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【超低能耗建筑技术交流】门窗玻璃为什么会结露?

日期: 2021-07-01
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超低能耗建筑技术交流 门窗玻璃为什么会结露

  在超低能耗建筑节能设计中,门窗玻璃的保温隔热性能是其中非常重要的部分。

  在6月29日的被动房技术交流中,我们为大家分析介绍了”门窗中空玻璃墙体内起雾的原因“,今天,我们针对门窗玻璃的另外一种问题——“结露”来分析其主要原因。非被动式超低能耗建筑的门窗玻璃在寒冷的冬季,会经常出现结露现象,严重影响室内温度,同时,会影响玻璃透光性(根据不同条件,夏季室外侧也会出现结露)。这种结露发生在中空玻璃外表面或窗型材表面,往往从玻璃边部开始向中部扩散,且常伴有系统性和批量性,这是因为它决定于玻璃的使用环境条件和玻璃及型材本身的保温隔热性能的平衡。

  门窗玻璃为什么会结露?

  随着超低能耗建筑技术应用的推广,建筑节能设计标准日益提升,作为门窗节能的关键环节,对玻璃的保温能力需求也在不断提高。玻璃的热阻越大,保温性能越好,降低结露风险的能力就越强。另外,随着门窗型材结构创新设计及新材料的应用发展,一些创新型的门窗型材所具备的超强保温特性,也对降低门窗结露风险起到关键作用;比如全实心大断桥结构的硬泡聚氨酯隔热铝合金型材,因其断桥材料的导热系数极低,结构中部无空腔,型材本身的传热系数低于1.0 W/(m2·K),非常有效的降低型材表面的结露风险。

  其实这种结露仍然是一种动态平衡:对于既定的门窗系统,随着一侧环境温度的不断降低,门窗两侧温差的增大就会导致热量的传递,门窗的保温性能决定了热量传递的多少和快慢,而随着热量的持续传递,玻璃或型材的另一侧表面的温度逐渐降低,当低于环境的露点温度时,表面结露便开始发生。可见这种结露现象是两个温度的平衡,暨门窗表面温度和环境露点温度的平衡。玻璃和型材表面温度取决于他们的保温性能,两侧的温差,及表面的气流速度(换热系数) 等等,而露点温度则与环境温度和相对湿度密不可分,所以要避免这种表面结露,首先要解决的关键因素是降低玻璃和型材的传热系数,提升门窗的保温能力从而保证高温一侧表面温度不至于降低过大。这也是降低建筑能耗的关键途径。当然,环境因素也至关重要,适宜的温度和相对湿度也是我们追求舒适居住感受的必要条件。

  结露发生一般伴随门窗室内表面温度较低,如果温度过低,会带来门窗附近产生冷风回流现象,冷空气流动速度增大则带来居住的不良感受,德国被动式超低能耗建筑标准要求该冷风流速小于0.11m/s。表面温度低也会带来室内空间的温差感,影响居住舒适度,压缩舒适生活空间。被动式超低能耗建筑要求包括门窗在内的外围护结构内表面温度与室内平均温度之差不超过3℃,外围护结构内表面的局部温差也不超过3℃。

  那么,我们怎样判断门窗是否会发生“结露”呢?尤其是超低能耗建筑在设计时,无结露是建筑节能设计的基本指标之一。为了设计建造出健康、舒适、节能宜居的建筑,设计师经常通过PHD被动式建筑能耗模拟计算软件对建筑进行模拟计算,根据结露计算结果,加以优化建筑构造和节点设计、选材等。这款软件可以直接在“中汇能被动房”官网“PHD软件”频道页在线使用,PHD被动式建筑能耗模拟计算软件很早就通过了建设部组织的科学技术鉴定,将建筑热工与建筑能耗模拟相结合。不但可以进行能耗计算,还可以帮助设计人员优化建筑节能方案。2011年,该软件用于“在水一方”、“辰能溪树庭院”、“河北建科院科研中心”等国内首批中德被动式建筑节能示范项目设计方案的评估与计算。

【超低能耗建筑技术交流】门窗玻璃为什么会结露?

