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【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇)

日期: 2021-04-22
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摘要:门窗虽然只占建筑外维护结构面积的10%左右,却给建筑带来50%左右的能量损耗,建筑节能需要从门窗开始。本文综合分析了节能门窗的发展及综合优化路径,阐述节能门窗设计中容易被忽视的关键环节,提出兼备节能性及经济性的优化设计途径,为优化门窗综合性能提供可持续设计方案参考。

 

关键词 节能门窗、节能玻璃、暖边、聚氨酯隔热铝合金型材

 

1,发展节能门窗的重要意义

中国建筑节能走过了近40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。但我们不得不深刻的认识到,我国的建筑节能事业仍旧任重道远,充满挑战。

从以下几点考虑,我们可以看到节能门窗发展的必要性;

1.1建筑能耗的关键流失途径

门窗部位的保温性能对整个建筑的能量流失具有至关重要的影响,是真正的建筑能量损耗关键途径,也是我们进行建筑节能设计首要解决的环节,建筑节能需要从门窗开始。

1.2门窗应用所面临的主要问题

我们不得不面对因为门窗质量的低劣而带来的负面影响;由于门窗的保温性能不好,传热系数过高,造成门窗表面结露、渗水,并产生发霉、腐蚀等问题,久而久之带来门窗的型材部件损坏、并容易产生细菌的滋生、外观的腐蚀,带来大量的维护成本增加及使用寿命的降低;因此门窗的保温性能不仅仅对降低能耗产生重要影响,而且会严重影响建筑的品质、生活的质量。

1.3国家的节能政策及标准发展

近年来,随着绿色建筑、节能建筑的推进和发展,越来越多的省市地区开始更新升级本区域的建筑节能设计标准,1985年到2015年,我国建筑节能历经30年完成三步走的战略任务,实现65%节能标准.2012年开始多个省市开始实施4步节能标准,目前天津和北京率先提出5步节能设计标准,中国的建筑节能已经进入小步快跑的快速发展阶段。

因此,无论从门窗的使用现状、国家节能政策法规还是从建筑能耗途径分析角度来看,发展节能门窗、优化门窗系统综合性能均符合国家节能发展的战略要求,节能门窗行业势必将进入蓬勃发展的快车道。

2,节能门窗发展中的经济性问题

随着节能门窗普及应用,它将逐渐对我们的日常生活产生深远影响;节能门窗也将从开发初期的小众产品逐步发展成为大众化、标准化的产品;节能门窗的经济性将会决定它的发展速度和普及空间;发展节能型门窗需要投入一定的资金成本,为了获得更加优秀的节能特性,必须采用具有创新技术、创新工艺的新型材料,由此而带来成本的一定增加,但从长远利益来看,明显具有投入少、产出多,实现建筑可持续发展等长期利益;门窗作为建筑节能的关键突破口,往往所带来的成本增加会相对较大。只要脱离本位的局部的短期的思想羁绊,注重建筑大环境、放眼宏观、长期、可持续的经济效益,我们不难发现,发展建筑节能门窗具有投入少、产出多的特点;用建筑造价5%-10%的节能成本实现30%-75%的节能收益,住宅冬季室温提高10度以上,将会获得非常理想的投资回报期,从而实现建筑节能最优化发展。对于西欧和北欧的一些国家,高舒适度和低能耗建筑发展较早,其节能门窗造价仅比普通门窗造价增加3%-8%左右,但可以实现65%-90%以上的节能比例,经济效益非常显著。

因此,节能门窗的发展,将会越来越重视新材料、新技术的应用和发展;不断寻求新的突破,寻求小材料,大收益,以小博大的发展空间。

3,节能门窗性能优化的途径分析

门窗作为建筑外维护结构中的开口部位,成为建筑物内外沟通的桥梁;人们需要通过门窗与自然界形成良好的交流,同时又必须确保不因此而受到外界的侵扰;所以门窗应该满足这些基本的设计需求,包括良好的采光、通风、隔热、保温、隔音、安全、通透等基本使用特性;同时从门窗的可靠性角度看,它们还要具备足够气密性、水密性和抗风压性能;从使用的安全性角度看,它们更需要具备防火、防爆、防盗、防有害光、屏蔽、隐私等使用效果;从设计风格上说,门窗更应不拘一格,具备个性化的外观形态,与建筑物协调一致、美观等特点。

