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      60系列外平開隔熱鋁合金型材窗的開發與應用

      時間:2012-10-14 09:20來源:山東鋁材網 作者:www.www.hnjkscl.com 點擊:
      1. 研究背景 隨著國家建筑節能政策的實施,人們充分認識到建筑節能的重要性。透光門窗建筑構件是建筑外圍護結構中熱工性能最薄
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      1. 研究背景

        隨著國家建筑節能政策的實施,人們充分認識到建筑節能的重要性。透光門窗建筑構件是建筑外圍護結構中熱工性能最薄弱的環節,透光建筑構件的能耗,在整個建筑物能耗中占有相當大的比例。由于建筑能耗約占全國總能耗中的25%,為此,我國已把建筑節能列為國家可持續發展的重要工作,相繼制訂和頒布了一系列建筑節能方面的技術標準,在這些標準中,對建筑外窗的節能技術參數提出了明確的要求。2006年,為引導、規范和促進我國建筑外窗的研究、開發、生產與應用,圍繞我國發展環境友好型建筑材料與產品必須解決的突出問題,瞄準國際前沿,結合我國實際和潛在巨大的市場需求,國家科技部把“典型地區用建筑外窗系統研究開發”,列入了“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“環境友好型建筑材料與產品研究開發”當中。在這一背景下,我公司承擔了“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“環境友好型建筑材料與產品研究開發”項目中子課題“夏熱冬暖地區用的建筑外窗系統的研發”任務。

        本課題的研發工作從2007年5月開始至2010年7月結束,經歷了項目前期的各項技術環境與市場調研和用料選擇的調研,單元型材的研發設計,門窗節點結構設計研究與試驗及最終產品試制,技術性能指標測試,實施應用研究的工業性試驗和產業化應用等過程,F將本項技術工作扼要概括如下。

       

      2. 研發方向及技術方法

        夏熱冬暖地區,即通常所謂的華南地區,是《民用建筑熱工設計規范》GB50176-93(以下簡稱《熱工規范》規定的熱工設計分區之一,屬于我國《建筑氣候區劃標準》GB50178-93規定的第Ⅳ建筑氣候區。這一地區位于我國南部,包括海南、臺灣全境;福建南部;廣東、廣西大部以及云南西南部和元江河谷地區,北回歸線橫貫其北部,屬地理學中南亞熱帶至熱帶氣候。該區長夏無冬,溫高濕重,氣溫年較差和日較差均小,這一地區的最冷月(1月)平均氣溫高于10℃,最熱月(7月)平均氣溫25~29℃,極端最高氣溫一般低于40℃,年日平均氣溫≥25℃的日數為100~200天,年平均相對濕度為80%。這一地區的雨量充沛,是我國降水量最多的地區,多熱帶風暴和臺風襲擊,常有大風暴雨天氣;太陽高度角大,日照較少,太陽輻射強烈。  對夏熱冬暖地區建筑的基本要求是:建筑物必須充分滿足夏季防熱、通風、防雨要求,冬季寒冷天數少,可不考慮防寒、保溫。

        為適應夏熱冬暖地區的氣候特征,開發適用于夏熱冬暖地區建筑門窗新系統產品,門窗必須具有良好的氣密性、水密性能、保溫性能和遮陽性能。根據《公共建筑節能設計標準》規定,在夏熱冬暖地區要根據窗墻面積比,對窗(包括透明幕墻)的傳熱系數K值,從≤6.5 W/m2·K至≤3.0 W/m2·K;對非透明幕墻的傳熱系數K值應≤1.5 W/m2·K,同時對遮陽系數Sc從≤0.6至≤0.35 。因此,我們將要開發適合夏熱冬暖地區用的建筑外窗系統性能確定為: 保溫性能達到5級(3.0>K≥2.5)、 遮陽性能達到7級(Sc≤0.2) 。

        開發新系統產品必須考慮材料的選用、型材的合理設計、隔熱條的選擇、玻璃的選用、密封膠條的選用及搭配、加工工藝技術及五金配件的選擇等,我們首先從材料著手。

        2.1 材料的研究

       。1)框材

        門窗用材除鋁、鋼金屬材料外,還有PVC 、木材等。從材料本身考慮,以鋁型材制造的門窗具有強度高、重量輕、加工便利、外型美觀等優良特性。而且現在使用隔熱鋁型材制造的門窗,具有良好的隔熱性能,節能效果良好。隔熱鋁合金門窗在生產過程中不僅不會產生有害物質,而且完全可以做到資源回收再利用,能耗僅相當于原鋁生產的5%,且鋁金屬的回收率高,每循環一次損耗為1.5%~3.0%,對資源利用和環境保護有著重要意義。它完全符合綠色環保要求,實現可持續發展的要求,是新型的綠色建材門窗產品材料的首選。因此,本項目經詳細分析研究,拋棄有損環境、缺點較多的木材、鋼材和塑料材質等,采用了性能優異的隔熱鋁合金型材作為門窗的主體材料。

