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門窗性能優化策略分析(玻璃篇)
類別:門窗幕墻  日期:2020-2-13  來源:溫格潤鋁合金節能門窗系統  點擊率:6864  打印 關閉

 

01.發展節能門窗的重要意義

 

中國建筑節能走過了近40年的奮斗歷程,堅持自主研發兼顧借鑒國際先進的發展思路,到現在已經取得了長足的發展,建筑節能技術、節能產業更是百花齊放、百家爭鳴。但我們不得不深刻的認識到,我國的建筑節能事業仍舊任重道遠,充滿挑戰。

 

從以下幾點考慮,我們可以看到節能門窗發展的必要性;

 

1.1 建筑能耗的關鍵流失途徑

門窗部位的保溫性能對整個建筑的能量流失具有至關重要的影響,是真正的建筑能量損耗關鍵途徑,也是我們進行建筑節能設計首要解決的環節,建筑節能需要從門窗開始。

 

1.2 門窗應用所面臨的主要問題

我們不得不面對因為門窗質量的低劣而帶來的負面影響;由于門窗的保溫性能不好,傳熱系數過高,造成門窗表面結露、滲水,并產生發霉、腐蝕等問題,久而久之帶來門窗的型材部件損壞、并容易產生細菌的滋生、外觀的腐蝕,帶來大量的維護成本增加及使用壽命的降低;因此門窗的保溫性能不僅僅對降低能耗產生重要影響,而且會嚴重影響建筑的品質、生活的質量。

 

1.3 國家的節能政策及標準發展

近年來,隨著綠色建筑、節能建筑的推進和發展,越來越多的省市地區開始更新升級本區域的建筑節能設計標準,1985年到2015年,我國建筑節能歷經30年完成三步走的戰略任務,實現65%節能標準.2012年開始多個省市開始實施4步節能標準,目前天津和北京率先提出5步節能設計標準,中國的建筑節能已經進入小步快跑的快速發展階段。

 

因此,無論從門窗的使用現狀、國家節能政策法規還是從建筑能耗途徑分析角度來看,發展節能門窗、優化門窗系統綜合性能均符合國家節能發展的戰略要求,節能門窗行業勢必將進入蓬勃發展的快車道。

 

 

02.節能門窗發展中的經濟性問題

 

隨著節能門窗普及應用,它將逐漸對我們的日常生活產生深遠影響;節能門窗也將從開發初期的小眾產品逐步發展成為大眾化、標準化的產品;節能門窗的經濟性將會決定它的發展速度和普及空間;發展節能型門窗需要投入一定的資金成本,為了獲得更加優秀的節能特性,必須采用具有創新技術、創新工藝的新型材料,由此而帶來成本的一定增加,但從長遠利益來看,明顯具有投入少、產出多,實現建筑可持續發展等長期利益;門窗作為建筑節能的關鍵突破口,往往所帶來的成本增加會相對較大。只要脫離本位的局部的短期的思想羈絆,注重建筑大環境、放眼宏觀、長期、可持續的經濟效益,我們不難發現,發展建筑節能門窗具有投入少、產出多的特點;用建筑造價5%-10%的節能成本實現30%-75%的節能收益,住宅冬季室溫提高10度以上,將會獲得非常理想的投資回報期,從而實現建筑節能最優化發展。對于西歐和北歐的一些國家,高舒適度和低能耗建筑發展較早,其節能門窗造價僅比普通門窗造價增加3%-8%左右,但可以實現65%-90%以上的節能比例,經濟效益非常顯著。

 

因此,節能門窗的發展,將會越來越重視新材料、新技術的應用和發展;不斷尋求新的突破,尋求小材料,大收益,以小博大的發展空間。

 

03.節能門窗性能優化的途徑分析

 

