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复合材料隔热制品提高窗户隔热值

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窗户,无论是在家庭住宅还是商业建筑中的应用,都由于其不够保温而饱受诟病——夏季由室外向室内传导过多热量,反之冬季向室外散失大量热量。然而窗户让人们可以沐浴阳光,眺望窗外的世界,并且对于建筑物整体而言有着强烈的设计美感,这又让窗户的缺陷在几个世纪以来被人们不闻不问,处于一个进退两难的地步。

鉴于窗户在建筑行业中的稳固地位,过去几十年来,业内已经探索发掘了各种材料和设计工艺,让窗户的隔热性能重回大众的关注。像最早于 20世纪初开发,但直到 20世纪80年代才被广泛使用的双层玻璃,是通过在两层窗户之间添加空气层作为介质来达到隔热效果。铝塑窗框、防紫外线涂层以及三层玻璃的出现同样提高了隔热效率。

在窗户制造行业,围绕如何使用先进材料将外层窗框结构与内层窗框结构热隔离,从而最大限度地减少热量通过窗户传递,提高窗户隔热效率,是业内人士一直以来关注的重点。

在过去的几十年里,业内人士潜心钻研,不断向隔热领域在窗户中应用的课题发起挑战,研发出一系列先进的挤出成型或拉挤成型工艺,旨在将纤维增强复合材料垫片集成到玻璃正下方的空间中,即外层和内层框架结构之间。这些隔热层技术将窗户系统带入了高效隔热的新时代。


测量及调节窗户的隔热效率

窗户为商业或家庭建筑中的热量得失提供了无限可能。隔热材料制造商泰诺风的市场团队经理比尔·布拉泽科解释说,窗户内外两侧的热能可以轻易通过以下三种方式中的任意一种传导。首先是对流,即空腔中的空气循环,约占热量流的 35%。其次是热传导,即通过固体材料的能量流动,约占热量流的 50%。最后,热量从较暖的表面辐射到较冷的表面,约占热量流的 15%。由此可见,窗户的设计工艺和隔热材料选用对窗户的整体隔热效率有重大影响。

在过去 20 年左右的时间里,随着对全球气候变化和能源利用效率的担忧日益加剧,政府监管机构越来越多地将提高窗户的隔热效率作为一个突破口,以帮助家庭、办公楼和其他设施减少能源开支。因此,每一个新建筑的动工或旧建筑的改良都是一个提升窗户的隔热效率,进而扩展到建筑整体能源利用效率的绝好机会。

各个国家用来衡量隔热效率的方式不尽相同。在美国,窗户的隔热能力用 U 因子来衡量,以英制热量单位Btu/hr-ft2°F来衡量。在欧洲,隔热效率的衡量类似U因子,用 U 值来表示,以瓦/平方米·度衡量。U 因子或U值,两者数值均为越小越好。衡量窗户在阳光直射下隔热性能,普遍用太阳能得热系数(SHGC),其取值范围为 0.0-1.0,同样数值也是越小越好。

世界各地有关管理和规范窗户隔热效率的建筑规范,构成了一个复杂的网络。处于领先地位规范标准的是国际规范委员会(ICC)编纂的国际建筑规范 (IBC) ,以及国际住宅规范 (IRC)。其次,各个国家,甚至美国各州也都制定了本地化的规范守则,并且不受国际规范委员会的监督和管控。尽管各地法规各不相同,但与美国的标准相比,以积极的节能和温室气体减排目标为指导的欧洲能效标准更加严苛。就以欧盟的芬兰为例,其规范要求U值达到 1.0,转换为美国 U 因子达到0.18

与欧洲形成对比,在美国,能效标准是按地区去划分定义的。包含有四个区域,每个区域都覆盖美国从西到东的一条带:北部、中北部、中南部、南部。在北部地区,U 因子标准为 0.27-0.30。中北部和中南部地区为 0.30,南部地区为 0.40。这些标准如转化为欧洲 U 值,范围在 1.5-2.3之间。

