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組合式彩鋼復合門窗技術特點及熱工性能分析

時間:2020-02-23
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一、彩鋼門窗概況

1、彩板門窗

彩板門窗是我國在20世紀八十年代,為尋求替代當時占整個建筑門窗市場70-80%的鋼門窗,從意大利引進的建筑門窗技術。彩板門窗是采用鍍鋅鋼板作基材,表面通過高溫輥涂工藝形成兩涂兩烘的聚酯類涂層,然后再通過冷彎成型工藝制作門窗型材。與其它門窗產品相比較彩板門窗產品制造的工藝具有相對先進性,首先,門窗框扇的裝配采用角連接件通過自攻螺釘與型材連接,解決了鋼門窗焊接造成的熱應力變形和質量缺陷,而且大大提高了裝配效率。其次,彩板門窗型材玻璃安裝槽口為預制槽口,在安裝玻璃時先用一條U型膠條將玻璃四方整體包裹,然后在氣動組裝機上對四根型材同時加壓,將玻璃壓進型材的玻璃槽口內,在將四角的組角件與型材連接,形成玻璃與框材緊密配合的門窗扇產品,增強了玻璃與框材之間的氣密性,因而具有較好的保溫隔熱效果。因此,1999年國家經貿委、建設部、國家質量監督總局和國家建材局聯合發文推廣新型節能彩板門窗。

2、鋼門窗發展趨勢

進入21世紀,節能環保和可持續發展的理念逐漸成為全人類的共識,在我國占能源總體消耗30%的建筑能耗,已經成為影響我國經濟持續發展越來越嚴峻的問題,國家和各級政府職能部門連續出臺了一系列的建筑節能法規、標準,強制推行建筑節能。建筑門窗的能耗占建筑總能耗的40~50%,而提高門窗的保溫隔熱性能既可較大地提高建筑的節能效果,又相對投資較少,因此,建筑門窗成為建筑節能中能起到“四兩撥千斤”效果的明智選擇,是建筑節能中最重要的環節之一。

在我國鋼質門窗由于框材的導熱系數較高,不利于節能,在市場中受到冷落,市場份額越來越少。與此同時,在歐美發達國家,鋼質門窗漸漸摒棄了簡單、粗燥的結構,向斷熱橋、鋼木、鋼塑等復合型材方向發展,制造出美觀、結實、節能和環保的鋼質門窗,在公共建筑、住宅建筑中得到廣泛的應用,在高檔建筑門窗市場占據了一席之地。

二、組合式彩鋼復合門窗

重慶華廈門窗有限責任公司,2006年向建設部申請了“節能彩鋼門窗”科技項目的立項,2007年成功開發出了組合式和灌注式彩鋼復合門窗,并形成批量生產能力,2008年1月經建設部科技司和重慶市建委組織專家驗收,獲得專家的肯定,一致同意驗收合格。2008年由重慶市建設技術發展中心和重慶華廈門窗有限責任公司共同主編了《節能彩鋼門窗建筑設計圖集》、《節能彩鋼門窗應用技術規程》為節能彩鋼門窗的推廣應用提供了依據。

(1)組合式彩鋼復合門窗的技術路線:

采用彩色涂層鋼板或不銹鋼板作基板,經過冷彎成型軋制成鋼型材構件;預制多腔室改性PVC塑料隔熱型材;然后通過加壓復合設備將鋼型材和塑料型材固結,形成既能隔斷熱輻射、又能阻斷熱傳導的斷熱橋彩鋼型材。門窗產品采用組角件冷鉚或自攻螺絲連接,角強度可靠性高。

(2)組合式彩鋼復合門窗的結構形式:

組合式彩鋼復合門窗型材為鋼+塑+鋼的斷面結構,鋼型材一方面通過結構與塑料型材嚙合,另一方面通過耐高低溫、耐候性能好,粘接強度高的軟體結構膠將鋼型材和塑料型材粘接牢固,是鋼型材對塑料型材的冷熱變形進行約束,可保證組合式彩鋼復合門窗型材在持續高溫或持續低溫條件下不產生橫向松動或縱向滑移。

