超低能耗鋁合金窗隔熱性能分析

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(nèi)外極其關(guān)注的焦點(diǎn)，是關(guān)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(dá)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(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長，能源消耗成幾何數(shù)增長。作為能源消耗大國，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是需要不斷地通過技術(shù)進(jìn)步，降低能耗消費(fèi)來完成的。這不僅能改善健康居住條件，而且能夠節(jié)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)實(shí)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(shù)從2000年的2.8W/(m2·K）到2021年的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/891—20201.1W/(m2·K），歷經(jīng)20年的時間。而按照2020年4月1日開始執(zhí)行的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)，DB11/T1665—2019《超低能耗居住建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，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(fā)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(shè)計、材料選擇、加工工藝、玻璃選擇、安裝工藝等出發(fā)，借助節(jié)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(xù)有效的達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

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(xiàn)場安裝工藝。本文將分別對這五部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述這五部分內(nèi)容之間的關(guān)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(fā)揮持久的作用，充分實(shí)現(xiàn)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(fēng)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(yōu)秀，綜合性能才能夠達(dá)到最優(yōu)。相反，如果某項(xiàng)性能達(dá)不優(yōu)秀，窗戶的整體也無法達(dá)到最優(yōu)化。所謂“木桶效應(yīng)”整體性能的優(yōu)化程度，取決于最低的那塊板。

本文在此做出如下假設(shè)，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(yōu)化的狀態(tài)。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(nèi)外為帶空腔的鋁合金型材，中間為斷橋隔熱區(qū)域。按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23615.1—2017，隔熱條一般采用聚酰胺66（65%）+玻璃纖維（25%）材質(zhì)組成的復(fù)合材料加工而成，俗稱尼龍66，其熱膨脹系數(shù)與鋁型材比較接近，同時，橫向抗拉強(qiáng)度達(dá)到80MPa。

表1 鋁合金型材的線膨脹系數(shù)和聚酰胺66的隔熱條線膨脹系數(shù)

4 超低能耗窗型材結(jié)構(gòu)設(shè)計

斷橋隔熱型材的基本設(shè)計是三腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(tǒng)窗為例，說明框架材料的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

隔熱窗的框架架構(gòu)，主要體現(xiàn)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(jié)構(gòu)

針對以上三種系統(tǒng)型材結(jié)構(gòu)設(shè)計中隔熱層與金屬截面面積比見表格2。對比結(jié)果顯示，擴(kuò)大隔熱層的面積、在隔熱區(qū)填充泡沫材料，可以有效降低熱傳導(dǎo)系數(shù)。

表2 三種系列窗框結(jié)構(gòu)設(shè)計隔熱區(qū)與金屬區(qū)面積比

5 框架材料的傳熱系數(shù)計算結(jié)果

框架材料的隔熱值計算，可以按照J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》及歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO-EN-10077-2-2017及選用產(chǎn)品的具體參數(shù)進(jìn)行計算，這里引用已經(jīng)計算完成的結(jié)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(shù)選擇

超低能耗的玻璃的隔熱值（Ug）一般要求達(dá)到0.5W/(m2·K）～0.75W/(m2·K）之間，因此，按照目前國內(nèi)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(nèi)填充氬氣，以進(jìn)一步降低隔熱值。

依據(jù)目前國內(nèi)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(jié)合處的線傳熱系數(shù)Ψ

按照J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)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J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)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(jié)果

（1）整窗隔熱值的計算，按照公式（1）進(jìn)行：

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數(shù)，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(shù)，W/(m2·K）；

lΨ——玻璃區(qū)域的邊緣長度，m；

Ug——玻璃的傳熱系數(shù)，W/(m2·K）；

Ψ——窗框與窗玻璃之間的線傳熱系數(shù)，W/(m·K）。

（2）整窗的傳熱系數(shù)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(jìn)行整窗計算。標(biāo)準(zhǔn)窗型尺寸為1500mm×1500mm，計算過程及結(jié)果見圖5、圖6、圖7。

圖5 112系列標(biāo)準(zhǔn)窗隔熱值計算

圖6 90系列標(biāo)準(zhǔn)窗隔熱值計算

圖7 75系列標(biāo)準(zhǔn)窗隔熱值計算

針對這三種窗型結(jié)合所選玻璃，分別計算出標(biāo)準(zhǔn)窗型的整窗傳熱系數(shù)，112mm系列窗型傳熱系數(shù)Ut達(dá)到0.8W/(m2·K），90mm系列窗型傳熱系數(shù)Ut達(dá)到0.88W/(m2·K），而75mm系列窗型傳熱系數(shù)也達(dá)到0.97W/(m2·K）。上述三種窗型，從技術(shù)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(guān)重要，如果不能嚴(yán)格貫徹執(zhí)行加工工藝，便不能持續(xù)有效的發(fā)揮門窗的使用性能。

