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浅谈建筑外窗物理五性的检测

来源:合肥市门窗幕墙协会   发布时间:2011年9月19日  浏览次数:13399

         

         浅谈建筑外窗物理五性的检测
                国建建筑节能产品监督检验中心
            安徽省产品质量监督检验研究院   葛大中
摘要:通过对建筑外窗气密性、水密性、抗风压、保温性能和空气隔声性能检测,运用新标准的贯标评述,阐明了在外窗生产制作过程中规范设计管理要求的紧迫性和必然性。
一、门窗的现状和概述
安徽处于夏热冬冷地区,近年来,随着高层建筑的数量及建筑高度不断增加,业主及客户对建筑外窗质量问题的投诉也越来越多。窗体主要受力杆件由于结构设计和选材的不合理性,在雷雨伴有大风的季节,雨水渗入室内造成内部装修层损坏。为确保建设工程质量,根据建委的相关的指示精神,取得相应资格认证的单位对外窗质量进行强制性的检测业务,要求对进入施工现场的外窗的物理三项性能即空气渗透性、雨水渗漏性和抗风压性进行送样检测。目前对于送样试验室检验的规定是:同一工程,建筑外窗面积小于1000m2的送检同规格的有代表性的三樘作为一组;1000m2~5000m2的送检2组,大于5000m2的,送检3组;由不同厂家生产的,须分别送检。另外,对有保温性能有设计要求的建筑进行保温检测,对在火车道、高速公路和城市主干道两侧等噪声大的住宅住进行空气隔声新能检测。
外窗在建筑中的主要作用是采光、通风、接受日照和供人眺望;作为建筑物外墙的组成部分,对于保证外墙的围护作用(如保温、隔热、隔声、防风雨等)和建筑物的外观形象都起着非常重要的作用,常被人们比作建筑的眼睛,对保证建筑物能够正常、安全、舒适的使用具有很大的影响。标准中规定外窗空气渗透量不大于2.5m2/(m•h),另外,外墙窗户雨水的渗漏给人们的工作和生活造成不便,因此雨水渗漏性能对住户来讲也显得非常重要。在外窗物理五性中,抗风压是最重要的,标准中规定外窗抗风压不小1000Pa,并且不小于设计计算值,抗风压其关系居民的生命财产安全;由于目前大量劣质的窗用型材及其配件充斥市场,因此急需强化外窗风压的检测手段来规范产品制作的选材用料。
保温性能越来越被人们重视。目前国家大力推荐使用建筑节能材料,将节能作为国家的一项基本国策来抓,建筑节能均作为强制性行指标进行考核。窗户是薄壁的轻质构件,是建筑保温、隔热的薄弱环节。因此,窗户是改善室内冷、热环境和建筑节能的重中之重。按正常的比例,门窗面积占建筑面积的20%以上;从能源的流失比例看,整个建筑的能量损失中的70%是从门窗流失的。大量的能源通过门窗白白流失,造成极大的浪费。因此我国在大力提倡使用节能门窗。
外窗物理五性在一定程度上体现了外窗的整体性能,是外窗组装质量好坏的重要标志。
二、 检测方法论述
2.1 气密性检测
空气渗透性能检测时,首先将待测试件可开启部分密封,分级施加正负压风荷载,记录达到各分级正负荷载时附加空气渗透量;然后将密封去除,重复上述过程,测定总的空气渗透量。以两次测量的差值即总渗透量减去附加渗透量作为试件本身的渗透量,再以三樘窗内外压力差值为10Pa时单位开启缝长度和单位面积上的空气渗透量平均值作为评价指标进行各自所属等级评级,最后取两者中的不利级别作为该组试件所属等级。正、负压测值分别定级。
2.2 水密性检测