門窗作為建筑外維護結構中的開口部位,成為建筑物內外溝通的橋梁;人們需要通過門窗與自然界形成良好的交流,同時又必須確保不因此而受到外界的侵擾;所以門窗應該滿足這些基本的設計需求,包括良好的采光、通風、隔熱、保溫、隔音、安全、通透等基本使用特性;同時從門窗的可靠性角度看,它們還要具備足夠氣密性、水密性和抗風壓性能;從使用的安全性角度看,它們更需要具備防火、防爆、防盜、防有害光、屏蔽、隱私等使用效果;從設計風格上說,門窗更應不拘一格,具備個性化的外觀形態,與建筑物協調一致、美觀等特點。

 

由于門窗是產生建筑能耗的關鍵區域,追根溯源,節能門窗所追求的最基本要素當屬門窗的隔熱保溫性能;高性能的節能門窗的發展也將圍繞如何降低整窗傳熱系數、控制門窗失熱效率而進行各個局部工藝技術、構造和材料的研發,逐步探索和應用一些細微節點的精細化設計,獲得事半功倍的性能改善和提升,諸如超級保溫材料實現大斷橋結構的硬泡聚氨酯隔熱鋁合金型材的應用,以及玻璃暖邊技術的應用等,進一步消除了門窗型材及玻璃非透明部分的熱橋問題,控制了門窗的失熱途徑,門窗也因此獲得到以下這些更加優秀的節能特性和使用特性:采暖負荷低(制冷負荷也會降低)帶來能源節約;窗子內表面的溫度與室內溫度更加接近,寒冷的冬季,室內的舒適使用空間大大提升,窗子的不舒適使用距離也會明顯縮短;窗子內表面溫度高于室內環境露點溫度,從而避免結露結霜,且因此而延長使用壽命,獲得更大的壽命周期內的節能收益,是可持續建筑解決方案的關鍵改善環節。

 

目前節能門窗的技術發展迅速,已經具備了非常優秀的技術和工藝,可以獲得極低的整窗傳熱系數。門窗保溫性能的優化途徑大致有如下4個方面:節能玻璃設計,玻璃邊部線性傳熱損失的優化設計,窗框型材系統的優化設計,門窗安裝及密封設計要點。

 

由于篇幅所限,本文作為整篇論文的第一部分,將著重闡述節能玻璃設計的相關技術要點。

 

3.1 節能玻璃設計

玻璃通常占到整窗面積的70%-80%以上,因此,玻璃部分的隔熱保溫能力對整窗的保溫性能影響至關重要;玻璃是熱的良導體,其導熱系數約為0.9W/(m·K),單層玻璃的熱阻非常小;因此,如果使用單層玻璃,室內外熱量直接通過傳導的方式進行傳遞,玻璃的傳熱系數較高,熱量流失極快;6mm單層玻璃的傳熱系數為5.8 W/(m2·K);

 

因此,對于單層玻璃窗,冬季室內表面的溫度遠遠低于室內露點溫度,而產生凝露;而且,當人站在室內窗前,會感受到明顯的溫差效應,非常不舒適;而這種溫差效應隨著向室內移動的距離增大而降低,因此,室內舒適的使用空間被明顯的壓縮;同時,這種玻璃會帶來大量的能耗,因為溫差存在而在單位時間內流失的熱量高達145 W/m2 。因此,這種使用單層玻璃的門窗在國家及一些地方的節能門窗規范中已經被限制或禁止使用;

 

那么,為了提高節能效率,改善玻璃的保溫性能,降低門窗玻璃的傳熱系數,我們可以通過以下幾種途徑進行玻璃的綜合優化設計:

 

3.1.1 使用中空玻璃

由于兩片玻璃間空氣層的存在,使得室內外熱量傳遞方式發生了改變,由單片玻璃的熱傳導,轉變成輻射和對流傳熱為主;中空玻璃系統的熱導ht可以通過下方公式(1)計算:

 

 