由于门窗是产生建筑能耗的关键区域,追根溯源,节能门窗所追求的最基本要素当属门窗的隔热保温性能;高性能的节能门窗的发展也将围绕如何降低整窗传热系数、控制门窗失热效率而进行各个局部工艺技术、构造和材料的研发,逐步探索和应用一些细微节点的精细化设计,获得事半功倍的性能改善和提升,诸如玻璃暖边技术的应用发展,进一步消除了门窗玻璃的热桥问题,控制了门窗的失热途径,门窗也因此获得到以下这些更加优秀的节能特性和使用特性:采暖负荷低(制冷负荷也会降低)带来能源节约;窗子内表面的温度与室内温度更加接近,寒冷的冬季,室内的舒适使用空间大大提升,窗子的不舒适使用距离也会明显缩短;窗子内表面温度高于室内环境露点温度,从而避免结露结霜,且因此而延长使用寿命,获得更大的寿命周期内的节能收益,是可持续建筑解决方案的关键改善环节。

目前节能门窗的技术发展迅速,已经具备了非常优秀的技术和工艺,可以获得极低的整窗传热系数。门窗保温性能的优化途径大致有如下4个方面:节能玻璃设计,玻璃边部线性传热损失的优化设计,窗框型材系统的优化设计,门窗安装及密封设计要点。

由于篇幅所限,本文作为整篇论文的第一部分,将着重阐述节能玻璃设计的相关技术要点。

3.1玻璃节能设计

玻璃通常占到整窗面积的70%-80%以上,因此,玻璃部分的隔热保温能力对整窗的保温性能影响至关重要;玻璃是热的良导体,其导热系数约为0.9W/m·K),单层玻璃的热阻非常小;因此,如果使用单层玻璃,室内外热量直接通过传导的方式进行传递,玻璃的传热系数较高,热量流失极快;6mm单层玻璃的传热系数为5.8 W/m2·K);

假定:冬季室外环境温度 To=-5℃, 室内温度Ti=26℃, 室内相对湿度Rh=60%

我们可以计算出玻璃室内面表面的温度T

Ug·(Ti-To=hi·(Ti-T)                        (1

其中hi 为玻璃室内表面的换热系数;

hi=3.6+4.4 e/0.837;普通白玻 hi取值8 W/m2·K

通过计算得出:T=3.5℃  室内的结露点温度Dew=17.6

因此,对于单层玻璃窗,冬季室内表面的温度远远低于室内露点温度,而产生凝露;而且,当人站在室内窗前,会感受到明显的温差效应,非常不舒适;而这种温差效应随着向室内移动的距离增大而降低,因此,室内舒适的使用空间被明显的压缩;同时,这种玻璃会带来大量的能耗,因为温差存在而在单位时间内流失的热量高达145 W/m2 。因此,这种使用单层玻璃的门窗在国家及一些地方的节能门窗规范中已经被限制或禁止使用;

那么,为了提高节能效率,改善玻璃的保温性能,降低门窗玻璃的传热系数,我们可以通过以下几种途径进行玻璃的综合优化设计:

3.1.1使用中空玻璃:

由于两片玻璃间空气层的存在,使得室内外热量传递方式发生了改变,由单片玻璃的热传导,转变成辐射和对流传热为主;中空玻璃系统的热导ht可以通过下式计算:               

【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇)    (1)

其中:hs 为中空玻璃气体间隙层热导W/(m2·K)

      N---中空玻璃气体层数量

      d----组成中空玻璃的单层玻璃厚度和,m

      λ---玻璃导热系数,W/(m2·K)

可见,中空玻璃的热导,与玻璃的导热系数及气体间隙层热导正相关,与玻璃厚度负相关;而气体间隙层热导是包括间隙层气体热导及组成间隙层的两片玻璃的辐射热导;从而我们可以得出,使用中空玻璃,由于气体间隙层的存在,使得中空玻璃的传热系数主要决定于气体热导及玻璃的辐射热导,从而大大减低了中空玻璃系统的传热系数;对于6mm+12A+6mm的普通中空玻璃,其传热系数为Ug=2.9 W/m2·K);我们通过计算可以得到:在假定条件下,冬季室外环境温度 To=-5℃, 室内温度Ti=26℃ ,室内相对湿度Rh=60%;室内玻璃表面的温度T=14.8℃,较普通单层玻璃室内表面温度提升11.3