对于安徽地区的外窗宜采用稳定加压法,首先以2L/(m2•min)的淋水量对试件进行均匀的喷淋,然后分级地施加风荷载,在各级稳定加压过程中,观察并记录每个试件达到严重渗漏时的压力差值。以此前一级压力差值作为该试件水密性能检测值,并以一组试件窗的算术平均值作为评价指标进行评级。工程检验时加压至设计指标值。
2.3 抗风压检测
抗风压性能检测可分为变形检测、反复加压检测和安全检测三部分。定级检测:变形检测时风压荷载分级施加,以主要受力杆件的相对面法线挠度达到杆件长度的L/300时的风荷载值作为变形检测压力差值P1,以此来评价建筑外窗保持正常使用功能的能力。以1.5P1作为反复加压检测压力差值P2,检测在正负交替风荷载P2作用下构件的反应。以2.5P1作为定级检测压力差值P3,检测在阵风荷载P3作用下构件的反应,窗户在检测过程中不得发生损坏和功能障碍。
工程检测是考核实际工程的外窗能否满足工程设计要求的检测。检测压力差为P3。当工程设计值小于或等于2.5P1倍时,才按工程检测进行;并以0.6倍工程设计值(P2)进行反复加压检测。当工程设计值大于2.5P1倍时,以定级检测取代工程检测。
三个试件的综合评价:定级检测时,以三试件定级值得最小值为该组试件的定级值。工程检测时,三个试件必须全部满足工程设计要求。在抗风压性检测时需注意一点,就是有的窗子气密性太差,而检测系统的鼓风机最大风量是一定的,当送风量已经达到极限,压力箱内还无法达到被测杆L/300面法线挠度值对应的压力差时,只有人工通过一次回归的方法来计算出该窗子的抗风压性能(检测仪器无法计算P1)。
2.4 保温性能检测
试验室内采用标定热箱法检测。试件的一侧为热箱,模拟采暖建筑冬季室内气候条件,另一侧为冷箱,模拟冬季室外气候条件。在对试件缝隙进行密封处理,试件两侧各自保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件下,测量热箱中电暖气的发热量,减去通过热箱外壁和试件框的热损失(两者均由标定确定),除以试件面接与两侧空气温差的乘积,即可计算出试件的热传递系数K值。
可以看出:检测原理中说明“对试件缝隙进行密封处理”,在检测方法中要求“试件开启缝应采用塑料胶带双面密封,然后进行整窗的K值检测。”因此,该方法得出的建筑外窗的传热系数K值是整窗材料的传热系数。而实际使用中,因建筑门窗气密性能不良造成能源的大量浪费。
2.5 空气隔声性能
隔声实验室要求由两个混响实验室(声源室和接受室)组成,在两室的公共墙面中部的洞口安装窗户。实验室在结构上与外界必须采取有效的隔振措施,地基与外界分隔。中间填充吸声体如隔音棉等,将外界噪声带来的影响忽略不计;两相连的实验室也要采用相同措施隔离。以16个中心频率1/3倍频程的隔声量发出频率,将声源室内平均声压级与接受室内平均声压级之差在加上一个修正量作为该窗户的空气声计权隔声量,三樘窗户取平均值作为该窗型的分级指标。
三、 不同种类外窗五项性能的比较
建筑外窗两个现行标准对五项性能指标的分级采用了一致的等级标准,使人们在使用和判定时有了统一的认识。下面将铝合金窗和PVC-U塑料窗的物五性做一综合比较分析:
3.1 空气渗透性
空气渗透性简称气密性,主要与框、扇之间的密封程度有关,即框扇之间缝隙大小、密封材料的性能和相关配件有关。平开窗框扇之间的缝隙小,且又采用橡胶密封条,因此气密性最好。铝合金推拉窗框扇之间的缝隙较大、搭接量小,框、扇之间采用毛条和质量低劣的锁闭五金件时,当门窗锁闭后,锁点、锁座无法紧扣在一起,无法产生密封压紧力,导致门窗密封性能大大降低,因此气密性相对较差。典型就是用类似828系列铝合金型材,由于窗框窗扇由于搭接量小,小的仅有3mm,窗扇型腔大,使得框扇之间缝隙偏大,安装质量低劣的密封毛条几乎起不到密封作用,气流通过的距离短,阻力变小,空气容易通过,气密性能变差,有的甚至超出标准的6倍。塑料推拉窗框架之间的缝隙较小,一般为1mm,搭接量达到10mm以上,辅以密封毛条即可,因此气密性较铝合金推拉窗好。