  对于非被动式超低能耗建筑既定的中空玻璃来说,其本身存在外表面结露的必然性(当环境条件改变到某一特定条件时,结露就会发生)。我们可以通过JGJ113《建筑玻璃应用技术规程》来计算不同玻璃配置在何种温度和湿度环境条件下可以发生表面结露现象。也就是可以使用下面的计算公式来简单判断玻璃的保温性能是否满足实际使用的环境条件要求而不发生结露。

  Ts=Ti-U/hi(Ti-Te)

  Ts 玻璃室内侧表面温度 ,K;

  Ti 室内环境温度,K;

  Te 室外环境温度,K;

  hi 室内玻璃表面对流换热系数,W/(m2·K);

  U 玻璃的传热系数,W/(m2·K)。

  而室内的结露点温度Td,可以根据室内的温度及相对湿度条件,按照JGJ113的附录表B.0.1查取或计算。

  判定是否结露:当玻璃室内表面温度Ts高于室内结露点温度Td时,不会发生结露;当Ts等于或低于结露点温度Td时就开始发生结露。

  对于既定的使用条件,我们可以确定室内外的温度及室内湿度,室内环境的结露点温度Td,从而通过设计不同的玻璃传热系数,来满足该工况条件下不结露的要求。

  我们也有时会发现玻璃的室外侧表面产生结露现象,尤其在湿热的夏季,室外温度较高湿度较大,室内空调温度较低,玻璃室外表面的温度降低至结露点温度之下而发生结露。也有时发生在早晨太阳升起时,室外温度上升较快,夜晚的湿气蒸发,湿度较大,外面的结露点温度快速上升,而玻璃表面的温度升高较慢,再加之风速较低,表面对流换热系数较低的情况下,从而发生外表面结露现象。另外,对于使用中的中空玻璃,其发生任何导致玻璃中部传热系数增大的缺陷,都有引起玻璃外表面发生结露的风险,比如,当中空玻璃的空气层发生内凹吸片时,当中空玻璃发生惰性气体泄漏时,当单层中空玻璃实际倾斜或水平使用时,当low-E膜层发生氧化脱膜等缺陷时,等等,都会引起中空玻璃的实际传热系数增大,从而引发玻璃表面结露的倾向性风险。

  我们都知道,门窗的结露往往会从玻璃边部开始,并逐步向中部扩散。传统的中空玻璃使用金属间隔条,形成了热量传递的“热桥”,易导致玻璃边部热量传递较快,表面温度降低较多,该温度低至室内环境的露点温度时便开始结露扩散。因此,改善玻璃表面结露的过程,是一个平衡多种因素的设计过程。使用保温性能更好的玻璃配置更优秀的暖边间隔条及优秀的型材系统,综合、均衡的提升整窗的保温性能,从而预防整窗表面结露的发生,是我们门窗节能设计的目标。

  而对于不同的门窗配置结构,以及不同的使用工况条件,会模拟出不同的温度场变化,也呈现出不同的抗结露状态。

窗户结露模拟计算

  这种结露现象一旦发生,快速消除结露的方法一般是增加结露侧的空气流速,即增大玻璃表面的换热系数,从而提升结露侧表面温度至露点温度之上,消除结露。

  通过以上分析,可以看出,减少整窗表面结露风险的关键在于均衡的提升整窗各个组成部分的保温性能,首要解决玻璃边部的线性传热损失这个薄弱环节,同时选择保温性能更加优秀的型材系统以降低型材表面结露风险,尤其使用超级保温、全实心、大断桥的硬泡聚氨酯隔热铝合金型材,因其结构及断桥材料的极低传热系数,可以最大程度的减少结露风险。玻璃的设计可以通过模拟使用环境的工况条件,计算出对于玻璃的传热系数的需求,再进行玻璃结构配置的设计。

来源:中汇能被动房 温格润门窗

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