窗戶在組裝加工過程中，應(yīng)注意以下工藝方面的要點(diǎn)。

a)框料角度鋸切，必須切實(shí)保證如下數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)。

——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(dǎo)流板的組角件，以便在后續(xù)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(dǎo)流片

c)型材端口預(yù)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(jìn)行注膠工藝。使用雙組份金屬結(jié)構(gòu)膠沿注膠孔向角部注膠，同時，保證膠已經(jīng)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(yōu)質(zhì)膠條。一般情況下，為保證膠條安裝的穩(wěn)定，在四個內(nèi)角先安裝與之匹配的膠角，這樣不僅保證角部密封的穩(wěn)固性，同時又能夠與膠條有機(jī)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(guān)鍵組成部分，窗戶安裝需要遵循如下規(guī)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(chǎn)生冷橋，造成結(jié)露或發(fā)霉等問題。

b)窗戶安裝后，窗框與墻體的外側(cè)要安裝防水透氣膜，而窗框與墻體的內(nèi)側(cè)應(yīng)安裝防水不透氣膜，這樣，在冬季內(nèi)外溫差大時，產(chǎn)生的冷凝水能夠蒸發(fā)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(fā)霉等現(xiàn)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(jīng)進(jìn)入到室內(nèi)，這樣容易造成窗框內(nèi)側(cè)結(jié)露、發(fā)霉等現(xiàn)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(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

c)居墻體外側(cè)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(nèi)，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(nèi)，這樣的保溫效用是最高的。超低能耗窗戶建議優(yōu)先選擇這種方式。

10.3 窗戶外掛式安裝節(jié)點(diǎn)圖

附框采用PVC絕熱型材，有效減少了冷橋；采用內(nèi)防水不透氣膜，外防水透氣膜與結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)內(nèi)的干燥和透氣。窗戶完全安裝于墻體外側(cè)，實(shí)現(xiàn)墻體，窗戶等溫線基本保持一致。

1 1 超低能耗窗戶在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用案例

（1）案例一：巴基斯坦愛克林工業(yè)廠房項(xiàng)目，總項(xiàng)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(shù)為0.69W/(m2·K）。項(xiàng)目于2018年3月完工。（附件3：愛克林廠房典型窗戶節(jié)點(diǎn)圖）。

（2）案例二：北京麗京花園私人別墅項(xiàng)目，總項(xiàng)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(shù)為0.83W/(m2·K）。該項(xiàng)目于2018年8月完工。（附件3：麗京花園典型窗戶節(jié)點(diǎn)圖）。

1 2 結(jié)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(shù)小于1.1W/(m2·K），必須從型材隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、隔熱玻璃選擇、加工工藝、安裝工藝等方面進(jìn)行深入研究，制定切實(shí)可行的規(guī)范，約束企業(yè)的生產(chǎn)加工和安裝，最終實(shí)現(xiàn)整窗與建筑物有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的節(jié)能以及使能源發(fā)揮其最大的效能。

隨著國家節(jié)能政策的不斷深入貫徹實(shí)施，鋁門窗市場將迎來重新洗牌，超低能耗鋁窗符合國家產(chǎn)業(yè)政策，將會迎來巨大的市場機(jī)遇。

按照北京市頒布的地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/891—2020《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，外窗的傳熱系數(shù)要求必須低于1.1W/(m2·K），此標(biāo)準(zhǔn)將于2021年1月1日開始實(shí)施；

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

1 3 建議

國內(nèi)鋁門窗缺乏系統(tǒng)化研究、系統(tǒng)化發(fā)展。門窗的系統(tǒng)化是指門窗從設(shè)計、研究、開發(fā)、材料供應(yīng)、加工工藝、加工設(shè)備、安裝服務(wù)、售后服務(wù)等一整套的規(guī)范、規(guī)則的運(yùn)行。而目前的國內(nèi)市場是紛繁復(fù)雜，各自為政。研究開發(fā)傳熱系數(shù)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(jī)的結(jié)合，如五金配件、膠條、其他加工工藝和加工設(shè)備的研究。這就直接導(dǎo)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(jié)能。

我國的門窗行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏門窗系統(tǒng)化指導(dǎo)導(dǎo)向。門窗橫向標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，規(guī)范企業(yè)設(shè)計，研發(fā)新產(chǎn)品所要遵循的規(guī)則，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

附件1：窗型節(jié)點(diǎn)圖

圖17 90系列標(biāo)準(zhǔn)窗型節(jié)點(diǎn)圖

圖18 75系列標(biāo)準(zhǔn)窗型節(jié)點(diǎn)圖

附件2：窗型節(jié)點(diǎn)圖整窗隔熱值軟件計算報告（采用旭格Schucal 2019版）

圖19 AWS112IC整窗隔熱計算值

縱觀我國鋁門窗發(fā)展歷程，行業(yè)發(fā)展比較松散，行業(yè)處于分散性市場，企業(yè)各自發(fā)展，缺乏對鋁門窗整體系統(tǒng)性的研究，導(dǎo)致門窗市場研發(fā)、加工生產(chǎn)、安裝等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)能力比較弱，產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量與設(shè)計目標(biāo)嚴(yán)重脫節(jié)。

圖20 AWS90整窗隔熱計算值

圖21 AWS75整窗隔熱值

附件3：項(xiàng)目案例

圖22 巴基斯坦愛克林廠房112系列窗節(jié)點(diǎn)圖

圖23 北京麗京花園某別墅90系列窗節(jié)點(diǎn)圖