铝合金门窗、玻璃幕墙节能技术的应用

　　Ⅰ、概述

　　近年来，随着我国建筑门窗及玻璃幕墙行业的长足发展，传统的木制窗户、实腹和空腹钢窗已基本被淘汰，各种新型建筑门窗及玻璃幕墙得到广泛应用。这些产品由于结构及材质的改变，的确让人们感觉到赏心悦目，但是功能方面尤其是热工性能方面仍存在指标不高，能源损失较大，理想的室内温度环境无法保证等问题，让人们渐渐感到普通窗及幕墙在寒冷地区或炎热地区使用的美中不足。

　　Ⅱ、关于铝合金窗及幕墙的节能

　　1.节能的本质

　　建筑的节能包含很多方面，而铝合金窗及玻璃幕墙的节能是其重要组成部分。铝合金窗、幕墙的节能主要是指通过产品的结构设计、材料选用等措施，使建筑物在使用过程中，以尽量少的能量消耗而获得理想的温度环境和光线环境的过程。比如：在炎热的夏季和寒冷的冬季，人们为了获得正常的使用环境，常常需要使用消耗电能的电器设施来调节室内温度环境。而窗及幕墙的节能效果，直接影响到耗能的多少。一般而言，节能窗及节能幕墙产品在炎热的夏季应具有较高的隔热性能，在寒冷的冬季应具有较高的保温功能。

　　那么，如何实现夏季隔热，冬季保温功能呢?

　　首先要了解传热方式。我们都知道，传热有三种方式：

　　1)对流辐射导热。

　　对流传热：是指具有热能的气体或液体在移动的同时所进行的热交换现象。

　　辐射传热：是以电磁波的形式把热由一个物体传向另一个物体的现象。

　　导热：是指物体内部的热由高温侧向低温侧转移的现象。

　　建筑物的传热是上述三种方式综合作用的结果。为此，窗及玻璃幕墙的节能设计重点是在上述三种传热方式中设计合理的控制手段，以达到节能目的。而在影响玻璃幕墙、铝合金窗的热工性能方面，可以通过控制传热和增加遮挡来实现节能。

　　根据实验结果，导热及对流传热的能力可以用传热系数来衡量，辐射传热能力可用遮阳系统来控制。

　　传热系数K0=1/(Ri+d/λ+1/Re)[W/㎡·K]

　　式中Ri，Re——表面热转移系数2·K/Wλ——介质导热系数W/m·K

　　d——介质厚度

　　K0被称为总传热系数，R0被称为总传热阻，R0=1/K0，K0和R0是在门窗、幕墙热工计算中的两个非常重要的物理量。

　　2.我国关于节能方面一些规定

　　随着我国建筑节能意识的提高，对节能窗及玻璃幕墙的传热系数作如下初步规定：

　　(1)一般要求传热系数保值期限为8年。

　　(2)高级公寓式建筑规定为A类，K=2～2.4W/㎡·K

　　(3)中档商品写字楼规定为B类，K=2.6～3W/㎡·K

　　(4)一般性工程规定为C类，K=3.1～6W/㎡·K

　　国外同类民用节能窗及玻璃幕墙传热系数一般规定为K=1.8～2W/㎡·K且稳定期限不低于10年。

　　Ⅲ、门窗、幕墙节能的方法

　　铝合金窗及玻璃幕墙常见节能方法分以下几种：

　　玻璃节能法

　　铝合金断热型材节能法

　　双(多)层结构体系节能法

　　遮阳体系节能法

　　点支承玻璃幕墙节能法

　　1.玻璃节能法

　　对于铝合金窗及玻璃幕墙来说，由于玻璃的面积占据立面的绝大部分，可以参与热交换的面积较大，就决定了玻璃是窗、玻璃幕墙节能的关键。

　　(1)玻璃是否镀膜及膜层材质可初步确定其节能效果，通常情况下，玻璃可分为以下几大类：1)浮法清玻璃2)在线镀膜玻璃3)离线镀膜玻璃4)低辐射在线镀膜玻璃5)低辐射离线镀膜玻璃。这些玻璃传热系数虽然没有明显的变化，但由于膜层对光(能量)的控制能力不同，使其节能效果依次增加。