玻璃的节能特性得到明显的改善;但室内表面温度仍低于室内环境的结露点温度Dew=17.6℃;在寒冷的冬季仍然会出现结露问题;因此,还需要对中空玻璃性能进行优化。

途径1. 使用充入惰性气体的中空玻璃

由公式(1)的说明可以得出,中空玻璃的传热系数,与气体的热导相关;因此,将中空玻璃空腔内充入大分子、粘滞度高的惰性气体,如氩气、氪气、氙气等等,这些惰性气的比重比空气大,气体流动性差,导热系数低,由气体对流及传导而传递的热量大大降低;

下表是不同气体的特性指标

表1  气体特性指标

气体

密度ρ

(Kg/m3)

动态粘度μ

10-5kg/(m·s)

导热系数λ

10-2 Wm·K)]

比热容c

103 J/(kg·K)]

空气

1.28

1.71

2.42

1.01

氩气

1.76

2.10

1.63

0.52

氟化硫

6.60

1.42

1.20

0.61

氪气

3.69

2.33

0.87

0.25

从表1中数据可以看出,氪气的导热系数最低,对中空玻璃的保温性能改善效果最好,对于6LOW-E+12A+6的中空玻璃,充入氪气可以使玻璃传热系数降低0.6 W/m2·K)左右,但氪气价格非常昂贵,单位面积增加成本甚至在百元以上,在建筑玻璃上进行应用不具备经济性,不易被推广使用,但在某些高端产品及特种工业玻璃领域中有所使用;氩气作为价格低廉的惰性气体,可以直接从空气中分离获得,同时也具备较好的热工性能,因此在建筑节能门窗玻璃中得以广泛使用;

充入惰性气体的中空玻璃必须确保其良好的密封特性,以避免昂贵的、高效的惰性气体不会随着使用时间延长而泄露,带来中空玻璃性能的衰减;一般来说,对于充入惰性气体的中空玻璃,如果使用硅酮结构胶作为次密封胶的话,就必须采取严格的措施控制丁基胶宽度、丁基胶涂敷量、间隔条接口背封等加工工艺外,正常工艺下生产的中空玻璃,气体年泄露率不应超过1%。同时必须按照最新的GB/T 11944 规定进行气体密封耐久性检测。

那么,对于中空玻璃,充入氩气到底能够对中空玻璃的性能带来多少改善呢?

我们由公式(1)看出,中空玻璃的热导与间隙层气体热导hg正相关;

            【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇) (2)

公式(2)显示出,间隔层气体的热导又与努塞尔准数Nu正比,努塞尔准数是一个与两片玻璃腔体内表面温度差及气体的不同物理特性相关的参数。因此,充入惰性气体对中空玻璃的传热系数的影响与不同气体的物理性能、气体浓度、气体层厚度等因素相关。我们根据不同的标准体系,对常见配置的充氩气中空玻璃进行模拟计算,得到结果如表2所示

表2 常见中空玻璃参数计算

玻璃配置 6low-e +Spacer +6mm

气体类型

low-e 辐射率

EN 673标准

JGJ151标准

6A

9A

12A

16A

20A

6A

9A

12A

16A

20A

空气

0.06

2.46

1.97

1.66

1.42

1.45

2.33

1.88

1.69

1.73

1.78

0.04

2.43

1.93

1.61

1.37

1.39

2.3

1.85

1.65

1.7

1.75

氩气

0.06

1.99

1.56

1.3

1.16

1.18

1.89

1.51

1.4

1.46

1.5

0.04

1.95

1.51

1.24

1.09

1.12

1.85

1.46

1.36

1.42

1.46

通过表2的计算数据我们可以看出,无论基于哪个标准体系计算,对不同间隔条宽度的中空玻璃,充氩气比不充氩气的传热系数降低值在0.25-0.40之间;一般来说,空气层越薄,充氩气对中空玻璃的传热系数改善就越明显;

