【技术】被动式超低能耗绿色建筑所用外门窗的无热桥设计与施工

中国幕墙网2019-02-09 13:44:40

  被动式超低能耗绿色建筑(以下简称超低能耗建筑)是指适应气候特征和自然条件,通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构,采用高效新风热回收技术,最大程度地降低建筑供暖供冷需求,并充分利用可再生能源,以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。

  本文从做为超低能耗建筑主要技术特征之一的,保温隔热性能和气密性能更高的外窗和无热桥的设计与施工,进行阐述外门窗与建筑墙体间的连接和安装方式,来实现无热桥的设计与施工。

  1 建设部关于门窗和门窗的无热桥的规定

  住房城乡建设部与2015年11月10日以建科【2015】179号文印发的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则 (试行)(居住建筑)》对外门窗的性能和外门窗的无热桥设计要求是:

  1.1 外窗性能基本要求:

  1.1.1 外窗保温和遮阳性能应符合下列要求:

  ——不同气候区外窗传热系数(k)和太阳得热系数(SHGC)可参考表 一选取;

表一 外窗传热系数(k)和太阳得热系数(SHGC)参考值

外窗

单位

严寒地区

寒冷地区

夏热冬冷地区

夏热冬暖地区

温和地区

k

W/(㎡ K)

0.70-1.20

0.80-1.50

1.0-2.0

1.0-2.0

≤2.0

SHGC


冬季≥0.50

夏季≤0.30

冬季≥0.45

夏季≤0.30

冬季≥0.40

夏季≤0.15

冬季≥0.35

夏季≤0.15

冬季≥0.40

夏季≤0.30

  ——为防止结露,外窗内表面(包括玻璃边缘)温度不应低于 13℃;在设计条件下,外窗内表面平均温度宜高于 17℃,保证室内靠近外窗区域的舒适度;

  ——应根据不同的气候条件优化选择 SHGC 值。严寒和寒冷地区应以冬季获得太阳辐射量为主,SHGC 值应尽量选上限,同时兼顾夏季隔热;夏热冬暖和夏热冬冷地区应以尽量减少夏季辐射得热,降低冷负荷为主,SHGC 值应尽量选下限,同时兼顾冬季得热。当设有可调节外遮阳设施时,夏季可利用遮阳设施减少太阳辐射得热,外窗的 SHGC 值宜主要按冬季需要选取,兼顾夏季外遮阳设施的实际调节效果,确定 SHGC 值;

  1.1.2 外门窗应有良好的气密、水密及抗风压性能。

  依据国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106,其气密性等级不应低于8级、水密性等级不应低于6级、抗风压性能等级不应低于9级。

  1.2 外窗配置时应符合下列要求:

  1.2.1 玻璃配置应考虑玻璃层数、Low-E 膜层、真空层、惰性气体、边部密封构造等加强玻璃保温隔热性能的措施。

  ——严寒和寒冷地区应采用三层玻璃,其他地区至少采用双层玻璃;

  ——采用 Low-E 玻璃时,应综合考虑膜层对 K 值和 SHGC 值的影响。膜层数越多,K 值越小,同时 SHGC 值也越小;当需要 SHGC 值较小时,膜层宜位于最外片玻璃的内侧;

  ——当需要 K 值较小时,可选择 Low-E 中空真空玻璃。Low-E 膜应朝向真空层; 与普通中空玻璃相比, Low-E中空真空玻璃传热系数可降低约2.0 W/(㎡·K);

  ——惰性气体填充时,宜采用氩气填充,填充比例应超过 85%。比例越高,隔热性能越好;

  ——中空玻璃应采用暖边间隔条, 通过改善玻璃边缘的传热状况提高整窗的保温性能。

  1.2.2 型材应采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保温性能较好的材料。在严寒和寒冷地区,隔热铝合金型材难以达到超低能耗建筑的传热系数要求。在夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区,门窗型材保温性能要求可相对降低。

  1.2.3 外窗应采用内平开窗。

  1.3 外窗无热桥设计要点:

  建筑围护结构中热流密度显著增大的部位,成为传热较多的桥梁,称为热桥。

  (1)外窗分隔应在满足国家标准要求的前提下尽量减少,并按照模数进行设计;