　　(2)根据玻璃结构形式，又可分以下几类：1)单层玻璃2)中空玻璃3)多层中空玻璃。其传热系数依次降低，即节能效果逐次增强。通过计算和实验数据显示，通常单片玻璃的传热系数K=6W/㎡·K左右，中空玻璃(普通)K=2.3～3.2W/㎡·K，而采用离线低辐射镀膜中空玻璃(中空层充惰性气体)K=1.4～1.8W/㎡·K。

　　(3)对玻璃除上述方法外，还可以采用贴节能膜方法，提高节能效果。

　　2.铝合金断热型材节能法：

　　铝合金型材在窗及幕墙系统中，不但起着支承龙骨的作用，而且对节能效果也有较大影响。通常情况下，铝合金型材断面比玻璃面积小得多，为此，导热对节能效果的影响较大，为此，产生了断热型材。根据断热铝型材加工方法的不同，分为灌注式断热铝型材和插条式断热铝型材。这两种形式的铝合金断热型材共同的特点都是在内、外两侧铝材中间采用有足够强度的低导热系数的隔离物质隔开。从而降低传热系数，增加热阻值。即使在炎热的夏季，当太阳暴晒的情况下，断热型材室外部分表面温度通常可达35～85℃，而室内仍可维持在24～28℃左右，有效地减少传到室内的热量，可减少制冷费用;而在寒冷的冬季，室外铝材的温度可与环境温度相当(一般-28～-20℃)而室内铝材仍然可达到8～15℃，从而减少热量损失，节约冬季取暖的费用，从而达到节能目的。

　　3.双(多)层结构体系节能法。

　　通常的窗及玻璃幕墙，在温暖地区，一般为单层结构，而在寒冷或炎热地区，则可以采用多层(双)层窗或双层幕墙/动态幕墙的方法，利用两层结构间的空气层(通过设计的空气层)，降低系统总传热系数的办法，来实现节能目的。

　　4.遮阳体系节能法：

　　由于铝合金窗及玻璃幕墙大面积采用玻璃，太阳的照射是辐射热。节能的本质就是如何实现在烈日炎炎的夏季将光(能量)挡在室外，或在寒冷的冬季能让充足的光(能量)传入室内。尽管建筑材料的研究人员做了不少的努力，但仍然难以找到理想的材料来解决这个问题。在铝合金窗和幕墙体系上融入遮阳技术也是节能的有效途径之一。在国外，已有系统的遮阳产品得到广泛应用，并取得显著节能效果，相信在国内也必然受到青睐。

　　5.点支承玻璃幕墙的节能方法：

　　点支承玻璃幕墙的节能除了可采取前面提到的玻璃方法以外，还要处理好玻璃与驳接头处的断热设计。工程经验和实验证明，在寒冷地区和炎热地区，点支式幕墙节能设计值得采用。

　　Ⅳ、铝合金节能窗与塑钢窗的比较说明

　　1.档次上的差别：国内的铝合金断热窗和塑钢窗是分别适合于不同建筑的消费群体，统计资料显示，塑钢窗适用于一般低层住宅，往往这种档次的产品的消费者对该产品的质量要求不是很高，而高性能断热铝合金窗则适用于各类高度、各类档次建筑，且质量、寿命性能都经受得住高标准考验。

　　2.性能上的差别：二者节能效果相近;但是由于材质的区别，塑钢窗使用一段时间之后容易发生变形，密封性能不如高性能铝合金窗。

　　3.寿命上的差别：由于材质的强度和弹性模量及耐磨性能差别较大，使高性能铝合金窗使用寿命往往大于塑钢窗的使用寿命。

　　4.价格上的差别：一般说来，高性能铝合金窗价格通常比塑钢窗的价格要高一些。但从长远考虑，高性能铝合金窗价格虽然高，但使用年限长;而塑钢窗虽然价格较便宜，但使用年限短。因此，综合价格比相当。

