建筑外門(mén)窗抗結(jié)露性能設(shè)計(jì)

馬濤，高偉，王領(lǐng)，張志鵬，王鈺凇

（北京建筑材料檢驗(yàn)研究院股份有限公司，北京 100041）

0 引言

隨著我國(guó)建筑節(jié)能的高速發(fā)展，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求不斷提高，除了與節(jié)能息息相關(guān)的保溫性能及氣密性能外，外門(mén)窗結(jié)露對(duì)整體建筑的節(jié)能及宜居效果同樣有很大影響。門(mén)窗結(jié)露就是玻璃或框體表面溫度低于附近空氣露點(diǎn)溫度時(shí)表面出現(xiàn)冷凝水的現(xiàn)象。露點(diǎn)溫度是在空氣中水汽含量不變，保持氣壓一定的情況下，使空氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度，露點(diǎn)與空氣的相對(duì)濕度有關(guān)，濕度越大，開(kāi)始形成結(jié)露的溫度就越高，當(dāng)試件表面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，其表面就會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。玻璃表面結(jié)露會(huì)阻擋光線進(jìn)入，從而影響視線。當(dāng)結(jié)露比較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)沾污墻體及室內(nèi)物品，甚至產(chǎn)生發(fā)霉現(xiàn)象。當(dāng)露水進(jìn)入窗框內(nèi)部后還會(huì)產(chǎn)生熱橋，增大建筑外窗的傳熱，從而降低建筑外窗的節(jié)能效果。門(mén)窗、墻體空腔內(nèi)的水分會(huì)使密封膠失去粘性，從而降低建筑氣密性能。

1 研究現(xiàn)狀

防結(jié)露設(shè)計(jì)應(yīng)保證所有的表面溫度均在露點(diǎn)以上，當(dāng)門(mén)窗安裝位置附近空氣流動(dòng)受阻時(shí)，就會(huì)發(fā)生明顯的氣溫差異，如果窗戶表面與墻體表面的深度差超過(guò)25.4～50.8mm 時(shí)，紊亂的空氣就會(huì)困在窗戶拐角處的空間內(nèi)，嚴(yán)重情況下，在玻璃的室內(nèi)側(cè)會(huì)形成一個(gè)低溫氣流層[1]，從而可能引起結(jié)露。建筑門(mén)窗日間受到太陽(yáng)輻射的影響，內(nèi)表面附近的空氣溫度一般高于室內(nèi)空氣溫度，水蒸氣的飽和蒸汽壓較高，可以從室內(nèi)空氣吸收水分并將其集中在空氣氣渦內(nèi)。夜間由于室外溫度降低并失去了太陽(yáng)輻射，其內(nèi)表面溫度降低，尤其是放下窗簾或百葉后，外窗周邊氣體受阻無(wú)法與室內(nèi)空氣形成對(duì)流，當(dāng)建筑外窗表面溫度達(dá)到被困氣體的露點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生結(jié)露。

《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883-2022）于2023 年2月1 日起正式實(shí)施，規(guī)定夏季相對(duì)濕度以40%～80%為宜，冬季應(yīng)控制在30%～60%[2]。在進(jìn)行門(mén)窗防結(jié)露設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和室內(nèi)濕度要求，確定露點(diǎn)溫度范圍，選配適宜的門(mén)窗[3]。門(mén)窗的表面溫度決定所處環(huán)境的允許空氣相對(duì)濕度，一定條件下，門(mén)窗保溫性能越高，其表面平均溫度越高[4]。在提高門(mén)窗保溫性能設(shè)計(jì)時(shí)，除了選配節(jié)能玻璃，對(duì)其他材料也應(yīng)綜合考量[5]，框型材與玻璃面板保溫性能不宜相差過(guò)大。