  (2)外窗节点设计时,宜利用建筑门窗玻璃幕墙热工计算软件,模拟分析不同安装条件下外窗的传热系数和各表面温度,进行辅助设计和验证;

  (3)外窗宜采用窗框内表面与结构外表面齐平的外挂安装方式,外窗与结构墙之间的缝隙应采用耐久性良好的密封材料密封严密;

  (4)外窗台应设置窗台板,以免雨水侵蚀造成保温层的破坏;窗台板应设置滴水线;窗台宜采用耐久性好的金属制作,窗台板与窗框之间应有结构性链接,并采用密封材料密封;

  (5)外窗安装示意图如图一所示。

图一 外窗安装示意图

  2 河北省关于外门窗和外门窗无热桥的规定

  2015年5月1日起实施的DB13(J)/T177-2015河北《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》规定如下:

  2.1 外门窗要求

  2.1.1 外门窗的透明材料应选用Low-E 中空玻璃或真空玻璃,其性能应符合下列规定:

  (1)玻璃的传热系数,取中空玻璃稳定状态下的U 值,应依据现行国家标准《中空玻璃稳态U 值(传热系数)的计算及测定》GB/T 22476 规定的方法计算,并符合下列规定:

  K≤0.8W/(㎡·K)  

  (2)玻璃的太阳能总透射比,应依据现行行业标准《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T 151 规定的方法测定,并符合下列规定:

  g≥ 0.35 

  (3)玻璃的选择性系数,宜符合下列规定:

  S=TL/g ≥ 1.25

  式中,g ——透明材料的太阳能总透射比;

  S ——透明材料的选择性系数;

  TL——透明材料的可见光透射比。

  2.2.2 外门窗的型材宜选用木材或塑料,其传热系数应依据现行国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484 规定的方法测定,并符合下列规定:

  K≤1.3W/(㎡·K)

  2.2.3 外门窗的玻璃间隔条应使用耐久性良好的暖边间隔条,并符合下列规定:

    Σ(d×λ)≤0.007

  式中, d ——玻璃间隔条材料的厚度,m;

     λ——玻璃间隔条材料的导热系数,W/(m·K)。

  2.2.4 外门窗的传热系数,应依据现行国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484 规定的方法测定,并符合下列规定:

  K ≤1.0W/(㎡·K)

  2.2.5 外门窗应采用三道耐久性良好的密封材料密封,每扇窗至少两个锁点,并尽可能减少型材对透明材料的分隔。

  2.2.6 外门窗应具有良好的气密、水密和抗风压性能。依据现行国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106,其气密性等级不应低于8 级、水密性等级不应低于6 级、抗风压性能等级不应低于9 级。

  2.2.7 外窗规格、分格形式及玻璃规格宜按附录D 选用。

  2.2.8 不得使用双层窗。

  2.2 关键节点构造

  2.2.1外门窗宜紧贴结构墙外侧安装,外门窗与结构墙之间的缝隙应采用耐久性良好的密封材料密封,并符合下列规定:

  (1)室内一侧使用防水隔汽膜,室外一侧使用防水透汽膜;

  (2)宜采用预压膨胀密封带密封。

  2.2.2 外窗台上应安装窗台板,并符合下列规定:

  (1)金属窗台板的材料性能应符合本标准8.4的规定;

  (2)金属窗台板与窗框之间应有结构性连接,并采用密封材料密封;

  (3)金属窗台板上应设有滴水线;

  (4)金属窗台板和窗框的接缝与保温层之间,应采用预压膨胀密封带密封。密封带粘胶一侧应粘贴在窗台板和窗框上。

  2.3 外围护门窗洞口的密封材料

  2.3.1 外围护结构门窗洞口处外墙与窗框之间,宜用防水隔汽膜和防水透汽膜组成的密封系统密封。

  2.3.2 用于室内和室外的密封材料,宜采用不同颜色标识,室内一侧使用防水隔汽膜,室外一侧使用防水透汽膜。

  2.3.3 在外围护结构的门窗洞口处,门窗框与外墙表面宜安装预压膨胀密封带。

  2.3.4 由防水隔汽膜、防水透汽膜和密封胶组成的外墙与外门窗的密封系统,应由系统供应商配套提供。

  3 外门窗与建筑结构连接的无热桥设计和施工

  现在的被动式建筑用的外围护门窗采用的是湿法安装,普遍用镀锌角钢或镀锌金属压型角片,通过金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓与建筑墙体固定,这样又产生了新的热桥(如图二、图三所示)。

