书城科普低碳建筑:绿色城市的守望
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第30章 你都知道哪些节能材料?(4)

木材是传统的窗框材料,因为它易于取材且便于加工。虽然木材本质上不耐久易腐烂,但是质量与保养良好的木门窗可以有很长的使用寿命,其外表面必须上漆加以保护,因此也可根据需要改变颜色。木窗框在热工方面表现很好,由于木材的热导率低,所以木材门窗框具有十分优异的隔热保温性能。同时,木材的装饰性好,在我国的建筑发展中,木材有着特殊的地位,早期在建筑中使用的都是木窗(包括窗框和镶嵌材料都使用木材)。所以在我国木门窗也得到了很大的发展。

当今各种高档装修中最为流行的要数纯木门窗的应用,天然木材独具的温馨感和出色的耐用程度是人们喜爱它最重要的理由。为了保证木门窗不开裂,木材要经过周期式强制循环蒸汽干燥处理,这种干燥方法虽然成本较高,但是室内气体循环均匀,质量好,能满足高质量的干燥要求。

经过层层特殊处理的纯木门窗品质非常好,耐候、抗变形,更不用担心遭虫咬、被腐蚀,且强度也大大增加。纯木门窗表面采用高级门窗专用漆,经过传统的手工打磨和七遍以上自然阴干,使涂料的附着力极强,完全可以作为外窗使用。

木门窗是我国目前主要品种之一。但由于其耗用木材较多,易变形引起气密性不良,同时容易引起火灾,所以现在很少作为节能门窗的材料。近些年来,木窗框的一个新变化就是在室外表面外包铝合金作为保护材料。

“内柔外刚”是铝包木门窗的主要特色,室外完全采用铝合金、五金件安装牢固,防水、防尘性能好,不需要烦琐的保养;而室内则采用经过特殊工艺加工的高档优质木材。这种窗框既满足了建筑内外侧对窗框材料的不同要求,又保留了木门窗的特性和功能,而且易于保养。木质框架的隔热性好以及铝合金强度高的优点,使室内色泽与装饰相配,而室外保留了建筑物的整体风格。这样在满足建筑物内外侧不同要求的同时,既保留了纯木门窗的特性和功能,外层的铝合金又起到了保护作用,提高门窗的使用寿命。它也分为德式和意式两种。

新型铝包木保温窗具有保温铝合金窗与木窗的两方面优点。

木塑门窗其结构是采用木芯外覆塑料保护层。采用PVC塑料,将加热的聚氯乙烯挤压包覆在木芯型材上形成极为牢固耐久的保护层,不起皮、不需喷涂、抗老化、清洁美观、免维修。PVC外壳保护层有很高的防腐蚀性(能耐酸、碱、盐等),对沿海地区和高温地区更为适宜;阻燃性能好,其氧指数、水平燃烧和垂直燃烧指标都很好。木塑门窗结构中的木芯经过去浆、干燥处理后加工成型,在外覆料的接口处经过焊接或胶封,保证材质既具有良好的刚度、强度,又不变形。窗扇与窗框之间可采用类似飞机座舱密封的形式,窗扇与玻璃之间采用类似汽车风挡玻。璃密封的形式,有良好的气密性能,优良的防尘、防水性能。这种节能木塑门窗的玻璃可采用中空玻璃(两层玻璃中间抽真空后,充入某种惰性气体),既保证冬季不起雾、不上霜,又保证良好的隔热、隔声性能,冬季可提高室温3~5℃。

《建筑装饰装修工程质量验收规范》(GB50210—2001)对木材质量、木门窗含水率有具体的要求;《室内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量》(GB18581—2001)规定了室内装修用硝基漆类、聚氨酯漆类和醇酸类木器漆中对人体有害物质允许限值。

