超低能耗铝合金窗隔热性能分析

卢跃忠 北京市鑫正泰建筑幕墙工程有限公司

1 绪论

建筑能耗目前是国内外极其关注的焦点，是关系到国计民生的重大课题。我国幅员辽阔，东西南北温度差异非常大，最热的莫过于新疆吐鲁番，夏季达到50℃高温，最冷的位于黑龙江漠河，冬季最低温度-45℃，随着我国经济实力的不断增长，能源消耗成几何数增长。作为能源消耗大国，实现可持续发展是需要不断地通过技术进步，降低能耗消费来完成的。这不仅能改善健康居住条件，而且能够节约能源。通过有效利用被动能源，减少或降低主动能源消耗，实现建筑物的低能耗的目的。

鉴于此，超低能耗铝合金窗作为超低能耗建筑的重要组件，具有非凡的现实意义。建筑物能耗的70%是通过门窗部位损失的，因此提高门窗的隔热性能是有效降低能源消耗的重要手段。

北京市建筑门窗的传热系数从2000年的2.8W/(m2·K）到2021年的北京市地方标准DB11/891—20201.1W/(m2·K），历经20年的时间。而按照2020年4月1日开始执行的北京市地方标准，DB11/T1665—2019《超低能耗居住建筑设计标准》，超低能耗建筑大于60平方米的住宅年均供热能耗小于10W～15W；年均耗冷量小于18W。按照这一要求，铝合金窗的隔热值必须小于等于1.1W/(m2·K），才能基本满足超低能耗建筑物隔热性能的要求。

本文研究的主题，是如何研究开发符合超低能耗建筑要求的超低能耗隔热铝合金门窗，从材料设计、材料选择、加工工艺、玻璃选择、安装工艺等出发，借助节能软件的使用，使得超低能耗铝合金窗在建筑物上有效的使用，并能够持续有效的达到节能目标。

2 引言

铝合金超低能耗隔热窗的整体隔热性能主要取决于以下五部分：铝合金框架材料的性能、玻璃本身的隔热性能、框架材料与玻璃装配间的隔热配置、铝合金隔热窗户的组装工艺以及铝合金隔热窗的现场安装工艺。本文将分别对这五部分内容进行详细分析，阐述这五部分内容之间的关系，以期使超低能耗窗户的综合性能能够在超低能耗建筑物中发挥持久的作用，充分实现建筑物的超低能耗。

铝合金窗的整体基本性能主要为五大类：即抗风压性能、气密性能、水密性能、保温隔热性能和隔声性能。这五大性能整体优秀，综合性能才能够达到最优。相反，如果某项性能达不优秀，窗户的整体也无法达到最优化。所谓“木桶效应”整体性能的优化程度，取决于最低的那块板。

本文在此做出如下假设，窗户的五大性能中，除隔热性能外，其他性能都是能够处于最优化的状态。同时，本文主要以穿条式隔热窗为例，阐述窗户的隔热性能。

3 框架材料的隔热性能

穿条式隔热框架材料主要由有三部分组成，内外为带空腔的铝合金型材，中间为断桥隔热区域。按照现行国家标准GB/T 23615.1—2017，隔热条一般采用聚酰胺66（65%）+玻璃纤维（25%）材质组成的复合材料加工而成，俗称尼龙66，其热膨胀系数与铝型材比较接近，同时，横向抗拉强度达到80MPa。

表1 铝合金型材的线膨胀系数和聚酰胺66的隔热条线膨胀系数

4 超低能耗窗型材结构设计

断桥隔热型材的基本设计是三腔结构，内外两层的铝型材由中间层的断热隔热条连接而成。而超低能耗的铝型材，一方面考虑加大隔热层的隔热面积，另一方面，要采用泡沫填充材料填充隔热层的腔体，以有效阻断空气对流造成的传热。

本文以112mm、90mm、75mm系列隔热系统窗为例，说明框架材料的设计结构。

隔热窗的框架架构，主要体现在两种框架类型，如图1、图2、图3所示。

图1 112系列超隔热外框及框扇

图2 90系列超隔热外框及框扇

图3 75系列超隔热外框及框扇组合结构

针对以上三种系统型材结构设计中隔热层与金属截面面积比见表格2。对比结果显示，扩大隔热层的面积、在隔热区填充泡沫材料，可以有效降低热传导系数。

表2 三种系列窗框结构设计隔热区与金属区面积比

5 框架材料的传热系数计算结果

框架材料的隔热值计算，可以按照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》及欧洲标准ISO-EN-10077-2-2017及选用产品的具体参数进行计算，这里引用已经计算完成的结果展示如下，见表3。

