超低能耗鋁合金窗隔熱性能分析

2021-08-13 01:26:56盧躍忠北京市鑫正泰建筑幕墻工程有限公司

門窗 2021年4期

盧躍忠北京市鑫正泰建筑幕墻工程有限公司

1 緒論

建筑能耗目前是國內外極其關注的焦點，是關系到國計民生的重大課題。我國幅員遼闊，東西南北溫度差異非常大，最熱的莫過于新疆吐魯番，夏季達到50℃高溫，最冷的位于黑龍江漠河，冬季最低溫度-45℃，隨著我國經濟實力的不斷增長，能源消耗成幾何數增長。作為能源消耗大國，實現可持續發展是需要不斷地通過技術進步，降低能耗消費來完成的。這不僅能改善健康居住條件，而且能夠節約能源。通過有效利用被動能源，減少或降低主動能源消耗，實現建筑物的低能耗的目的。

鑒于此，超低能耗鋁合金窗作為超低能耗建筑的重要組件，具有非凡的現實意義。建筑物能耗的70%是通過門窗部位損失的，因此提高門窗的隔熱性能是有效降低能源消耗的重要手段。

北京市建筑門窗的傳熱系數從2000年的2.8W/(m2·K）到2021年的北京市地方標準DB11/891—20201.1W/(m2·K），歷經20年的時間。而按照2020年4月1日開始執行的北京市地方標準，DB11/T1665—2019《超低能耗居住建筑設計標準》，超低能耗建筑大于60平方米的住宅年均供熱能耗小于10W～15W；年均耗冷量小于18W。按照這一要求，鋁合金窗的隔熱值必須小于等于1.1W/(m2·K），才能基本滿足超低能耗建筑物隔熱性能的要求。

本文研究的主題，是如何研究開發符合超低能耗建筑要求的超低能耗隔熱鋁合金門窗，從材料設計、材料選擇、加工工藝、玻璃選擇、安裝工藝等出發，借助節能軟件的使用，使得超低能耗鋁合金窗在建筑物上有效的使用，并能夠持續有效的達到節能目標。

2 引言

鋁合金超低能耗隔熱窗的整體隔熱性能主要取決于以下五部分：鋁合金框架材料的性能、玻璃本身的隔熱性能、框架材料與玻璃裝配間的隔熱配置、鋁合金隔熱窗戶的組裝工藝以及鋁合金隔熱窗的現場安裝工藝。本文將分別對這五部分內容進行詳細分析，闡述這五部分內容之間的關系，以期使超低能耗窗戶的綜合性能能夠在超低能耗建筑物中發揮持久的作用，充分實現建筑物的超低能耗。

鋁合金窗的整體基本性能主要為五大類：即抗風壓性能、氣密性能、水密性能、保溫隔熱性能和隔聲性能。這五大性能整體優秀，綜合性能才能夠達到最優。相反，如果某項性能達不優秀，窗戶的整體也無法達到最優化。所謂“木桶效應”整體性能的優化程度，取決于最低的那塊板。

本文在此做出如下假設，窗戶的五大性能中，除隔熱性能外，其他性能都是能夠處于最優化的狀態。同時，本文主要以穿條式隔熱窗為例，闡述窗戶的隔熱性能。

3 框架材料的隔熱性能

穿條式隔熱框架材料主要由有三部分組成，內外為帶空腔的鋁合金型材，中間為斷橋隔熱區域。按照現行國家標準GB/T 23615.1—2017，隔熱條一般采用聚酰胺66（65%）+玻璃纖維（25%）材質組成的復合材料加工而成，俗稱尼龍66，其熱膨脹系數與鋁型材比較接近，同時，橫向抗拉強度達到80MPa。

表1 鋁合金型材的線膨脹系數和聚酰胺66的隔熱條線膨脹系數

4 超低能耗窗型材結構設計

斷橋隔熱型材的基本設計是三腔結構，內外兩層的鋁型材由中間層的斷熱隔熱條連接而成。而超低能耗的鋁型材，一方面考慮加大隔熱層的隔熱面積，另一方面，要采用泡沫填充材料填充隔熱層的腔體，以有效阻斷空氣對流造成的傳熱。

本文以112mm、90mm、75mm系列隔熱系統窗為例，說明框架材料的設計結構。

隔熱窗的框架架構，主要體現在兩種框架類型，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 112系列超隔熱外框及框扇

