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温格润:被动式超低能耗建筑对门窗保温性能的要求
日期: 2021-03-08
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  被动式房屋的概念最早源于瑞典隆德大学的Bo Adamson教授和德国达姆施塔特房屋与环境研究所(Institut ftir w0hnen und Umweh)的Wolfgang Feist博士在1988年5月的一次关于节能建筑发展的研讨,后期通过一系列的研究和德国黑森州政府的资助,被动式房屋的概念得以确立,被动式房屋也随之逐渐兴起,逐步发展成为当今世界最为先进的低碳节能型建筑。被动式建筑通过极佳的外围护结构保温性能、气密性能,配合高效率热回收功能的新风换气系统,合理利用太阳能源等自然资源,最大限度地实现建筑的能源需求自给,最大限度的降低对主动能源供给方式的依赖。被动式建筑有明确的能耗及负荷指标要求,按照我国第一部被动式低能耗居住建筑节能设计标准要求,被动房的采暖和制冷需求不超过15Wh/(m2a),采暖和制冷负荷也不超过10W/m2和20 W/m2,这样的建筑才是实实在在的超低能耗建筑。为实现建筑的低能耗指标,各种不同的标准体系对建筑的外围护结构提出了不同的性能要求,表1为德国被动式建筑标准与被动式低能耗居住建筑节能设计标准(河北省)以及国内寒冷地区节能设计标准的比对。

  表1 被动式外围护结构的保温性能比对

被动式外围护结构的保温性能比对

  从指标上看,被动式建筑节能设计标准要求远远优越于寒冷地区的设计标准,因此可以实现该区域被动式建筑冬季采暖能耗仅为普通住宅的1/10-1/4;在外维护结构中,门窗的保温性能是相对薄弱环节,其传热系数远高于其它部位,因此成为被动房能量流失的重要通道。

  下表2是我国夏热冬冷地区某被动式建筑的采暖季能耗模拟数据。通过数据可以看出,占外围护结构面积10%左右的门窗却是占比最大的失热部位,因此提升门窗系统的保温性能对实现被动式建筑的节能要求至关重要。

  表2 夏热冬冷地区某被动式建筑采暖季能量流失模拟

夏热冬冷地区某被动式建筑采暖季能量流失模拟

  整窗保温性能改善途径及暖边间隔条的应用

  热量通过门窗流失的途径主要有:

  Ø 玻璃传热损失

  Ø 玻璃边部的线性传热损失

  Ø 窗框的传热损失

  Ø 以及其它连接部位的密封失热

  因此,改善整窗的保温性能首先可以使用传热系数低的玻璃配置,通过以下措施获得高保温性能的玻璃系统:

  1) 使用中空玻璃结构降低热传导系数

  2) 使用低辐射镀膜玻璃减低辐射率,减少热辐射传热损失

  3) 使用多腔体复合LOW-E中空玻璃配置、真空复合中空玻璃配置等获得极低的玻璃传热系数

  4) 通过选择合适的空气层宽度获得最低的对流传热损失

  5) 空气层充入惰性气体降低空气层传导、对流传热损失

  我们也需要选择性能优良的窗框型材系统:

  选用导热率低的材料制作窗框型材,如塑料门窗及木门窗,同时还要保证窗框具备足够的强度和刚度;例如现在广泛采用的塑钢窗,使用PVC塑料窗框增加内部钢衬,可以实现窗框整体的强度和刚度,但一定程度上降低了保温性能。选用强度和刚度较高的金属材料制作窗框,同样也需要通过结构优化,优选局部构造材料以降低其导热率,如常见的断热桥式铝合金窗框。目前常见的低能耗节能门窗框型材主要有以下几种:塑料节能门窗、木及铝木复合节能门窗、铝塑节能门窗等。

  为获得最佳的门窗保温性能,就必须确保门窗各个组成部分均具备优良的保温特性,同时最大限度的避免局部连接位置的热桥问题;传统的中空玻璃边部采用金属间隔条因其传热系数较高,在玻璃边部形成了局部热桥效应,增大了玻璃边部的线性传热损失。