       。2)玻璃
        門窗玻璃的熱損失是建筑物能耗的主要部分,占建筑物能耗的50%以上。經有關研究的文獻資料表明,玻璃內表面的傳熱以輻射為主,占58%,減少通過玻璃進入室內的太陽輻射熱是主要手段。抓住輻射量控制的關鍵問題, 就意味著要從改變玻璃的性能來減少熱能的損失,最有效的方法是抑制其內表面的輻射。普通浮法玻璃的輻射率高達0.84,當鍍上一層以銀為基礎的低輻射薄膜后,其輻射率可降至0.1以下。因此,研究決定采用Low-E 玻璃。Low-E玻璃又稱低輻射玻璃,是在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產品。其鍍膜層具有對可見光高透過及對遠紅外線高反射的特性,用Low-E玻璃制造的建筑物門窗,可大大降低因輻射而造成的室內熱能向室外的傳遞,達到理想的節能效果。Low-E玻璃良好的光學性能對太陽光中可見光有高的透射比,可達80%以上,而反射比則很低,這使其與傳統的鍍膜玻璃相比,光學性能大為改觀。從室外觀看,外觀更透明、清晰,即保證了建筑物良好的采光,又避免了以往大面積玻璃幕墻、中空玻璃門窗光反射所造成嚴重的光污染現象,可解決和營造出更為柔和、舒適的光環境。
      
      
      
      
      
      
      
      
       。3)密封材料
        密封材料的質量,直接影響門窗的密封性能和水密性能。目前在全球的建筑密封條材料中,大致可分為三種材料,第一種材料是三元乙丙橡膠,英文簡稱EPDM;第二種是硅橡膠;第三種橡膠是氯丁橡膠。三元乙丙橡膠的性價比高,它的壽命是非常長的,普遍運用于作汽車的密封條。這種材料在一般緯度下面的耐高溫和耐低溫都是非常優秀的,耐低溫可以到-40度左右,耐高溫一般可以達到120度。 三元乙丙橡膠的特點就是有很好的物理性能,關于第二種硅橡膠,硅橡膠最大的好處是它有優越的彈性,它這種彈性是天然的。所以說它的壓縮永久變形非常好,尤其是在開啟部分采用硅橡膠的話,他的彈性是保證非常好的。且硅橡膠的耐低溫和耐高溫也都是非常出色的,要比三元乙丙橡膠好。所以用在飛機上的密封條只有硅橡膠。但是硅橡膠的成本比三元乙丙橡膠高一倍左右。關于第三種氯丁橡膠,氯丁橡膠的加工很難,但是它與天然橡膠結合的相溶性非常好,這種材料不足之處是加工工藝難,以及它的比重大,同樣一個斷面尺寸的東西,它的數量會更少,因此生產成本高。綜合上述情況進行比較。我們選擇三元乙丙橡膠作為鋁合金門窗的密封材料是最適宜的。
       。4)五金配件
        五金配件是窗戶的心臟部件。直接關系到窗戶的開啟、關閉及性能。 所以,門窗的系統開發與門窗五金配件的選型或開發是緊密相連、相輔相成的。更重要的是門窗的風壓變形性、水密性、氣密性、保溫性、隔聲性、內變形性、啟閉性、垂直荷載、反復啟閉性能等都與五金系統有關,五金系統對門窗性能的優劣,起著決定性的作用。為此,我們在設計時考慮安裝鎖點及適合鉸鏈的槽口。既能使用進口五金配件,又能使用國產配件。能滿足不同層次的要求。目前采用歐洲標準配套槽口,市場占有率高的五金件大部分采用歐標20槽口,且在國內、外配套生產廠家多,使用者對于五金品牌的選擇多,適用范圍廣,通用性好。因此,我們覺得采用歐標20槽口是一個最合適的選擇。
      
      

        2.2 系統結構研究

        新材料選好后沒有相應的結構配合,新材料發揮的作用也就會有局限性。同樣的材料采用不同的結構,在性能上相差是很大的。根據夏熱冬暖地區的建筑氣候特點,建筑外窗首先要滿足抗風壓強度和雨水密封性能,以確;镜陌踩。其次是采光、隔熱、節能和隔聲性,維修更換的方便性與安全性,作為安全,特別是對高層建筑尤為重要,另外是產品的經濟性。我們的研究設計思路是采用多腔結構設計。由多道密封膠條組成。在結構上形成氣密腔和水密腔。與現在的平開窗結構相比我們的設計多了一個腔。這個腔的作用是將室外的雨水隔離, 合理分離水汽腔,成功實現氣水等壓平衡,能顯著提高門窗的水密性和氣密性。利用壓力平衡原理設計,有結構排水系統,設排水口,使排水暢通,水密性更好。