門窗成品的玻璃槽口,采用口條的寬窄進行調整,可根據設計要求安裝6+9+6、6+12+6、6+9+5+9+6等雙層或三層空氣間隔的中空玻璃。玻璃使用扣條安裝,便于維修。

(3)組合式彩鋼復合門窗的技術特點:

型材采用鋼+塑+鋼斷面結構,型材的復合慣性矩、抗彎、強度等力學性能得到充分的發揮,大大高于相同斷面尺寸的斷橋鋁合金門窗型材和塑鋼門窗型材。

型材內外可視面可采用同色或雙色彩色涂層鋼板制作,也可采用不銹鋼板制作,具有很好的美觀性,同時克服了塑鋼門窗易老化和耐候性能較差的問題。

由于不需要在中間加鋼撐,隔熱塑料型材可以制作成多腔室,比普通單腔塑鋼門窗型材具有更低的傳熱系數,有利于提高門窗的保溫隔熱性能。

三、組合式彩鋼復合門窗的熱工分析

1、影響建筑門窗熱工性能的因素

影響門窗熱工性能的因素主要有以下幾個方面:

(1)玻璃:玻璃占建筑門窗的面積約70%-80%,因此,玻璃的傳熱性能是影響建筑門窗熱工性能的最主要因素,根據不斷提高的建筑節能要求,單層玻璃和普通雙層玻璃已逐漸退出市場。在玻璃的節能技術方面有中空玻璃、Low-E玻璃、低輻射玻璃、鍍膜玻璃、暖邊中空玻利等,由于考慮價格成本等經濟條件,目前市場上使用最多的是透明中空玻璃。中空玻璃的隔熱效果主要取決于空氣間隔層的厚度,一般有5+6a+5、5+9a+5、5+12a+5,或6+6a+6、6+9a+6、56+12a+6等。空氣間隔層厚度相應較大,則隔熱效果相應較好。如6+6a+6的透明中空玻璃,其透光折減系數Tr80%,遮陽系數Sc0.87,其傳熱系數K值為3.15;6+9a+6的透明中空玻璃,其透光折減系數Tr80%,遮陽系數Sc0.87,其傳熱系數K值為2.87;6+12a+6的透明中空玻璃,其透光折減系數Tr80%,遮陽系數Sc0.87,其傳熱系數K值為2.73(見建設部GJBT-947《建筑節能門窗》)。

(2)型材的傳熱系數

如果使用相同配置的玻璃,則不同的型材是影響建筑門窗節能的第二權重因素,建筑門窗的窗框比在0.2-0.3之間,即窗框所占面積為窗面積的20%-30%,斷熱橋鋁合金型材的傳熱系數在3.5左右,普通單腔室塑鋼門窗型材的傳熱系數在2.5左右,多腔室塑鋼窗型材的傳熱性能在1.4-2.0,而多腔室組合式彩鋼復合門窗型材的傳熱系數在1.6-2.0。如排除窗型、氣密性等因素,按窗框30%,玻璃70%的最簡單的權重估計,就能大致算出各種門窗的K值系數。

(3)建筑門窗氣密性

空氣的流動會造成冷熱空氣的能量交換,同樣建筑門窗的氣密性會影響其保溫隔熱效果,而氣密性取決于門窗框和扇之間、扇和玻璃之間的密閉性,密閉性能越好,在單位時間內通過空氣進行的冷熱能量交換的量就越少,從而建筑門窗的保溫隔熱性能節約好。實現門窗密閉性的主要途徑首先是保證型材不變形,保證框扇縫隙一致,其次是框扇型材的搭接量設計要合理,搭接量不夠會影響門窗的氣密性,再其次是應盡量形成多道密封。

(4)門窗的窗型:

在我國建筑門窗市場,使用最普遍的窗型主要有,平開窗、推拉窗、固定窗,以及上述三種窗型的組合。就不同窗型對建筑門窗熱工性能的影響來看,有以下特點:

平開窗由于其窗扇四周均能與窗框實現嚴密的搭接,氣密性好,有利于門窗的節能效果提高。此外,各種相關技術規范對平開門窗的尺度有所限制,使其有更合適的窗框比,對門窗型材穿熱系數低于玻璃的建筑門窗,有利于提高整體的保溫隔熱效果。

推拉窗由于其開啟方式不占用室內空間,所以受到很多用戶的喜愛,但是推拉窗窗扇上、下部位,與窗框的搭接的密閉結構,一直是一個未能很好解決的問題,使其整體氣密性能較平開窗差。

固定窗由于減少了窗扇型材,將玻璃直接固定在框材上,所以其氣密性在各種窗型種是最好的,但由于窗框比較小,還有無法開啟,因此很少能單獨使用,一般應與平開窗或推拉窗配合使用。

2、組合式彩鋼復合門窗的熱工性能因素

(1)型材:組合式彩鋼復合門窗的隔熱型材厚度平開窗為48mm、推拉窗為58mm,其橫斷面從內至外分為3個腔室,中間最大腔室兩內壁距離為15-25mm,門窗組裝后該腔室為密閉狀態,因此,空氣不會產生流動,有利于確保隔熱型材的隔熱效果。

(2)玻璃槽口:組合式彩鋼復合門窗型材橫向斷面尺寸較大,可通過選用不同規格的玻璃壓條,調整中空玻璃安裝槽口的距離,滿足不同節能需求的建筑門窗,對雙層、三層中空玻璃安裝的要求。

(3)窗框比:組合式彩鋼復合門窗的窗框比在25%-30%,低于塑鋼門窗,高于斷橋鋁合金門窗,在保證節能效果前提下,實現了美觀與經濟、節能與節材的平衡。

(4)搭接量:《鋼門窗》國家標準GB/T 20909-2007規定的門窗搭接量為:門≥6mm,窗≥4mm,組合式彩鋼復合門窗的搭接量為8mm-10mm,使用寬厚的密封膠條,可確保實現良好的門窗氣密性。

(5)型材的幾何尺寸:型材采用鋼+塑+鋼斷面結構,型材的復合慣性矩、抗彎、強度等力學性能優良,確保型材不變形、易于加工和幾何尺寸精準,為實現門窗的高氣密性提供了可靠的物質基礎。


3、組合式彩鋼復合門窗的K值計算舉例

(一)計算依據:

1、《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》JGJ26

2、《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ134

3、《民用建筑熱工設計規范》GB20176

4、《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程JGJ/T151

5、玻璃性能指標參照06J607-1《筑節能門窗

(二)計算窗型

1、窗型類型:單窗、(6+12A+6)中空玻璃

2、窗型代號:PC1200×1500 窗寬度1200mm、窗高度1500mm

3、型材系列:

4、門窗類型:復合斷橋平開鋼門窗型材

(三)窗型

(四)計算式

1)窗的面積尺寸

總面積:Aw=1.2×1.5=1.80

框架內側面積Afi

Afi =0.0911×1.1×2+0.152×1.1+0.0911×(1.2-0.0489×2)×2+0.0489×0.4×2+0.0502×(1.2-0.0489×2=0.663

框架外側面積Afe

Afe =0.0898×1.1+0.1494×1.1+0.0898×(1.2-0.0489×2+0.1085×(1.2-0.0489×2+0.0502×0.4×2+0.0489×(1.2-0.0302×2=0.578

框架內側表面積Adi

Adi =0.119×1.1×2+0.1952×1.1+0.119×(1.2-0.0489×2)×2+0.0621×0.4×2+0.0718×(1.2-0.0489×2=0.868

框架外側表面積Ade

Ade =0.1096×1.1+0.1759×1.1+0.1096×(1.2-0.0489×2+0.1283×(1.2-0.0489×2+0.0718×0.4×2+0.0621×(1.2-0.0302×2=0.70

玻璃板面積Ag

Ag=Aw - Afe=1.8-0.578=1.222

2)窗框架的傳熱阻Rf

Uf0 =2.5W/m2.K(查圖表所得)

