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【被动房技术交流】创新暖边间隔材料在被动房门窗上的应用探讨

日期: 2021-03-31
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  作者:温格润 林广利

  摘要:非金属刚性暖边间隔条作为创新型暖边间隔材料,以其优秀的保温特性、可靠的密封性能、靓丽的外观效果等特点,已经在门窗和幕墙领域得到了广泛的应用;尤其在近年来迅速发展的被动式节能建筑应用中取得了非常出色的使用效果,本文通过对非金属刚性暖边间隔条在被动窗上的应用案例进行分析、计算,以验证非金属刚性暖边间隔条对被动式建筑门窗所带来的保温性、可靠性、经济性、美观性的全面提升。

  关键词:非金属刚性暖边间隔条被动式建筑门窗

  中国建筑节能走过了35年的奋斗历程,坚持自主研发兼顾借鉴国际先进的发展思路,到现在已经取得了长足的发展,建筑节能技术、节能产业更是百花齐放、百家争鸣。

  但我国高能耗建筑占比巨大,超过90%的比例,尤其值得注意的是,大型公建项目占城镇总建筑面积小于10%,但其能耗总量(用电量不包括采暖用电为100-300千瓦时/年.m2)单位建筑能耗比同气候条件下的发达国家高出2-3倍。建筑外围护结构的性能也相差甚远,外墙传热系数是欧洲的3.5-4.5倍,外窗是2-3倍,屋面为3-6倍,门窗的空气渗透是3-6倍。 作为建筑能耗的关键部位--门窗系统的优化设计将会对建筑能耗起到至关重要的影响;而在我国,节能型门窗起步晚、发展慢、成本高,目前节能型门窗的比例不足1%,而在欧美等发达国家已经超过60%以上,欧洲和北美地区节能门窗的总规模早已突破2亿m2,这也是我国建筑总能耗相比如此巨大的重要因素之一。

  节能建筑事业近年来的快速发展,为实现我国2020节能减排战略目标提供基本保障。尤其作为节能建筑的先锋典范,被动式建筑的迅猛发展,带动了相关技术、工艺、材料、设计和施工等产业的迅速提升。

  被动式建筑对门窗保温性能的要求

  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

不同位置传热系数

10W/m2·K

JGJ26-2010

(寒冷地区节能设计标准)

德国标准

河北标准

外墙不透明部分

≤0.45

≤0.15

≤0.15

外窗/门透明部分

≤1.6

≤0.8

≤1.0/0.8

屋顶结构

≤0.45

≤0.15

≤0.15

  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

部位

外窗传热

通风传热

外墙传热

地板传热

屋顶传热


失热量

2.28

2.25

1.41

0.6

0

占比

35%

34%

22%

9%

0%

累计比例

35%

69%

91%

100%

100%


  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:

  1、玻璃传热损失

  2、玻璃边部的线性传热损失

  3、窗框的传热损失

  4、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。

【被动房技术交流】创新暖边间隔材料在被动房门窗上的应用探讨

  图1 门窗热量流失途径示意图。

  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。

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  图2窗室内侧表面热流分布示意图

  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。

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  公式 1 间隔条导热因子计算公式

  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)

材料

不锈钢(200/300)

聚丙烯塑料

热熔聚异丁烯胶

硅酮微孔材料

玻纤增强丙烯腈与苯乙烯聚合物

λ

15

0.19

0.20

0.17

0.14


  暖边间隔条在被动式建筑上节能应用分析

  Swisspacer Ultimate舒贝舍超强型暖边作为全球热工性能最优的暖边间隔材料,在全球被动式建筑上得到广泛采用;在德国被动房研究所的数据中可以看到,通过该机构认证的被动式门窗和幕墙系统中,超过66%的门窗和93%的幕墙使用了Swisspacer Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条;舒贝舍暖边目前已经在国内多个被动式建筑项目成功应用,并以其优异的性能为实现被动式建筑综合能耗指标发挥着重要作用。

  根据德国被动房研究所的“被动房透明部分组件认证标准”规定,根据门窗不透明部分的传热损失,依据门窗的Ψopaque界定窗子的能效级别,Ψopaque与框体Uf值、框架宽度、玻璃边部线性传热系数Ψ-values、玻璃边部周长lg相关。被动房门窗能效级别认证标准如表4。