2.塑料门窗

它是一种具有良好隔热性能的通用型塑料。以此种材料做窗框时内加钢衬,通常称为塑钢或PVC塑料窗。就热工性能来说,PVC塑料窗可与木窗媲美。PVC塑料窗不需要上漆,没有表面涂层会被破坏或是随着时间而消退,颜色可以保持至终,因此表面无须养护。它也可进行表面处理,如外压薄板或覆涂层,增加颜色和外观的选择。近年来的技术更是提高了其结构稳定性,以及抵抗由阳光和温度急剧变化引起的老化的能力。

朔料框材的传热性能差,保温隔热性能十分优良,节能效果突出,同时气密性、装饰性也好。

塑料窗框由于自身的强度不高且刚性差,与金属材料窗比较,其抗风压性能较差,因此以前很少使用单纯的塑料窗框。随着科技的发展,现在也出现了很多很好的塑料窗。由于塑料本身的抗风压性能差,所以目前塑料窗都加强了抗风压性能,方法主要是在型材内腔增加金属加强筋,或加工成塑钢复合型材,这样可明显提高其抗风压性能,适应一般气候条件(风速)的要求。但具体设计时,特别是在风速大的地区或高层建筑中,必须按照国标GB7106进行计算,确定型材选择,加强筋尺寸等有关参数,这样能保证其抗风压性能符合要求。

3.金属门窗

金属门窗框主要就是钢型材与铝合金型材,钢和铝合金在性能上有一定的相似性。因为它们传热性能都较好,所以其保温隔热性能都较差。当然经过特殊加工(断热处理)后,可明显提高其保温隔热性能。

铝合金窗框轻质、耐用,容易根据窗户部件的需要挤塑成复杂的形状。铝合金的表面耐久且易于保养。与钢门窗比较,铝合金门窗框有更多的优点,并且又具有良好的耐久性和装饰性,故在门窗框使用上很受欢迎。同时铝合金门窗框的抗风压性也较好。

但是铝合金作为窗框的最大缺点在于它的高导热性,大大增加了窗户整体的传热系数。在炎热天气,由于太阳辐射的热往往比热传导严重得多,提高窗框的隔热值相较采用高性能的玻璃系统显得次要;但在寒冷天气,普通的铝合金窗框极易在表面产生结露,一结露问题甚至比热损失问题更促使了铝合金窗框的改进。

对铝合金窗框的导热问题最常见的解决方法是设置“热隔断”,就是将窗框组件分割为内、外两部分,代以不导热材料连接。这种隔热技术可大幅度降低铝合金窗框的传热系数。

用于铝合金门窗的铝合金型材需符合相应的国家标准:《铝合金建筑型材第1部分:基材》(GB5237.1—2004)、《铝合金建筑型材第2部分:阳极氧化、着色型材》(GB5237.2—2004)、《铝合金建筑型材第3部分:电泳涂漆型材》(GB5237.3—2004)、《铝合金建筑型材第4部分:粉末喷涂型材》(GB5237.4—2004)、《铝合金建筑型材第5部分:氟碳漆喷涂型材》(GB5237.5—2004)。

断热冷桥型材有两种形式:“穿条工艺”和“浇注工艺”。“穿条工艺”是由两个隔热条将铝型材内、外两部分连接起来,从而阻止铝型材内、外热量的传导,实现节能的目的。它是来源于欧洲的技术,在市场上较为常见,据不完全统计数据表明,国内采用进口穿条生产设备和国内穿条生产设备的公司有近百家,正常生产的不到总数量的一半。

“浇注工艺”隔热节能技术起源于美国,1937年10月,第一个描述铝合金材料如何进行隔热处理的专利诞生。它的主要原理是将一种类似密封蜡的混合物浇注到门窗用铝材的中间,来进行隔热。与此同时,有关聚氨酯的专利在德国出现。1952年,另一个专利被公开发布。该专利发明者的想法是用黏结或机械力压紧的方法将某种未成型的高分子绝热聚合物固定在铝合金型材专用的断热槽中。然后,就像今天大家看到的那样,将铝合金型材槽底连接部分切除,这种方法就是今天“浇注工艺”技术的雏形。目前,国内有不少厂家引进了浇注设备,其中包括进口和国产的,这些厂家大多是在有穿条式设备的同时引进浇注式设备的。