Rf =1/( Uf0 -0.17)=1/(2.5-0.17)=0.43m2.K/W

3)窗框架的總傳熱系數Uf

Uf =1/(Rsi×Afi/ Adi)+ Rf+( Rse×Afe/ Ade)

=1/(0.114×0.663/0.868+0.43+0.043×0.578/0.7)

=1.8W/m2.K

4)窗的傳熱系數Uw

Uw= AgUg+AfUf + LgΨg/( Ag+ Af)

Lg—玻璃板可視周長=0.871×2+0.902×4+0.294×2+1.099×2=8.136m

Ug—玻璃板的傳熱系數(中空玻璃6+12A+6) 取值為2.73W/m2.K

Ψg—玻璃板和框架通過襯墊材料的線傳熱系數取值為0.06W/m2.K

Uw= AgUg+ AfUf +LgΨg/( Ag+ Af)

=(1.222×2.73+ 0.663×1.8+ 8.136×0.06)/1.222+0.663

=2.66W/m2.K

四、節能彩鋼門窗在建筑節能設計中的選用

(一)依據:節能彩鋼門窗的設計開發依據是現行國家的有關技術政策和技術標準、規范,主要有:

《鋼門窗》GB/T 20909

《民用建筑熱工設計規范》GB50176

《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134

《公共建筑節能設計標準》GB 50189

《公共建筑節能(綠色建筑)設計標準DBJ50-052-2006

《居住建筑節能65%(綠色建筑)設計標準DBJ50-071

(二)步驟:在設計選用時,可依據現行標準規范,按照以下步驟進行:

1、確定所設計工程項目的門窗立面及洞口尺寸。

2、根據工程所在地區的氣候和地質等條件、工程性質、建筑高度等,確定門窗的抗風壓性能、氣密性、水密性、隔聲性及采光性能等級。

3根據建筑體形系數、窗墻面積比,由JGJ134-2001《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》、GB 50189《公共建筑節能設計標準》或DBJ50-052《公共建筑節能(綠色建筑)設計標準》、DBJ50-071《居住建筑節能65%(綠色建筑)設計標準》中查到門窗的傳熱系數K值及遮陽系數Sc值,并對照相關附表確定門窗保溫等級。

4根據KSc值查本圖集門窗性能表、玻璃性能指標表,確定門窗框料、玻璃品種、層數及空氣間隔層的厚度。

(三)彩鋼門窗傳熱系數取值

1、單框非斷熱橋中空玻璃彩鋼門窗的傳熱系數取值可依照《重慶市居住建筑節能設計標準》DB50/5024-2002,附錄F“窗戶傳熱系數和空氣滲透性能”表,單框中空玻璃,空氣間隔層6mm,窗框面積比20-30%,其K值系數為3.1-3.3;單框中空玻璃,空氣間隔層9-12mm,窗框面積比20-30%,其K值系數為2.9-3.0

2、單框非斷熱橋中空玻璃平開彩鋼門窗的傳熱系數取值,可依照中華人民共和國建設部公告第659號,《建設部關于發布建設事業“十一五”推廣應用和限制禁止使用技術(第一批)的公告》附件1建設事業十一五推廣應用和限制禁止使用技術(第一批)推廣應用技術部分”。彩板型材腔內填充發泡聚氨酯中空玻璃平開窗傳熱系數K3.0W/·K)。

3、斷橋彩鋼門窗、復合彩鋼門窗的傳熱系數取值,可依照《民用建筑熱工設計規范》GB50176或《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程JGJ/T151計算型材的傳熱系數,在國家建筑標準設計圖集06J607-1《建筑節能門窗》或相關規范、標準中的“玻璃性能指標表”查詢,然后,按照《民用建筑熱工設計規范》、《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》等規定的計算方式,計算出門窗的傳熱系數。如,采用5+12a+5中空玻璃,按照上述計算方式計算,節能彩鋼門窗的傳熱系數計算值為:2.66W/m2.K,取值考慮5%的計算誤差,則2.66*1.05=2.793,按小數點后1位取整數為2.8

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