可見,中空玻璃的熱導,與玻璃的導熱系數及氣體間隙層熱導正相關,與玻璃厚度負相關;而氣體間隙層熱導是包括間隙層氣體熱導及組成間隙層的兩片玻璃的輻射熱導;從而我們可以得出,使用中空玻璃,由于氣體間隙層的存在,使得中空玻璃的傳熱系數主要決定于氣體熱導及玻璃的輻射熱導,從而大大減低了中空玻璃系統的傳熱系數;對于6mm+12A+6mm的普通中空玻璃,其傳熱系數為Ug=2.9 W/(m2·K);我們通過計算可以得到:在假定條件下,冬季室外環境溫度 To=-5℃, 室內溫度Ti=26℃ ,室內相對濕度Rh=60%;室內玻璃表面的溫度T=14.8℃,較普通單層玻璃室內表面溫度提升11.3℃。

 

玻璃的節能特性得到明顯的改善;但室內表面溫度仍低于室內環境的結露點溫度Dew=17.6℃;在寒冷的冬季仍然會出現結露問題;因此,還需要對中空玻璃性能進行優化。

 

途徑1. 使用充入惰性氣體的中空玻璃

由公式(1)的說明可以得出,中空玻璃的傳熱系數,與氣體的熱導相關;因此,將中空玻璃空腔內充入大分子、粘滯度高的惰性氣體,如氬氣、氪氣、氙氣等等,這些惰性氣的比重比空氣大,氣體流動性差,導熱系數低,由氣體對流及傳導而傳遞的熱量大大降低;

 

下表(表1)是不同氣體的特性指標

 

 

從表1中數據可以看出,氪氣的導熱系數最低,對中空玻璃的保溫性能改善效果最好,對于6LOW-E+12A+6的中空玻璃,充入氪氣可以使玻璃傳熱系數降低0.6 W/(m2·K)左右,但氪氣價格非常昂貴,單位面積增加成本甚至在百元以上,在建筑玻璃上進行應用不具備經濟性,不易被推廣使用,但在某些高端產品及特種工業玻璃領域中有所使用;氬氣作為價格低廉的惰性氣體,可以直接從空氣中分離獲得,同時也具備較好的熱工性能,因此在建筑節能門窗玻璃中得以廣泛使用;

 

充入惰性氣體的中空玻璃必須確保其良好的密封特性,以避免昂貴的、高效的惰性氣體不會隨著使用時間延長而泄露,帶來中空玻璃性能的衰減;一般來說,對于充入惰性氣體的中空玻璃,如果使用硅酮結構膠作為次密封膠的話,就必須采取嚴格的措施控制丁基膠寬度、丁基膠涂敷量、間隔條接口背封等加工工藝外,正常工藝下生產的中空玻璃,氣體年泄露率不應超過1%。同時必須按照最新的GB/T 11944 規定進行氣體密封耐久性檢測。

 

那么,對于中空玻璃,充入氬氣到底能夠對中空玻璃的性能帶來多少改善呢?

 

我們由公式(1)看出,中空玻璃的熱導與間隙層氣體熱導hg正相關;

 

 

公式(2)顯示出,間隔層氣體的熱導又與努塞爾準數Nu正比,努塞爾準數是一個與兩片玻璃腔體內表面溫度差及氣體的不同物理特性相關的參數。因此,充入惰性氣體對中空玻璃的傳熱系數的影響與不同氣體的物理性能、氣體濃度、氣體層厚度等因素相關。我們根據不同的標準體系,對常見配置的充氬氣中空玻璃進行模擬計算,得到結果如表2所示

 


 

通過表2的計算數據我們可以看出,無論基于哪個標準體系計算,對不同間隔條寬度的中空玻璃,充氬氣比不充氬氣的傳熱系數降低值在0.25-0.40之間;一般來說,空氣層越薄,充氬氣對中空玻璃的傳熱系數改善就越明顯;

 

對于充氬氣的玻璃,需要非常關注中空玻璃的密封特性。明框結構的窗或幕墻使用水汽滲透率較低的聚硫膠作為二道密封膠;玻璃的生產工藝尤其關注丁基膠的操作工藝,確保其主密封膠的作用。最新的中國玻璃國家標準也更加關注中空玻璃的氣體密封特性及惰性氣體保持率的控制,根據GB/T11944-2015規定,充氣玻璃的氣體年泄漏率不得高于1%。

