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论建筑门窗、幕墙节能技术的探讨

   日期:2010-10-26     来源:大沥铝材网    作者:李江岩、边缘     浏览:2251    评论:0    
    我国城乡建筑房屋每年以20%以上的速度递增,年竣工面积为20亿m2,其中很大一个比例为高能耗建筑,全国既有建筑400亿m2,95%以上为高能耗建筑,其外墙、屋顶单位建筑面积能耗为发达国家的3~5倍,窗的能耗为2~3倍。在未来30年内我国将建造400亿m2新建筑,因此建筑门窗、幕墙的节能是行业发展的当务之急,也是机遇与挑战。

    一.建筑节能中的铝门窗、幕墙存在的问题 
    在贯彻建筑节能设计标准中铝门窗、幕墙在技术方面得到了很大的进步,产品更新换代取得了很大的成绩,同时也出现一系列问题。
    1.断热铝门窗的隔热条,由于建筑承包商“压价”和个别厂家追求利润最大化,往往以低成本的PVC隔热条代替尼龙66隔热条,出现的问题为PVC的线膨胀系数与铝合金的线膨胀系数相差太大,且强度低,耐热性差,抗老化性能等问题,安装使用后出现由于热胀冷缩原因会造成歪扭变形,从而破坏门窗的强度、气密和水密性能。
    2.框架、玻璃、密封、五金件不配套,往往出现不等性能问题。有些人认为窗主要是玻璃占的面积大,对传热系数K值影响大,而框架占的面积小无妨,因而忽视对框架降低K值的要求,这样在低K值的玻璃和其不等性能的框架制作成成品窗后,窗的平均传热系数K值可能达到标准要求,但是当框架室内表面温度低于室内空气露点温度时将产生结露,这是不符合标准要求的,也不是用户所要求的窗;又如有的外平开窗开启锁存在热通道问题,使用中锁表面产生结露;有些劣质密封条所造的断热平开窗和传统的断热推拉窗,虽然其传热系数K值符合标准要求,但其气密性能很差,也将达不到保温效果。
    3.加工粗糙和安装上墙的质量问题。往往见到一些工地为了抢进度,不顾质量要求,安装上墙后达不到应有的性能效果。
    4.密封胶条的质量问题。同样是三元乙丙胶条,由于加工原材料及配比、价格等原因,材料性能差别很大。 
    5.玻璃的问题。中空玻璃合成时,为了降低成本仍存在单道密封,尤其铝条用插角还是用弯角工艺结构,前者较后者的使用寿命要少若干倍,同时不能保证中空玻璃的质量要求。
    6.具有自主知识产权的品牌产品还不多,急待开发高性能节能门窗及遮阳的系统产品。


    二.开发配套节能门窗、幕墙系统产品是促进行业发展的历史使命
    《公共建筑节能设计标准》按建筑所处地区的气候分区即分为严寒地区A区、严寒地区B区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。对严寒地区规定了围护结构的传热系数限值,对寒冷地区和夏热冬冷地区、夏热冬暖地区不仅规定了传热系数限值,还规定了遮阳系数限值并对各地区均有气密性能要求,这样对门窗、幕墙在各地区就有不同的节能指标要求。
    1.在严寒地区A区,根据建筑体形系数和窗墙面积比,对窗(包括透明幕墙)的传数系数K值从≤3.0w/m2.k至≤1.5w/m2.k;对非透明幕墙的传热系数K值从≤0.45w/m2.k至≤0.4w/m2.k;
    2.在严寒地区B区,根据建筑体形系数和窗墙面积比,对窗(包括透明幕墙) 的传数系数K值从≤3.2w/m2.k至≤1.6w/m2.k;对非透明幕墙的传热系数K值从≤0.50w/m2.k至≤0.45w/m2.k;
    3.在寒冷地区,根据建筑体形系数和窗墙面积比,对窗(包括透明幕墙) 的传数系数K值从≤3.5w/m2.k至≤1.8w/m2.k;对非透明幕墙的传热系数K值从≤0.60w/m2.k至≤0.50w/m2.k;同时对遮阳系数Sc从≤0.70至≤0.50;
    4.在夏热冬冷地区,根据窗墙面积比,对窗(包括透明幕墙) 的传数系数K值从≤4.7w/m2.k至≤2.5w/m2.k;对非透明幕墙的传热系数K值≤1.0w/m2.k,同时对遮阳系数Sc从≤0.60至≤0.40;
    5.在夏热冬暖地区,根据窗墙面积比,对窗(包括透明幕墙) 的传数系数K值从≤6.5w/m2.k至≤3.0w/m2.k;对非透明幕墙的传热系数K值≤1.5w/m2.k,同时对遮阳系数Sc从≤0.60至≤0.35;
    由上可知,门窗、幕墙的K值和Sc的确定,不仅与地区有关,且在同一地区其建筑体形系数和窗墙面积比不同时,也有不同的要求,因此开发配套节能门窗、幕墙系统产品,是贯彻节能标准,实现节能指标要求的势在必行。