4.玻璃钢型材门窗

玻璃钢门窗是以玻璃纤维及其制品为增强材料,以不饱和聚酯树脂为基体材料,通过拉挤工艺生产出空腹型材,经过切割、组装、喷涂等工序制成门窗框,再装配上毛条、橡胶条及五金件制成的门窗。玻璃钢型材是类似于钢筋混凝土的一种复合结构体,是一种轻质高强材料,它同时具有铝合金型材的刚度和PVC型材较低的热传导性,是继木结构门窗、钢结构门窗、铝结构门窗及塑钢(PVC+钢衬)门窗之后的一种具有绿色节能环保性能的新型节能窗框材料。

玻璃钢窗与铝合金窗、塑钢窗相比具有以下优势。

(1)轻质高强。玻璃钢型材的密度在1.9g/cm3左右,约为铝密度的2/3,比塑钢型材略大,属轻质材料。而玻璃钢型材抗拉强度大约是420N/cm2,抗拉强度与普通碳钢接近,弯曲强度及弯曲弹性模量是塑钢型材的8倍左右,是铝合金的2~3倍。而抗风压能力达到国标GB7106Ⅰ级水平,与铝合金窗相当,比塑钢窗要高出约两个等级。

(2)密封性好。在密封性方面,玻璃钢窗在组装过程中角部处理采用胶黏加螺接工艺,同时全部缝隙均采用橡胶条和毛条密封,玻璃钢型材为空腹结构,因此密封性能好。其气密性达到国标GB7107Ⅰ级水平。塑钢窗的气密性与它相当,铝合金窗则要差一些。在水密性方面,塑钢窗由于材质强度和刚性低,水密性要比玻璃钢窗和铝合金窗低两个等级。

(3)隔热保温、节能。玻璃钢型材热导率低,室温下为0.3~0.4W/(m·K),与塑钢窗相当,远低于铝合金型材,是优良的绝热材料。玻璃钢型材的热膨胀系数为8×10—6℃—1,与墙材、玻璃的线膨胀系数相当,在冷热差变化较大的环境下,不易与建筑物及玻璃之间产生缝隙,更是提高了其密封性,加之玻璃钢型材为空腹结构,所有的缝隙均有橡胶条、毛条密封,因此隔热保温效果显着。保温性达到国标GB8482Ⅱ级水平。对于冬季比较寒冷的北方、夏季比较炎热的南方(装空调),玻璃钢窗都是最好的选择,其保温、节能性能与塑钢窗大致相当,好于铝合金窗。

(4)尺寸稳定。玻璃钢窗的热膨胀系数为21×10—6℃—1,约是铝合金的1/3,塑钢的1/10,不会因昼夜或冬夏温差变化而产生挤压变形问题。在耐热性、耐冷性、吸水性方面,玻璃钢型材和铝合金型材相当,遇热不变形,无低温冷脆性,不吸水,窗框尺寸及形状的稳定性好。而塑钢窗易受热变形、遇冷变脆及形状稳定性差,往往需要利用玻璃的刚性来防止窗框的变形。

(5)耐腐蚀、耐老化。在耐腐蚀方面,玻璃钢窗是优良的耐腐蚀材料,对酸、碱、盐、大部分有机物、海水以及潮湿都有较好的抵抗力,对于微生物的作用也有抵抗的性能,适合使用于多雨、潮湿和沿海地区以及化工场所。铝合金窗耐大气腐蚀性好,但应避免直接与某些其他金属接触时的电化学腐蚀,塑钢窗耐潮湿、盐雾、酸雨,但应避免与发烟硫酸、硝酸、丙酮、二氯乙烷、四氯化碳及甲苯等有机溶剂直接接触。在耐老化方面,玻璃钢型材为复合材料,铝合金型材是高度稳定的无机材料,二者的耐老化性能优良,而塑钢型材为有机材料,在紫外线作用下,大分子链断裂,使材料表面失去光泽、变色、粉化,型材的力学性能下降。