圖2 90系列超隔熱外框及框扇

圖3 75系列超隔熱外框及框扇組合結構

針對以上三種系統型材結構設計中隔熱層與金屬截面面積比見表格2。對比結果顯示，擴大隔熱層的面積、在隔熱區填充泡沫材料，可以有效降低熱傳導系數。

表2 三種系列窗框結構設計隔熱區與金屬區面積比

5 框架材料的傳熱系數計算結果

框架材料的隔熱值計算，可以按照JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》及歐洲標準ISO-EN-10077-2-2017及選用產品的具體參數進行計算，這里引用已經計算完成的結果展示如下，見表3。

表3 超低能耗玻璃的Ug值配置表

6 超低能耗窗玻璃的參數選擇

超低能耗的玻璃的隔熱值（Ug）一般要求達到0.5W/(m2·K）～0.75W/(m2·K）之間，因此，按照目前國內玻璃窗的玻璃配置，采用至少三層兩腔中空玻璃，雙層雙銀Low-E膜，同時，玻璃間隔條采用不銹鋼或PVC暖邊條，合成中空玻璃后，在中空玻璃內填充氬氣，以進一步降低隔熱值。

依據目前國內各大玻璃廠的研究情況，綜合如表4的玻璃配置及在各種熱輻射情況下的玻璃隔熱值，建議使用Ug小于0.7W/(m2·K）玻璃配置。

7 窗框與玻璃結合處的線傳熱系數Ψ

按照JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》中附錄B的要求，帶熱斷橋的金屬窗框，配置三層玻璃（兩層Low-E鍍膜中空玻璃），Ψ值取0.08W/(m2·K）。

8 整窗隔熱值計算

按照JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》3.3.1計算。

圖4 主要系列超隔熱外框及框扇組合隔熱值計算結果

（1）整窗隔熱值的計算，按照公式（1）進行：

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數，W/(m2·K）；

Ag——玻璃面積，m2；

Af——窗框面積，m2；

At——窗面積，m2；

Uf——窗框的傳熱系數，W/(m2·K）；

lΨ——玻璃區域的邊緣長度，m；

Ug——玻璃的傳熱系數，W/(m2·K）；

Ψ——窗框與窗玻璃之間的線傳熱系數，W/(m·K）。

（2）整窗的傳熱系數Ut計算案例

以本文所列75mm、90mm、112mm系列型材斷面，配置隔熱值Ug為0.6W/(m2·K）的玻璃進行整窗計算。標準窗型尺寸為1500mm×1500mm，計算過程及結果見圖5、圖6、圖7。

圖5 112系列標準窗隔熱值計算

圖6 90系列標準窗隔熱值計算

圖7 75系列標準窗隔熱值計算

針對這三種窗型結合所選玻璃，分別計算出標準窗型的整窗傳熱系數，112mm系列窗型傳熱系數Ut達到0.8W/(m2·K），90mm系列窗型傳熱系數Ut達到0.88W/(m2·K），而75mm系列窗型傳熱系數也達到0.97W/(m2·K）。上述三種窗型，從技術角度講均符合超低能耗建筑的需要。

9 超低能耗窗戶的組裝工藝

雖然選好了材料，但窗戶的加工工藝仍然至關重要，如果不能嚴格貫徹執行加工工藝，便不能持續有效的發揮門窗的使用性能。

窗戶在組裝加工過程中，應注意以下工藝方面的要點。

a)框料角度鋸切，必須切實保證如下數據的精準。

——鋸切長度公差：±0.2mm；

——角度：45°±；

——平面度：90°±。

b)45°組角采用帶有注膠導流板的組角件，以便在后續注膠后，雙組份膠能夠有效的密封型材端口（見圖8）。

圖8 窗組角件及注膠導流片

c)型材端口預先抹專用端面膠

圖9 45°組角前端面涂膠處理（專用組角膠）

d)組角之后，在端面膠基本干燥后（一般夏季24小時后）進行注膠工藝。使用雙組份金屬結構膠沿注膠孔向角部注膠，同時，保證膠已經注滿整個角部空腔。

圖10 雙組份組角膠的注膠工藝示意圖

e)注膠之后，將框體放置在平整的地上，并使用金屬卡蘭將每個角部完全卡住，放置24小時（夏季），冬季需要更長的時間（視溫度而定）。

圖11 卡蘭卡住注膠后的窗角，確保雙組份膠完全固化

f)中間密封膠條的安裝

中間密封膠條一般采用寬大的多腔三元乙丙優質膠條。一般情況下，為保證膠條安裝的穩定，在四個內角先安裝與之匹配的膠角，這樣不僅保證角部密封的穩固性，同時又能夠與膠條有機的連接，使得門窗的隔熱性能持久（見圖12）。

