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【被动式超低能耗建筑技术交流】门窗“起雾”与“结露”问题解析
日期: 2021-07-02
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  摘要:随着节能建筑的快速发展及建筑节能设计标准的日趋完善和提高,作为建筑外围护结构的关键能耗部位的门窗系统,其节能设计越来越受到人们的关注,节能门窗系统也得以快速发展和普遍应用;门窗在使用过程中的常见问题,如玻璃腔内起雾及室内侧结露等影响居住舒适度及门窗正常功能性的关键问题越来越为人们所重视;本文对这些问题的发生机理及各种实际应用工况条件进行分析,并对消除和预防这些问题的发生策略进行探讨,为大家能够更清晰的认识这些生活中常见现象提供参考。

  关键词:起雾 结露 暖边间隔条 聚氨酯隔热铝合金型材

  如今节能门窗及中空玻璃已经完全融入我们的日常生活,无论是碧瓦朱檐的居家住宅,还是鳞次栉比的摩天楼宇,或是商厦、学校、机场,快速奔驰的高铁、地铁机车等等,我们几乎每天都能与门窗和中空玻璃有亲密的接触。它给我们的生活带来了明亮、舒适和愉悦,让我们的生活变得更加美好。

  可是日子久了,问题自然就来了!

  我们经常提及,“玻璃起雾了或窗子结露了”,大家可能都会认为,这很显然是门窗玻璃的问题嘛!但仔细推敲一下,还真不能一概而论,我们还需细究起雾或结露的根源再下定论。

  一、门窗中空玻璃腔体内起雾分析

中空玻璃窗户起雾结露

  首先,我们都知道,中空玻璃本身固有特性之一就是“密封耐久性”,这个质量特性的好坏直接决定了中空玻璃的“寿命”。我们所看到的某一块玻璃“起雾”了,往往是发生在中空玻璃腔体中间层的“起雾”,这种中空玻璃内部的“起雾”现象往往具有偶发性,一般不会大批量系统性的发生,否则,有人可要摊上大事儿了,因为这种“起雾”是中空玻璃致命性的缺陷,发生这种现象的同时也就意味着这些玻璃“寿命”到头了,该换新的了。按照GB/T 11944-2012的中空玻璃国家标准要求,中空玻璃的预期使用寿命至少要达到15年。那么我们就来认识一下,这种缺陷是如何产生的。

【建筑节能技术交流】门窗中空玻璃腔体内起雾分析

图1

【建筑节能技术交流】门窗中空玻璃腔体内起雾分析

图2

  1.发生机理(中空玻璃失效模型分析)。

  如图1为中空玻璃的结构示意图。有玻璃、间隔条和分子筛、主密封丁基胶、次密封胶等组成。主密封胶发挥着阻止水气渗透进中空腔体内的主要作用,分子筛起到吸附进入到腔体内的水气的作用,知道这些,我们就很容易理解中空玻璃的失效模型了。这其实就是一个密封能力和水气吸附能力之间相互PK的动态平衡:中空玻璃腔体内理论上是必须完全密封和干燥的,但是实际的产品总会有一些水气通过边部密封系统浸入,但没关系,因为我们还有分子筛将其吸收。但是,如果密封不良,侵入的水气越来越多,造成分子筛不堪重负,最后因“吸饱”而“溃败”,带来的结果就是中空腔体内相对湿度陡增,露点上升,当腔体内露点温度升到腔体内玻璃表面温度一致之后,便开始慢慢起雾,这时平衡被彻底打破(见图2),从而导致玻璃腔体内部起雾、甚至流水、积水,玻璃失去了通透的外观,也丧失了根本的密封特性,热工性能也受到影响,中空玻璃失效。门窗或幕墙玻璃出现这样的现象,客户难免会产生抱怨,带来投诉和理赔。而最终的解决方法也只能是更换新的中空玻璃。

  2.玻璃是否会发生“起雾”缺陷的检测方法。

  对于这么重要的质量特性,中空玻璃的密封耐久性能我们该如何检测呢?根据中空国家标准GB/T 11944《中空玻璃》要求,玻璃要求按批次进行露点测试(见图3 ),以确定中空玻璃腔体的密封干燥程度。标准要求,中空玻璃的结露点要低于零下40摄氏度。也就是说在中空玻璃腔体内表面温度低到零下40度时也不会发生腔体内起雾或结霜,这样的中空玻璃才具备合格的密封和吸湿能力。露点测试是测量中空玻璃密封体系与吸湿功能相互作用的最终结果是否满足要求,只对测试样品的当时状态进行判定,对于该中空玻璃接下来多久可能会失效无法给出明确判断。如果结合标准GB/T 11944中另一个测试项目,即中空玻璃水气密封耐久性的测试,则更能清晰的判断中空玻璃对于“动态寿命”的保证能力。按照标准要求,中空玻璃水分渗透指数I≤0.25,平均值Iav≤0.20。水分渗透指数计算公式如下:

【建筑节能技术交流】门窗中空玻璃腔体内起雾分析  公式1

  Tf 为分子筛测试最终水分含量

  Ti 为分子筛测试初始水分含量

  Tc 为分子筛测试标准水分含量

【建筑节能技术交流】门窗中空玻璃腔体内起雾分析

图3

  在该测试过程中,我们即测量了分子筛的吸收水分量,可以对分子筛的吸湿能力做一个直观判断,也能通过分子筛在测试周期之后的吸湿量变化,判断中空玻璃边部密封系统渗透水气的量,即对中空玻璃密封性能进行判断。所以,结合两个测试,我们可以判断出中空玻璃动态质量状态和判定玻璃“寿命”趋向。

  3.原因分析及预防。

  看来这种“起雾”现象的根源决定于密封质量和分子筛的吸湿能力,所以产生的原因也是多方面的,主要包括以下几方面:

  1)主密封胶丁基胶的密封效果不良。丁基胶涂敷需要具备连续性,丁基胶不能出现断胶、弹开等断点现象(尤其注意避免钢化玻璃翘角与间隔条折弯后角部侧面突起的共同作用所导致的边角翘起、丁基胶弹开等影响密封性能的缺陷);丁基胶粘结可靠性,丁基胶需要与玻璃基体形成有效粘结,加工过程要避免丁基胶表面粘上汗渍、水迹及其它污迹,玻璃表面不干燥或不洁净等;冬季温度过低,合片板压不足造成丁基压合不充分等,都会带来对丁基胶粘结可靠性的不利影响;或者由于二道密封胶参有白矿油导致丁基熔融也会影响丁基粘结可靠性。丁基胶的有效粘结宽度保证,及保证丁基胶在间隔条单侧单边大于2.7g/m的涂敷量,并控制好有效合片板压,将丁基胶的有效粘结宽度控制在不小于3mm的水平。

  2)分子筛的吸湿能力不足:控制好3A分子筛的罐装量,建议12A间隔条罐装量1X1米大于35g。可以采用现场抽查罐装量及设定罐装机参数的方法进行控制。对分子筛温升能力进行监测,建议现场使用小桶密封良好的分子筛,开封后的分子筛每班生产前进行温升测试。建议温升指标大于30℃,并且结合分子筛酸碱度测试方法进行控制。灌好分子筛的间隔条建议在60min内完成合片(即便是在常温常湿的合片环境下)。

  3)间隔条质量影响因素。中空玻璃的间隔条本身也发挥着必要的气密性作用,尤其一些暖边间隔条所复合的高气密性箔膜,能够非常有效的阻止水气及惰性气体等的渗透,同时其连接件的填充锁紧装置也发挥了很好的密封保证能力。这种间隔条折弯及插角(需要专用的插角键,具备优秀的饱满填充效果和锁紧牢度以确保气密性)连接后,在角部都能保证侧面平整,可以有效增加角部丁基胶密封宽度和密封效果,并且降低玻璃厚度偏差。

  4)玻璃安装等外力破坏因素。这些因素也是多方面的,例如安装过程打钉击穿密封系统导致漏气,或边部夹压点力度过大导致局部边部变形;或者玻璃的“呼吸效应”诱发边部密封老化失效;或者玻璃边部风压荷载或其它外力作用导致的变形及老化等。

  二、门窗玻璃室内侧表面结露分析

  了解完门窗中空玻璃内部“起雾”,我们再看看另外一种“结露”。往往在寒冷的冬季,门窗的室内面有时也会出现结露现象(根据不同条件,夏季也常见室外侧结露),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。

  随着建筑节能设计标准的日益提升,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,传热系数越低,阻止热量传递的能力就越强,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。

  这种室内表面的结露现象,不仅影响我们门窗的良好使用特性,而且对门窗的居住舒适感受带来较大影响。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,我们如何判断门窗是否会发生“结露”呢?有没有简单的计算方法做一个简单测算?或者软件模拟计算。经过ift授权验证的而且可以免费下载使用的门窗节能计算软件CALUWIN便可以实现权威、简洁、适用的门窗结露分析计算。该软件可以通过手机APP直接收索下载到手机上进行使用。

  对于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。


【超低能耗建筑技术交流】门窗玻璃为什么会结露?

  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。

  总结

  虽然都是起雾或结露的状态,但发生的位置不同,其产生机理完全不同,我们所采取的纠正及预防措施也不一样。这些现象在我们日常生活中经常遇到,清晰的了解起雾或结露的机理有利于我们理性分析、准确判断问题的根源,帮助我们寻找更加直接有效的措施改善现象,解决问题。因此,日常生活中,我们对于起雾或结露现象,首先要明确发生的位置在中空玻璃的哪一个“面”,再确定具体发生的位置和状态,以及当时的环境条件等因素,综合分析其发生原因和应该采取的改善对策。

  参考文献:

  JGJ 113-2015 《建筑玻璃应用技术规程》;

  GB/T 11944-2012《中空玻璃》;

  作者:温格润节能门窗有限公司 林广利

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