高性能窗型設(shè)計(jì)——節(jié)能設(shè)計(jì)

文/泰諾風(fēng)集團(tuán)技術(shù)支持部工程師 黃日勇

我國(guó)氣候區(qū)域多、復(fù)雜

作為南方的鋁材廠，其產(chǎn)品的市場(chǎng)不僅僅只是局限于廣東等南方地區(qū)，是面向全國(guó)的。全國(guó)50%的鋁材產(chǎn)自我們廣東，這是我們廣東鋁材廠值得驕傲的。但這只是我們以前的成績(jī)，隨著中國(guó)節(jié)能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步推進(jìn)，很多原來(lái)我們的“陣地”失守了，比如說(shuō)北京，近來(lái)很多鋁材的銷(xiāo)售業(yè)績(jī)，在北京市場(chǎng)都存在下滑的趨勢(shì)。我覺(jué)得這不是鋁型材本身的問(wèn)題，最主要是我們沒(méi)有準(zhǔn)備好我們鋁材的相應(yīng)產(chǎn)品，去應(yīng)對(duì)北京地區(qū)節(jié)能要求提高的步伐。原來(lái)K值要求在2.8 的時(shí)候，我們用4.8 的隔熱條配中空LOW-E 玻璃就可以達(dá)到要求。北京去年推出新的節(jié)能要求，K 值要達(dá)到1.5 至2.0，我們發(fā)現(xiàn)我們沒(méi)有這樣的產(chǎn)品，這是我們最被動(dòng)的地方。我們應(yīng)該去準(zhǔn)備好產(chǎn)品來(lái)應(yīng)對(duì)節(jié)能的新挑戰(zhàn)。

一、各地建筑外門(mén)窗節(jié)能的現(xiàn)狀

我國(guó)地域遼闊，氣候形勢(shì)多樣復(fù)雜，我們有熱帶地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冷暖地區(qū)等等，我們一個(gè)國(guó)家的氣候環(huán)境相當(dāng)于歐洲多個(gè)國(guó)家，歐洲從南到北、從東到西的氣候環(huán)境我們都有，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)門(mén)窗時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同的氣候區(qū)域去做節(jié)能設(shè)計(jì)。

我國(guó)強(qiáng)制節(jié)能政策三階段三步走：以80 年代“基準(zhǔn)建筑”為基數(shù)，每一步節(jié)能30%。第一階段節(jié)能30%；第二階段在在第一階段基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，總節(jié)能50%；第三階段在第二階段基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，總節(jié)能65%。

現(xiàn)階段的要求嚴(yán)寒地區(qū)和四個(gè)直轄市實(shí)施第三階段節(jié)能65%要求，京津地區(qū)實(shí)施75%的節(jié)能要求；其它地區(qū)實(shí)行第二階段50%的要求。而我們南方地區(qū)可能還處在第二階段。

基準(zhǔn)建筑：是以20 世紀(jì)80 年代改革開(kāi)放初期建造的公共建筑作為比較能耗的基礎(chǔ)，稱(chēng)為“基準(zhǔn)建筑”?；鶞?zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)，按照以往80 年代傳統(tǒng)做法。如表1。

對(duì)于建筑外門(mén)窗而言，以20 世紀(jì)80年代初期建筑外窗的傳熱系數(shù)是6.4 為基礎(chǔ)，節(jié)能30%的傳熱系數(shù)為4.7 以下，節(jié)能50%為3.2 以下，節(jié)能65%為2.8 以下。根據(jù)GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，考慮地區(qū)，體形系數(shù)，窗墻比等，以節(jié)能50%為基準(zhǔn)制定不同氣候區(qū)域的要求。除此之外還有一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如：

表1

表2

JGJ 134《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

JGJ 75 《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

JGJ 26 《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》

在各省、市還有地方標(biāo)準(zhǔn)，地方標(biāo)準(zhǔn)是在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下建立的，地方標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境建立，對(duì)于我們很有借鑒意義。你的產(chǎn)品要在當(dāng)?shù)劁N(xiāo)售，就必須要滿足當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)。

北京市在2012 年修訂了《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（表2）從朝向、樓層高度等多方面因素因來(lái)規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱系數(shù)，針對(duì)不同的樓層做出了不同的要求，其中3 層以下的建筑要求較高，因?yàn)?層以下的建筑大多是別墅，門(mén)窗廠要所有的項(xiàng)目必須符合其要求。

