时尚60系列外平开隔热铝合金窗研发与应用

1. 研究背景
　　随着国家建筑节能政策的实施，人们充分认识到建筑节能的重要性。透光门窗建筑构件是建筑外围护结构中热工性能最薄弱的环节，透光建筑构件的能耗，在整个建筑物能耗中占有相当大的比例。由于建筑能耗约占全国总能耗中的25％，为此，我国已把建筑节能列为国家可持续发展的重要工作，相继制订和颁布了一系列建筑节能方面的技术标准，在这些标准中，对建筑外窗的节能技术参数提出了明确的要求。2006年，为引导、规范和促进我国建筑外窗的研究、开发、生产与应用，围绕我国发展环境友好型建筑材料与产品必须解决的突出问题，瞄准国际前沿，结合我国实际和潜在巨大的市场需求，国家科技部把“典型地区用建筑外窗系统研究开发”，列入了“十一五”国家科技支撑计划重点项目“环境友好型建筑材料与产品研究开发”当中。在这一背景下，我公司承担了“十一五”国家科技支撑计划重点项目“环境友好型建筑材料与产品研究开发”项目中子课题“夏热冬暖地区用的建筑外窗系统的研发”任务。
　　本课题的研发工作从2007年5月开始至2010年7月结束,经历了项目前期的各项技术环境与市场调研和用料选择的调研，单元型材的研发设计，门窗节点结构设计研究与试验及最终产品试制,技术性能指标测试，实施应用研究的工业性试验和产业化应用等过程。现将本项技术工作扼要概括如下。
　　2. 研发方向及技术方法
　　夏热冬暖地区，即通常所谓的华南地区，是《民用建筑热工设计规范》GB50176-93（以下简称《热工规范》规定的热工设计分区之一，属于我国《建筑气候区划标准》GB50178-93规定的第Ⅳ建筑气候区。这一地区位于我国南部，包括海南、台湾全境；福建南部；广东、广西大部以及云南西南部和元江河谷地区，北回归线横贯其北部，属地理学中南亚热带至热带气候。该区长夏无冬，温高湿重，气温年较差和日较差均小，这一地区的最冷月（1月）平均气温高于10℃，最热月（7月）平均气温25～29℃，极端最高气温一般低于40℃，年日平均气温≥25℃的日数为100～200天，年平均相对湿度为80%。这一地区的雨量充沛，是我国降水量最多的地区，多热带风暴和台风袭击，常有大风暴雨天气；太阳高度角大，日照较少，太阳辐射强烈。 对夏热冬暖地区建筑的基本要求是：建筑物必须充分满足夏季防热、通风、防雨要求，冬季寒冷天数少，可不考虑防寒、保温。
　　为适应夏热冬暖地区的气候特征，开发适用于夏热冬暖地区建筑门窗新系统产品，门窗必须具有良好的气密性、水密性能、保温性能和遮阳性能。根据《公共建筑节能设计标准》规定，在夏热冬暖地区要根据窗墙面积比，对窗(包括透明幕墙)的传热系数K值，从≤6.5 W/m2·K至≤3.0 W/m2·K;对非透明幕墙的传热系数K值应≤1.5 W/m2·K，同时对遮阳系数Sc从≤0.6至≤0.35 。因此，我们将要开发适合夏热冬暖地区用的建筑外窗系统性能确定为: 保温性能达到5级(3.0＞K≥2.5)、 遮阳性能达到7级(Sc≤0.2) 。
　　开发新系统产品必须考虑材料的选用、型材的合理设计、隔热条的选择、玻璃的选用、密封胶条的选用及搭配、加工工艺技术及五金配件的选择等，我们首先从材料着手。
　　2.1 材料的研究
　　（1）框材
　　门窗用材除铝、钢金属材料外，还有PVC 、木材等。从材料本身考虑,以铝型材制造的门窗具有强度高、重量轻、加工便利、外型美观等优良特性。而且现在使用隔热铝型材制造的门窗，具有良好的隔热性能，节能效果良好。隔热铝合金门窗在生产过程中不仅不会产生有害物质，而且完全可以做到资源回收再利用，能耗仅相当于原铝生产的5%，且铝金属的回收率高，每循环一次损耗为1.5％～3.0%，对资源利用和环境保护有着重要意义。它完全符合绿色环保要求，实现可持续发展的要求，是新型的绿色建材门窗产品材料的首选。因此，本项目经详细分析研究，抛弃有损环境、缺点较多的木材、钢材和塑料材质等，采用了性能优异的隔热铝合金型材作为门窗的主体材料。