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旭格铝窗框的剖面图展示了窗体内部一系列聚酰胺/玻璃纤维(黑色)和泡沫(白色)隔热材料,将框架外部(左)与框架内部(右)隔开,可以最大限度地减少热量传递并最大限度地提高能源效率。三层玻璃的引入更是画龙点睛之笔


隔热条的诞生

美国门窗及幕墙制造商EFCO公司工程和项目服务副总裁大卫·德苏特表示,全球范围内,特别是在商业建筑中的用户,都偏爱选用铝框窗户。铝材的购买和挤压成型生产成本相对便宜,且铝材易于喷涂上色,可以满足各种色彩需求。此外,德苏特还表示,铝制框架的厚度也可以轻松调整,来满足各种建筑需求。铝是世界上数一数二的热导体,他说:铝材有不少优势,但考虑到其导热性,却不应该作为隔热材料的首选。

像前面提到的多层玻璃和其他技术可以有效地减少能量通过铝框窗户的损失,但在减轻铝框周围的热量损失方面仍然存在挑战。德苏特说,只有一种方法可行,那就是通过嵌入高度隔热的聚合物材料制品将铝框架的外部和内部部分完全隔离,以最大限度地减少周围的热量传递。

德苏特说,这种隔热条或热断层通常由聚酰胺制成,或者采用多向玻璃纤维增强材料挤压成型,再或者(不太常见)采用连续玻璃纤维增强材料进行拉挤成型。 泰诺风作为供应商,为 EFCO 挤出隔热条。经理布拉泽科表示,聚酰胺通常是隔热条的首选材料,因为它的热膨胀系数与铝相似,它具有良好的热和结构特性,质量可靠,能够制造低于严格公差的精密零件,并且易于回收。根据结构要求,隔热条中的玻璃纤维负载通常在 25-40% 之间。

在最基本的设计中,隔热条具有中空中心的管状轮廓。EFCO 公司的第一个隔热条是在十年前开发的,大约 12 毫米宽和 5 毫米厚,但今天,德苏特说,EFCO 的隔热条宽度可以达到25 毫米以上;布拉泽科也承认泰诺风可以产生更宽的隔热条。EFCO 隔热设计的大部分演变都是由越来越严格的美国建筑规范驱动的。德苏特指出,多年来,美国的 U 因子标准是 0.45,但随着它逐渐提升到当下 0.27-0.40 的范围,EFCO 被迫采用更复杂的隔热设计。 0.33 提升到 0.31 的隔热效率看似不起眼,但这确实需要一份异常辛苦的努力,德苏特解释说。

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泰诺风为窗户制造商提供各种隔热设计。此处演示的是该公司在两个铝框架结构之间的挤压聚酰胺/玻璃纤维隔热条(黑色),图示为其切面


驱动隔热条设计

使用挤压或拉挤成型工艺制造隔热条可以归结为使用不连续(多向)挤压和连续拉挤的纤维增强类型两类。德苏特表示,EFCO的隔热条是挤压成型的,采用不连续的纤维增强聚酰胺 66,可以满足公司寻求的强度和热性能要求。

在泰诺风成功拉挤成型EFCO 公司的聚酰胺 66玻璃隔热条后,布拉泽科表示隔热材料的设计受多种因素的影响:隔热材料的尺寸和复杂性非常依赖于系统,选择也要视情况而定。如所需的热性能水平、热透射率(即U 值)、结构要求、以及其他系统设计特性,像窗户类型、硬件、玻璃构成、系统内部件的功能和整体系统成本目标。

布拉泽科说,自然而然地,随着隔热设计复杂性的增加,成本也会增加:相关成本带来的负面影响通常会被它为系统带来的价值以及长期节能、为建筑物及其居住者带来的健康益处所抵消。以我们在全球的网络和广泛的资源,加以不断创新和开发正确的应对方案,我们克服了在设计和工具方面的种种挑战。” 布拉泽科补充说,对于北美的许多项目,价值工程(尽管强调价值)通常会导致接受成本降低和性能表现下降。采用先进隔热材料的最大障碍是北美市场过分关注短期成本,而不是与建筑节能相关的长期价值,布拉泽克说。

