多功能復合材料窗副框的研發(fā)

1、文章編號1002-8528( 2011) 增刊 2-0143-04多功能復合材料窗副框的研發(fā)劉月莉1 ，任志新1 ，趙巖2 ，王昭君1 ( 1 中國建筑科學研究院，北京 100044; 2 天津大學，天津 300072)摘 要 針對目前我國建筑工程外窗安裝施工方法存在的問題進行分析，研發(fā)了具有保溫、隔聲、密閉和耐腐蝕性能的多功能復合材料窗副框，為降低建筑能耗和提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供適用的節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品。關(guān)鍵詞 窗副框; 多功能; 建筑能耗; 節(jié)能產(chǎn)品和技術(shù)中圖分類號 TU111. 19 + 5. 1文獻標識碼 AThe RD on Vice Window Frame of Multi-functi

2、onal MaterialsLIU Yue-li1 ，REN Zhi-xin，ZHAO Yan2 ，WANG Zhao-jun1( 1 China Academy of Building Research，Beijing 100044，China; 2 Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract In view of the current existing problems in the external window installation method in China，vice window frame of multi-func

3、tional materials with performance of heat and sound insulation，airtight and corrosion resistance is developed Applicable energy saving products and technology is provided to reduce building energy consumption and improve quality of indoor environmentKey words vice window frame; multi-function; build

4、ing energy consumption; energy saving products and technology腐蝕性能俱佳的多功能復合材料窗副框。引言0國內(nèi)建筑工程外窗安裝方法現(xiàn)狀為實現(xiàn)建筑節(jié)能的目標，建筑工程中都會根據(jù) 建筑物所在地區(qū)的氣候條件及建筑節(jié)能設(shè)計標準規(guī) 定的物理性能指標進行外窗的設(shè)計和加工制作。但 是，現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范2 4中規(guī)定建筑外窗的安裝 可采用 “濕法”和“干法”作業(yè)兩種施工方法，卻存 在著不利于建筑節(jié)能的問題。“濕法”作業(yè)通常的做法是: 門窗生產(chǎn)廠家把窗 框、扇組裝完畢運至現(xiàn)場，安裝到洞口上，由土建施 工單位以窗框為標準，采用預埋在建筑洞口墻體中 的金屬連接

5、片與之固定后使用聚氨酯發(fā)泡膠填充， 再用水泥砂漿進行外窗框與洞口之間的剛性收口， 實現(xiàn)窗與建筑墻體的連接( 圖 1 ) ，然后安裝玻璃。 “干法”作業(yè)的做法是: 先將鋼制窗副框固定在墻體 主體結(jié)構(gòu)上，再將組裝完成的鋁合金窗( 或 PVC 塑 料窗) 與其連接安裝，主體結(jié)構(gòu)與窗副框相連接，并 不與鋁合金窗型材連通。目前建筑工程中外窗干法 施工的構(gòu)造做法見圖 2。行業(yè)標準塑料門窗工程技術(shù)規(guī)范JGJ 103-2008 規(guī)定，PVC 塑料窗采用“濕法”作業(yè)，連接片與 主體結(jié)構(gòu)直接固定的做法; 行業(yè)標準鋁合金門窗1有數(shù)據(jù)表明，當建筑外窗保溫性能和氣密性能差時，通過外窗的傳熱損失和滲透熱損失相當可觀， 特

6、別是鋁合金窗的傳熱和滲透熱損失分別可高達建 筑能耗 的 28% 和 20% ，約占建筑總能耗的近一 半1，應引起足夠重視。自上世紀八十年代起，我國已將建筑節(jié)能工作 納入重要議事日程，制定了建筑節(jié)能相關(guān)政策和法 規(guī)，發(fā)布實施了一系列技術(shù)標準規(guī)范。 國家標準公共建筑節(jié)能設(shè)計標準GB50189-2005 以及不同 氣候區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計標準都對建筑外窗熱工 性能指標進行了規(guī)定，為建筑外窗產(chǎn)品節(jié)能提供了 先決條件。而建筑工程施工過程中門窗分部工程所 采用的施工方法不同，將直接影響到建筑物的能耗 以及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。但是，相關(guān)標準中對于外窗安 裝方法帶來的影響仍關(guān)注不夠，相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)不 及時。為此，針

7、對目前我國建筑外窗安裝施工方法 存在的問題進行分析，研發(fā)了保溫、隔聲、密閉和耐收稿日期 2011-11-21基金項目“十一五”國家科技支撐計劃項目( 2006BAJ04A15)作者簡介 劉月莉( 1949-) ，女，研究員聯(lián)系方式 liuyueli cabr gmail com144建 筑 科 學第 27 卷工程技術(shù)規(guī)范JGJ 214-2010 規(guī)定，建筑工程中鋁合金窗采用上述兩種方法進行安裝均可。維護的工作量。多功能復合材料窗副框的研發(fā)鑒于上述問題，借鑒美國等國家利用窗副框進 行建筑外窗整體卡接安裝的干法作業(yè)經(jīng)驗，進行建 筑外窗安裝配套標準化產(chǎn)品研究。2. 1材料的選擇與生產(chǎn)工藝鋼制窗副框的