江蘇省民用建筑門(mén)窗應(yīng)用暫行規(guī)定自2013 年10 月1 日起，外窗傳熱系數(shù)不得大于2.4，2014 年10 月1 日起，外窗傳熱系數(shù)不得大于2.1，江蘇是各地方中對(duì)北京節(jié)能政策跟得最緊密的地方。除此之外還有成都市，四川省建設(shè)廳對(duì)成都市原來(lái)的要求是2.5，現(xiàn)在正在推行2.2 的要求。

第三條 建筑外窗的主要性能應(yīng)符合節(jié)能建筑要求。氣密性應(yīng)不小于6 級(jí)，水密性應(yīng)不小于3 級(jí)，抗風(fēng)壓性能應(yīng)不小于3 級(jí)。自2013 年10 月1 日起，外窗傳熱系數(shù)不得大于2.4W/m2·K；2014 年10 月1 日起，外窗傳熱系數(shù)不得大于2.1W/m2·K。

第四條 自規(guī)定發(fā)布之日起，新建民用建筑門(mén)窗設(shè)計(jì)等級(jí)一律統(tǒng)一按高值取值；新建居住建筑不得設(shè)計(jì)飄窗，外窗玻璃不得貼膜或采用Low-e 玻璃以及陽(yáng)光鍍膜玻璃等。

《江蘇省民用建筑門(mén)窗應(yīng)用暫行規(guī)定》

從表3 中我們看到上海市的標(biāo)準(zhǔn)有些格格不入，在十一五、十二五中都要求四個(gè)直轄市的節(jié)能步伐必須走在全國(guó)前列，而現(xiàn)在上海連65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)都無(wú)法達(dá)到，只達(dá)到3.2，不過(guò)現(xiàn)在上海政府正在修訂標(biāo)準(zhǔn)，有望達(dá)到2.8。南方地區(qū)廣州和深圳現(xiàn)在要求是4.7，但深圳大部分項(xiàng)目在立項(xiàng)時(shí)外窗的傳熱系數(shù)都在3.2，這并不是政府規(guī)定的，而是開(kāi)發(fā)商制定的，他們覺(jué)得自己的項(xiàng)目要提高檔次，這是一個(gè)特例，這使得我們可以在深圳看到很多中空LOW-E 玻璃窗，稍微高檔一點(diǎn)的項(xiàng)目都是這個(gè)配置。

總之，全國(guó)范圍內(nèi)已初步建立了門(mén)窗節(jié)能的政策法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施來(lái)看，迄今為止，我國(guó)已完成了以下幾個(gè)目標(biāo)：就建筑節(jié)能覆蓋的區(qū)域而言，“標(biāo)準(zhǔn)”已覆蓋了全國(guó)各個(gè)氣候區(qū)；就建筑類(lèi)型而言，已涵蓋居住建筑與公共建筑兩大類(lèi)。

目前，“節(jié)能50%”的標(biāo)準(zhǔn)正在全國(guó)范圍內(nèi)強(qiáng)制執(zhí)行，“節(jié)能65%”的標(biāo)準(zhǔn)已在北方嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)和4 個(gè)直轄市強(qiáng)制執(zhí)行或展開(kāi)。

所以我國(guó)的建筑節(jié)能總趨勢(shì)是：范圍越來(lái)越普及，從嚴(yán)寒地區(qū)到寒冷地區(qū)到夏熱冬冷地區(qū)到夏熱冬暖地區(qū)，從北到南；政策越來(lái)越嚴(yán)格，而且已經(jīng)提高到法律的高度，令建筑節(jié)能有法可依，違法必究。

我們并不缺失節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，但是在執(zhí)行上有些問(wèn)題。還有檢測(cè)機(jī)構(gòu)魚(yú)龍混珠，很多檢測(cè)機(jī)構(gòu)只要一個(gè)電話就能提供檢測(cè)報(bào)告，都不需要將產(chǎn)品送檢，這種現(xiàn)象我們?cè)谑袌?chǎng)上見(jiàn)得太多。

歐洲的隔熱系數(shù)大多在2.0 以下，德國(guó)現(xiàn)行的是1.3。ENEV (Energy Savings Directive)是德國(guó)經(jīng)濟(jì)管理法為法律基礎(chǔ)，規(guī)定建筑必須達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。此規(guī)范適用于住宅，辦公樓和一些工業(yè)建筑。ENEV 基本上每隔兩年會(huì)修訂一次。在紐倫堡展會(huì)上塑窗很多，其原因就是ENEV，ENEV 要求在2020 年所有的建筑要達(dá)到0能耗，即被動(dòng)式建筑，要達(dá)到這個(gè)要求，窗的隔熱必須在0.8 以下。

