多功能复合材料窗副框的研发

1、文章编号1002-8528( 2011) 增刊 2-0143-04多功能复合材料窗副框的研发刘月莉1 ，任志新1 ，赵岩2 ，王昭君1 ( 1 中国建筑科学研究院，北京 100044; 2 天津大学，天津 300072)摘 要 针对目前我国建筑工程外窗安装施工方法存在的问题进行分析，研发了具有保温、隔声、密闭和耐腐蚀性能的多功能复合材料窗副框，为降低建筑能耗和提高室内环境质量提供适用的节能技术产品。关键词 窗副框; 多功能; 建筑能耗; 节能产品和技术中图分类号 TU111. 19 + 5. 1文献标识码 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腐蚀性能俱佳的多功能复合材料窗副框。引言0国内建筑工程外窗安装方法现状为实现建筑节能的目标，建筑工程中都会根据 建筑物所在地区的气候条件及建筑节能设计标准规 定的物理性能指标进行外窗的设计和加工制作。但 是，现行相关技术规范2 4中规定建筑外窗的安装 可采用 “湿法”和“干法”作业两种施工方法，却存 在着不利于建筑节能的问题。“湿法”作业通常的做法是: 门窗生产厂家把窗 框、扇组装完毕运至现场，安装到洞口上，由土建施 工单位以窗框为标准，采用预埋在建筑洞口墙体中 的金属连接

5、片与之固定后使用聚氨酯发泡胶填充， 再用水泥砂浆进行外窗框与洞口之间的刚性收口， 实现窗与建筑墙体的连接( 图 1 ) ，然后安装玻璃。 “干法”作业的做法是: 先将钢制窗副框固定在墙体 主体结构上，再将组装完成的铝合金窗( 或 PVC 塑 料窗) 与其连接安装，主体结构与窗副框相连接，并 不与铝合金窗型材连通。目前建筑工程中外窗干法 施工的构造做法见图 2。行业标准塑料门窗工程技术规范JGJ 103-2008 规定，PVC 塑料窗采用“湿法”作业，连接片与 主体结构直接固定的做法; 行业标准铝合金门窗1有数据表明，当建筑外窗保温性能和气密性能差时，通过外窗的传热损失和渗透热损失相当可观， 特

6、别是铝合金窗的传热和渗透热损失分别可高达建 筑能耗 的 28% 和 20% ，约占建筑总能耗的近一 半1，应引起足够重视。自上世纪八十年代起，我国已将建筑节能工作 纳入重要议事日程，制定了建筑节能相关政策和法 规，发布实施了一系列技术标准规范。 国家标准公共建筑节能设计标准GB50189-2005 以及不同 气候区的居住建筑节能设计标准都对建筑外窗热工 性能指标进行了规定，为建筑外窗产品节能提供了 先决条件。而建筑工程施工过程中门窗分部工程所 采用的施工方法不同，将直接影响到建筑物的能耗 以及室内环境质量。但是，相关标准中对于外窗安 装方法带来的影响仍关注不够，相关的产品开发不 及时。为此，针

7、对目前我国建筑外窗安装施工方法 存在的问题进行分析，研发了保温、隔声、密闭和耐收稿日期 2011-11-21基金项目“十一五”国家科技支撑计划项目( 2006BAJ04A15)作者简介 刘月莉( 1949-) ，女，研究员联系方式 liuyueli cabr gmail com144建 筑 科 学第 27 卷工程技术规范JGJ 214-2010 规定，建筑工程中铝合金窗采用上述两种方法进行安装均可。维护的工作量。多功能复合材料窗副框的研发鉴于上述问题，借鉴美国等国家利用窗副框进 行建筑外窗整体卡接安装的干法作业经验，进行建 筑外窗安装配套标准化产品研究。2. 1材料的选择与生产工艺钢制窗副框的