　　（2）玻璃
　　门窗玻璃的热损失是建筑物能耗的主要部分，占建筑物能耗的50%以上。经有关研究的文献资料表明，玻璃内表面的传热以辐射为主，占58%，减少通过玻璃进入室内的太阳辐射热是主要手段。抓住辐射量控制的关键问题， 就意味着要从改变玻璃的性能来减少热能的损失，最有效的方法是抑制其内表面的辐射。普通浮法玻璃的辐射率高达0.84，当镀上一层以银为基础的低辐射薄膜后，其辐射率可降至0.1以下。因此，研究决定采用Low-E 玻璃。Low-E玻璃又称低辐射玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品。其镀膜层具有对可见光高透过及对远红外线高反射的特性，用Low-E玻璃制造的建筑物门窗，可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递，达到理想的节能效果。Low-E玻璃良好的光学性能对太阳光中可见光有高的透射比，可达80%以上，而反射比则很低，这使其与传统的镀膜玻璃相比，光学性能大为改观。从室外观看，外观更透明、清晰，即保证了建筑物良好的采光，又避免了以往大面积玻璃幕墙、中空玻璃门窗光反射所造成严重的光污染现象，可解决和营造出更为柔和、舒适的光环境。
　　（3）密封材料
　　密封材料的质量,直接影响门窗的密封性能和水密性能。目前在全球的建筑密封条材料中，大致可分为三种材料，第一种材料是三元乙丙橡胶，英文简称EPDM；第二种是硅橡胶；第三种橡胶是氯丁橡胶。三元乙丙橡胶的性价比高，它的寿命是非常长的，普遍运用于作汽车的密封条。这种材料在一般纬度下面的耐高温和耐低温都是非常优秀的，耐低温可以到-40度左右，耐高温一般可以达到120度。 三元乙丙橡胶的特点就是有很好的物理性能，关于第二种硅橡胶，硅橡胶最大的好处是它有优越的弹性，它这种弹性是天然的。所以说它的压缩永久变形非常好，尤其是在开启部分采用硅橡胶的话，他的弹性是保证非常好的。且硅橡胶的耐低温和耐高温也都是非常出色的，要比三元乙丙橡胶好。所以用在飞机上的密封条只有硅橡胶。但是硅橡胶的成本比三元乙丙橡胶高一倍左右。关于第三种氯丁橡胶，氯丁橡胶的加工很难，但是它与天然橡胶结合的相溶性非常好，这种材料不足之处是加工工艺难，以及它的比重大，同样一个断面尺寸的东西，它的数量会更少，因此生产成本高。综合上述情况进行比较。我们选择三元乙丙橡胶作为铝合金门窗的密封材料是最适宜的。
（4）五金配件
　　五金配件是窗户的心脏部件。直接关系到窗户的开启、关闭及性能。 所以，门窗的系统开发与门窗五金配件的选型或开发是紧密相连、相辅相成的。更重要的是门窗的风压变形性、水密性、气密性、保温性、隔声性、内变形性、启闭性、垂直荷载、反复启闭性能等都与五金系统有关，五金系统对门窗性能的优劣，起着决定性的作用。为此，我们在设计时考虑安装锁点及适合铰链的槽口。既能使用进口五金配件，又能使用国产配件。能满足不同层次的要求。目前采用欧洲标准配套槽口，市场占有率高的五金件大部分采用欧标20槽口，且在国内、外配套生产厂家多，使用者对于五金品牌的选择多，适用范围广，通用性好。因此，我们觉得采用欧标20槽口是一个最合适的选择。
　　2.2 系统结构研究