       

        2.3 遮陽裝置

        遮陽結構有外遮陽和內遮陽兩種。裝在外側的遮陽結構可以輕易遮去68%的太陽輻射熱,吸收的輻射熱大部分散發到室外的空氣中,從而減輕了對室內溫度的影響。因此,采用外遮陽是比較好的建筑節能方法,但簡單的外遮陽會帶來建筑外觀和清潔等問題;顒邮酵庹陉栐O施裝置造價較高,對居住建筑來說外觀也不合適;內遮陽中有一種是采用百葉中空玻璃的,它的結構是將百葉安裝在中空玻璃的兩片玻璃之間。通過磁力控制百葉片翻轉和升降,從而達到遮陽和隔熱效果。百葉在中空玻璃內起到對熱輻射的反射和屏蔽作用,實現能阻隔大部分的輻射傳熱。并能阻擋中空玻璃內氣流通過對流的傳熱。同時,百葉在中空玻璃內也解決了清潔維護問題。因此其良好節能調光功能,能較好地兼顧一年四季各種不同氣候條件。我們通過對比分析研究,設計選擇了采用百葉中空玻璃這一集隔熱、保溫、裝飾性于一體的結構,適合廣大地區使用的遮陽技術裝置。

       

      3. 主要技術難點和解決途徑

        時尚新門窗系統的技術難點是采用多腔結構設計,如何合理布置三道密封膠條,實現真正等壓平衡。

        在此,我們借鑒了歐美成熟的內開窗設計理念。

        決定在內外框雙道密封膠條的中間增加一道等壓膠條。這一等壓膠條應如何設置是這一課題的技術難點。增加等壓膠條可裝在窗框上,也可裝在窗扇上兩種方式。通過試驗和測試,等壓膠條裝在窗框上的方案存在有窗扇不能正常開啟、開啟角度太小或節能效果較差等缺陷。因此,這一設計不是一個完美的結構。通過綜合分析各類方案的優缺點,我們研究設計出了一個全新的方案,具體如下圖1所示。

      圖1  新系統結構示意圖

        新結構方案中摩擦鉸鏈和五金通道都在隔熱條內側,沒有形成人為的冷橋。為解決開啟角度的問題。我們的創新點是室外側密封結構不在采用窗扇壓合到窗框上的密封形式。而是采用了在窗框和窗扇都設置密封膠條,通過密封條相互壓合密封。這樣既解決了密封問題也解決了開啟角度的問題。新結構方案采用扇轉換的形式。這種結構能滿足現在流行的大固定小開啟的窗型結構。且節約用料,F在通過轉換料和新的密封結構形成的水密腔,集水槽深度為26 mm,排水落差遠大于現有結構的外開窗。使門窗的排水壓力差進一步增大,排水更加順暢。由于中間的密封結構形成了氣密室和水密室的隔離,門窗組裝時,在門窗下部開設排水孔,上部開設氣壓平衡孔。實現了水密室和外界氣壓平衡。保障了雨水不會因為壓力差進入室內,消除了雨水對窗的滲透。

       

      4. 檢測結果和測試數據分析

        經過多次研究設計和修改后,產品在廣東省建筑科學研究院對堅美Vogue(時尚)門窗系統-遮陽型60系列外平開斷熱鋁合金窗進行了檢測。測試的結果如下表1所示。

      表1  遮陽型60系列外平開隔熱鋁合金窗性能指標

      項  目

      檢測結果

      單項評定

      氣密性

      正壓、負壓均達國標8級

      水密性

      △=467Pa

      國標4級

      抗風壓

      P3=5023Pa

      國標9級

      百葉全伸展

      K=2.88w/(m2·k)

      國標5級

      百葉全收回

      K=3.14 w/(m2·k)

      國標4級

      百葉全伸展

      SC=0.13

      國標7級

      百葉全收回

      SC=0.33

      國標5級

       

        由上表1的各項數據和性能指標顯示,均為合格優良狀態,這一結果表明,新系統的產品設計是比較理想的。

       

      5. 結論

        通過對時尚60系列外平開隔熱鋁合金窗的開發研究,本新系統設計的產品結構合理,產品符合低碳經濟,各項技術指標先進、性能優異,完全能夠滿足夏熱冬暖地區建筑外窗使用。

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