8、缺点是: 保温性能差，传热损失 大; 尺寸稳定性差，易变形，致使外窗系统渗雨水、气 密性差、隔声性能不佳，影响室内环境质量; 耐腐蚀 性差，不适宜在沿海地区使用。为克服钢制窗副框的上述缺点，满足建筑节能 的需要，通过试验研究，我们决定采用玻璃纤维为增 强材料、不饱和聚酯树脂为基体材料，通过拉挤工艺 生产玻璃纤维增强塑料空腹型材，研发了采用耐老 化性能好、尺寸稳定性好、传热系数小、耐盐雾腐蚀 的玻璃纤维增强塑料( FRP) 与钢衬板复合制作窗副 框。2. 2复合材料窗副框结构热工性能分析仍以我国目前所使用数量较多的 60 系列内平 开断热铝合金窗为例，通过计算机模拟分析，进而对 比确定多功能复合

9、材料窗副框的结构构造。考虑到 40 × 20 × 2( mm) 的钢制副框易变形，会 导致外窗渗雨水、气密性能和隔声性能差、影响室内 环境质量，为淘汰产品。选择了 60 × 20 × 2 ( mm) 的 钢制窗副框、60 单腔间隔复合材料窗副框、3mm 和5mm 玻璃纤维增强塑料( FRP) 间隔的双腔复合材 料窗副框与 60 系列内平开断热铝合金窗组合，依据 行业标准建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程JGJ / T151-2008，采用粤建科 MQMC 热工性能计算软件， 进行外窗附加多功能复合材料窗副框构造的传热系 数和温度场模拟分析。计算边界条件和主要材

10、料的 热物性参数均根据 JGJ / T 151-2008 规定设定。60 系列内平开断热铝合金窗规格尺寸为 1500mm ×1500mm，玻璃系统为( 5 + 12A + 5 ) mm 普通中空玻 璃，窗副框型材构造节点见图 3。2图 1 “湿法”作业外窗安装节点示意图图 2 “干法”作业外窗安装节点示意图实践证明，“湿法”作业时，将铝合金窗( 或 PVC塑料窗) 直接安放在窗洞口中，通过预埋的金属连 接片与建筑物主体结构固定，将形成热桥，增加传热 损失; 在门窗安装的同时，土建工种进行收口抹灰施 工，不利于外窗的成品保护。“干法”施工时，标准 规定了采用 40 × 20

11、× 2 ( mm) 的钢制副框与铝合金 窗框进行连接，仍存在冬季传热和渗透热损失严重 等问题。首先，由于钢的导热系数大，钢制副框会增 大外窗整体的传热系数，使建筑能耗变大; 其次，铝 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) 钢制副框的又一致命 弱点在于其对外窗的稳定性产生较大的影响。以60 系列断热铝合金窗为例进行分析，从图 1 2 中 可以看出，铝合金窗型材较钢副框宽 20mm，钢制副 框仅与型材内片连接固定，型材外片下部无支撑。 由于外窗的重量，在热应力的作用下，窗型材外片和 断热条承受着横向剪切力和拉力。

12、由于荷载频繁变 化，将产生疲劳失效、松动变形，渗漏水和漏气，保温 性能、气密性能和隔声性能以及防雨水性能均会受 到较大影响; 第三，钢制副框耐腐蚀性差，产品寿命 短( 多则 15 年) ，在使用过程中会需要增加更换和3计算结果( 1) 框节点传热系数开启扇、固定扇和中梃的框节点传热系数计算 结果，分别见表 1 2 及图 4 和图 5。( 2) 整窗传热系数计算结果 不同副框整窗传热系数计算结果见表 3。2.145增刊 2刘月莉，等: 多功能复合材料窗副框的研发表 3 不同副框整窗传热系数计算结果( 3) 节点的等温线及窗框内表面温度由于篇幅有限，仅将四种不同窗副框型材开启 扇的计算结果列出。不