对于充氩气的玻璃,需要非常关注中空玻璃的密封特性。明框结构的窗或幕墙使用水汽渗透率较低的聚硫胶作为二道密封胶;玻璃的生产工艺尤其关注丁基胶的操作工艺,确保其主密封胶的作用。最新的中国玻璃国家标准也更加关注中空玻璃的气体密封特性及惰性气体保持率的控制,根据GB/T11944-2012标准,严格检测中空玻璃气体密封耐久性能。

另外,无论中空玻璃充入惰性气体与否,我们在门窗设计时都需要关注一个窗子使用角度问题。对于采光用的天窗或屋面斜窗,在计算整窗热工性能时,需要考虑到室内外的实际温差及玻璃角度对腔体内对流形式的影响。如图2所示为中空玻璃水平状态下的内部对流传热状况。由于产生对流传热循环路径变小,传热效率增大,使得水平状态下的玻璃传热系数大于竖直状态下传热。在冬季,室内温度高于室外,形成朝上的热流;在夏季,室内温度低于室外温度,不会产生向上的热流,因此,在冬季,大角度使用的窗子的实际传热系数要比竖直窗更大,这一点是需要我们热工计算中特别注意的。

图2  中空玻璃水平状态下的内部对流传热状况

【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇) 

途径2.调整中空玻璃的腔体厚度

我们通过公式(2)可以了解到,中空玻璃的传热系数的影响因素有充入气体的物理性能、气体浓度、气体层厚度、两片玻璃腔体内表面温度差等因素相关,当然也与玻璃的表面辐射率、玻璃的厚度等因素有关;所以,对于既定的两片基片玻璃,调整两片玻璃的间距,即设定不同的间隔条宽度,可以获得玻璃的最佳传热系数,而这个最佳传热系数是依据不同的环境条件而有明显差异的。如表2所示,我们看到,基于EN673标准计算,16A的空气层U值最低,且对于该配置,16A的U值要比12A的U值低0.14~0.24,即性能提升10%-15%;当选用宽度大于16A的间隔条时,因为气体层过宽,带来了更多的对流传热,从而使得玻璃的U值进一步增大。基于JGJ151标准进行计算,12A的间隔层U值最低,且对于该配置,12A的U值要比16A的U值低0.04~0.06,即性能提升2%-4%;所以,我们通常说,12A到16A的中空间隔条宽度,可以获得极佳的中空玻璃传热系数,这也是我们经常看到,对于中空玻璃的间隔条的规格,往往会在12A到16A比较集中的原因。图3是不同气体、不同厚度的中空玻璃传热系数的线性比对图表。

EN 673标准与JGJ151标准的测试条件存在较大差异。两个标准的边界条件如表3;之所以在不同的标准条件下计算结果不同,与标准体系的测试环境条件有关。因此,我们说对于确定的充入气体类型,哪个间隔条的宽度能够使中空玻璃获得最佳的传热系数,要根据具体的气体类型,以及产品的使用标准体系(测试环境条件)来确定。设计最优的中空玻璃结构,需要参考产品使用地点的实际气候条件。

表3 EN 673标准与JGJ标准的边界条件

执行标准

传热系数

室外温度℃

室内温度℃

温差℃

JGJ151标准

 K     

-20

20

40

EN673标准

U-VALUE

2.5

17.5

15

 

图3 中空玻璃传热系数随气体层厚度、标准边界条件的变化情况

 

途径3.使用低辐射镀膜玻璃

中空玻璃系统的热导ht可以通过下式计算

 【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇)

式中hs是中空玻璃气体间隙层热导,其值大小取决于气体间隙层气体热导hg及中空玻璃气体间隙层内两片玻璃的辐射热导hr;其中hr可按照下式计算求得 

【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇)      (3

式中ε1与ε2为中空玻璃内外片内表面的校正辐射率;由此可知,中空玻璃的传热系数大小,与组成中空玻璃单元的内外基片的表面辐射率关系密切;因此为了获得更加优秀的保温性能,我们通常会选用辐射率低(Low- emissivity)的镀膜玻璃做为中空玻璃基片,以获得更加优秀的保温性能;

