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组合式彩钢复合门窗技术特点及热工性能分析

时间:2020-02-23
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一、彩钢门窗概况

1、彩板门窗

彩板门窗是我国在20世纪八十年代,为寻求替代当时占整个建筑门窗市场70-80%的钢门窗,从意大利引进的建筑门窗技术。彩板门窗是采用镀锌钢板作基材,表面通过高温辊涂工艺形成两涂两烘的聚酯类涂层,然后再通过冷弯成型工艺制作门窗型材。与其它门窗产品相比较彩板门窗产品制造的工艺具有相对先进性,首先,门窗框扇的装配采用角连接件通过自攻螺钉与型材连接,解决了钢门窗焊接造成的热应力变形和质量缺陷,而且大大提高了装配效率。其次,彩板门窗型材玻璃安装槽口为预制槽口,在安装玻璃时先用一条U型胶条将玻璃四方整体包裹,然后在气动组装机上对四根型材同时加压,将玻璃压进型材的玻璃槽口内,在将四角的组角件与型材连接,形成玻璃与框材紧密配合的门窗扇产品,增强了玻璃与框材之间的气密性,因而具有较好的保温隔热效果。因此,1999年国家经贸委、建设部、国家质量监督总局和国家建材局联合发文推广新型节能彩板门窗。

2、钢门窗发展趋势

进入21世纪,节能环保和可持续发展的理念逐渐成为全人类的共识,在我国占能源总体消耗30%的建筑能耗,已经成为影响我国经济持续发展越来越严峻的问题,国家和各级政府职能部门连续出台了一系列的建筑节能法规、标准,强制推行建筑节能。建筑门窗的能耗占建筑总能耗的40~50%,而提高门窗的保温隔热性能既可较大地提高建筑的节能效果,又相对投资较少,因此,建筑门窗成为建筑节能中能起到“四两拨千斤”效果的明智选择,是建筑节能中最重要的环节之一。

在我国钢质门窗由于框材的导热系数较高,不利于节能,在市场中受到冷落,市场份额越来越少。与此同时,在欧美发达国家,钢质门窗渐渐摒弃了简单、粗燥的结构,向断热桥、钢木、钢塑等复合型材方向发展,制造出美观、结实、节能和环保的钢质门窗,在公共建筑、住宅建筑中得到广泛的应用,在高档建筑门窗市场占据了一席之地。

二、组合式彩钢复合门窗

重庆华厦门窗有限责任公司,2006年向建设部申请了“节能彩钢门窗”科技项目的立项,2007年成功开发出了组合式和灌注式彩钢复合门窗,并形成批量生产能力,2008年1月经建设部科技司和重庆市建委组织专家验收,获得专家的肯定,一致同意验收合格。2008年由重庆市建设技术发展中心和重庆华厦门窗有限责任公司共同主编了《节能彩钢门窗建筑设计图集》、《节能彩钢门窗应用技术规程》为节能彩钢门窗的推广应用提供了依据。

(1)组合式彩钢复合门窗的技术路线:

采用彩色涂层钢板或不锈钢板作基板,经过冷弯成型轧制成钢型材构件;预制多腔室改性PVC塑料隔热型材;然后通过加压复合设备将钢型材和塑料型材固结,形成既能隔断热辐射、又能阻断热传导的断热桥彩钢型材。门窗产品采用组角件冷铆或自攻螺丝连接,角强度可靠性高。

(2)组合式彩钢复合门窗的结构形式:

组合式彩钢复合门窗型材为钢+塑+钢的断面结构,钢型材一方面通过结构与塑料型材啮合,另一方面通过耐高低温、耐候性能好,粘接强度高的软体结构胶将钢型材和塑料型材粘接牢固,是钢型材对塑料型材的冷热变形进行约束,可保证组合式彩钢复合门窗型材在持续高温或持续低温条件下不产生横向松动或纵向滑移。

门窗成品的玻璃槽口,采用口条的宽窄进行调整,可根据设计要求安装6+9+6、6+12+6、6+9+5+9+6等双层或三层空气间隔的中空玻璃。玻璃使用扣条安装,便于维修。

(3)组合式彩钢复合门窗的技术特点:

型材采用钢+塑+钢断面结构,型材的复合惯性矩、抗弯、强度等力学性能得到充分的发挥,大大高于相同断面尺寸的断桥铝合金门窗型材和塑钢门窗型材。

型材内外可视面可采用同色或双色彩色涂层钢板制作,也可采用不锈钢板制作,具有很好的美观性,同时克服了塑钢门窗易老化和耐候性能较差的问题。

由于不需要在中间加钢撑,隔热塑料型材可以制作成多腔室,比普通单腔塑钢门窗型材具有更低的传热系数,有利于提高门窗的保温隔热性能。

三、组合式彩钢复合门窗的热工分析

1、影响建筑门窗热工性能的因素

影响门窗热工性能的因素主要有以下几个方面:

(1)玻璃:玻璃占建筑门窗的面积约70%-80%,因此,玻璃的传热性能是影响建筑门窗热工性能的最主要因素,根据不断提高的建筑节能要求,单层玻璃和普通双层玻璃已逐渐退出市场。在玻璃的节能技术方面有中空玻璃、Low-E玻璃、低辐射玻璃、镀膜玻璃、暖边中空玻利等,由于考虑价格成本等经济条件,目前市场上使用最多的是透明中空玻璃。中空玻璃的隔热效果主要取决于空气间隔层的厚度,一般有5+6a+5、5+9a+5、5+12a+5,或6+6a+6、6+9a+6、56+12a+6等。空气间隔层厚度相应较大,则隔热效果相应较好。如6+6a+6的透明中空玻璃,其透光折减系数Tr80%,遮阳系数Sc0.87,其传热系数K值为3.15;6+9a+6的透明中空玻璃,其透光折减系数Tr80%,遮阳系数Sc0.87,其传热系数K值为2.87;6+12a+6的透明中空玻璃,其透光折减系数Tr80%,遮阳系数Sc0.87,其传热系数K值为2.73(见建设部GJBT-947《建筑节能门窗》)。

(2)型材的传热系数

如果使用相同配置的玻璃,则不同的型材是影响建筑门窗节能的第二权重因素,建筑门窗的窗框比在0.2-0.3之间,即窗框所占面积为窗面积的20%-30%,断热桥铝合金型材的传热系数在3.5左右,普通单腔室塑钢门窗型材的传热系数在2.5左右,多腔室塑钢窗型材的传热性能在1.4-2.0,而多腔室组合式彩钢复合门窗型材的传热系数在1.6-2.0。如排除窗型、气密性等因素,按窗框30%,玻璃70%的最简单的权重估计,就能大致算出各种门窗的K值系数。

(3)建筑门窗气密性

空气的流动会造成冷热空气的能量交换,同样建筑门窗的气密性会影响其保温隔热效果,而气密性取决于门窗框和扇之间、扇和玻璃之间的密闭性,密闭性能越好,在单位时间内通过空气进行的冷热能量交换的量就越少,从而建筑门窗的保温隔热性能节约好。实现门窗密闭性的主要途径首先是保证型材不变形,保证框扇缝隙一致,其次是框扇型材的搭接量设计要合理,搭接量不够会影响门窗的气密性,再其次是应尽量形成多道密封。

(4)门窗的窗型:

在我国建筑门窗市场,使用最普遍的窗型主要有,平开窗、推拉窗、固定窗,以及上述三种窗型的组合。就不同窗型对建筑门窗热工性能的影响来看,有以下特点:

平开窗由于其窗扇四周均能与窗框实现严密的搭接,气密性好,有利于门窗的节能效果提高。此外,各种相关技术规范对平开门窗的尺度有所限制,使其有更合适的窗框比,对门窗型材穿热系数低于玻璃的建筑门窗,有利于提高整体的保温隔热效果。

推拉窗由于其开启方式不占用室内空间,所以受到很多用户的喜爱,但是推拉窗窗扇上、下部位,与窗框的搭接的密闭结构,一直是一个未能很好解决的问题,使其整体气密性能较平开窗差。

固定窗由于减少了窗扇型材,将玻璃直接固定在框材上,所以其气密性在各种窗型种是最好的,但由于窗框比较小,还有无法开启,因此很少能单独使用,一般应与平开窗或推拉窗配合使用。

2、组合式彩钢复合门窗的热工性能因素

(1)型材:组合式彩钢复合门窗的隔热型材厚度平开窗为48mm、推拉窗为58mm,其横断面从内至外分为3个腔室,中间最大腔室两内壁距离为15-25mm,门窗组装后该腔室为密闭状态,因此,空气不会产生流动,有利于确保隔热型材的隔热效果。

(2)玻璃槽口:组合式彩钢复合门窗型材横向断面尺寸较大,可通过选用不同规格的玻璃压条,调整中空玻璃安装槽口的距离,满足不同节能需求的建筑门窗,对双层、三层中空玻璃安装的要求。

(3)窗框比:组合式彩钢复合门窗的窗框比在25%-30%,低于塑钢门窗,高于断桥铝合金门窗,在保证节能效果前提下,实现了美观与经济、节能与节材的平衡。

(4)搭接量:《钢门窗》国家标准GB/T 20909-2007规定的门窗搭接量为:门≥6mm,窗≥4mm,组合式彩钢复合门窗的搭接量为8mm-10mm,使用宽厚的密封胶条,可确保实现良好的门窗气密性。

