窗戶，無論是在家庭住宅還是商業(yè)建筑中的應(yīng)用，都由于其不夠保溫而飽受詬病——夏季由室外向室內(nèi)傳導(dǎo)過多熱量，反之冬季向室外散失大量熱量。然而窗戶讓人們可以沐浴陽光，眺望窗外的世界，并且對于建筑物整體而言有著強烈的設(shè)計美感，這又讓窗戶的缺陷在幾個世紀(jì)以來被人們不聞不問，處于一個進退兩難的地步。

鑒于窗戶在建筑行業(yè)中的穩(wěn)固地位，過去幾十年來，業(yè)內(nèi)已經(jīng)探索發(fā)掘了各種材料和設(shè)計工藝，讓窗戶的隔熱性能重回大眾的關(guān)注。像最早于 20世紀(jì)初開發(fā)，但直到 20世紀(jì)80年代才被廣泛使用的雙層玻璃，是通過在兩層窗戶之間添加空氣層作為介質(zhì)來達到隔熱效果。鋁塑窗框、防紫外線涂層以及三層玻璃的出現(xiàn)同樣提高了隔熱效率。

在窗戶制造行業(yè)，圍繞如何使用先進材料將外層窗框結(jié)構(gòu)與內(nèi)層窗框結(jié)構(gòu)熱隔離，從而最大限度地減少熱量通過窗戶傳遞，提高窗戶隔熱效率，是業(yè)內(nèi)人士一直以來關(guān)注的重點。

在過去的幾十年里，業(yè)內(nèi)人士潛心鉆研，不斷向隔熱領(lǐng)域在窗戶中應(yīng)用的課題發(fā)起挑戰(zhàn)，研發(fā)出一系列先進的擠出成型或拉擠成型工藝，旨在將纖維增強復(fù)合材料墊片集成到玻璃正下方的空間中，即外層和內(nèi)層框架結(jié)構(gòu)之間。這些“隔熱層”技術(shù)將窗戶系統(tǒng)帶入了高效隔熱的新時代。

測量及調(diào)節(jié)窗戶的隔熱效率

窗戶為商業(yè)或家庭建筑中的熱量得失提供了無限可能。隔熱材料制造商泰諾風(fēng)的市場團隊經(jīng)理比爾·布拉澤科解釋說，窗戶內(nèi)外兩側(cè)的熱能可以輕易通過以下三種方式中的任意一種傳導(dǎo)。首先是對流，即空腔中的空氣循環(huán)，約占熱量流的 35%。其次是熱傳導(dǎo)，即通過固體材料的能量流動，約占熱量流的 50%。最后，熱量從較暖的表面輻射到較冷的表面，約占熱量流的 15%。由此可見，窗戶的設(shè)計工藝和隔熱材料選用對窗戶的整體隔熱效率有重大影響。

在過去 20 年左右的時間里，隨著對全球氣候變化和能源利用效率的擔(dān)憂日益加劇，政府監(jiān)管機構(gòu)越來越多地將提高窗戶的隔熱效率作為一個突破口，以幫助家庭、辦公樓和其他設(shè)施減少能源開支。因此，每一個新建筑的動工或舊建筑的改良都是一個提升窗戶的隔熱效率，進而擴展到建筑整體能源利用效率的絕好機會。

各個國家用來衡量隔熱效率的方式不盡相同。在美國，窗戶的隔熱能力用 U 因子來衡量，以英制熱量單位Btu/hr-ft2°F來衡量。在歐洲，隔熱效率的衡量類似U因子，用 U 值來表示，以瓦/平方米·度衡量。U 因子或U值，兩者數(shù)值均為越小越好。衡量窗戶在陽光直射下隔熱性能，普遍用太陽能得熱系數(shù)（SHGC），其取值范圍為 0.0-1.0，同樣數(shù)值也是越小越好。