  对这个部位的节能设计是以往容易被我们忽视的,但却是非常关键的节能改善途径。通过对于一定的框玻比及长宽比的玻璃窗进行热工模拟计算,我们发现热量通过玻璃边部流失比例占整窗的流失比例可高达20%,这对于整窗性能的影响是巨大的,因此我们需要使用暖边间隔材料替换冷边间隔材料,以实现最大限度的降低玻璃边部的线性传热损失。如图1。

  图1 门窗热量流失途径示意图

窗室内侧表面热流分布示意图

  由于金属材质的冷边间隔条在玻璃嵌入框体的部位形成了热桥,我们对典型的住宅窗户室内测表面温度进行红外探测后发现,玻璃与框体交界的区域温度通常会较低,主要是由于冷边间隔条热桥影响,一般影响范围在距离框边63mm以内的区域。通过红外成像检测的热流分布如图(2)所示;通过曲线图可以看出,相同条件下,使用暖边间隔条可以有效提高室内测表面温度。因此我们有必要探究一下如何有效应用暖边间隔条改善节能门窗系统的保温性能,以及暖边间隔条在被动式建筑门窗中发挥的重要作用。

  图2窗室内侧表面热流分布示意图

门窗热量流失途径示意图

  目前在国际上公认的暖边间隔条定义是依据EN 10077标准提出的定义方法。评价间隔条保温隔热性能的优劣,主要看间隔条阻隔热量传递的能力;一般来说,热量通过间隔条传递到另外一侧的多少,取决于热量的传递路径及材料的导热系数;标准把传递路径的材料厚度及材料的导热系数乘积加权求和,就得到一个单位温差下通过间隔材料的传热量,我们可以称之为间隔条的导热因子,其计算公式如下公式(1),这个值不大于0.007W/K,我们就称之为暖边间隔条,反之,称之为冷边间隔条。通过定义,我们明显看出,导热因子越低的间隔条,其材料的阻隔热量传递的能力就越强,材料的保温性能就越优秀。

  公式 1 间隔条导热因子计算公式

窗室内侧表面热流分布示意图

  根据这个定义,我们对铝间隔条计算其导热因子为0.112W/K,壁厚为0.35mm的普通不锈钢间隔条的导热因子0.016 W/K,所以它们都是冷边间隔材料;对于典型暖边间隔材料的玻纤增强型复合间隔条,我们计算得出其导热因子为0.0006 W/K,远远低于标准上限值,所以玻纤增强性暖边间隔材料是真正的暖边间隔条,也是目前公认的隔热性能最好的暖边间隔材料。

  目前国内市场常见的多种品牌暖边间隔条,其材质、工艺各不相同,所表现出的性能也是良莠不齐。表3列举了各种暖边间隔材料的导热系数。铝的导热系数为160 W/(m·k),因此作为性能最优的玻纤增强型暖边材料,其隔热性能必传统的铝管提升了1000多倍。

  表3常用中空玻璃暖边间隔条材料的导热系数λ单位为W/(m·k)

常用中空玻璃暖边间隔条材料的导热系数

  摘自:《创新暖边间隔材料在被动房门窗上的应用探讨》

  作者:林广利

  温格润节能门窗有限公司


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  北京中汇能宜居建筑设计咨询有限公司是中国被动式超低能耗建筑产业技术创新战略联盟的理事单位,是河北省、黑龙江省被动式超低能耗居住建筑节能设计标准的参编单位,拥有自主知识产权的PHD低能耗建筑模拟计算软件,已为中国首批中德被动式建筑节能示范项目“在水一方”“辰能溪树庭院”“河北建科院科研中心楼”等近30个超低能耗示范项目证书提供了建筑能耗及一次能源的计算数据。公司凭借专业的技术和施工队伍,已完成多个低能耗建筑项目的设计咨询、模拟计算、专项施工、被动房改造和精装,赢得广泛客户认可。

  公司未来将继续专注被动房软件的开发与设计,探索被动房到产能房的技术创新,为构建节能、低碳环保的新型节约型社会贡献力量。

被动房 被动式超低能耗建筑


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