图二、金属压型角片固定方式

图三、折弯角钢固定方式

  为了解决热桥和湿法安装过程中产生的门窗污损等问题,可采用以下的无热桥设计和施工方式:

  3.1 湿法安装的无热桥设计和施工

  图四是铝包木窗温法无热桥安装方式,下部采用了三角形聚氨酯拉挤型材支架,承担门窗的重力荷载,其它三边采用聚氨酯拉挤型材制作固定角件,承担门窗承受的风荷载,采用沉头金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓将聚氨酯拉挤型材支架或固定角件固定在建筑墙体上,外露的螺栓头采用塑料盖帽盖住,不使金属热桥外露。

  图五是铝合金窗温法无热桥安装方式,下部采用了角形带垫框聚氨酯拉挤型材支架,承担门窗的重力荷载,其它三边采用聚氨酯拉挤型材制作固定直角角件,承担门窗承受的风荷载,采用沉头金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓将聚氨酯拉挤型材支架或固定角件固定在建筑墙体上,外露的螺栓头采用塑料盖帽盖住,不使金属热桥外露。

  图六是塑钢窗温法无热桥安装方式,下部采用了聚氨酯拉挤型材固定角件与塑料热框进行固定,承担门窗的重力荷载,其它三边采用聚氨酯拉挤型材制作固定角件,承担门窗承受的风荷载,采用沉头金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓将聚氨酯拉挤型材固定角件固定在建筑墙体上,外露的螺栓头采用塑料盖帽盖住,不使金属热桥外露。

  湿法安装存在着土建在施工过程对门窗的污损,对成品保护及为不利的弱点。

图四、铝包木窗温法无热桥安装方式

图五、铝合金窗温法无热桥安装方式

图六、塑钢窗温法无热桥安装方式

  3.2 干法安装的无热桥设计和施工

  图七、图八、图九分别是铝包木窗、铝合金窗、塑钢窗的干法无热桥安装方式,

  采用聚氨酯拉挤型材制成的附框,附框四周采用聚氨酯拉挤型材制作固定角件与其固定,承担门窗的重力荷载和门窗承受的风荷载,采用沉头金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓将聚氨酯拉挤型材固定角件固定在建筑墙体上,外露的螺栓头采用塑料盖帽盖住,不使金属热桥外露。

  窗与附框采用从室外向室内安装,在附框室内侧设有挡边,提高门窗与墙体间的密封性,杜绝通缝的形成,并形成了室内高于室外,也有利于防水;附框与窗接触面设置成斜坡,有利于窗的排水系统设置;附框大于窗框将门窗外框包裹住,这样也有利于消除组合窗接合处的雨水渗透;附框与窗框间的弹性连接,可以消化热胀冷缩带来的变形量;聚氨酯附框和外保温系统的各项热工性能的一致性,形成了一个完整的保温统一体。

  附框的采用实现了门窗的干法安装,消除了门窗因建筑施工对门窗的污损,为门窗的更换提供了便捷条件。

图七、铝包木窗干法无热桥安装方式

图八、铝合金窗干法无热桥安装方式

图九、塑钢窗干法无热桥安装方式

  3.3 整窗单元干法安装的无热桥设计和施工

  图十、图十一、图十二分别是铝包木窗、铝合金窗、塑钢窗的整窗单元无热桥安装方式,采用聚氨酯拉挤型材制成的附框,附框四周采用聚氨酯拉挤型材制作固定角件与其固定,承担门窗的重力荷载和门窗承受的风荷载,采用沉头金属膨胀螺栓或尼龙胀锚螺栓将聚氨酯拉挤型材固定角件固定在建筑墙体上,外露的螺栓头采用塑料盖帽盖住,不使金属热桥外露。

  窗与附框采用从室内向室外整窗单元安装,窗与附框采用了弹簧销钉和固定锁紧滑块的固定方式,可拆卸的安装方式,为门窗的更换提供了便捷条件;在附框室外侧设有挡边,提高门窗与墙体间的密封性,杜绝通缝的形成;附框大于窗框将门窗外框包裹住,这样也有利于消除组合窗接合处的雨水渗透;附框与窗框间的弹性连接,可以消化热胀冷缩带来的变形量;聚氨酯附框和外保温系统的各项热工性能的一致性,形成了一个完整的保温统一体。