圖12 中間密封膠條及位置

圖13 中間密封膠條安裝工藝及方法

1 0 超低能耗窗戶的安裝工藝

10.1 窗戶安裝原則

窗戶如何安裝到建筑物上有多種選擇，作為超低能耗建筑的關鍵組成部分，窗戶安裝需要遵循如下規則：

a)窗戶的隔熱等溫線要與墻體及外保溫的等溫線保持基本一致。否則，在安裝處會產生冷橋，造成結露或發霉等問題。

b)窗戶安裝后，窗框與墻體的外側要安裝防水透氣膜，而窗框與墻體的內側應安裝防水不透氣膜，這樣，在冬季內外溫差大時，產生的冷凝水能夠蒸發掉，而不是留在窗框與墻體之間，避免冷凝水不能排出，否則，久而久之會造成墻體腐蝕和發霉等現象。

10.2 窗戶的四種安裝位置

窗戶安裝位置見圖14。

a)居墻體中間安裝，外墻保溫層未能包覆門窗窗框。這種方式明顯的看到，連接部位的等溫線已經進入到室內，這樣容易造成窗框內側結露、發霉等現象。

b)居墻體中間安裝，外墻保溫層包覆窗框。這種方式略微有利于等溫線的外移，但仍然會出現結露現象。

c)居墻體外側安裝，保溫層包覆窗框。這種安裝方式對等溫層的前移有了很大的改善，但與墻體的保溫相比，等溫線仍然處于墻體之內，保溫效用并不是最高。

d)居于墻體之外安裝（外掛式安裝）。這種方案非常有利與溫度的均衡，可以看到，窗戶的等溫線與墻體的等溫線幾乎在一個平面內，這樣的保溫效用是最高的。超低能耗窗戶建議優先選擇這種方式。

10.3 窗戶外掛式安裝節點圖

附框采用PVC絕熱型材，有效減少了冷橋；采用內防水不透氣膜，外防水透氣膜與結構連接，實現連接結構內的干燥和透氣。窗戶完全安裝于墻體外側，實現墻體，窗戶等溫線基本保持一致。

1 1 超低能耗窗戶在實際項目中的應用案例

（1）案例一：巴基斯坦愛克林工業廠房項目，總項目共2000m2超低能耗窗戶，采用112mm系列超隔熱斷橋鋁窗，平均傳熱系數為0.69W/(m2·K）。項目于2018年3月完工。（附件3：愛克林廠房典型窗戶節點圖）。

（2）案例二：北京麗京花園私人別墅項目，總項目門窗面積350m2，采用90mm系列超隔熱斷橋鋁門窗，平均傳熱系數為0.83W/(m2·K）。該項目于2018年8月完工。（附件3：麗京花園典型窗戶節點圖）。

1 2 結論

超低能耗窗戶是超低能耗建筑的重要組成部分，窗戶整體傳熱系數小于1.1W/(m2·K），必須從型材隔熱結構設計、隔熱玻璃選擇、加工工藝、安裝工藝等方面進行深入研究，制定切實可行的規范，約束企業的生產加工和安裝，最終實現整窗與建筑物有機的結合，實現可持續的節能以及使能源發揮其最大的效能。

隨著國家節能政策的不斷深入貫徹實施，鋁門窗市場將迎來重新洗牌，超低能耗鋁窗符合國家產業政策，將會迎來巨大的市場機遇。

按照北京市頒布的地方標準DB11/891—2020《居住建筑節能設計標準》，外窗的傳熱系數要求必須低于1.1W/(m2·K），此標準將于2021年1月1日開始實施；

北京市于2019年10月頒布的DB11/T1665—2019《超低能耗居住建筑設計標準》已于2020年4月1日開始實施。其中外窗的傳熱系數被限定在1.1W/(m2·K）以內。

1 3 建議

國內鋁門窗缺乏系統化研究、系統化發展。門窗的系統化是指門窗從設計、研究、開發、材料供應、加工工藝、加工設備、安裝服務、售后服務等一整套的規范、規則的運行。而目前的國內市場是紛繁復雜，各自為政。研究開發傳熱系數小于1.0W/(m2·K）的框架材料并不難，難度在于無法將各種材料有機的結合，如五金配件、膠條、其他加工工藝和加工設備的研究。這就直接導致最終交付到建筑物的門窗是否能夠持久耐用，能夠持久的節能。

我國的門窗行業標準缺乏門窗系統化指導導向。門窗橫向標準是指涉及眾多不同材料的組合，鋁型材、五金配件、膠條、其他材料的輔件、玻璃等等。通過門窗橫向標準的制定和實施，規范企業設計，研發新產品所要遵循的規則，進一步提高產品的質量水平。

附件1：窗型節點圖