　　由此可见，高性能铝合金窗更具竞争优势。

　　Ⅴ、关于全隐框铝合金幕墙是否采用断热型材的问题

　　断热铝型材应用于窗及明框玻璃幕墙，为达到与其等效的保温、隔热效果，断热铝型材一般与中空玻璃配套使用。对于明框玻璃幕墙，由于室内外的铝合金为一体或直接接触，而铝合金的导热系数很大，保温、隔热效果不好。所以，明框玻璃幕墙采用中空玻璃配断热铝型材，具有明显的保温、隔热效果。而对于隐框玻璃幕墙由于幕墙结构与室外直接接触的是中空玻璃，玻璃与铝型材之间是硅酮结构胶，结构胶内侧是铝型材。而一般镀膜中空玻璃导热系数2.3≤K≤3.2，如采用离线LOW-E镀膜制成的中空玻璃1.4≤K≤1.8，保温、隔热效果已经很好，且结构胶也是低导热材料，也有良好的保温隔热作用。理论分析和实验结果表明，隐框玻璃幕墙不必采用断热铝合金型材。

　　Ⅵ、经济分析

　　通常情况下采用节能产品往往比普通产品先期投入价格要高出10%～40%;但是通过对建造成本及运营成本的综合分析表明，通常投资者在建筑使用5～7年即可收回由于采用节能产品而增加的投入，并可使投资者在以后的使用过程中获得可观的经济效益。一次投资，终身受益。因此，从长远打算还是使用节能产品更经济。

　　3、施工方案

　　3.1节能材料的使用

　　在工程的材料选用上充分考虑到建筑节能的要求，保证所使用的材料、设备和构件达到设计与节能要求，符合国家相关规范、江苏省及无锡市相关规范的要求。严格控制工程中所选用材料的质量，严禁使用国家明确规定的淘汰产品。工程所选用的材料和设备在进场时对材料的品种、规格、数量、包装、外观等进行严格的检查，材料相关质保资料必须齐全，对材料按要求在监理的见证下进行抽样检测;所有材料经监理验收合格后方可在工程上使用。

　　1、 low-e中空玻璃

　　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中远红外线高反射的特性，使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比，具有优异个隔热效果和良好的透光性。外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。有关研究资料表明，玻璃内表面的传热以辐射为主，占58%，这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0.15以下。因此，用Low-E玻璃制造建筑物门窗，可大大降低因辐射而造成的室内热能向室内的传递，达到理想的节能效果。

　　太阳辐射能量的97%集中在波长为0.3-2.5um范围内，这部分能量来自室外;100℃以下物体的辐射能量集中在2.5um以上的长波段，这部分能量主要来自室内。若以外窗为界的话，冬季或在高纬度地区我们希望室外的辐射能量进来，而室内的辐射能量不要外泄。若以辐射的波长为界的话，室内、室外辐射能的分界点就在2.5um这个波长处。因此，选择具有一定功能的外窗就成为关键。

　　3mm厚的普通透明玻璃对太阳辐射能具有87%的透过率，白天来自室外的辐射能量可大部分透过;但夜晚或阴雨天气，来自室内物体热辐射能量的89%被其吸收，使玻璃温度升高，然后再通过向室内、外辐射和对流交换散发其热量，故无法有效地阻挡室内热量泄向室外。

　　Low-E中空玻璃对0.3-2.5um的太阳能辐射具有60%以上的透过率，白天来自室外辐射能量可大部分透过，但夜晚和阴雨天气，来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内，仅有少于15%的热辐射被其吸收后通过再辐射和对流交换散失，故可有效地阻止室内的热量泄向室外。Low-E玻璃的这一特性，使其具有控制热能单向流向室内的作用。