 

另外,無論中空玻璃充入惰性氣體與否,我們在門窗設計時都需要關注一個窗子使用角度問題。對于采光用的天窗或屋面斜窗,在計算整窗熱工性能時,需要考慮到室內外的實際溫差及玻璃角度對腔體內對流形式的影響。如圖2所示為中空玻璃水平狀態下的內部對流傳熱狀況。由于產生對流傳熱循環路徑變小,傳熱效率增大,使得水平狀態下的玻璃傳熱系數大于豎直狀態下傳熱。在冬季,室內溫度高于室外,形成朝上的熱流;在夏季,室內溫度低于室外溫度,不會產生向上的熱流,因此,在冬季,大角度使用的窗子的實際傳熱系數要比豎直窗更大,這一點是需要我們熱工計算中特別注意的。


 

 

途徑2.調整中空玻璃的腔體厚度

我們通過公式(2)可以了解到,中空玻璃的傳熱系數的影響因素有充入氣體的物理性能、氣體濃度、氣體層厚度、兩片玻璃腔體內表面溫度差等因素相關,當然也與玻璃的表面輻射率、玻璃的厚度等因素有關;所以,對于既定的兩片基片玻璃,調整兩片玻璃的間距,即設定不同的間隔條寬度,可以獲得玻璃的最佳傳熱系數,而這個最佳傳熱系數是依據不同的環境條件而有明顯差異的。如表2所示,我們看到,基于EN673標準計算,16A的空氣層U值最低,且對于該配置,16A的U值要比12A的U值低0.14~0.24,即性能提升10%-15%;當選用寬度大于16A的間隔條時,因為氣體層過寬,帶來了更多的對流傳熱,從而使得玻璃的U值進一步增大。基于JGJ151標準進行計算,12A的間隔層U值最低,且對于該配置,12A的U值要比16A的U值低0.04~0.06,即性能提升2%-4%;所以,我們通常說,12A到16A的中空間隔條寬度,可以獲得極佳的中空玻璃傳熱系數,這也是我們經常看到,對于中空玻璃的間隔條的規格,往往會在12A到16A比較集中的原因。圖3是不同氣體、不同厚度的中空玻璃傳熱系數的線性比對圖表。

 

EN 673標準與JGJ151標準的測試條件存在較大差異。兩個標準的邊界條件如表3;之所以在不同的標準條件下計算結果不同,與標準體系的測試環境條件有關。因此,我們說對于確定的充入氣體類型,哪個間隔條的寬度能夠使中空玻璃獲得最佳的傳熱系數,要根據具體的氣體類型,以及產品的使用標準體系(測試環境條件)來確定。設計最優的中空玻璃結構,需要參考產品使用地點的實際氣候條件。

 

 

 

途徑3.使用低輻射鍍膜玻璃

中空玻璃系統的熱導ht可以通過下式計算

 

 

式中hs是中空玻璃氣體間隙層熱導,其值大小取決于氣體間隙層氣體熱導hg及中空玻璃氣體間隙層內兩片玻璃的輻射熱導hr;其中hr可按照下式計算求得

 

 

式中ε1與ε2為中空玻璃內外片內表面的校正輻射率;由此可知,中空玻璃的傳熱系數大小,與組成中空玻璃單元的內外基片的表面輻射率關系密切;因此為了獲得更加優秀的保溫性能,我們通常會選用輻射率低(Low- emissivity)的鍍膜玻璃做為中空玻璃基片,以獲得更加優秀的保溫性能;

 

