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基于被動式超低能耗建筑用門窗保溫性能的研究

來源:2021論文集  作者:任杰 楊志祎 郭亞卿  日期:2021-6-2
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    摘要:被動式超低能耗建筑,也稱被動房,是從德國建筑學界興起的低能耗發展而來。門窗是建筑圍護體系的組成部分,也是外圍護結構中保溫最薄弱的環節。因而,門窗節能是被動房能否達到節能設計指標的關鍵。
本文主要采用熱工模擬計算的方法從型材腔體截面設計、玻璃系統配置、密封膠條形式調整等方面對門窗系統熱工性能的影響進行分析,提出門窗系統保溫性能提升的主要途徑。在門窗的實際應用中優化安裝方式,避免出現熱橋,減少熱損失。
    關鍵詞:被動房;門窗系統;保溫性能

  本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

  摘要:被動式超低能耗建筑,也稱被動房,是從德國建筑學界興起的低能耗發展而來。門窗是建筑圍護體系的組成部分,也是外圍護結構保溫最薄弱的環節。因而,門窗節能是被動房能否達到節能設計指標的關鍵。

  本文主要采用熱工(詞條“熱工”由行業大百科提供)模擬計算的方法從型材腔體截面(詞條“截面”由行業大百科提供)設計、玻璃系統配置、密封膠條形式調整等方面對門窗系統熱工性能的影響進行分析,提出門窗系統保溫性能提升的主要途徑。在門窗的實際應用中優化安裝方式,避免出現熱橋,減少熱損失。

  關鍵詞:被動房;門窗系統;保溫性能

  被動式超低能耗建筑用門窗在隔熱性能和隔聲性能上,更優于普通斷橋鋁窗,在產品性能上處于同類產品的高水平狀態。因其傳熱系數(詞條“傳熱系數”由行業大百科提供)遠高于其他部位,門窗的保溫性能成為建筑節能設計標準要求的絕對重要環節。為獲得最佳的門窗保溫性能,必須保證門窗的各個組成部分均具備優良的保溫特性,同時最大限度地避免安裝部位的熱橋問題。

  為實現建筑的超低能耗指標,不同的標準體系對門窗提出了不同的性能要求。德國是門窗節能要求比較高的國家,現階段德國外門窗的傳熱系數K≤0.6-1.1W/(㎡·K)。參考德國節能門窗的做法,依據中國典型地區的氣候條件及各種標準規范對節能門窗的指標要求,本文從型材腔體截面優化、聚氨酯保溫材料填充、玻璃系統配置、門窗系統密封材料等因素來分析整窗保溫性能的改善途徑,提高密封性,減少熱量流失,提高建筑節能門窗的保溫性能。本文所配圖片及介紹均圍繞嘉寓自主研發的朗尚-A101系列(以下簡稱A101系列)被動式門窗系統,滿足了被動式超低能耗指標,通過了德國PHI被動式建筑部品認證。

  1、被動式建筑門窗系統性能

  依據現行國家標準圖集16J908-8《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》、《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484規定的方法測定,以及《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106,對外窗的基本性能要求有:

  1.1,外窗的型材傳熱系數K≤1.3W/(㎡·K);

  1.2,外門窗的透明材料應選用Low-E中空玻璃真空玻璃

  1.2.1玻璃的傳熱系數,K≤0.8W(㎡·K);

  1.2.2玻璃的太陽能透射比,g≥0.35;

  1.2.3玻璃的光熱比,S=TL/g≥1.25。

  TL—玻璃可見光透射比,g—太陽能總透射比。

  1.3外門窗應具有良好的氣密、水密和抗風壓性能。其氣密性等級不低于8級,水密性等級應不低于5級(350Pa)。

  根據德國被動房研究所(PHI)對中國五大氣候區設定的窗戶最大U值,以北方寒冷地區為例,整窗U值不大于1.0W/(m2·K)。從材料的熱傳導系數來說,鋁合金窗比木窗或塑料窗傳導性明顯,因此鋁合金被動窗要滿足性能要求比較艱難。以下針對如何提高合金被動窗保溫性能展開討論。

  2、提高保溫性能的主要措施

  2.1型材腔體截面優化設計

  首先要做的就是優化窗型設計,盡量減少鋁合金框占整窗的面積比例,增大玻璃面積的占比,減少開啟扇的面積。而事實上被動房的新風系統取代了傳統的開窗通風換氣,被動窗在日常的使用過程中也不經常開啟,自然也不需要太大的開啟面積。

  其次,型材的厚度和隔熱腔體的長度。眾所周知,斷橋鋁窗是由室內外鋁型材和中間隔熱型材(隔熱條)組成,隔熱條為尼龍66+25%玻璃纖維(詞條“玻璃纖維”由行業大百科提供)材質,導熱系數僅為0.3W/(m·K),隔熱腔體越長,保溫效果越好。因此要求被動窗的型材厚度不低于100mm,隔熱條設計長度為64mm。

  再者,腔體填充聚氨酯(詞條“聚氨酯”由行業大百科提供)等高效保溫材料可提高保溫性能。型材隔熱條腔增加了改性(詞條“改性”由行業大百科提供)PIR聚氨酯泡沫條(如圖1),可以減少框體室外型材和室內型材之間的熱輻射熱對流,提高型材的保溫性能。玻璃與型材之間設置了聚乙烯泡沫條(如圖2),以及專用配件的設計,保證了整窗的保溫性能和抗風壓性能。