　　太阳光短波透过窗玻璃后，照射到室内的物品上。这些物品被加热后，将以长波的形式再次辐射。这些长波被"Low-E"窗玻璃阻挡，返回到室内。事实上通过窗玻璃再次辐射被减少到85%，极大地改善了窗玻璃绝热性能。窗玻璃的绝热性能一般是用"u"值来表示的，而"u"值和玻璃的辐射率有直接的关系。"u"值的定义为：ASHRAE标准条件下，由于玻璃热传导和室内外的温差，所形成的空气到空气的传热量。其英制单位为：英热量单位每小时每平方英尺每华氏温度，公制单位为：瓦每平方米每摄氏温度、"u"值越低，通过玻璃的传热量也越低，窗玻璃的绝热性能越好。辐射率是某物体的单位面积辐射的热量同单位面积黑体在相同温度，相同条件下辐射热量之比。辐射率定义是某物体吸收或反射热量的能力。理论上完全黑色物体对所有波长具有100%的吸收。即反射率为零。因此，黑色物体辐射率为1.0。

　　通常，浮法白玻璃的辐射率为0.84。而大多数在线热聚合"Low-E"镀膜玻璃的辐射率在0.35到0.5 之间。磁控真空溅射"Low-E"镀膜玻璃的辐射率在0.08到0.15之间。值得注意的是低的辐射率直接对应着低的"u"值。玻璃的辐射率越接近于零，其绝热性能就越好。

　　一个"节能采光系统"的优越性必须体现在尽可能高的太阳总能量的透过，而同时具有最低的"u"值。通过同时考虑能量的获得和热的损失，建立了能量平衡方程式，Ueg=UF-RFg。最好的能量平衡特性的采光系统是真空磁控溅射"Low-E"镀膜中空玻璃。尽管单层玻璃其太阳能的透射为最大，但它的"u"值及"Ueg"值却最差。因此，不能满足好的能量平衡的需求。单纯高的太阳能透射，能有效地保持这些能量，就不能认为它是节能材料。"Low-E" 镀膜中空玻璃是一种较好的节能采光材料。它具有较高的太阳能透射，非常低的"u"值，并且，由于镀膜的效果，"Low-E"玻璃反射的热量回

　　到室内，使得窗玻璃附近的温度较高，人在窗玻璃附近也不会感到太大的不适。而应用"Low-E"窗玻璃的建筑其室内温度相对较高，因此在冬季可以保持相对高的室内温度，而不结霜，这样在室内的人也会倍感舒适。"Low-E"玻璃也能够阻挡大量的紫外线透射，防止室内的物品退色。

　　Low-E玻璃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的光污染现象，营造出更为柔和、舒适的光环境。

　　在采用LOW-E技术的同时玻璃还采用了中空结构的形式。中空玻璃与一般普通中空玻璃不同，除在两层玻璃中间封入干燥空气之外，不要在外侧玻璃中间空气层侧，涂上一层热性能好的特殊金属膜。它可以截止由太阳射到室内的相当的能量，起到更大的隔热效果。

　　中空玻璃特点①较大的节能效果：LOW-E中空玻璃，由于有一层特殊的金属膜，可达到0.22-0.49遮蔽系数，使室内空调(冷气)负载减轻。传热系数1.4-2.8W(m2.K)，比普通中空玻璃好。对减轻室内暖气负荷，同样发挥很大效率。因此，窗户开得越大，节能效果越明显。②改善室内环境：LOW-E中空玻璃可以截止由太阳射到室内的相当的能量，因而可以防止因辐射热引起的不舒适感和减轻夕照阳光引起的目眩。

　　2、保温棉

　　本工程在结构处安装了岩棉板。岩棉板是以玄武岩及其它天然矿石等为主要原料，岩棉板经高温熔融成纤，加入适量粘结剂，固化加工而制成的。纤维和纤维之间为立体交叉，互相缠绕在一起，呈现出许多细小的间隙。这种间隙可看作孔隙。因此可视为多孔材料，具有良好的绝热、吸声性能。岩棉板产品适用于工业设备、建筑、船舶的绝热、隔音等。

　　3.2铝合金门窗节能方案

　　1、工程选用材料

　　铝合金型材：T50系列断桥平开窗铝合金型材，T878系列断桥推拉窗铝合金型材，T90系列断桥推拉门系列;材质为6063-T5，产品质量符合现行国家标准《铝合金建筑型材》GB/T5237中规定的高精级，其化学成分符合现行国家标准《铝及铝合金加工产品的化学成分》GB/T3190的规定。