3.2 雨水渗漏性
雨水渗漏性能主要由框扇之间缝隙、框扇密封材料和玻璃密封材料性能决定。平开塑料窗框扇构件是焊接的,框扇之间缝隙小,玻璃密封材料多是PVC条,框扇密封材料是橡胶条,密封较好,且玻璃与窗框扇之间,及窗框与扇之间大都是内外两道密封,因此雨水渗漏性能最好。也有极个别的平开窗由于窗扇使用的密封胶条,窗扇上部的拐角处达接不严密,留有间隙时,甚至在未加压的淋雨阶段,雨水就流出试件界面,另外一种情况就是,铝合金窗的下搭接量小,下面结合部分的装有拉杆,使窗框和窗扇底部出现间隙而使水溢出试件界面而不合格。推拉铝合金窗框扇之间的底部有导轨,缝隙大,只要风压一到150Pa,下滑处的水并喷溅出试件界面,因此雨水渗漏性差。
3.3 抗风压性能
抗风压性能是框扇刚性和框扇密封材料性能的综合反映。
从大量检测的数据中显示,塑料窗用型材属PVC材质,内加衬增强型钢,其强度比钢材、铝合金等金属材质的强度相差很多,塑料抗风压等级较低,在1000Pa~1500Pa之间,塑料窗不宜应用在高层建筑中。遇到较大窗型,尤其是宽度较大时,塑料窗选用型材和增强型钢达不到JG/T140-2005的要求,其抗风压只有800Pa左右。如果增大塑料窗型材和增强型钢的壁厚、合理的型材内腔结构、优化窗型设计及选材设计、增加连接固定件数量减小螺钉固定间距以增加门窗的安装牢固性,再在制作过程、安装过程等方面的进一步优化,可以承受很大的风压,这样的塑钢门窗完全可以满足高层建筑的使用要求。铝合金窗的抗风压强度明显好于塑料窗,只是平开窗采用单琐点,琐具选取质量低劣时,可能造成因琐具无法所住,使窗扇严重变形,而无法加负压,使得抗风压不合格。
3.4 保温性能
保温性能的好坏与窗户的材质、型式、选用的玻璃和五金配件有关。
从材质来说,用塑料型材的窗户比铝合金型材的保温性能好。因为塑料型材是热的不良导体,铝合金型材导热性好;保温性能指标用传热系数k值来衡量,K值愈大,保温性能愈差。根据窗的导热系数计算公式k=1/(1/ai+Rw+1/ae)窗的传热系数k值不仅取决于窗体本身的传热阻Rw(窗体本身传热系数的倒数),还取决于窗体。其室内外表面换热系数ai和ae;而又根据另一计算公式k=k框•f+k玻•(1-f),窗的传热系数k值由窗框、扇构件与窗玻璃二部分的k框和k玻组成,直接与窗框扇占整窗面积比f有关,而铝合金窗的框扇占整窗面积比塑钢门窗小10%左右,再者铝门窗框扇型材也不是实心的,且空心铝型材壁厚(实际热桥)比塑料型材壁厚又小40%左右。
同种型材窗户中,采用断桥隔热型材明显小于非断桥隔热的。
从开启型式来说,平开窗好于推拉窗。
从使用的玻璃来说,单层玻璃明显没有中空玻璃的保温性能好,单层玻璃的窗户保温性能达不到标准和规范的要求,对于建筑节能建筑来说,单层玻璃门窗是被淘汰的产品。中空玻璃是在两片或多片玻璃中间,用注入干燥剂的铝框或胶条,将玻璃隔开,四周用胶接法密封,使中间腔体始终保持干燥气体,具有节能、隔音的功能的玻璃制品。真空玻璃与中空玻璃相比保温性能好,真空玻璃两片玻璃中间的真空层消除了传导与对流传热,使房间与外界的热交换降到极限。一般真空玻璃可以达到2.0W/(m2•K),达到和超过国标保温窗最高级10级标准,真空玻璃具有更好的防结露性能和隔热节能。低辐射膜玻璃即Low-E玻璃,能够大幅度降低辐射传热,所以,低辐射镀膜玻璃好于普通白玻。