世界各地有關(guān)管理和規(guī)范窗戶隔熱效率的建筑規(guī)范，構(gòu)成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。處于領(lǐng)先地位規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的是國際規(guī)范委員會(ICC)編纂的國際建筑規(guī)范 (IBC) ，以及國際住宅規(guī)范 (IRC)。其次，各個國家，甚至美國各州也都制定了本地化的規(guī)范守則，并且不受國際規(guī)范委員會的監(jiān)督和管控。盡管各地法規(guī)各不相同，但與美國的標(biāo)準(zhǔn)相比，以積極的節(jié)能和溫室氣體減排目標(biāo)為指導(dǎo)的歐洲能效標(biāo)準(zhǔn)更加嚴苛。就以歐盟的芬蘭為例，其規(guī)范要求U值達到 1.0，轉(zhuǎn)換為美國 U 因子達到0.18。

與歐洲形成對比，在美國，能效標(biāo)準(zhǔn)是按地區(qū)去劃分定義的。包含有四個區(qū)域，每個區(qū)域都覆蓋美國從西到東的一條帶：北部、中北部、中南部、南部。在北部地區(qū)，U 因子標(biāo)準(zhǔn)為 0.27-0.30。中北部和中南部地區(qū)為 0.30，南部地區(qū)為 0.40。這些標(biāo)準(zhǔn)如轉(zhuǎn)化為歐洲 U 值，范圍在 1.5-2.3之間。

旭格鋁窗框的剖面圖展示了窗體內(nèi)部一系列聚酰胺/玻璃纖維（黑色）和泡沫（白色）隔熱材料，將框架外部（左）與框架內(nèi)部（右）隔開，可以最大限度地減少熱量傳遞并最大限度地提高能源效率。三層玻璃的引入更是畫龍點睛之筆

隔熱條的誕生

美國門窗及幕墻制造商EFCO公司工程和項目服務(wù)副總裁大衛(wèi)·德蘇特表示，全球范圍內(nèi)，特別是在商業(yè)建筑中的用戶，都偏愛選用鋁框窗戶。鋁材的購買和擠壓成型生產(chǎn)成本相對便宜，且鋁材易于噴涂上色，可以滿足各種色彩需求。此外，德蘇特還表示，鋁制框架的厚度也可以輕松調(diào)整，來滿足各種建筑需求。鋁是世界上數(shù)一數(shù)二的熱導(dǎo)體，他說：“鋁材有不少優(yōu)勢，但考慮到其導(dǎo)熱性，卻不應(yīng)該作為隔熱材料的首選。”

像前面提到的多層玻璃和其他技術(shù)可以有效地減少能量通過鋁框窗戶的損失，但在減輕鋁框周圍的熱量損失方面仍然存在挑戰(zhàn)。德蘇特說，只有一種方法可行，那就是通過嵌入高度隔熱的聚合物材料制品將鋁框架的外部和內(nèi)部部分完全隔離，以最大限度地減少周圍的熱量傳遞。

德蘇特說，這種隔熱條或熱斷層通常由聚酰胺制成，或者采用多向玻璃纖維增強材料擠壓成型，再或者（不太常見）采用連續(xù)玻璃纖維增強材料進行拉擠成型。 泰諾風(fēng)作為供應(yīng)商，為 EFCO 擠出隔熱條。經(jīng)理布拉澤科表示，聚酰胺通常是隔熱條的首選材料，因為它的熱膨脹系數(shù)與鋁相似，它具有良好的熱和結(jié)構(gòu)特性，質(zhì)量可靠，能夠制造低于嚴格公差的精密零件，并且易于回收。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，隔熱條中的玻璃纖維負載通常在 25-40% 之間。