  表4被动房透明部分组件能效级别认证标准

Ψopaque

被动房能效级别

级别描述

计算公式

≤ 0.065 W/(mK)

phA+

最高级别

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≤ 0.110 W/(mK)

phA

高级

≤ 0.155 W/(mK)

phB

基础级

≤ 0.200 W/(mK)

phC

达标级

  Swisspacer 舒贝舍暖边间隔条作为玻纤增强复合型非金属材料,赋予整窗边部极佳的保温特性。使用Swisspacer 舒贝舍暖边间隔条可以帮助窗户有效降低边部热损失,帮助门窗获得更高的能效认证级别。例如:Harbin Sayyas P160被动窗Ψopak=0.089 W/(mK),属于phA级别被动窗;PCW 70的Ψopak=0.065 W/(mK),属于phA+节能级别的被动式幕墙单元。他们都采用了SWISSPACER ULTIMATE 舒贝舍超强型暖边间隔条。

  截止目前,Swisspacer Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条也是唯一通过德国被动房(PHI)透明部分组件phA能效级别认证的暖边材料。PHI暖边间隔条认证标准中明确规定了暖边间隔条能效级别的划分标准,如表5所示。

  表5 暖边间隔条能效级别的划分标准

边部热阻值RE

被动房能效级别

级别描述

< 1,5 mK/W

---

不达标

 1,5 mK/W

phC

达标级

 3,0 mK/W

phB

基础级

 4,5 mK/W

phA

高级

 6,0 mK/W

phA+

最高级

  Swisspacer Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条认证测试结果为:边部热阻值RE = 5.5 mK/W ≥4,5 mK/W,具有极佳的边部保温特性,属于phA能效级别的暖边间隔材料。

  接下来我们通过对一个被动窗实例的能效分析,了解一下Swisspacer 舒贝舍暖边间隔条对整窗性能带来的改善。

  我们选用一款被动窗:铝木复合内开窗,复合玻璃配置为:5Planitherm 1.16II+18SWS(Ar)+5+18SWS(Ar)+5Planitherm 1.16II, 配合Swisspacer Ultimate 舒贝舍超强型暖边间隔条。暖边间隔条的使用,为整窗系统带来以下性能的提升。

  1、 实现整窗节能设计,提升门窗系统的综合保温性能。

  暖边间隔条可以最大限度的降低玻璃边部线性传热损失,从而大大改善窗子整体的保温性能。使用暖边间隔条可以为整窗性能带来多少提升?针对不同类型的窗子,其比例不尽相同。通过整窗传热系数的计算公式可以看出,边部线性传热量损失比例高低决定于间隔条的隔热性能,玻璃的形状规格,窗子的框玻比,以及玻璃及框材的导热系数、窗子的开启形式等相关因素。我们按照前述被动窗配置,分别采用SWISSPACER Ultimate 舒贝舍超强型暖边间隔条和铝间隔条来模拟计算,计算结果及相关参数设定见表6所示。

  表6使用SWISSPACER U暖边间隔条和铝间隔条对同一款被动窗的热工性能差异

使用Swisspacer Ultimate间隔条

使用铝间隔条

外部尺寸:a = 1.230 m;b = 1.480 m

玻璃:5Low-e+18Ar+5+18Ar+5Low-e

间隔条:Swisspacer Ultimate 舒贝舍超强型暖边间隔条

框架:木窗;框架宽度: 0.11 m

细目:

Ag (玻璃面积): 1.273 m²

Af (框架面积): 0.548 m²

Aw (整窗体面积): 1.820 m²

框架部分: 30 %

Uf (框架) 0.800 W/m²K

Ug (玻璃) 0.6 W/m²K

玻璃厚度, 51 mm

PSI (玻璃边缘) 0.033 W/mK

玻璃边缘长度4.540 m

外部尺寸:a = 1.230 m;b = 1.480 m

玻璃:5Low-e+18Ar+5+18Ar+5Low-e

间隔条: 铝间隔条

框架:木窗;框架宽度: 0.11 m

细目:

Ag (玻璃面积): 1.273 m²

Af (框架面积): 0.548 m²

Aw (整窗体面积): 1.820 m²

框架部分: 30 %

Uf (框架) 0.800 W/m²K

Ug (玻璃) 0.6 W/m²K

玻璃厚度, 51 mm

PSI (玻璃边缘) 0.094 W/mK

玻璃边缘长度4.540 m

内部结露计算:

Te (外部温度)(°C): -5 °C

Ti (内部温度)(°C): 20 °C

Rhi (内部相对湿度)(%): 50 %

Tsi (内部表面温度): 13.6 °C

Tdp (露点温度): 9.2 °C

无结露风险

内部结露计算:

Te (外部温度)(°C): -5 °C

Ti (内部温度)(°C): 20 °C

Rhi (内部相对湿度)(%): 50 %

Tsi (内部表面温度): 8.4 °C

Tdp (露点温度): 9.2 °C

有结露风险

Uw = 0.74W/m²K(符合标准)

Uw = 0.90 W/m²K(不符合标准)

  计算使用德国。Sommer Informatik GmbH 2013 – Caluwin软件,依据标准为ift guideline WA-08/1热改善型间隔条PSI值测定标准。