3.5 空气隔声性能
有隔声性能要求的建筑物,窗户至少采用中空玻璃。不同种类型式的中空玻璃窗户的隔声性能是不同的,密封性能好的窗户隔声效果强些,所以平开窗要好于推拉窗。但是塑料平开窗制作密封不到位时,隔声量也仅能达到标准要求的最低级25dB的要求,装配和使用配件的好坏可能使窗户的隔声量相差4dB。推拉窗的窗扇四周有空隙,声压能量容易传递,隔声效果就差。塑料型材的隔声效果好于铝合金型材,所以,塑料窗隔声效果好于铝合金窗。如果塑料推拉窗的制作时窗框和窗扇有误差,使得两者配合有间隙,隔声量和铝合金推拉窗相当。中空玻璃的组合型式对隔声性能也有影响,中间的空气层大的隔声效果好,如果采用两片不同厚度的玻璃制作的中空玻璃的隔声会更好。
四、 物理五性性对外窗设计者的具体要求
目前,很多建筑设计单位对外窗的设计仅限于建筑立面的效果,确定外窗的形式和规格,而很少对外窗进行结构计算和对空气渗透、雨水渗漏、抗风压以及保温、隔声、采光等重要性能提出具体要求,更无节点详图。这一方面使施工单位在制作加工和安装时无依据;另一方面也使建设单位和质量监督部门在质量检查验收时,无质量检查依据。而作为质检部门对外窗的测试也只能依据是否达到国标或行标中的最低级别予以判定,无法对是否满足实行工程需要作出评价。由此生产企业提供的外窗也难以满足不同区域、不同楼层和不同的体形系数的质量要求,使外窗在使用过程中存在隐患。因此设计单位必须根据工程使用功能的要求,结合本地区的气候特点,确定外窗的物理五项性能指标。对于安徽来讲,一方面要注意选用优质的密封材料和选择合理的制造工艺,保证建筑外窗的空气渗透性能和雨水渗漏性能。另一方面,也就是最重要的一点,要考虑建筑节能要求,根据窗墙比以及建筑物的体形系数来设计传热系数的等级。对于高层建筑还要考虑台风的平均度,按不同的建筑高度、建筑体型计算出本地的风荷载标准值后,确定建筑外窗的抗风压性能。P3值与工程的风荷载标准值WK值相对比,应大于或等于WK。
为了贯彻执行国家可持续发展战略,2001年《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》颁布实施,该标准提出节能50%。安徽已把建筑节能纳入目标管理,明确全省城市包括县城新建民用建筑节能标准执行率要达到60%,省会合肥要达80%;新建公共建筑节能标准执行率80%,合肥达90%。安徽省省政府明确要求今年全省单位GDP能耗比上年下降4%,并把节能降耗纳入领导任期考核,狠抓节能目标落实。
安徽省出台的《门窗渗漏防止的技术措施》的十六条规定:门窗设计应明确抗风压、气密性、水密性三项性能指标。7层及7层以上外窗的抗风压性能和气密性性能不宜低于4级、水密性能不宜低于3级。1~6层外窗的抗风压性能和气密性性能不宜低于3级、水密性能不宜低于2级。对于铝合金推拉窗来说这样的气密性和水密性能是很难达到的,对于PVC-U塑料窗来说,抗风压等级也是不宜达到。因此,生产出达到要求的建筑外窗任重而道远。
对保温节能要求应符合JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》见表1。
表1 JGJ134-2001规定不同朝向、不同窗墙面积比的外窗传热系数
朝    向 窗外环境
条  件 外窗的传热系数K [W/(㎡K)]
  窗墙面积比
≤0.25 窗墙面积比  >0.25且≤0.30 窗墙面积比    >0.30且≤0.35 窗墙面积比  >0.35且≤0.45 窗墙面积比  >0.45且≤0.50