表3 超低能耗玻璃的Ug值配置表

6 超低能耗窗玻璃的参数选择

超低能耗的玻璃的隔热值（Ug）一般要求达到0.5W/(m2·K）～0.75W/(m2·K）之间，因此，按照目前国内玻璃窗的玻璃配置，采用至少三层两腔中空玻璃，双层双银Low-E膜，同时，玻璃间隔条采用不锈钢或PVC暖边条，合成中空玻璃后，在中空玻璃内填充氩气，以进一步降低隔热值。

依据目前国内各大玻璃厂的研究情况，综合如表4的玻璃配置及在各种热辐射情况下的玻璃隔热值，建议使用Ug小于0.7W/(m2·K）玻璃配置。

7 窗框与玻璃结合处的线传热系数Ψ

按照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》中附录B的要求，带热断桥的金属窗框，配置三层玻璃（两层Low-E镀膜中空玻璃），Ψ值取0.08W/(m2·K）。

8 整窗隔热值计算

按照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》3.3.1计算。

图4 主要系列超隔热外框及框扇组合隔热值计算结果

（1）整窗隔热值的计算，按照公式（1）进行：

式中：

Ut——整樘窗的传热系数，W/(m2·K）；

Ag——玻璃面积，m2；

Af——窗框面积，m2；

At——窗面积，m2；

Uf——窗框的传热系数，W/(m2·K）；

lΨ——玻璃区域的边缘长度，m；

Ug——玻璃的传热系数，W/(m2·K）；

Ψ——窗框与窗玻璃之间的线传热系数，W/(m·K）。

（2）整窗的传热系数Ut计算案例

以本文所列75mm、90mm、112mm系列型材断面，配置隔热值Ug为0.6W/(m2·K）的玻璃进行整窗计算。标准窗型尺寸为1500mm×1500mm，计算过程及结果见图5、图6、图7。

图5 112系列标准窗隔热值计算

图6 90系列标准窗隔热值计算

图7 75系列标准窗隔热值计算

针对这三种窗型结合所选玻璃，分别计算出标准窗型的整窗传热系数，112mm系列窗型传热系数Ut达到0.8W/(m2·K），90mm系列窗型传热系数Ut达到0.88W/(m2·K），而75mm系列窗型传热系数也达到0.97W/(m2·K）。上述三种窗型，从技术角度讲均符合超低能耗建筑的需要。

9 超低能耗窗户的组装工艺

虽然选好了材料，但窗户的加工工艺仍然至关重要，如果不能严格贯彻执行加工工艺，便不能持续有效的发挥门窗的使用性能。

窗户在组装加工过程中，应注意以下工艺方面的要点。

a)框料角度锯切，必须切实保证如下数据的精准。

——锯切长度公差：±0.2mm；

——角度：45°±；

——平面度：90°±。

b)45°组角采用带有注胶导流板的组角件，以便在后续注胶后，双组份胶能够有效的密封型材端口（见图8）。

图8 窗组角件及注胶导流片

c)型材端口预先抹专用端面胶

图9 45°组角前端面涂胶处理（专用组角胶）

d)组角之后，在端面胶基本干燥后（一般夏季24小时后）进行注胶工艺。使用双组份金属结构胶沿注胶孔向角部注胶，同时，保证胶已经注满整个角部空腔。

图10 双组份组角胶的注胶工艺示意图

e)注胶之后，将框体放置在平整的地上，并使用金属卡兰将每个角部完全卡住，放置24小时（夏季），冬季需要更长的时间（视温度而定）。

图11 卡兰卡住注胶后的窗角，确保双组份胶完全固化

f)中间密封胶条的安装

中间密封胶条一般采用宽大的多腔三元乙丙优质胶条。一般情况下，为保证胶条安装的稳定，在四个内角先安装与之匹配的胶角，这样不仅保证角部密封的稳固性，同时又能够与胶条有机的连接，使得门窗的隔热性能持久（见图12）。

图12 中间密封胶条及位置

图13 中间密封胶条安装工艺及方法

1 0 超低能耗窗户的安装工艺

10.1 窗户安装原则

窗户如何安装到建筑物上有多种选择，作为超低能耗建筑的关键组成部分，窗户安装需要遵循如下规则：

a)窗户的隔热等温线要与墙体及外保温的等温线保持基本一致。否则，在安装处会产生冷桥，造成结露或发霉等问题。

b)窗户安装后，窗框与墙体的外侧要安装防水透气膜，而窗框与墙体的内侧应安装防水不透气膜，这样，在冬季内外温差大时，产生的冷凝水能够蒸发掉，而不是留在窗框与墙体之间，避免冷凝水不能排出，否则，久而久之会造成墙体腐蚀和发霉等现象。