(6)装饰性好。玻璃钢和铝合金型材硬度高,经砂光后表面光滑、细腻、易涂装。可涂装各种涂料,颜色丰富,耐擦洗,不褪色,观感舒适。而塑钢窗作为建筑外窗,只能以白色为主。因为白色或浅灰色塑钢型材具有耐候性和光照稳定性,不宜吸热,故被广泛使用。有色彩的塑钢型材耐热性、耐候性大大降低,只能适于室内使用。

(7)防火性好。相比而言,玻璃钢窗加入了无机阻燃材料,属难燃材料,铝合金窗完全不燃,而塑钢窗的防火性与二者相比是差的,遇到明火后可进行缓慢的燃烧,并且在燃烧时释放氯气(毒气)。

(8)使用寿命长。在正常使用条件下,玻璃钢窗的使用寿命达30年,与铝合金窗的20年、塑钢窗的15年使用寿命相比较是长的,大大减少了更换门窗的费用和麻烦。

5.复合型门窗

复合材料门窗框主要由两种或两种以上单一材料构成,是一类综合性能俱佳的新型门窗。金属材料钢、铝合金和非金属材料呈现明显的互补性,其中钢、塑料尤为明显,互相弥补了各自性能的不足。因此,如果能够制成金属与非金属相互复合的门窗框架,其门窗性能一定会得到全面优化。由于塑料的可塑性,可以充分利用塑料型材制成复杂断面的性能,从而为安装封条和镶嵌条提供最佳断面,以大幅度地提高门窗制品的气密性和水密性。在具体的门窗设计中,可以将金属框材面向室外,将塑料框材朝向室内。这一方面可满足建筑外观要求,另一方面还可以使室内侧免于暴露金属表面,有利于防止结露和触摸时冰凉的不适感。塑料框材布置在室内可避免阳光直射,延缓老化,延长寿命。此外,塑料型材可制成多种颜色,由于无阳光直射之虞,可充分满足室内装饰要求。还有,金属框架的设计可以充分考虑其刚性,发挥其防盗、防火的优越性,从而弥补全塑料门窗框在这方面的不足。当然两种型材相互复合工艺随金属材料的不同而改变,一般钢塑型材复合多采用机械和化学综合方法,而铝塑型材复合多以插接压锁工艺为主。复合型材要求连接缝隙严密防水,在受力时又能起共同抗弯作用,效果良好。

研究表明,复合型门窗框能有效起到节能的作用。而其中钢塑复合门窗已有高、中、低三个档次系列。在不同地区的热工实测证明,性能稳定,保温节能效果良好。同时研究不同复合型门窗框已取得理想的效果,复合型门窗框已得到更进一步的推广。

目前,在门窗框的选用上,木材、塑料、钢、铝合金、玻璃钢各种门窗产品性能均受到其框材性能的制约,性能方面都存在不同的缺点。从建筑节能的角度看,注重门窗的保温隔热性能固然十分重要,但也要考虑其他性能,根据工程的实际情况来选择综合性能相适宜的门窗类型。在有利于节能的门窗框材发展中,多采用复合材料,这样既发挥各种材料的优点,又能弥补自身的不足,在门窗的设计中应当提倡材料的多样互补性。现在形成了钢塑组合、铝塑组合、合金与塑料组合等多种复合材料的门窗框。根据经济性和节能效果来说,复合型门窗框材是现在推广节能项目中很好的材料。

六、镶嵌材料

目前,玻璃及其制品是常用的镶嵌材料,由于窗户的功能性要求,镶嵌材料需要很好的透光性,玻璃及其相应的透过材料是很好的选择。