北(偏东60°到偏西60°范围) 冬季最冷月室外平均气温>5℃ 4.7 4.7 3.2 2.5 --
 冬季最冷月室外平均气温≤5℃ 4.7 3.2 3.2 2.5 --
东、西(东或西偏北30°到偏南 60°范围) 无外遮阳措施 4.7 3.2 -- -- --
 有外遮阳(其太阳辐射透过率≤20%) 4.7 3.2 3.2 2.5 2.5
南(偏东30°到偏西30°范围) / 4.7 4.7 3.2 2.5 2.5
在即将实施的带有强制性的GB50411-2007《建筑节能工程施工质量验收规范》中对门窗的节能提出了如下要求:(1)不但建筑外窗的气密性、保温性能应符合设计要求,而且其中空玻璃露点、玻璃遮阳系数和可见光投射比应符合设计要求。这些都是重要外窗的重要指标,所以作为强制性指标。(2)严寒、寒冷、夏热冬冷地区的建筑外窗,应对其气密性做现场实体检验,检验结果应满足设计要求。现场检验为了保证应用到工程中产品质量达到要求。检验的目的是抽样验证建筑外窗气密性是否符合节能设计要求和国家有关标准的规定。这项检验实际上是在进场验收合格的基础上,检验外窗(含组装)质量,能够有效防止“送检窗合格、工程用窗不合格”的“挂羊头、卖狗肉”不法行为。
五、规范建筑门窗行业措施
目前,各省市在控制建筑外窗的质量方面所采取的措施各不相同。如上海实行准用证与生产许可证制度,即当地企业获得由技术监督部门核发的生产许可证后,当地建设部门发予准用证。武汉从1999年开始实行准用证及针对每项工程的抽样送检制度。对于我区的情况,按着合肥市已出台的地方性法规,我们建议采取如下政策:
(1)建立建筑外窗产品图纸和施工图纸的审查制度,及早发现和解决产品设计中的缺陷。特别是高层建筑使用的建筑外窗,更应严格审查。
(2)行政主管部门应加大对该行业的管理力度。对承包单位的建筑外窗业务实行资质等级管理制度和生产许可证制度。对好的生产企业及型材产品实行扶持政策。
(3)强化建筑市场铝合金和塑料窗用型材的监督、检测。安徽省产品质量监督检验所已开展铝材的壁厚、氧化膜厚度、维氏硬度和封孔质量的检测业务。PVC塑料窗应进行角度的检测。对建筑外窗的实验室五性检测和现场三性检测。
(5)推动房地产开发商要对住宅节能问题关心的主动性,把国家的节能要求由强制行为转变为自觉行为,以人民群众的利益为己任,协助政府部门做好节能的各项工作,为社会提供人与自然和谐发展的小康居住环境。
(6)加强对门窗安装的监督管理。在安装过程中要正确安装门窗特别是窗框,一定不要将外侧窗台的高度高于窗框外侧排水孔的高度,也不要让泥沙等杂物堵住排水孔,以便使水顺利的排出窗体外,提高门窗的排水性能。窗框与墙体之间要用发泡剂填实,再打1~2cm的密封胶,彻底解决外窗的渗水问题。
(7)严格执行国家和行业标准。建筑外窗的国家标准、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《公共建筑节能标准》等。尤其是建设部刚颁布,强制性验收规范GB50411-2007《建筑节能工程施工质量验收规范》已经实施的四年,需要进一步加大实施力度。
目前合肥市门窗制造行业总体是好的。绝大部分都是正规具备资质的合法生产单位,但是还存在极少数现场拼装小作坊的生产方式。因此必须加强从生产厂原料开始,经安装施工到竣工交付全过程的质量管理。相关检测单位应充分发挥检测在外窗工程质量中的监督作用,为人们提供一个优美、安全的居住环境。

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