1972 年，AAMA 開(kāi)始致力于外窗產(chǎn)品熱工性能測(cè)試程序及設(shè)備的研究，并于當(dāng)年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)AAMA 1502.3，主要測(cè)試住宅建筑鋁合金門(mén)窗的抗結(jié)露性能，對(duì)不同的產(chǎn)品可以進(jìn)行有效的比較，為開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)師、使用者等根據(jù)不同的氣候條件選配產(chǎn)品提供了參數(shù)。另一個(gè)建筑外窗產(chǎn)品重要的熱工性能參數(shù)是傳熱系數(shù)，主要表征通過(guò)產(chǎn)品造成的熱損失。1980 年，發(fā)布了AAMA 1503.1，此標(biāo)準(zhǔn)不再局限于住宅建筑鋁合金門(mén)窗而是針對(duì)各種類(lèi)別及形式的產(chǎn)品傳熱系數(shù)的測(cè)量。1981 年，AAMA 1502.7 對(duì)抗結(jié)露性能的測(cè)試進(jìn)行了更新，標(biāo)準(zhǔn)中亦不再局限于住宅建筑鋁合金門(mén)窗而是針對(duì)各種類(lèi)別及形式的產(chǎn)品抗結(jié)露性能的測(cè)試。1988 年，AAMA 1503.1 進(jìn)行了一些技術(shù)的改進(jìn)，并將抗結(jié)露因子測(cè)試及試件U 值的測(cè)試方法統(tǒng)一為一本綜合的熱工性能標(biāo)準(zhǔn)。1998 年，AAMA 1503 進(jìn)行修訂，調(diào)整測(cè)試參數(shù)，將冷側(cè)及熱側(cè)溫度條件與NFRC 保持一致[6]。

2008 年，我國(guó)修訂標(biāo)準(zhǔn)《建筑外門(mén)窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法》（GB/T 8484-2008）[7]，引入抗結(jié)露因子的測(cè)試，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)版本為《建筑外門(mén)窗保溫性能檢測(cè)方法》（GB/T 8484-2020）?？菇Y(jié)露因子即在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，門(mén)窗熱側(cè)表面與冷側(cè)空氣溫差和冷熱箱空氣溫差的比值，其檢測(cè)是基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，采用標(biāo)定熱箱法，試件一側(cè)為熱箱，模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件，另一側(cè)為冷箱，模擬冬季室外氣候條件。在穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)下，測(cè)量冷熱箱空氣溫度和試件熱側(cè)表面溫度，計(jì)算得到試件的抗結(jié)露因子。

除樣品測(cè)試的手段外，建筑門(mén)窗結(jié)露性能評(píng)價(jià)采用模擬計(jì)算的方法也比較普遍，主要采用的標(biāo)準(zhǔn)有《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176-2016）、《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T 151-2008）。模擬計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)露驗(yàn)證采用的評(píng)價(jià)要求為門(mén)窗各個(gè)部件（框、面板中部及面板邊緣區(qū)域）超過(guò)90%的面積內(nèi)表面溫度應(yīng)大于露點(diǎn)溫度。模擬計(jì)算是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)處于理想的狀態(tài)，在設(shè)計(jì)選材階段具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)于產(chǎn)品生產(chǎn)后的實(shí)際情況需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 項(xiàng)目情況

依據(jù)《建筑外門(mén)窗保溫性能檢測(cè)方法》（GB/T 8484-2020）的規(guī)定，受到測(cè)試布點(diǎn)及計(jì)算方法的約束，測(cè)試結(jié)果抗結(jié)露因子僅能表征產(chǎn)品抵抗結(jié)露性能的優(yōu)劣，抗結(jié)露因子越大，其抵抗結(jié)露的能力越強(qiáng)，不能直接驗(yàn)證產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境是否結(jié)露，本文通過(guò)對(duì)不同配置外窗產(chǎn)品測(cè)試情況的分析，總結(jié)出產(chǎn)品不同情況下抗結(jié)露因子對(duì)應(yīng)的最高空氣相對(duì)濕度。

邊框和面板的抗結(jié)露因子需分別測(cè)試，試件抗結(jié)露因子的最終結(jié)果取其最低值，對(duì)不同傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)值產(chǎn)品確定抗結(jié)露因子限值要求，能夠?qū)侠磉x配框材及玻璃具有一定的指導(dǎo)作用。

2.2 研究方法

我國(guó)抗結(jié)露因子的測(cè)試條件為熱箱空氣平均溫度設(shè)定19.5℃～20.5℃，冷箱空氣平均溫度設(shè)定范圍為-19.5℃～-20.5℃。當(dāng)冷、熱箱空氣溫度達(dá)到穩(wěn)定后，每隔5min 測(cè)量一次參數(shù)，共測(cè)六次。

試件的抗結(jié)露因子計(jì)算步驟如下：

（1）各參數(shù)取六次測(cè)量的平均值。

（2）試件抗結(jié)露因子CRF 值的計(jì)算公式為：

式中：CRFg—試件玻璃的抗結(jié)露因子；CRFf—試件的框的抗結(jié)露因子；th—熱箱空氣平均溫度，℃；tc—冷箱空氣平均溫度，℃；tg—試件玻璃熱側(cè)表面平均溫度，℃；tf—試件的框熱側(cè)表面平均溫度的加權(quán)值，℃。