    三.节能门窗、幕墙的开发设计途径
    由上已述,要满足各种不同指标要求,进一步解决控制热的传递的三种方式即辐射、对流、传导的技术,开发系统产品以达到合理的性价比,目前基本上采取以下途径解决。
    1.从材料上着手。由于新型材料的发展,组成窗的主材:框料、玻璃、密封件、五金附件以及遮阳设施等技术进步很快,分述如下:
    (a)框料:目前窗的框架已采用断热铝材、断热钢材、塑料型材、玻璃钢材及复合材料(铝塑、铝木等);
    (b)玻璃:工程项目上已广泛采用中空玻璃、镀膜玻璃、中空充惰性气体、Low-E玻璃(在线)、离线中空Low-E玻璃并充惰性气体,K值从≤3.0w/m2.k至≤1.5w/m2.k若采用双中空玻璃还可降低K值,当前出现的真空玻璃K值可降至1.0w/m2.k,已在工程上应用。
    (c)密封材料:目前应用较多的密封材料如硅胶、三元乙丙胶条,其材质与制作原料及配比影响质量差异很大。国产密封胶与国外产品竞争已有一定优势,且国家对胶有一套严格的管理办法。几大名牌国产胶,已广泛应用在工程上。
    (d)五金附件:五金附件直接关系到窗的开启、关闭和性能,它是窗的“心脏”部件,选用时一定要按要求配套,避免张冠李戴。市场已出现了远距离操纵的自动开启关闭附件和自控温度和遮阳装置,行业已出台了一系列标准。
    (e)遮阳技术:发展遮阳系统产品,是行业急待配套的品种,遮阳产品技术上是成熟的,但要开发出适合我国国情和环境的自主知识产权的产品是还有待继续发展,目前我国已有一批单独生产遮阳产品的厂家,也是抓住机遇的关键时刻。
    2.从结构上着手
    新材料出现后没有相应的结构配合,则新材料发挥的作用也就有局限性,同样的材料采用不同的结构,在性能上相差是很大的,如框采用多腔隔热条、密封采用多道密封和玻璃、附件配套,使K值大幅度降低,世界各国都在注重建筑门窗、幕墙的节能,采取了各种措施,发达国家经过30年的努力将铝窗的K值从5.8w/m2.k降至1.5w/m2.k以下,我国要解决这个问题,技术上已基本成熟,但关键主要存在着市场的价格问题,归根到底还是政策的落实,如果建筑开发商一味追求低价配套门窗、幕墙,则国产高性能节能门窗、幕墙很难推广。
    (a)从隔热条上下功夫,加大隔热条的宽度,以降低K值,我们知道传热系数K值与热阻的关系为:


    上式R—框架的热阻;
    Ri—框架内表面热阻,取0.125;
    Ro—框架外表面热阻,取0.043。

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    从图1中可知,窗的框架由三部分组成,即外部和内部为铝合金框,中间部分为尼龙-66隔热条或连接内外框的芯子,它起着窗框架的隔热保温主导作用,也就是说隔热条的热阻对窗框架的热阻起主导作用,而隔热条的热阻为:

 

上式 b—隔热条的宽度
    λ—隔热条的导热系数(w/m.k),尼龙66为0.2—0.35 w/m.k
由公式(2)可以得出一个结论,要提高框架的热阻,就须加大隔热的宽度或连接内外铝框的隔热芯子的厚度(b)。
    现计算组成窗后的K值,若隔热条的宽度b,两条隔热条之间距离B,隔热条的厚度t,由于铝导热系数λ=203 w/m.k较大,计算时可忽略不计,隔热条传热的计算,为了可操作性,用近似计算,设其传导由隔热条壁与两隔热条空腔内空气并联, 空腔内空气热阻取Ra=0.18 m2.k/w,则得出:

 

    为了框架断面的紧凑,根据热流长度原理,在隔热条同样宽度下,可设计成“弓”形,如图2所示,由于热流的长度增加,也就提高了热阻R,使K值进一步降低,计算如下:

 

    注:“弓”形隔热条宽度设计到25 m m时,K值可达到2.8~3.0w/m2.k
    (b)采取多空腔的隔热条设计,以降低K值。
    上述虽然加宽隔热条是降低K值的有效措施,也只能适当的加宽,若加的太大,会造成结构不紧凑,必须还要寻求提高热阻的措施,根据热传导原理,将热传导的面设计成叠加的多空腔以提高热阻的方法,为便于可操作性,用近似计算,设其热传导由空腔的壁与腔内的空气并联并与叠加的空腔形成串联,这样采取多空腔隔热条如图3的热阻计算公式如下:

上式  R—多腔隔热条热阻
    Ra—空腔内空气热阻,取0.18 m2.k/w
    λ—隔热条导热系数(0.2—0.35 w/m.k)。
将上式求出的R代入(1)式即可求得K值。

 

将图3的多空腔隔热条的有关参数代入(3)式即可求出该窗的K值为K= 1.8~2.1w/m2.k,

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     (c)采取加宽隔热条填充发泡材料,并用多头空腔密封条配套,进一步降低K值,如图4所示,为进一步降低K值,采取加宽隔热条填充发泡材料同时用多头密封形成空腔与之达到等性能配套,其K值计算如下:取λp=0.2~0.35 w/m.k, λf=0.081w/m.k,



 图4.采用厚隔热条填充发泡材料和多头密封

 

同样幕墙也可从隔热条上想办法降低K值。


 图5.采用多腔隔热衬套的幕墙节点 

如图5.采用多腔隔热衬套为“断桥”的K值计算如下:

 