10.2 窗户的四种安装位置

窗户安装位置见图14。

a)居墙体中间安装，外墙保温层未能包覆门窗窗框。这种方式明显的看到，连接部位的等温线已经进入到室内，这样容易造成窗框内侧结露、发霉等现象。

b)居墙体中间安装，外墙保温层包覆窗框。这种方式略微有利于等温线的外移，但仍然会出现结露现象。

c)居墙体外侧安装，保温层包覆窗框。这种安装方式对等温层的前移有了很大的改善，但与墙体的保温相比，等温线仍然处于墙体之内，保温效用并不是最高。

d)居于墙体之外安装（外挂式安装）。这种方案非常有利与温度的均衡，可以看到，窗户的等温线与墙体的等温线几乎在一个平面内，这样的保温效用是最高的。超低能耗窗户建议优先选择这种方式。

10.3 窗户外挂式安装节点图

附框采用PVC绝热型材，有效减少了冷桥；采用内防水不透气膜，外防水透气膜与结构连接，实现连接结构内的干燥和透气。窗户完全安装于墙体外侧，实现墙体，窗户等温线基本保持一致。

1 1 超低能耗窗户在实际项目中的应用案例

（1）案例一：巴基斯坦爱克林工业厂房项目，总项目共2000m2超低能耗窗户，采用112mm系列超隔热断桥铝窗，平均传热系数为0.69W/(m2·K）。项目于2018年3月完工。（附件3：爱克林厂房典型窗户节点图）。

（2）案例二：北京丽京花园私人别墅项目，总项目门窗面积350m2，采用90mm系列超隔热断桥铝门窗，平均传热系数为0.83W/(m2·K）。该项目于2018年8月完工。（附件3：丽京花园典型窗户节点图）。

1 2 结论

超低能耗窗户是超低能耗建筑的重要组成部分，窗户整体传热系数小于1.1W/(m2·K），必须从型材隔热结构设计、隔热玻璃选择、加工工艺、安装工艺等方面进行深入研究，制定切实可行的规范，约束企业的生产加工和安装，最终实现整窗与建筑物有机的结合，实现可持续的节能以及使能源发挥其最大的效能。

随着国家节能政策的不断深入贯彻实施，铝门窗市场将迎来重新洗牌，超低能耗铝窗符合国家产业政策，将会迎来巨大的市场机遇。

按照北京市颁布的地方标准DB11/891—2020《居住建筑节能设计标准》，外窗的传热系数要求必须低于1.1W/(m2·K），此标准将于2021年1月1日开始实施；

北京市于2019年10月颁布的DB11/T1665—2019《超低能耗居住建筑设计标准》已于2020年4月1日开始实施。其中外窗的传热系数被限定在1.1W/(m2·K）以内。

1 3 建议

国内铝门窗缺乏系统化研究、系统化发展。门窗的系统化是指门窗从设计、研究、开发、材料供应、加工工艺、加工设备、安装服务、售后服务等一整套的规范、规则的运行。而目前的国内市场是纷繁复杂，各自为政。研究开发传热系数小于1.0W/(m2·K）的框架材料并不难，难度在于无法将各种材料有机的结合，如五金配件、胶条、其他加工工艺和加工设备的研究。这就直接导致最终交付到建筑物的门窗是否能够持久耐用，能够持久的节能。

我国的门窗行业标准缺乏门窗系统化指导导向。门窗横向标准是指涉及众多不同材料的组合，铝型材、五金配件、胶条、其他材料的辅件、玻璃等等。通过门窗横向标准的制定和实施，规范企业设计，研发新产品所要遵循的规则，进一步提高产品的质量水平。

附件1：窗型节点图

图17 90系列标准窗型节点图

图18 75系列标准窗型节点图

附件2：窗型节点图整窗隔热值软件计算报告（采用旭格Schucal 2019版）

图19 AWS112IC整窗隔热计算值

纵观我国铝门窗发展历程，行业发展比较松散，行业处于分散性市场，企业各自发展，缺乏对铝门窗整体系统性的研究，导致门窗市场研发、加工生产、安装等各个环节的技术能力比较弱，产品的实物质量与设计目标严重脱节。

图20 AWS90整窗隔热计算值

图21 AWS75整窗隔热值

附件3：项目案例

图22 巴基斯坦爱克林厂房112系列窗节点图

图23 北京丽京花园某别墅90系列窗节点图