　　新材料选好后没有相应的结构配合,新材料发挥的作用也就会有局限性。同样的材料采用不同的结构,在性能上相差是很大的。根据夏热冬暖地区的建筑气候特点，建筑外窗首先要满足抗风压强度和雨水密封性能，以确保基本的安全性。其次是采光、隔热、节能和隔声性，维修更换的方便性与安全性，作为安全，特别是对高层建筑尤为重要，另外是产品的经济性。我们的研究设计思路是采用多腔结构设计。由多道密封胶条组成。在结构上形成气密腔和水密腔。与现在的平开窗结构相比我们的设计多了一个腔。这个腔的作用是将室外的雨水隔离, 合理分离水汽腔，成功实现气水等压平衡，能显著提高门窗的水密性和气密性。利用压力平衡原理设计，有结构排水系统，设排水口，使排水畅通，水密性更好。
　　2.3 遮阳装置
　　遮阳结构有外遮阳和内遮阳两种。装在外侧的遮阳结构可以轻易遮去68%的太阳辐射热,吸收的辐射热大部分散发到室外的空气中,从而减轻了对室内温度的影响。因此，采用外遮阳是比较好的建筑节能方法，但简单的外遮阳会带来建筑外观和清洁等问题。活动式外遮阳设施装置造价较高，对居住建筑来说外观也不合适；内遮阳中有一种是采用百叶中空玻璃的，它的结构是将百叶安装在中空玻璃的两片玻璃之间。通过磁力控制百叶片翻转和升降，从而达到遮阳和隔热效果。百叶在中空玻璃内起到对热辐射的反射和屏蔽作用，实现能阻隔大部分的辐射传热。并能阻挡中空玻璃内气流通过对流的传热。同时，百叶在中空玻璃内也解决了清洁维护问题。因此其良好节能调光功能,能较好地兼顾一年四季各种不同气候条件。我们通过对比分析研究，设计选择了采用百叶中空玻璃这一集隔热、保温、装饰性于一体的结构，适合广大地区使用的遮阳技术装置。
　　3. 主要技术难点和解决途径
　　时尚新门窗系统的技术难点是采用多腔结构设计,如何合理布置三道密封胶条,实现真正等压平衡。
　　在此，我们借鉴了欧美成熟的内开窗设计理念。
　　决定在内外框双道密封胶条的中间增加一道等压胶条。这一等压胶条应如何设置是这一课题的技术难点。增加等压胶条可装在窗框上，也可装在窗扇上两种方式。通过试验和测试，等压胶条装在窗框上的方案存在有窗扇不能正常开启、开启角度太小或节能效果较差等缺陷。因此，这一设计不是一个完美的结构。通过综合分析各类方案的优缺点，我们研究设计出了一个全新的方案，具体如下图1所示。

　　新结构方案中摩擦铰链和五金通道都在隔热条内侧，没有形成人为的冷桥。为解决开启角度的问题。我们的创新点是室外侧密封结构不在采用窗扇压合到窗框上的密封形式。而是采用了在窗框和窗扇都设置密封胶条，通过密封条相互压合密封。这样既解决了密封问题也解决了开启角度的问题。新结构方案采用扇转换的形式。这种结构能满足现在流行的大固定小开启的窗型结构。且节约用料。现在通过转换料和新的密封结构形成的水密腔，集水槽深度为26 mm，排水落差远大于现有结构的外开窗。使门窗的排水压力差进一步增大，排水更加顺畅。由于中间的密封结构形成了气密室和水密室的隔离，门窗组装时，在门窗下部开设排水孔，上部开设气压平衡孔。实现了水密室和外界气压平衡。保障了雨水不会因为压力差进入室内，消除了雨水对窗的渗透。
　　4. 检测结果和测试数据分析
　　经过多次研究设计和修改后，产品在广东省建筑科学研究院对坚美Vogue(时尚)门窗系统-遮阳型60系列外平开断热铝合金窗进行了检测。测试的结果如下表1所示

　　由上表1的各项数据和性能指标显示，均为合格优良状态，这一结果表明，新系统的产品设计是比较理想的。
　　5. 结论
　　通过对时尚60系列外平开隔热铝合金窗的开发研究，本新系统设计的产品结构合理，产品符合低碳经济，各项技术指标先进、性能优异，完全能够满足夏热冬暖地区建筑外窗使用。