在最基本的設(shè)計中，隔熱條具有中空中心的管狀輪廓。EFCO 公司的第一個隔熱條是在十年前開發(fā)的，大約 12 毫米寬和 5 毫米厚，但今天，德蘇特說，EFCO 的隔熱條寬度可以達到25 毫米以上；布拉澤科也承認泰諾風(fēng)可以產(chǎn)生更寬的隔熱條。EFCO 隔熱設(shè)計的大部分演變都是由越來越嚴格的美國建筑規(guī)范驅(qū)動的。德蘇特指出，多年來，美國的 U 因子標(biāo)準(zhǔn)是 0.45，但隨著它逐漸提升到當(dāng)下 0.27-0.40 的范圍，EFCO 被迫采用更復(fù)雜的隔熱設(shè)計。“從 0.33 提升到 0.31 的隔熱效率看似不起眼，但這確實需要一份異常辛苦的努力，”德蘇特解釋說。

泰諾風(fēng)為窗戶制造商提供各種隔熱設(shè)計。此處演示的是該公司在兩個鋁框架結(jié)構(gòu)之間的擠壓聚酰胺/玻璃纖維隔熱條（黑色），圖示為其切面

驅(qū)動隔熱條設(shè)計

使用擠壓或拉擠成型工藝制造隔熱條可以歸結(jié)為使用不連續(xù)(多向)擠壓和連續(xù)拉擠的纖維增強類型兩類。德蘇特表示，EFCO的隔熱條是擠壓成型的，采用不連續(xù)的纖維增強聚酰胺 66，可以滿足公司尋求的強度和熱性能要求。

在泰諾風(fēng)成功拉擠成型EFCO 公司的聚酰胺 66玻璃隔熱條后，布拉澤科表示隔熱材料的設(shè)計受多種因素的影響：“隔熱材料的尺寸和復(fù)雜性非常依賴于系統(tǒng)，選擇也要視情況而定。如所需的熱性能水平、熱透射率（即U 值）、結(jié)構(gòu)要求、以及其他系統(tǒng)設(shè)計特性，像窗戶類型、硬件、玻璃構(gòu)成、系統(tǒng)內(nèi)部件的功能和整體系統(tǒng)成本目標(biāo)。”

布拉澤科說，自然而然地，隨著隔熱設(shè)計復(fù)雜性的增加，成本也會增加：“相關(guān)成本帶來的負面影響通常會被它為系統(tǒng)帶來的價值以及長期節(jié)能、為建筑物及其居住者帶來的健康益處所抵消。以我們在全球的網(wǎng)絡(luò)和廣泛的資源，加以不斷創(chuàng)新和開發(fā)正確的應(yīng)對方案，我們克服了在設(shè)計和工具方面的種種挑戰(zhàn)。” 布拉澤科補充說，對于北美的許多項目，價值工程（盡管強調(diào)“價值”）通常會導(dǎo)致接受成本降低和性能表現(xiàn)下降。“采用先進隔熱材料的最大障礙是北美市場過分關(guān)注短期成本，而不是與建筑節(jié)能相關(guān)的長期價值，”布拉澤克說。

更先進的隔熱條會是什么樣子？在歐洲，更嚴格的熱效率要求促進了高度復(fù)雜的多室隔熱條的發(fā)展。例如，位于德國比勒費爾德的窗戶制造商旭格（Schüco）（泰諾風(fēng)也是其隔熱材料供應(yīng)商）和澳大利亞的特美科（Thermeco）展示了具有多個隔熱條的固定式和開放式窗戶系統(tǒng)，每個隔熱條都設(shè)計用于適應(yīng)特定空間框架。此外，這種隔熱條設(shè)計通常具有多個增強隔熱的腔室。

拉擠成型能否以及如何成為隔熱條制造的一種選擇，一直是困擾行業(yè)的一個難題。芬蘭萬塔的復(fù)合材料制造商 Exel 復(fù)合材料公司專門為各種終端市場制造復(fù)合材料零件和結(jié)構(gòu)，包括民用住宅和商業(yè)建筑以及基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。Exel 集團部門所有者建筑和基礎(chǔ)設(shè)施部門的格爾特德魯弗（Gert De Roover）說，聚酰胺/玻璃纖維型材的拉擠成型工藝，再添加聚氨酯泡沫以增強隔熱效果，是窗戶隔熱制造的標(biāo)準(zhǔn)材料和工藝組合。然而，他承認，隨著窗戶系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，窗框越來越寬，兼顧優(yōu)良隔熱性能及穩(wěn)固結(jié)構(gòu)特性的隔熱材料將成為各大制造商的香餑餑。