(5)型材的几何尺寸:型材采用钢+塑+钢断面结构,型材的复合惯性矩、抗弯、强度等力学性能优良,确保型材不变形、易于加工和几何尺寸精准,为实现门窗的高气密性提供了可靠的物质基础。


3、组合式彩钢复合门窗的K值计算举例

(一)计算依据:

1、《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ26

2、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134

3、《民用建筑热工设计规范》GB20176

4、《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程JGJ/T151

5、玻璃性能指标参照06J607-1《筑节能门窗

(二)计算窗型

1、窗型类型:单窗、(6+12A+6)中空玻璃

2、窗型代号:PC1200×1500 窗宽度1200mm、窗高度1500mm

3、型材系列:

4、门窗类型:复合断桥平开钢门窗型材

(三)窗型

(四)计算式

1)窗的面积尺寸

总面积:Aw=1.2×1.5=1.80

框架内侧面积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

框架外侧面积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

框架内侧表面积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

框架外侧表面积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

玻璃板面积Ag

Ag=Aw - Afe=1.8-0.578=1.222

2)窗框架的传热阻Rf

Uf0 =2.5W/m2.K(查图表所得)

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

3)窗框架的总传热系数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)窗的传热系数Uw

Uw= AgUg+AfUf + LgΨg/( Ag+ Af)

Lg—玻璃板可视周长=0.871×2+0.902×4+0.294×2+1.099×2=8.136m

Ug—玻璃板的传热系数(中空玻璃6+12A+6) 取值为2.73W/m2.K

Ψg—玻璃板和框架通过衬垫材料的线传热系数取值为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、节能彩钢门窗在建筑节能设计中的选用

(一)依据:节能彩钢门窗的设计开发依据是现行国家的有关技术政策和技术标准、规范,主要有:

《钢门窗》GB/T 20909

《民用建筑热工设计规范》GB50176

《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134

《公共建筑节能设计标准》GB 50189

《公共建筑节能(绿色建筑)设计标准DBJ50-052-2006

《居住建筑节能65%(绿色建筑)设计标准DBJ50-071

(二)步骤:在设计选用时,可依据现行标准规范,按照以下步骤进行:

1、确定所设计工程项目的门窗立面及洞口尺寸。

2、根据工程所在地区的气候和地质等条件、工程性质、建筑高度等,确定门窗的抗风压性能、气密性、水密性、隔声性及采光性能等级。

3根据建筑体形系数、窗墙面积比,由JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、GB 50189《公共建筑节能设计标准》或DBJ50-052《公共建筑节能(绿色建筑)设计标准》、DBJ50-071《居住建筑节能65%(绿色建筑)设计标准》中查到门窗的传热系数K值及遮阳系数Sc值,并对照相关附表确定门窗保温等级。

4根据KSc值查本图集门窗性能表、玻璃性能指标表,确定门窗框料、玻璃品种、层数及空气间隔层的厚度。

(三)彩钢门窗传热系数取值

1、单框非断热桥中空玻璃彩钢门窗的传热系数取值可依照《重庆市居住建筑节能设计标准》DB50/5024-2002,附录F“窗户传热系数和空气渗透性能”表,单框中空玻璃,空气间隔层6mm,窗框面积比20-30%,其K值系数为3.1-3.3;单框中空玻璃,空气间隔层9-12mm,窗框面积比20-30%,其K值系数为2.9-3.0

2、单框非断热桥中空玻璃平开彩钢门窗的传热系数取值,可依照中华人民共和国建设部公告第659号,《建设部关于发布建设事业“十一五”推广应用和限制禁止使用技术(第一批)的公告》附件1建设事业十一五推广应用和限制禁止使用技术(第一批)推广应用技术部分”。彩板型材腔内填充发泡聚氨酯中空玻璃平开窗传热系数K3.0W/·K)。

3、断桥彩钢门窗、复合彩钢门窗的传热系数取值,可依照《民用建筑热工设计规范》GB50176或《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程JGJ/T151计算型材的传热系数,在国家建筑标准设计图集06J607-1《建筑节能门窗》或相关规范、标准中的“玻璃性能指标表”查询,然后,按照《民用建筑热工设计规范》、《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》等规定的计算方式,计算出门窗的传热系数。如,采用5+12a+5中空玻璃,按照上述计算方式计算,节能彩钢门窗的传热系数计算值为:2.66W/m2.K,取值考虑5%的计算误差,则2.66*1.05=2.793,按小数点后1位取整数为2.8

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