試件抗結(jié)露因子CRF 值取CRFg與CRFf中較低值。由式（1）和式（2）可知，CRF 為門(mén)窗熱側(cè)表面與冷側(cè)空氣溫差和冷熱箱空氣溫差的比值，當(dāng)試件抗結(jié)露因子為確定值，改變冷熱箱空氣溫度，可以近似得出實(shí)際環(huán)境中門(mén)窗熱側(cè)表面的平均溫度[8]。

為了進(jìn)一步使產(chǎn)品的抗結(jié)露性能直觀化，便于人們?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)之初有效選擇產(chǎn)品，筆者將不同材質(zhì)框型材、玻璃按照保溫性能從低到高分別進(jìn)行排序，測(cè)試其抗結(jié)露因子取值范圍。為了便于在圖表中表達(dá)，對(duì)不同規(guī)格的試件框及玻璃進(jìn)行了編號(hào)，在抗結(jié)露因子的圖文描述中，均采用編號(hào)。試件框規(guī)格編號(hào)如表1 所示，玻璃規(guī)格編號(hào)如表2 所示。

表1 試件框規(guī)格編號(hào)

表2 玻璃規(guī)格編號(hào)

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

2.3.1 抗結(jié)露因子曲線

根據(jù)抗結(jié)露因子測(cè)試時(shí)的布點(diǎn)位置，總結(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)試件熱側(cè)表面最低溫度與玻璃熱側(cè)表面平均溫度及框熱側(cè)表面平均溫度加權(quán)值的關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)抗結(jié)露因子值得出門(mén)窗熱側(cè)表面的最低溫度。當(dāng)最低溫度低于當(dāng)前環(huán)境下露點(diǎn)溫度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。下圖為給定室內(nèi)環(huán)境溫度為20℃，室外溫度在-20℃～0℃，不同抗結(jié)露因子的門(mén)窗產(chǎn)品存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的室內(nèi)相對(duì)濕度。

圖1 為CRF 取值為CRFg，采用冷邊玻璃間隔條時(shí)，不同抗結(jié)露因子在室外溫度為-20℃到0℃范圍內(nèi)玻璃存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)濕度，圖2 為CRF 取值為CRFg，采用暖邊玻璃間隔條時(shí)，不同抗結(jié)露因子在室外溫度為-20℃～0℃范圍內(nèi)玻璃存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)濕度。

圖1 抗結(jié)露因子曲線圖（CRF=CRFg，鋁合金玻璃間隔條）

圖2 抗結(jié)露因子曲線圖（CRF=CRFg，暖邊玻璃間隔條）

建筑外門(mén)窗產(chǎn)品室內(nèi)側(cè)表面溫度最低點(diǎn)一般出現(xiàn)在玻璃邊緣，相同配置的產(chǎn)品，在相同環(huán)境條件下玻璃中心點(diǎn)的溫度一般無(wú)大區(qū)別，但采用暖邊玻璃間隔條與冷邊間隔條相比，能夠大幅度提高玻璃邊緣的溫度，抗結(jié)露因子測(cè)試時(shí)，6 個(gè)玻璃的溫度點(diǎn)中根據(jù)窗形不同，有2～3 個(gè)分布在玻璃中心點(diǎn)，在求得表面平均溫度時(shí)，暖邊的作用被弱化，因此即使在相同的CRF 值時(shí)，采用暖邊間隔條的產(chǎn)品其抗結(jié)露性能更好，在相同的環(huán)境溫度及抗結(jié)露因子下，采用暖邊間隔條出現(xiàn)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的室內(nèi)相對(duì)濕度更高。

圖3 為CRF 取值為CRFf時(shí)，不同抗結(jié)露因子在室外溫度為-20℃～0℃范圍內(nèi)窗框存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)濕度，由于窗框的面積相對(duì)較小，且試件的框熱側(cè)表面平均溫度的加權(quán)值tf由14 個(gè)規(guī)定位置的內(nèi)表面溫度平均值（tfp）和4 個(gè)位置非確定的、相對(duì)較低的框溫度平均值（tfr）計(jì)算得到，暖邊間隔條的作用會(huì)直接反應(yīng)到抗結(jié)露因子的測(cè)試值。

圖3 抗結(jié)露因子曲線圖（CRF=CRFf）

2.3.2 試件框及玻璃的抗結(jié)露因子范圍

不同規(guī)格框型材抗結(jié)露因子取值為圖中兩條曲線之間范圍。圖4 是采用鋁合金玻璃間隔條時(shí)不同框型材抗結(jié)露因子范圍，圖5 是采用暖邊玻璃間隔條時(shí)不同框型材抗結(jié)露因子范圍。