  通过报告,我们可以看出,SWISSPACER Ultimate舒贝舍超强型暖边的使用,使得这扇窗子的整窗传热系数Uw降低了0.16W/(m2·k),性能提升18%。使用SWISSPACER Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条,整窗的传热系数满足被动式低能耗窗的标准要求,而同样条件下,使用金属铝间隔条,则不能满足Uw≤0.8 W/m²K的认证要求,因此对于被动式建筑用窗必须使用暖边间隔条才能满足其节能设计要求。

  2、 使用暖边间隔条可以预防整窗边部结露,获得最佳居住舒适度。

  因为暖边间隔条的低导热性能,可以使玻璃边部获得极佳的保温特性,避免玻璃边部线性传热流失。正是因其良好的保温特性,使得寒冷冬季室内侧窗体表面的温度可以保持更接近室内环境温度。

  热学舒适度是被动式房屋透明组件认证的重要指标。提高内表面温度θsi,降低内表面温度与室内平均温度的差值,可以带来以下益处:

  1) 减少温差带来的不舒适感受

  2) 降低室内冷风下降流动,降低暖气取暖荷载,改善舒适和节能

  3) 增大室内舒适使用空间

  4) 降低凝露的风险

  5) 玻璃边部温度提升,降低温差梯度,有益于防止玻璃热炸裂

  6) 改善温度/湿度以防止霉菌滋生,降低维护成本等

  使用暖边间隔条可以获得更加优秀的温度系数指标值:fRsi=(θsi-θe)/(θi-θe),温度系数间接反映了窗子从室内向室外,温度降低的百分比。温度系数越高,内表面温度降越接近室内平均温度,舒适度越高。fRsi根据不同的气候条件,设定不同的下限值;室外温度越低,fRsi就越高;fRsi的下限值取决于室外温度及室内空气的相对湿度Rhi。SWISSPACER Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条通过被动式房屋组件A级能效级别认证,认证数据中的fRsi值远高于相应气候条件下的限值,满足被动式房屋舒适度的要求。

  通过表5的计算数据可以看出,使用SWISSPACER Ultimate舒贝舍超强型暖边间隔条消除了边部凝露的风险。在Te (外部温度)为 -5 °C,Ti (内部温度)为 20 °C,相对湿度Rhi为50%的情况下,使用SWISSPACER舒贝舍暖边的窗内表面温度13.6 °C,远远高于室内环境露点温度,从而避免室内侧结露风险。

  3、 高质量暖边间隔条赋予被动式门窗最优化的外观设计

  为获得优秀的整窗外观效果,在选择间隔条时,需要综合考量其色彩与型材匹配度、表面反色等影响因素。对于玻纤增强型非金属刚性暖边具有哑光质感,表层光泽漫反射,不存在炫光影响。

【被动房技术交流】创新暖边间隔材料在被动房门窗上的应用探讨

  同时具备17种颜色的选择,可以满足不同类型、不同色彩和风格的窗框型材的搭配,成就完美的整窗外观效果,使得暖边成为门窗的点睛之笔、装饰亮点,体现完美品质。

  对于不同的应用,还配备了不同宽度的暖边间隔条,宽度范围6mm ~ 32mm。

  4、 SWISSPACER舒贝舍暖边间隔条应用于被动窗的经济性分析

  通过表5的计算结果可知,使用SWISSPACER舒贝舍暖边间隔条对整窗保温性能改善非常显著。把这样的被动窗应用于严寒地区的某个被动式建筑项目上,根据项目的具体信息和当地的气候条件设定项目的能耗分析计算条件,如下表7,是节能收益计算工况参数表。

  表7节能收益计算工况参数表

项目区域气候类型

采暖度日数HDD18

空调度日数CDD26

采暖季日数(d)

能源类型

严寒(B)

5032 °C·d

14 °C·d

167

供暖季室外平均

温度°C

供暖季室内平均

温度°C

电费成本单价

成本年增加比

(%)

加热系统效率

(%)

-8.5

18

0.98

3%

75%

  根据设定的计算条件,计算出两种不同间隔条制作的整窗系统对于该建筑能耗差异比对,见表8。

  Caluwin 能量模拟软件计算截图

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  SWISSPACER ULTIMATE 舒贝舍超强型暖边间隔条