同理求得长的隔热衬套 。
    如果还需要更低K值的幕墙,则需采用双层幕墙或通道幕墙,这种幕墙一般分为外循环和内循环两大类即侧重遮阳的双层幕墙采用外层为单层玻璃,内层为中空玻璃的外循环结构,其遮阳系数可达Sc=0.1~0.2传热系数K≤1.1~1.5w/m2.k,侧重保温性能的双层幕墙采用外层为中空玻璃,内层为单层玻璃的内循环结构,其K值可达K≤0.6~1.0w/m2.k。
  (d)密封结构应与框架等性能配套
       门窗有一个开启问题,这样关闭时的缝隙密封处理是一个薄弱环节,因密封不好产生对流损失的热量,根据计算得出窗的密封性能与热损失如下:当密封性能为5级时q2≤1.5 m3/m2.h,热损失为0.5 w/m2.k; 当密封性能为4级时4.5≥q2>1.5 m3/m2.h,热损失为1.5 w/m2.k; 当密封性能为3级时7.5≥q2>4.5 m3/m2.h,热损失为2.5 w/m2.k;因此在框架和玻璃都采取有效办法降低K值后,必须解决密封性能的问题,窗的密封构造设计除解决上述对流热损失外,还要考虑解决热传导的损失,因此密封条的设计除考虑密封性能外还需考虑多头密封空腔,形成多腔空间,以求得K值与其他部分配套,如图3、图4、图5。
  (e)遮阳设施
       每年夏季空调用电,许多城市形成用电高峰,据2005年统计,全国城市每百户居民空调器平均80.67台,北京为146.47台,上海为168.30台,损耗大量能源,增加城市“热岛”效应,因此采用遮阳是有效的节能措施。
    ①活动式外遮阳是阻隔太阳辐射的良好屏障。
活动式遮阳百叶装置,安装在开放式铝板幕墙内部,在室内可控制百叶升高降下遮阳,不用时可升上入幕墙内面,如图6所示,由于外遮阳能阻隔太阳辐射于室外,但这种装置对居住建筑来说,造价高并不适合,而简单外遮阳又带来建筑外观和清洁等问题,大多选用室内遮阳,而室内遮阳节能效果又不够理想,因而出现百叶中空玻璃来解决。

 

    ②百叶中空玻璃窗是将百叶安装在中空玻璃两片玻璃间,可代替普通中空玻璃装于各种窗框上,通过磁力控制百叶翻转和升降动作,以达到遮阳和保温效果。当百叶处在垂直位置时能有效的降低中空玻璃内的热传导,和遮挡了阳光直射,并有效的降低了中空玻璃的遮阳系数,当百叶处在水平位置时,既可采光,又可起到遮阳作用,当百叶收起位置时就和普通中空玻璃一样的效果。同时百叶在中空玻璃内也解决了清洁维护问题。
由上所述百叶中空玻璃窗集隔热、保温、隔声、隐私性、装饰性于一体,适合于我国广大地区应用,实为节能的好产品。
    3.从制作安装上墙上着手
    安装上墙是窗结构的重要组成部分,窗的安装上墙对窗是否能获得良好的质量,是具有决定性的作用,往往测试性能非常好的窗,不等于安装上墙后其性能就非常好,把这个问题提出来,也是人们最易忽视的问题,具体说如何将一个公差以毫米计的窗,安装在公差以厘米计的墙洞口上,把窗和墙体部分连成一个系统, 使窗和墙体之间成连续性,并需满足下列功能要求;
    ①在各种温度的影响下,窗的各项功能运转自如;
    ②对窗的外力能可靠的分解,尤其对正负风压的承受,有效的转移到墙体上去;
    ③窗不受墙体内部的各种运动以及尺寸变形的影响(沉降、振动、热胀冷缩等);
    ④安装的各向应力应排除,窗开启自如;
    ⑤窗与墙体连接处的防水、隔声的密封性能;
    ⑥窗与墙体连接处的隔热性能。
    为解决以上要求,从窗的设计、加工、安装上采取有效措施,有的厂家已形成专利技术,把门窗、幕墙做好,做到少用采暖、空调的条件下,冬天温暖夏天凉爽。
    随着建筑节能标准的制订实施,国家也正采取有效措施,形势迫使我国的门窗、幕墙行业迅速发展进步。高性能配套的门窗幕墙和遮阳产品必然要成为市场的主体,相信有远见的建筑开发商会选用符合标准要求的门窗、幕墙和遮阳产品配套,也相信有眼光的门窗、幕墙和遮阳产品企业家会以高质量的产品和性价比去赢得广阔的市场,抓住机遇加快发展节能产品,为节约资源改善环境,为可持续发展作出贡献!

 

参考文件:
    1.《公共建筑节能设计标准》2005年 
    2.严寒地区塑料门窗设计探讨  李之毅  2005年
    3.不能忽视节能、保温窗的气密性能指标要求  李之毅、郑金峰2003年
    4.中空玻璃使用寿命计算  文忠  2006年


 
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