  以下為熱工計算軟件進行模擬,圖3為增加泡沫條的節點設計,邊框U值為0.79 W/(m2·K);圖4為未增加泡沫條,邊框U值為2.45 W/(m2·K)。通過對比,根據熱量傳遞的對流特性,在結構較大腔體內填充相應的保溫材料可以降低熱量的傳遞,使其保溫性能顯著提高。

 

  2.2優化的玻璃配置

  德國被動房要求外窗玻璃傳熱系數Ug≤0.8 W/(m2·K),玻璃太陽總透射比g≥0.35,這就決定了設計過程中不能為了整窗的傳熱系數而把g值降得太低。采用玻璃光學熱工計算模塊對玻璃系統進行光學熱工性能計算,計算內容包括玻璃光譜分布、玻璃色系坐標參數、玻璃系統光學熱工性能參數等。最終玻璃總厚度定為47mm,三玻兩腔中空配置,采用Low-E玻璃(低輻射鍍膜玻璃),玻璃的可見光透射比符合標準要求,玻璃空腔內填充惰性氣體,并且采用暖邊隔條,降低了玻璃周圍的線傳熱系數,提高了玻璃的保溫性能,符合指標要求。

  說明: U——玻璃面板傳熱系數(W/(㎡·K));

  τ——玻璃面板的可見光透射比;

  SC——玻璃面板遮陽系數;

  傾角——單位:°;

  2.3選用復合式密封膠

  復合式密封膠條(詞條“膠條”由行業大百科提供)即由密實三元乙丙橡膠(如圖6,a)和發泡三元乙丙橡膠(如圖6,b)共擠工藝制成的密封條(詞條“密封條”由行業大百科提供)。在密封部位選用發泡三元乙丙橡膠,以提供更高的氣密性和水密性,同時安裝部位依然采用硬度(詞條“硬度”由行業大百科提供)較高、物理性能優秀的實心橡膠,以保證膠條的牢固性和耐久性。

  玻璃內外膠條均采用了長尾設計(如圖6,c)。玻內膠條的安裝卡口嵌入到扣條內,玻外膠條通過安裝卡舌安裝在被動式門窗扇型材上,膠條長尾設計能夠搭接到聚乙烯泡沫條上,泡沫條與玻璃接觸面為波紋條形狀(如圖4)。把被動式門窗框型材和保溫玻璃之間的空間分成了內外兩部分,有效阻擋熱量的輻射和傳導,提高了門窗的整體保溫性能,還具有良好的減震和隔音效果。

  框扇中間密封條采用多腔體結構(如圖7),設有內沿、外沿和密封角。外沿和密封角是密實三元乙丙橡膠,內沿是發泡三元乙丙橡膠,并設有與隔熱斷橋相對應的斜度。在門窗關閉時,框扇密封條與隔熱斷橋相接觸,實現有效的三道密封。

  經軟件模擬計算后的框扇U值計算結果為Kf=0.91W/(m2·K),梃扇節點U值計算結果Kf=0.99W/(m2·K),框部節點U值計算結果Kf=0.79W/(m2·K),均滿足型材傳熱系數K ≤1.3W/(㎡·K)要求,根據熱工計算公式,整窗傳熱系數為0.94 W/(m2·K),滿足U值≤1.0 W/(m2·K)的要求。

  3、窗戶的安裝熱橋

  在被動窗的研發過程中,僅在組裝工藝考慮滿足保溫性能是遠遠不夠的,窗框四周的氣密構造也非常重要。增大的窗框厚度和窗臺板的設計,幾乎無法覆蓋保溫板,以致盡管采用了優化熱工性能的窗戶,而安裝后的傳熱系數也會明顯變差。

  為避免熱橋,增加密封性,經過優化的安裝狀態,窗戶增加窗副框固定角鋼(詞條“角鋼”由行業大百科提供)上并安裝于結構墻體外側,四周設有足夠厚度的保溫板覆蓋。內置防水(詞條“防水”由行業大百科提供)隔氣膜,外設防水透氣膜,均應一側有效地粘貼在窗副框上,另一側與結構墻體粘貼。副框與角鋼間增加防潮保溫墊塊,增加隔熱間層降低熱損失。并采用耐候密封膠密封。外墻外保溫系統亦可選用石墨聚苯乙烯(詞條“聚苯乙烯”由行業大百科提供)材料,更低的導熱系數,優異的阻燃抗熔滴特性,大大提高了建筑防火安全性。參考圖8。

  結論:綜上所述,在被動窗的研發過程中,根據不同氣候區對門窗性能的差異性需求,保證三道密封,優化型材腔體截面設計,填充保溫材料,增大玻璃面積,提高玻璃保溫性能,選擇復合式密封膠條,經過軟件模擬分析,可以顯著提高門窗的保溫性能。在項目使用過程中,要嚴格優化安裝狀態,避免安裝熱橋與熱量的流失才會使被動式建筑真正實現超低能耗。

  參考文獻

  [1]《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》圖集 16J908-8

  [2] [德] 特霍爾德·考夫曼,沃爾夫岡·菲斯特《德國被動房設計和施工指南》

  [3]《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484-2020

  [4]《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106

  [5]《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》JGJ/T 151-2008

  [6]《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-2016

  [7]萬成龍,劉洪濤,我國被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數指標研究[J],門窗,2016(04)

作者單位:北京嘉寓門窗幕墻股份有限公司

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