿中性密封膠,或戴膠連接。

            4.結語

            綜上所述,門窗的設計理念在最初時結構設計時要充分考慮各種不利因素導致的各種問題,并通過結構設計解決,以及要滿足什么建筑的要求,并在實際操作中進行控制,其重要性可想而知,把問題解決在事前。

            隨著綠色建筑和建筑節能改造的逐漸推廣與應用,建筑新產品和新技術將不斷涌現,對我國的建筑業發展起到積極推動作用。

            參考文獻

            [1]趙本軍.建筑門窗幕墻用密封膠條的技術延伸方向2017.8

            [2]林廣利.創新暖邊間隔材料在被動房門窗上的應用2017.7

            [3]李江巖.關于超低能耗建筑用外窗設計依據 幕墻設計2016.6

            [4]李江巖.關于窗臺板的應用2016.12.

            [5]李江巖.談高效節能門窗 2017.1.

            個人簡歷:
            姓名:李江巖lijiangyan 性別:男 出生年月日:19651220 研究方向:超低能耗建筑節能門窗幕墻體系 畢業學校:沈陽航空航天大學 專業:機械制造、安全工程 職稱:工程師,現任上海茵捷裝飾設計工程有限公司、常州華志喆建筑科技有限公司創始人。地址:江蘇省常州市鐘樓區通江南路18號港龍尚層12A-28,郵編:213000聯系電話:13775082729,E-mailshyjzsgs@163.com


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