更先进的隔热条会是什么样子?在欧洲,更严格的热效率要求促进了高度复杂的多室隔热条的发展。例如,位于德国比勒费尔德的窗户制造商旭格(Schüco)(泰诺风也是其隔热材料供应商)和澳大利亚的特美科(Thermeco)展示了具有多个隔热条的固定式和开放式窗户系统,每个隔热条都设计用于适应特定空间框架。此外,这种隔热条设计通常具有多个增强隔热的腔室。

拉挤成型能否以及如何成为隔热条制造的一种选择,一直是困扰行业的一个难题。芬兰万塔的复合材料制造商 Exel 复合材料公司专门为各种终端市场制造复合材料零件和结构,包括民用住宅和商业建筑以及基础设施应用。Exel 集团部门所有者建筑和基础设施部门的格尔特德鲁弗(Gert De Roover)说,聚酰胺/玻璃纤维型材的拉挤成型工艺,再添加聚氨酯泡沫以增强隔热效果,是窗户隔热制造的标准材料和工艺组合。然而,他承认,随着窗户系统变得越来越复杂,窗框越来越宽,兼顾优良隔热性能及稳固结构特性的隔热材料将成为各大制造商的香饽饽。

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欧洲建筑规范规定了窗户能效的严格标准,这推动了更复杂的隔热设计的开发和使用,包括拉挤成型工艺。美国标准落后于欧盟标准,但未来几年可能会变得更加严格。此处展示的是来自澳大利亚特美科(Thermeco)的窗户,隔热条显示为绿色。

例如,德鲁弗说,Exel 集团开发了一系列拉挤工艺玻璃纤维及聚酯门扇和门楣,兼顾隔热和结构特性。这些属性在窗户系统中可能会变得很有吸引力——特别是考虑到铝框架的广泛使用。无论是叶片还是门楣的使用体检,您可以感受到隔热好处的方方面面,以及材料的结构完整性,他说。应用于叶片和门楣的隔热条,需要具有一定的跨度和必要的刚度,拉挤成型工艺能够帮助我们满足这些要求。

一些定制窗户系统的制造商,尤其是住宅应用,已经开始转向拉挤工艺制造隔热条。例如,美国窗户制造商阿卡迪亚定制特别呼吁在其隔热系统中使用拉挤成型。位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的聚氨酯 (PU) 树脂供应商科思创聚合物(Covestro),他们的目标是将其 拜多聚氨酯(Baydur PU)用于专门针对中国市场的拉挤成型窗户隔热材料。 


未来不断发展的隔热条

无论过程如何,布拉泽科表示,美国建筑行业应该会在未来几年经历隔热条设计复杂性增加的风波。建筑规范正在以缓慢而稳定的速度发展,允许增量系统开发,他说。美国的某些地区已处于领先地位,例如加利福尼亚和纽约。在加利福尼亚州,建筑能效法规第 24 条已成为鼓励创新和提高系统热性能的催化剂。在纽约,纽约市地方法第97条和 WA HB1257 将大力推动现有建筑改造,避免因超过碳排放和能源排放限制而被罚款。2024 年开始从状况最糟糕的建筑入手改建,力求 2030 年覆盖到更多。

此外,布拉泽科还说,2020 年加拿大国家建筑能源法规 (NECB) 即将发布,将包括非常大幅的 U 因子调整。同样,美国政府也在采取更积极的行动,通过 2020 年能源法案鼓励采用更节能的系统,该法案被纳入美国国会于 2020 12 月通过的计划,是应对新冠疫情救济和拨款计划的一部分。 他表示,2024 年国际建筑规范 (IBC)2024 年国际节能规范 (IECC) ASHRAE 90.1 189.1/国际绿色建筑规范,都有强有力的举措来推进更高能效系统的规范。布拉泽科总结道:我认为,未来美国市场会发生些许改变——更加注重长期能源效率和环保建筑,更多地采用和执行要求提高能源效率和建筑节能性能的法规。”


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