表3.各地地方標(biāo)準(zhǔn)

二、高性能鋁合金門(mén)窗的節(jié)能設(shè)計(jì)

整窗傳熱系數(shù)U 值計(jì)算：

Uw=Σ(Agi*Ugi+Afi*Ufi+Lgi*ψgi)/(Aw)

其中：Uw—整窗的傳熱系數(shù)W/m2·K

Aw—整窗的面積m2

Ug—玻璃的傳熱系數(shù)W/m2·K

Ag—玻璃的面積m2

Uf—型材的傳熱系數(shù)W/m2·K

Af—型材的面積m2

Lg—玻璃的周長(zhǎng)m

Ψg—玻璃周邊的線性傳熱系數(shù)W/m2·K

歐洲各國(guó)節(jié)能要求

窗的結(jié)構(gòu)圖

窗的結(jié)構(gòu)圖中紅色部分是型材，綠色的是玻璃部分，但計(jì)算玻璃傳熱時(shí)要把玻璃周邊去掉63.5 毫米，即圖中白色區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域同時(shí)受玻璃和型材的影響。窗戶的傳熱系數(shù)是由玻璃、型材及玻璃周邊三塊組成的。其中玻璃所占面積最大。我們首先應(yīng)該考慮玻璃的選擇，目前玻璃市場(chǎng)非常成熟，工業(yè)化程度也很高，有LOW-E玻璃、中空玻璃、充惰性氣體的玻璃等等可以選擇。

型材是第二大塊，原來(lái)我們使用的是普通的鋁合金型材，在已知廉價(jià)金屬中鋁的導(dǎo)熱系數(shù)中最高的，達(dá)到了160 W/m2·K。這導(dǎo)致大量熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳流失。過(guò)去鋁合金窗都是單腔，是一個(gè)空腔，大的空腔導(dǎo)致空氣對(duì)流，大量熱流會(huì)通過(guò)空腔傳遞出去，最后還有少量熱量是通過(guò)輻射傳遞出去的。

要解決鋁型材的問(wèn)題，我們就從傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三個(gè)路徑上來(lái)考慮，于是引進(jìn)了隔熱斷橋。隔熱斷橋用低熱導(dǎo)材料在熱傳導(dǎo)的路徑上形成斷橋，阻止熱量傳遞，隔熱斷橋又使得原來(lái)的大空腔變成了三個(gè)小空腔，最大的空腔在隔熱空腔中，隔熱空腔又可以通過(guò)隔熱設(shè)計(jì)來(lái)控制，最后也降低了輻射。通過(guò)隔熱條降低了鋁型材的傳熱系數(shù)，而我們還可以進(jìn)行型材的設(shè)計(jì)。

要做高性能門(mén)窗，密封條不應(yīng)該搭接在型材上，而是隔熱條上，從而使得冷、熱腔分開(kāi)。從傳熱學(xué)中平壁一維導(dǎo)熱熱流公式中可以看出，隔熱型材中隔熱材料的壁越細(xì)越長(zhǎng)，通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量越少，隔熱性能越好。傳熱路徑越長(zhǎng)，隔熱性能越好，而傳熱路徑加長(zhǎng)帶來(lái)的影響就是空腔加大，這樣又使得空氣對(duì)流增加了，因此建議增加發(fā)泡填充或者在隔熱條中增加擋壁，將空腔分隔開(kāi)來(lái)。發(fā)泡填充一定要在隔條空腔填充，而不是在型材空腔。

隔熱條結(jié)構(gòu)圖

空腔填充

窗戶結(jié)露

暖邊數(shù)據(jù)對(duì)比

從窗戶結(jié)露的圖片中我們可以看到，結(jié)露的部分都在玻璃周邊，這種現(xiàn)象在我們?nèi)A東最為常見(jiàn)，因?yàn)槟抢镉趾溆殖睗瘛Ｖ灰獙⒃瓉?lái)鋁制的間隔條用隔熱條替換掉，就能起到暖邊的作用。更換間隔條對(duì)整窗熱傳遞的貢獻(xiàn)很小，但對(duì)玻璃內(nèi)表面的溫度提高有很大作用。