　　玻璃：6+12A+6中空玻璃，玻璃质量标准须符合《中空玻璃》(GB/T11944-2002)和<<钢化玻璃>>(GB9963-98)规范要求。

　　门窗开启形式：平开、推拉

　　2、节能技术措施

　　按照热工原理：门窗的传热方式主要三种形式：导热传热;对流传热;辐射传热。建筑门窗是影响能量消耗的重要因素。降低三种传热方式的速度就是解决门窗节能措施的根本问题。

　　1、 型材：控制或降低导热传热：采用隔热型材

　　为了降低铝合金门窗材料的导热系数，采用断桥隔热铝合金型材，它是通过强尼龙隔条(PA66GF25，尼龙66+25玻璃纤维)或特殊配方的聚合物-隔热胶，将铝合金型材分为内外两部分阻隔了铝的热传导，大大提高了铝合金门窗的保温隔热性能。

　　2、 气密性：降低对流传热-提高门窗的气密性

　　所谓对流是指流体各微分子作相对位移而传递热量的方式，如何降低和控制对流就是如何来控制铝合金门窗的气密性，门窗的气密性是衡量门窗产品传热性能重要指标。我们把加工精度提高，安装时洞口与门窗间隙要符合要求，采用较好的密封橡胶条，选用品质优良的五金配件，门窗气密性问题解决了，铝合金门窗达到了保温隔热功能，同时也起到保温节能的作用，降低了对流传热。

　　3、 玻璃：降低辐射传热-采用中空玻璃或低辐射中空玻璃

　　所谓辐射是指凡强度高于绝对零度的物体，都可以同时发射和接受热辐射。对建筑物来说自然界有二种能量形式：其一是太阳辐射;其二是环境热量。门窗的见光面大，太阳光辐射传热几乎要占整个门窗传热的70%左右，也就是说窗户的隔热就是要尽量阻止太阳辐射直接进入室内。这样一来玻璃的选用就很重要了，如果采用中空玻璃或采用LOW-E玻璃，辐射传热就能大幅度降低，节能性能大幅提高。

　　除了上述控制和降低门窗的传热速度外，在设计中我们必须控制建筑的窗墙面积比，来确保达到国标的节能指标要求。

　　3.3玻璃幕墙节能方案

　　1、工程选用材料

　　铝合金型材：150系列构件式幕墙型材;材质为6063-T5，产品质量符合现行国家标准《铝合金建筑型材》GB/T5237中规定的高精级，其化学成分符合现行国家标准《铝及铝合金加工产品的化学成分》GB/T3190的规定。

　　玻璃：6+12A+6low-e低辐射中空玻璃，玻璃质量标准须符合《中空玻璃》(GB/T11944-2002)和<<钢化玻璃>>(GB9963-98)规范要求。

　　幕墙开启扇形式：上悬

　　2、节能技术措施

　　1、幕墙的保温性能通过控制总热阻值和选取相应的材料来解决。为了减少热损失主要采用以下三种措施进行改善：一是改善采光玻璃的保温隔热性能，尽量选用节能的玻璃，并减少开启窗;二是对非采光部分采用隔热效果好的材料做衬墙或设置保温芯材;三是密封处理和减少透风。

　　本工程的幕墙主要是全隐框玻璃幕墙的形式，主要依靠玻璃的防辐射性能及玻璃的热传导阻隔性能来实现节能效果。同时也采用了一些其他的技术措施来实现幕墙节能的效果。保证幕墙达到减少温差传热的热负荷损失、降低太阳辐射的负荷强度、提高幕墙的气密性效果。

　　2、幕墙以LOW-E中空玻璃和中空双银镀膜玻璃为主，可以有效的降低辐射及阻隔热传导。

　　3、在结构位置安装防火保温材料，防止热量通过结构传导，同时起到防火、降噪的作用。

　　4、在玻璃与型材之间的橡胶条采用EPDM橡胶条，在保护玻璃的同时也起到隔热断桥的作用。