  整窗单元安装附框的采用实现了门窗的整窗单元干法安装,保证了门窗的整体质量,提高了安装的效率,为装配式建筑提供了门窗的可装配结构,为门窗的产业化带来了革命性的突破。

图十、铝包木窗整窗单元无热桥安装方式

图十一、铝合金窗整窗单元无热桥安装方式

图十二、塑钢窗整窗单元无热桥安装方式

  4 聚氨酯拉挤型材的特点及性能

  聚氨酯拉挤型材采用以纤维及其制品为增强材料,以聚氨酯树脂为基材,将纤维及织物经压力注射聚氨酯树脂后,通过加热专用模具高温固化成型,经牵引机牵引拉挤工艺生产出表面光洁、尺寸稳定、强度高的拉挤工艺复合的异型材。它是新型高分子复合材料,基体树脂和增强纤维构成的类似于钢筋混凝土的一种复合结构体,由于树脂和纤维在性能上的“优势互补”,使其具有具有轻质高强、耐潮湿、耐腐蚀、抗老化,阻燃、绝热、绝缘、保温、隔声等优良的物理化学性能,在高低温作用下,仍能保持尺寸稳定性,工艺先进,在生产过程中不会造成公害。具有如下特点和性能:

  4.1轻质高强

  聚氨酯型材具有轻质高强的优良性能(详见下表),聚氨酯附框不需钢框为骨架,完全靠自身就能支撑,抗压、抗折、不变形、不弯曲。既节省了钢材,又达到了使用目的,可在台风多发区使用。

  4.2 耐蚀性能强

  不用做任何表面处理,具有不怕水泥砂浆等碱性或酸性的较强耐腐蚀能力,与建筑同寿命;

  4.3 适用性强

  可按用户要求提供不同断面及尺寸,可以适用于铝合金、塑钢和玻璃钢等各类门窗安装对附框的要求,并提供了不同的附框组装工艺和附框及门窗的安装工艺,具有较强的适应性;

  4.4 导热系数低

  按聚氨酯附框导热系数为0.30W/m·℃,经中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院,编号为CABR-MQMC-2015-001的评估报告的评估结论是:

  在冬季计算条件下,与普通钢附框相比,聚氨酯附框具有更好的节能效果,在减少建筑物通过建筑外窗附框流失热量的同时,有效地提高了相应的内表面温度:

  (1)聚氨酯附框可使整个节点传热系数降低0.87 W/(㎡·K),使整个节点内表面温度提高5.6℃。

  (2)聚氨酯附框可使附框与内外砂浆节点传热系数降低0.86W/(㎡·K),使附框与内外砂浆节点内表面温度提高4.5℃。

  4.5 线膨胀系数低

  聚氨脂复合材料型材为7.3×10-6/℃、玻璃为9×10-6/℃、砖为9.5×10-6/℃、混凝土和水泥为10-14×10-6/℃,同建筑墙体的材料线膨胀系数相近,这样在热胀冷缩情况下而保证了变形量的基本一致,也避免了裂缝的出现,提高了接缝处的气密性,水密性,阻碍了冷热对流,避免了室内结露、结霜、结冰,同时提高了保温性能;

  4.6 优异的物理力学性能

  新修订的JC/T941《门窗用玻璃纤维增强塑料拉挤型材》规定物理力学性能如下表:

  5 结论

  被动式超低能耗绿色 建筑所用的门窗的各项指标在安装时达到了标准的要求,在实际使用寿命周期内是否也能达到了标准的要求,是否衰减,这是关健问题。

  门窗与建筑不是同寿命,所以门窗要进行更换,附框是门窗进行更换的首要条件,有了附框拆换门窗就不用损坏建筑结构墙体,这样附框与建筑要同寿命,不会因热胀冷缩和保温性能低而使建筑结构开裂和影响其保温性。聚氨酯拉挤型材是最优的附框用材料。

  门窗在建筑墙体上安装必须实行干法安装和整窗单元安装,同时必须实行多功能的附框,这样才能最终保证门窗质量。

  作者:周佩杰

来源:《建筑幕墙创新与发展》


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