LOW-E節能玻璃作為建筑的外維護結構所選用的關鍵材料,主要原因在于:建筑維護結構所要實現的功能性包括__-保溫、遮陽、美觀,而LOW-E玻璃能夠平衡這幾大要素之間的矛盾;它既可以實現建筑的保溫,避免大量的熱量通過玻璃流失,又可以實現良好的遮陽特性,讓更多的太陽光譜中可見光部分進入到室內,而讓更少的太陽輻射的熱量通過玻璃進入;同時,它有具備更加寬泛的選擇空間,各種各樣的性能參數匹配、多種色彩以滿足不同區域、不同建筑風格的設計需求。LOW-E膜可以通過其功能層銀層的光譜選擇性,實現了對太陽輻射的有效利用;太陽輻射中的熱量直接透過玻璃及玻璃吸收再次輻射通過的量越低,玻璃的隔熱性能就越好,遮陽性能越優秀;物體的熱輻射被玻璃吸收再次輻射的比例越小,輻射率越低,玻璃的保溫性能就越好。

 

高性能LOW-E中空玻璃可以獲得極低的傳熱系數。表4是各種不同中空玻璃組合獲得的參數比對(low-e牌號選自Saint-Gobain的產品)。

 


 

途徑4.特種玻璃技術應用

隨著玻璃技術的不斷發展,節能玻璃工藝日新月異,已經有非常多的特種深加工工藝的節能玻璃,并且取得了很好的應用效果,例如真空玻璃,熱鏡玻璃,內懸膜玻璃,智能調光低輻射節能玻璃,氣凝膠中空玻璃等等。

a)真空玻璃應用:

傳統真空玻璃是兩片平板玻璃之間使用微小的支撐物隔開,玻璃周邊采用纖焊加以密封,通過抽氣孔將中間的氣體抽至真空,然后封閉抽氣孔保持真空層的特種玻璃。真空玻璃的保溫性能非常優秀,主要是由于真空層的存在大大削減了熱量的對流和傳導損失;同時,真空玻璃還可以復合LOW-E玻璃組合成真空復合中空玻璃獲得極佳的性能參數。一片6mm的真空玻璃的保溫性能相當于370mm厚的實心黏土磚墻,與單層玻璃相比,每年每平方米可以節約700MJ的能源,相當于192千瓦時的電量,1000噸的標準煤,其節能效率極高。理想的真空玻璃還具有很好的隔音性能,6mm厚度的真空玻璃可以將室內噪音降低到45dB以下(降噪值在33-35dB左右)。真空玻璃技術近年來發展較快,性能也在不斷提升。逐步改善了支撐點的固定、低傳熱,抽氣孔密封工藝,封邊工藝等技術問題,以及對于基片鋼化問題,也已經有了極大的突破,可以大大降低玻璃安裝后破碎的安全隱患。

 

對于真空玻璃本身而言,具備極低的傳熱系數。但對于真空玻璃整窗系統,我們需要認真對待玻璃邊部的熱橋問題。真空復合中空玻璃若真正發揮其綜合性能的優勢,玻璃邊部建議使用暖邊間隔條,以解決邊部熱橋問題,從而實現整窗更加優秀的保溫性能。單片真空玻璃與型材嵌入節點的設計如果能夠得以解決,實現邊部無熱橋的處理,這將是未來一個具有很大發展空間的解決方案。

 

b)氣凝膠中空玻璃應用

在中空玻璃腔體內,不充入空氣或其他惰性氣體,也不抽成真空狀態,而是填充透明的固體保溫材料,這樣的途徑仍然可以獲得保溫性能更加的中空玻璃。硅氣凝膠材料具備非常低的導熱性,其硅粒子中包含有多微孔材料,而且比可見光的波長小得多。氣凝膠中空玻璃的導熱性能檢測資料如圖4所示。

 

 

目前正在開發的多種更高性能的氣凝膠玻璃產品,具備更高的可見光透過率,更低的傳熱系數,更好的隔音性能及更加優良的可靠性和耐久性;厚度27mm的氣凝膠中空玻璃可以獲得Ug值在0.7 W/(m2·K)左右,但該產品的發展還受到價格以及產能等因素的制約。

 

下一章節是關于“玻璃邊部線性傳熱損失的優化設計”內容,待后續分享......

 



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