13、同副框开启扇节点等温线分 布及窗框内表面温度计算结果见图 6 图 8 及表 4。图 3 窗副框型材节点示意表 1开启扇框节点的计算结果图 6 钢副框开启扇节点等温线及窗框内表面温度表 2固定扇框节点的计算结果图 7 单腔复合副框开启扇节点等温线及窗框内表面温度图 4不同副框开启扇节点传热系数计算结果分布图 8 3 mm FRP 间隔复合副框开启扇节点等温线及窗框内表面温度从模拟结果可以看出，有 3mm 和有 5mm FRP间隔的双腔复合材料窗副框组合的铝合金窗型材内 表面温度较 60 × 20 × 2 ( mm) 钢制窗副框组合的铝 合金窗型材内表面温度分别高约 4. 0

14、和 5. 5 。 可见，由于多功能复合材料窗副框的使用，提高了铝 合金窗型材内表面温度，有效地改善了室内热舒适 度; 同时，也显著地降低了组合框的传热系数，节约图 5不同副框固定扇节点传热系数计算结果分布节点 名称副框型式框的传热系数 Kf 值W / ( m2·K) 备注固定扇无附框3. 116湿法安装60 × 20 × 2( mm) 的钢制窗副框4. 89860 单腔间隔复合材料窗副框4. 3743 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 9965 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 907节点 名称副框型式框的传热系数 Kf 值W / ( m2·K)

15、 备注开启扇无附框3. 041湿法安装60 × 20 × 2( mm) 的钢制窗副框3. 93960 单腔间隔复合材料窗副框3. 7413 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 5405 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 447副框型式传热系数 K 值W / ( m2 ·K) 整窗60 × 20 × 2( mm) 的钢制窗副框3. 16960 单腔间隔复合材料窗副框3. 1093 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 0565 mm FRP 间隔复合材料窗副框3. 043146建 筑 科 学第 27 卷了建筑能耗。性能佳，适用于多雨、潮湿、

16、沿海地区和化工场所使用，寿命可达 50 年; 并附有防雨水渗漏的披水板，形 成集多项功能于一身的窗副框。多功能复合材料窗 副框施工的显著优势是: 现场安装，尺寸偏差能够满 足工程施工要求，保证施工质量。窗副框窗副框安 装固定后，可直接安装外窗，实现产品标准化，有利 于提高工效，节省人力，节约材料。针对目前所采用的铝合金窗型材类型，研发了4 种规格的通用复合型材，经与通用配件( 规格尺寸 配套，工厂钻孔) 现场组装，可形成多功能复合材料 窗副框系列产品，基本满足我国现阶段建筑工程中 所采用的断热铝合金窗安装的需要。表 4窗框内表面温度计算结果结语多功能复合材料窗副框产品的研发，有效的解 决了目前

17、我国建筑工程外窗安装施工中存在的问 题。在此基础上，我们继续进行利用窗副框进行建 筑外窗整体卡接安装的整窗单元安装方法研究及其 多功能复合材料窗副框专用卡件的系列产品开发， 为降低建筑能耗和提高室内环境质量提供适用的节 能技术产品。参考文献4图 9 5 mm FRP 间隔复合副框开启扇节点等温线及窗框内表面温度2. 4复合材料窗副框结构的确定有 3mm 和有 5mm FRP 间隔的双腔复合材料窗 副框组合的铝合金窗热工性能模拟结果显示，两种 复合材料窗副框对提高铝合金窗型材内表面温度相 差约 1. 5 ，且其组合窗整窗的传热系数差值仅为0. 013 W / ( m2 ·K) ，从经济性角度分析，采用 3mmFRP 间隔的双腔复合材料窗副框更为合理。1刘正权，等 建筑外门窗气密性及空气渗透热损失对实际保温效果的影响J 门窗，2009 年 05 期北京市地方标准住宅建筑门窗应用技术规范DBJ01-79-2004S行业标准铝合金门窗工程技术规范J