圖4 框型材抗結(jié)露因子范圍（鋁合金玻璃間隔條）

圖5 框型材抗結(jié)露因子范圍（暖邊玻璃間隔條）

框型材保溫性能越高，其室內(nèi)側(cè)表面溫度越高，因此具有更好的抗結(jié)露性能，忽略型材結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)及處理，通常鋁合金隔熱型材隨著隔熱條高度的增加，塑料型材隨著腔室數(shù)量的增加，木型材隨著木材厚度的增加，保溫性能逐步提高。采用暖邊玻璃間隔條與冷邊間隔條相比，除了能夠大幅度提高玻璃邊緣的溫度，對(duì)窗框型材室內(nèi)側(cè)表面溫度的提高也有明顯作用，玻璃四周填充發(fā)泡等保溫材料，也具有類(lèi)似的效果，本文中的數(shù)據(jù)均為未考慮玻璃四周填充保溫材料的情況。因此相同規(guī)格的框型材，除了自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異及玻璃配置的影響外，采用暖邊玻璃間隔條及冷邊玻璃間隔條，會(huì)表現(xiàn)不同的抗結(jié)露因子。對(duì)比圖4 及圖5，編號(hào)3～ 8，玻璃采用暖邊間隔條，抗結(jié)露因子大幅提高，說(shuō)明暖邊間隔條對(duì)鋁合金隔熱型材保溫性能及抗結(jié)露性能的提高較其他材質(zhì)框型材更為顯著。

不同規(guī)格配置玻璃抗結(jié)露因子取值為圖中兩條曲線之間范圍，如圖6 所示。

圖6 不同結(jié)構(gòu)配置玻璃抗結(jié)露因子范圍

雖然玻璃U 值按照從高到低進(jìn)行編號(hào)，但是抗結(jié)露因子出現(xiàn)局部下降的現(xiàn)象，這是由于玻璃U 值表征的是玻璃中心點(diǎn)的傳熱系數(shù)，U 值越低其中心點(diǎn)溫度越高，但是CRFg由玻璃熱側(cè)表面平均溫度計(jì)算而得，在相同的U 值及安裝情況下，普通白玻比鍍膜玻璃室內(nèi)側(cè)具有更高的邊部溫度，因而具有更高的抗結(jié)露因子。

2.4 小結(jié)

在相同的環(huán)境條件下，通常圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能越好，其室內(nèi)表面溫度越高，也就越不容易結(jié)露。但保溫性能是針對(duì)試件框及玻璃整體進(jìn)行評(píng)價(jià)，在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)提高試件框或玻璃中的一項(xiàng)而達(dá)到較低的傳熱系數(shù)，當(dāng)兩者保溫效果相差懸殊時(shí)，從整體減少能量損失的角度達(dá)到了節(jié)能的效果，但在相同的濕度條件下，試件框或玻璃可能已經(jīng)出現(xiàn)了局部結(jié)露的現(xiàn)象，試件抗結(jié)露因子CRF 值取CRFg與CRFf中較低值，對(duì)建筑防結(jié)露的設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。另外，通過(guò)測(cè)試明確采用暖邊玻璃間隔條，對(duì)改善外窗產(chǎn)品抗結(jié)露性能具有一定的效果。

3 結(jié)論

本文依據(jù)建筑門(mén)窗抗結(jié)露因子測(cè)試方法，繪制了室內(nèi)環(huán)境溫度為20℃，室外溫度在-20℃～0℃范圍內(nèi)，不同抗結(jié)露因子的門(mén)窗產(chǎn)品存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的室內(nèi)相對(duì)濕度。并將不同材質(zhì)框型材、玻璃按照保溫性能從低到高的順序分別測(cè)試其抗結(jié)露因子，得出以下結(jié)論：

當(dāng)CRF 取值為玻璃面板時(shí)，相同的環(huán)境溫度及抗結(jié)露因子下，采用暖邊中空玻璃間隔條出現(xiàn)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的室內(nèi)相對(duì)濕度更高；

當(dāng)CRF 取值為試件框時(shí)，采用暖邊間隔條可直接提高門(mén)窗產(chǎn)品的抗結(jié)露因子；

暖邊玻璃間隔條能夠有效提高建筑門(mén)窗抗結(jié)露因子，對(duì)鋁合金隔熱型材保溫性能及抗結(jié)露性能的提高效果更為顯著；

建筑外門(mén)窗產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮框型材和玻璃面板，避免兩者保溫性能相差懸殊。