8、缺點是: 保溫性能差，傳熱損失 大; 尺寸穩(wěn)定性差，易變形，致使外窗系統(tǒng)滲雨水、氣 密性差、隔聲性能不佳，影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量; 耐腐蝕 性差，不適宜在沿海地區(qū)使用。為克服鋼制窗副框的上述缺點，滿足建筑節(jié)能 的需要，通過試驗研究，我們決定采用玻璃纖維為增 強材料、不飽和聚酯樹脂為基體材料，通過拉擠工藝 生產(chǎn)玻璃纖維增強塑料空腹型材，研發(fā)了采用耐老 化性能好、尺寸穩(wěn)定性好、傳熱系數(shù)小、耐鹽霧腐蝕 的玻璃纖維增強塑料( FRP) 與鋼襯板復合制作窗副 框。2. 2復合材料窗副框結(jié)構(gòu)熱工性能分析仍以我國目前所使用數(shù)量較多的 60 系列內(nèi)平 開斷熱鋁合金窗為例，通過計算機模擬分析，進而對 比確定多功能復合

9、材料窗副框的結(jié)構(gòu)構(gòu)造?？紤]到 40 × 20 × 2( mm) 的鋼制副框易變形，會 導致外窗滲雨水、氣密性能和隔聲性能差、影響室內(nèi) 環(huán)境質(zhì)量，為淘汰產(chǎn)品。選擇了 60 × 20 × 2 ( mm) 的 鋼制窗副框、60 單腔間隔復合材料窗副框、3mm 和5mm 玻璃纖維增強塑料( FRP) 間隔的雙腔復合材 料窗副框與 60 系列內(nèi)平開斷熱鋁合金窗組合，依據(jù) 行業(yè)標準建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程JGJ / T151-2008，采用粵建科 MQMC 熱工性能計算軟件， 進行外窗附加多功能復合材料窗副框構(gòu)造的傳熱系 數(shù)和溫度場模擬分析。計算邊界條件和主要材

10、料的 熱物性參數(shù)均根據(jù) JGJ / T 151-2008 規(guī)定設(shè)定。60 系列內(nèi)平開斷熱鋁合金窗規(guī)格尺寸為 1500mm ×1500mm，玻璃系統(tǒng)為( 5 + 12A + 5 ) mm 普通中空玻 璃，窗副框型材構(gòu)造節(jié)點見圖 3。2圖 1 “濕法”作業(yè)外窗安裝節(jié)點示意圖圖 2 “干法”作業(yè)外窗安裝節(jié)點示意圖實踐證明，“濕法”作業(yè)時，將鋁合金窗( 或 PVC塑料窗) 直接安放在窗洞口中，通過預埋的金屬連 接片與建筑物主體結(jié)構(gòu)固定，將形成熱橋，增加傳熱 損失; 在門窗安裝的同時，土建工種進行收口抹灰施 工，不利于外窗的成品保護?！案煞ā笔┕r，標準 規(guī)定了采用 40 × 20

11、× 2 ( mm) 的鋼制副框與鋁合金 窗框進行連接，仍存在冬季傳熱和滲透熱損失嚴重 等問題。首先，由于鋼的導熱系數(shù)大，鋼制副框會增 大外窗整體的傳熱系數(shù)，使建筑能耗變大; 其次，鋁 合金窗( 或 PVC 塑料窗) 的窗框型材厚度一般都不 小于 50mm，配置 40 × 20( mm) 鋼制副框的又一致命 弱點在于其對外窗的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。以60 系列斷熱鋁合金窗為例進行分析，從圖 1 2 中 可以看出，鋁合金窗型材較鋼副框?qū)?20mm，鋼制副 框僅與型材內(nèi)片連接固定，型材外片下部無支撐。 由于外窗的重量，在熱應力的作用下，窗型材外片和 斷熱條承受著橫向剪切力和拉力。

12、由于荷載頻繁變 化，將產(chǎn)生疲勞失效、松動變形，滲漏水和漏氣，保溫 性能、氣密性能和隔聲性能以及防雨水性能均會受 到較大影響; 第三，鋼制副框耐腐蝕性差，產(chǎn)品壽命 短( 多則 15 年) ，在使用過程中會需要增加更換和3計算結(jié)果( 1) 框節(jié)點傳熱系數(shù)開啟扇、固定扇和中梃的框節(jié)點傳熱系數(shù)計算 結(jié)果，分別見表 1 2 及圖 4 和圖 5。( 2) 整窗傳熱系數(shù)計算結(jié)果 不同副框整窗傳熱系數(shù)計算結(jié)果見表 3。2.145增刊 2劉月莉，等: 多功能復合材料窗副框的研發(fā)表 3 不同副框整窗傳熱系數(shù)計算結(jié)果( 3) 節(jié)點的等溫線及窗框內(nèi)表面溫度由于篇幅有限，僅將四種不同窗副框型材開啟 扇的計算結(jié)果列出。不