LOW-E节能玻璃作为建筑的外维护结构所选用的关键材料,主要原因在于:建筑维护结构所要实现的功能性包括---保温、遮阳、美观,而LOW-E玻璃能够平衡这几大要素之间的矛盾;它既可以实现建筑的保温,避免大量的热量通过玻璃流失,又可以实现良好的遮阳特性,让更多的太阳光谱中可见光部分进入到室内,而让更少的太阳辐射的热量通过玻璃进入;同时,它有具备更加宽泛的选择空间,各种各样的性能参数匹配、多种色彩以满足不同区域、不同建筑风格的设计需求。LOW-E膜可以通过其功能层银层的光谱选择性,实现了对太阳辐射的有效利用;太阳辐射中的热量直接透过玻璃及玻璃吸收再次辐射通过的量越低,玻璃的隔热性能就越好,遮阳性能优秀;物体的热辐射被玻璃吸收再次辐射的比例越小,辐射率越低,玻璃的保温性能就越好。

高性能LOW-E中空玻璃可以获得极低的传热系数。表4是各种不同中空玻璃组合获得的参数比对。

表4  不同中空玻璃结构的参数比对

【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇) 

途径4特种玻璃技术应用

随着玻璃技术的不断发展,节能玻璃工艺日新月异,已经有非常多的特种深加工工艺的节能玻璃,并且取得了很好的应用效果,例如真空玻璃,热镜玻璃,内悬膜玻璃,智能调光低辐射节能玻璃,气凝胶中空玻璃等等。

a)真空玻璃应用:

真空玻璃是两片平板玻璃之间使用微小的支撑物隔开,玻璃周边采用纤焊加以密封,通过抽气孔将中间的气体抽至真空,然后封闭抽气孔保持真空层的特种玻璃。真空玻璃的保温性能非常优秀,主要是由于真空层的存在大大削减了热量的对流和传导损失;同时,真空玻璃还可以复合LOW-E玻璃组合成真空复合中空玻璃获得极佳的性能参数。一片6mm的真空玻璃的保温性能相当于370mm厚的实心黏土砖墙,与单层玻璃相比,每年每平方米可以节约700MJ的能源,相当于192千瓦时的电量,1000吨的标准煤,其节能效率极高。理想的真空玻璃还具有很好的隔音性能,6mm厚度的真空玻璃可以将室内噪音降低到45dB以下(降噪值在33-35dB左右)。真空玻璃技术近年来发展较快,性能也在不断提升。逐步改善了支撑点的固定、低传热,抽气孔密封工艺,封边工艺等技术问题,以及对于基片钢化问题,也已经有了极大的突破,可以大大降低玻璃安装后破碎的安全隐患。

对于真空玻璃本身而言,具备极低的传热系数。但对于真空玻璃整窗系统,我们需要认真对待玻璃边部的热桥问题。真空复合中空玻璃若真正发挥其综合性能的优势,玻璃边部建议使用暖边间隔条,以解决边部热桥问题,从而实现整窗更加优秀的保温性能。单真空玻璃与型材嵌入节点的设计优化,例如增加窗框嵌入深度,使用低热导材料做包边处理等工艺设计,实现边部无热桥的处理,这将是未来一个具有很大发展空间的解决方案。

b)气凝胶中空玻璃应用

在中空玻璃腔体内,不充入空气或其他惰性气体,也不抽成真空状态,而是填充透明的固体保温材料,这样的途径仍然可以获得保温性能更加的中空玻璃。硅气凝胶材料具备非常低的导热性,其硅粒子中包含有多微孔材料,而且比可见光的波长小得多。气凝胶中空玻璃的导热性能检测资料如图4所示。

图4  气凝胶玻璃与LOW-E中空玻璃导热系数

 【被动房产品技术交流】节能门窗优化策略分析(玻璃篇)

目前正在开发的多种更高性能的气凝胶玻璃产品,具备更高的可见光透过率,更低的传热系数,更好的隔音性能及更加优良的可靠性和耐久性;厚度27mm的气凝胶中空玻璃可以获得Ug值在0.7W/(m2·K)左右,但该产品的发展还受到价格以及产能等因素的制约。

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