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建筑節能門窗及技術研究現狀

  • 2018-10-17

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摘要:門窗節能是建筑節能的重要環節,從門窗結構設計、關鍵材料、遮陽系統及熱模擬等方面介紹建筑節能門窗及技術的研究現狀,闡明了節能門窗結構、材料及相關技術的發展趨勢,分析了門窗-遮陽一體化技術、熱模擬技術等先進技術在節能門窗中的應用情況,提出了節能門窗的發展建議,為節能效果更佳、適用性更強、經濟性更好的節能門窗的研究開發提供參考。
關鍵詞:建筑節能;節能門窗;高檔門窗;遮陽系統
門窗作為建筑結構中不可缺少的部件,是室內與室外聯系的重要環節。要求門窗既滿足采光照明,又達到防曬遮陽;既滿足通風換氣,又實現防水隔聲,同時還需具有一定裝飾作用,以提高室內外視覺美感。門窗不僅是調節室內環境舒適度的關鍵工具,而且是促進建筑節能的重要途徑。節能門窗的提出和發展,賦予門窗新的內涵。
門窗結構及其開啟方式不僅對室內外裝飾效果和使用便捷性有重要意義,并且很大程度上影響門窗的保溫隔熱性。目前國內使用最廣泛的門窗結構為推拉窗、平開窗和固定窗。推拉窗無論在開、關狀態下均不占用額外的空間,并且生產工藝簡單、使用方便快捷,開窗面積為窗框總面積的 1/2,但無論采用哪種材料制作推拉窗,窗扇與窗框間不可避免存有一定的間隙,室內外冷熱空氣對流造成較大熱損失。為提高推拉窗隔熱性能,設計生產人員安裝和改進了密封毛條,但隨著時間的延長,在使用過程中,密封毛條表面磨損,空氣對流逐步加大,節能效果不斷降低。
針對推拉窗密封性差的缺點,李海洋[1]研究了塑料推拉窗的密封問題,分別分析了框與扇間、扇與扇間、紗扇與扇間的密封條的設計與選用。畢建光等[2]分析了無框推拉窗的應用前景,由于無框推拉窗省去窗扇的框結構,采用厚度較大的玻璃或雙層玻璃,通過特殊的粘貼工藝進行密封,具有采光性、密封性好的優點。
通過這種結構,可在一定程度上提高推拉窗的節能性能,但節能效果有限。為滿足更高氣密性要求,近來設計發明了平行推拉上懸窗,通過使用圖 2 所示的零件將門窗扇與門窗框連接起來,開啟時,門窗扇整體離開門窗框平面,通過上述特制零件在導軌內滑動,閉合時,整個門窗扇同時壓在框材上,借此提高推拉窗的氣密性,從而提升推拉窗的節能效果。
平開窗分內開、外開 2 種。窗扇與窗框之間均使用橡膠密封壓條,在窗扇關閉后緊壓橡膠密封壓條,門窗氣密性良好。固定窗通過密封處理后,很難形成空氣對流,具有很好的水密性和氣密性。因此,平開窗與固定窗的熱量損失主要是玻璃和框扇型材本身的熱傳導和輻射散熱。近年來,為進一步提升平開窗與固定窗保溫隔熱等節能性能,不斷改進原材料,選用熱導率低的門窗型材、較低輻射系數的玻璃系統及性能更加優秀的五金件和密封條是新型節能門窗制作的發展方向。胡慶華等[3]分析美式平開窗特點,與歐式平開窗開啟方式不同,美式平開窗一般采用搖窗器開啟,窗扇可以停留在任意位置。并且窗扇無把手,關窗時無需將手伸出窗外,因此可以安裝固定式紗窗扇,進一步提高門窗密封性能。孫波[4]分析了外開平開窗摩擦鉸鏈的受力情況,從窗扇位移、開啟角度、窗扇高度和寬度等方面研究摩擦鉸鏈受力,總結影響鉸鏈使用壽命的因素,以此提高平開窗使用年限。除以上幾種門窗結構外,上懸窗、平開上懸、旋轉窗和中懸窗等也是國內外比較常見的門窗結構。隨著設計水平的進步和使用需求的提高,多種門窗結構及開啟方式將不斷開發,以滿足不同的氣候及施工條件下各種節能建筑的需求。
塑鋼門窗是以聚氯乙烯(PVC)樹脂為主要原料,加上一定比例的穩定劑、著色劑、填充劑、紫外線吸收劑等,經擠出成型材,同時為增強型材的剛性,需在型材空腔內填加鋼襯。塑鋼門窗防火性能略差,燃燒時會有毒氣排放,在防火要求條件比較高的情況下,不適合使用。并且塑鋼門窗容易老化、變色、龜裂,影響使用壽命。針對塑鋼門窗的不足,黃國波[5]用馬來酸接枝順丁橡膠共混改性聚氯乙烯,并加入硬脂酸鋅,改性后的 PVC 復合型材斷裂強度比順丁橡膠/聚氯乙烯復合型材提高了 50%。此外,針對 PVC 材料阻燃性能和抗紫外線性能的提升,科研人員也進行了大量的研究。蘇虎[6]使用水滑石/錫酸鋅改性的PVC 材料,并研究其燃燒性能,研究發現采用水滑石制備PVC 復合材料,可提高 PVC 材料阻燃抑性能煙近 50%。除了改進塑料本身使用性能外,為進一步提高塑鋼門窗保溫性能,對塑鋼門窗型材設計和選材提出更高的要求。首先,增大型材厚度、壁厚及增加腔數。2010 年德國紐倫堡國際幕墻展覽會中展出的 8 腔 3 道密封膠的塑料型材, 通過增加腔室來分隔空氣層,如圖 3 所示。其次,采用發泡材料填充型材空腔。從而減少空氣對流,大幅提高門窗保溫性能。并且通過更換增強襯材降低型材傳熱能力。

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