歐洲建筑規(guī)范規(guī)定了窗戶能效的嚴格標(biāo)準(zhǔn)，這推動了更復(fù)雜的隔熱設(shè)計的開發(fā)和使用，包括拉擠成型工藝。美國標(biāo)準(zhǔn)落后于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，但未來幾年可能會變得更加嚴格。此處展示的是來自澳大利亞特美科（Thermeco）的窗戶，隔熱條顯示為綠色。

例如，德魯弗說，Exel 集團開發(fā)了一系列拉擠工藝玻璃纖維及聚酯門扇和門楣，兼顧隔熱和結(jié)構(gòu)特性。這些屬性在窗戶系統(tǒng)中可能會變得很有吸引力——特別是考慮到鋁框架的廣泛使用。“無論是葉片還是門楣的使用體檢，您可以感受到隔熱好處的方方面面，以及材料的結(jié)構(gòu)完整性，”他說。“應(yīng)用于葉片和門楣的隔熱條，需要具有一定的跨度和必要的剛度，拉擠成型工藝能夠幫助我們滿足這些要求。”

一些定制窗戶系統(tǒng)的制造商，尤其是住宅應(yīng)用，已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向拉擠工藝制造隔熱條。例如，美國窗戶制造商阿卡迪亞定制特別呼吁在其隔熱系統(tǒng)中使用拉擠成型。位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡的聚氨酯 (PU) 樹脂供應(yīng)商科思創(chuàng)聚合物（Covestro），他們的目標(biāo)是將其 拜多聚氨酯（Baydur PU）用于專門針對中國市場的拉擠成型窗戶隔熱材料。 

未來不斷發(fā)展的隔熱條

無論過程如何，布拉澤科表示，美國建筑行業(yè)應(yīng)該會在未來幾年經(jīng)歷隔熱條設(shè)計復(fù)雜性增加的風(fēng)波。“建筑規(guī)范正在以緩慢而穩(wěn)定的速度發(fā)展，允許增量系統(tǒng)開發(fā)，”他說。“美國的某些地區(qū)已處于領(lǐng)先地位，例如加利福尼亞和紐約。在加利福尼亞州，建筑能效法規(guī)第 24 條已成為鼓勵創(chuàng)新和提高系統(tǒng)熱性能的催化劑。在紐約，紐約市地方法第97條和 WA HB1257 將大力推動現(xiàn)有建筑改造，避免因超過碳排放和能源排放限制而被罰款。2024 年開始從狀況最糟糕的建筑入手改建，力求 2030 年覆蓋到更多。”

此外，布拉澤科還說，2020 年加拿大國家建筑能源法規(guī) (NECB) 即將發(fā)布，將包括非常大幅的 U 因子調(diào)整。同樣，美國政府也在采取更積極的行動，通過 2020 年能源法案鼓勵采用更節(jié)能的系統(tǒng)，該法案被納入美國國會于 2020 年 12 月通過的計劃，是應(yīng)對新冠疫情救濟和撥款計劃的一部分。 他表示，2024 年國際建筑規(guī)范 (IBC)、2024 年國際節(jié)能規(guī)范 (IECC) 和 ASHRAE 90.1 和 189.1/國際綠色建筑規(guī)范，都有強有力的舉措來推進更高能效系統(tǒng)的規(guī)范。布拉澤科總結(jié)道：“我認為，未來美國市場會發(fā)生些許改變——更加注重長期能源效率和環(huán)保建筑，更多地采用和執(zhí)行要求提高能源效率和建筑節(jié)能性能的法規(guī)。”