13、同副框開啟扇節(jié)點等溫線分 布及窗框內(nèi)表面溫度計算結(jié)果見圖 6 圖 8 及表 4。圖 3 窗副框型材節(jié)點示意表 1開啟扇框節(jié)點的計算結(jié)果圖 6 鋼副框開啟扇節(jié)點等溫線及窗框內(nèi)表面溫度表 2固定扇框節(jié)點的計算結(jié)果圖 7 單腔復合副框開啟扇節(jié)點等溫線及窗框內(nèi)表面溫度圖 4不同副框開啟扇節(jié)點傳熱系數(shù)計算結(jié)果分布圖 8 3 mm FRP 間隔復合副框開啟扇節(jié)點等溫線及窗框內(nèi)表面溫度從模擬結(jié)果可以看出，有 3mm 和有 5mm FRP間隔的雙腔復合材料窗副框組合的鋁合金窗型材內(nèi) 表面溫度較 60 × 20 × 2 ( mm) 鋼制窗副框組合的鋁 合金窗型材內(nèi)表面溫度分別高約 4. 0

14、和 5. 5 。 可見，由于多功能復合材料窗副框的使用，提高了鋁 合金窗型材內(nèi)表面溫度，有效地改善了室內(nèi)熱舒適 度; 同時，也顯著地降低了組合框的傳熱系數(shù)，節(jié)約圖 5不同副框固定扇節(jié)點傳熱系數(shù)計算結(jié)果分布節(jié)點 名稱副框型式框的傳熱系數(shù) Kf 值W / ( m2·K) 備注固定扇無附框3. 116濕法安裝60 × 20 × 2( mm) 的鋼制窗副框4. 89860 單腔間隔復合材料窗副框4. 3743 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 9965 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 907節(jié)點 名稱副框型式框的傳熱系數(shù) Kf 值W / ( m2·K)

15、 備注開啟扇無附框3. 041濕法安裝60 × 20 × 2( mm) 的鋼制窗副框3. 93960 單腔間隔復合材料窗副框3. 7413 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 5405 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 447副框型式傳熱系數(shù) K 值W / ( m2 ·K) 整窗60 × 20 × 2( mm) 的鋼制窗副框3. 16960 單腔間隔復合材料窗副框3. 1093 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 0565 mm FRP 間隔復合材料窗副框3. 043146建 筑 科 學第 27 卷了建筑能耗。性能佳，適用于多雨、潮濕、

16、沿海地區(qū)和化工場所使用，壽命可達 50 年; 并附有防雨水滲漏的披水板，形 成集多項功能于一身的窗副框。多功能復合材料窗 副框施工的顯著優(yōu)勢是: 現(xiàn)場安裝，尺寸偏差能夠滿 足工程施工要求，保證施工質(zhì)量。窗副框窗副框安 裝固定后，可直接安裝外窗，實現(xiàn)產(chǎn)品標準化，有利 于提高工效，節(jié)省人力，節(jié)約材料。針對目前所采用的鋁合金窗型材類型，研發(fā)了4 種規(guī)格的通用復合型材，經(jīng)與通用配件( 規(guī)格尺寸 配套，工廠鉆孔) 現(xiàn)場組裝，可形成多功能復合材料 窗副框系列產(chǎn)品，基本滿足我國現(xiàn)階段建筑工程中 所采用的斷熱鋁合金窗安裝的需要。表 4窗框內(nèi)表面溫度計算結(jié)果結(jié)語多功能復合材料窗副框產(chǎn)品的研發(fā)，有效的解 決了目前

17、我國建筑工程外窗安裝施工中存在的問 題。在此基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)進行利用窗副框進行建 筑外窗整體卡接安裝的整窗單元安裝方法研究及其 多功能復合材料窗副框?qū)Ｓ每南盗挟a(chǎn)品開發(fā)， 為降低建筑能耗和提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供適用的節(jié) 能技術(shù)產(chǎn)品。參考文獻4圖 9 5 mm FRP 間隔復合副框開啟扇節(jié)點等溫線及窗框內(nèi)表面溫度2. 4復合材料窗副框結(jié)構(gòu)的確定有 3mm 和有 5mm FRP 間隔的雙腔復合材料窗 副框組合的鋁合金窗熱工性能模擬結(jié)果顯示，兩種 復合材料窗副框?qū)μ岣咪X合金窗型材內(nèi)表面溫度相 差約 1. 5 ，且其組合窗整窗的傳熱系數(shù)差值僅為0. 013 W / ( m2 ·K) ，從經(jīng)濟性角度分析，采用 3mmFRP 間隔的雙腔復合材料窗副框更為合理。1劉正權(quán)，等 建筑外門窗氣密性及空氣滲透熱損失對實際保溫效果的影響J 門窗，2009 年 05 期北京市地方標準住宅建筑門窗應用技術(shù)規(guī)范DBJ01-79-2004S行業(yè)標準鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范J