【被动房技术交流】创新暖边间隔材料在被动房门窗上的应用探讨

  铝间隔条

  表8相比较铝间隔条节能收益及成本回报周期分析表

产品型号

SWISSPACER ULTIMATE

使用铝间隔条

Ug

0.6 W/m²K

0.6 W/m²K

Uf

0.8 W/m²K

0.8 W/m²K

Uw

0.74 W/m²K

0.90W/m²K

取暖年用电节约成本

5334.29 元

----

制冷年用电节约成本

135元

----

降低CO2减排量

16930.3Kg

----

新增成本回收期

≈2.8--3.8Y

----

  依据Caluwin 软件计算,Germany SOMMER INFORMATIK 设计计算基于室内外平均温差,直接或间接的太阳辐射会影响计算结果

  通过计算可见,该被动式建筑门窗使用SWISSPACERULTIMATE舒贝舍超强型暖边间隔条可以获得每年超过5000元的电费节约,CO2减排量约17吨,成本回收周期大约在3年左右。这样的经济收益率是非常可观的,相比百年品质的被动式建筑的超长寿命周期来算,暖边间隔条的使用无疑会为社会、为建筑的使用者带来巨大的增量收益。

  5、 被动式门窗组合在被动房项目上的应用效果

  SWISSPACER舒贝舍暖边间隔条与各类型门窗型材组合的被动式门窗系统,在全球被动房项目上得到了广泛应用。在国内的绝大部分被动房项目上都采用了这样的门窗系统,比如:朗诗布鲁克被动式公寓、哈尔滨溪树庭院被动式住宅、新疆乌鲁木齐幸福堡、

  石家庄科研院研发楼、山东山水龙庭被动式住宅、秦皇岛在水一方被动式住宅、河北涿州新华幕墙被动式办公楼、潍坊未来之家、福建南安美景家园等等。

  被动式建筑不仅仅有超低的能耗,而且让人感受到最舒适的居住感受,恒温、恒湿及清新的空气;实现这样标准的建筑,不会仅仅依赖于局部环节的性能改善就能实现,而是需要综合运用被动房建造的理论和技能,实现绝佳保温、高效新风、精细化施工等等技术,才能让我们的被动房不受质疑,经得起人们的检验。

  以布鲁克被动房为例,项目建造成后不仅仅获得了德国被动房研究所的被动房认证证书,而且也获得世界绿色设计金奖,德国DGNB金质认证和中国的三星认证。从使用过程看,更是让居住者亲身感受到被动式建筑为人类所带来的最舒适、最神奇的居住体验。通过实测,取暖季里某日,清晨6点,室外温度降低到0.1°C,室内温度仍然保持在20.9°C,下午2点左右,室外温度升高至当日最高的9.5°C,室内温度为22.1°C,可见室外温度变化较大的情况下,室内温度波动非常小,这也验证了被动式建筑外围护结构绝佳的保温性和气密性隔绝了外界环境温度变化对室内温度的影响。

  结束语

  在德国.“被动式房屋”的建筑成本仅比传统房屋高出5%一7%;目前我国所建造的被动房,其增量成本大约在1000元/m2至2000元/m2(寒冷及严寒地区),均摊到每平方建筑面积上约500元/m2左右,对于这样优秀的节能建筑,人们为了获得舒适的使用居住感受,得到更经济的日常运营成本,无论如何都是值得去选择的。但我们同时也应意识到,随着被动式建筑的不断推广和普及,技术、工艺、材料不断创新升级,其品质、数量提升的同时,造价也应不断降低,使得这样好的产品能为普通民众所享用,成为人们用得起的好房子。因此,在设计和建造被动式建筑时,如何应用更经济、更高效、更适用的节能改善途径至关重要。

  使用暖边间隔条是提升整窗的热工性能的关键路径,不仅使整窗获得明显性能改善、巨大的节能收益外,还提升了整窗的可靠性、舒适性、美观性等。暖边间隔条作为整窗系统的一个细分材料,对整窗的造价成本增加非常微弱,不足3%的成本增量,而获得的整窗保温性能提升可以高达15%-20%,具有明显的经济性优势。推广和普及使用暖边间隔条是未来门窗系统性能提升和发展的必然趋势。

  被动式建筑作为节能建筑的先锋典范,在我国的发展非常迅速,并且逐渐显现出其超强的节能经济效益、社会商业价值。随着节能建筑工艺的不断成熟、被动式建筑节能设计标准的不断推出、新材料、新技术的更多创新应用,被动式低能耗门窗系统的发展将会迎来更加广阔和辉煌的未来。

  参考文献:

  [1]马伊硕 被动式低能耗办公建筑能耗指标及能效分析 建筑科技 2015.08

  [2]严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 JGJ26-2010,北京,2010.07

  [3]Criteria and Algorithms forCertifiedPassive House Components:Transparent Building ComponentsVersion 3.03, 07.02.2015

  [4]王立华 夏热冬冷地区被动式建筑技术体系探索与实践 建筑科技 2015.08

  [5]《建筑节能工程材料》李继业 主编 北京化学工业出版社 2012.1


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