中國幕墻網(wǎng) 2016年會論文集系列 未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載 違者必究
1 研究背景
被動式超低能耗建筑是我國節(jié)能建筑發(fā)展的重要趨勢，國內(nèi)已完成了多項(xiàng)示范工程，并在陸續(xù)制訂相應(yīng)技術(shù)導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)。典型的被動式超低能耗示范建筑主要有秦皇島某示范工程、哈爾濱某示范工程、新疆某示范工程等，還有一些工程在陸續(xù)建設(shè)中;標(biāo)準(zhǔn)編制方面，中國建筑科學(xué)研究院受住建部委托起草了被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則，河北省起草了我國第一個(gè)被動式超低能耗建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的地方標(biāo)準(zhǔn)。
作為被動式超低能耗建筑薄弱環(huán)節(jié)的外窗，其性能指標(biāo)目前均簡單參考德國“被動房”相關(guān)指標(biāo)確定，難以實(shí)現(xiàn)被動式超低能耗建筑對建筑節(jié)能和熱舒適度的更高要求。“被動房之父”菲斯特教授指出“整窗傳熱系數(shù)小于0.85W/(m2·K)，是基于內(nèi)表面平均溫度在設(shè)計(jì)條件下要高于17℃”。也就是說，外窗傳熱系數(shù)是根據(jù)內(nèi)表面溫度（詞條“表面溫度”由行業(yè)大百科提供）來確定的，即在不采暖的情況下，窗內(nèi)表面溫度要高于17℃，才能保證外窗內(nèi)表面的熱舒適度，稱之為“熱舒適度準(zhǔn)則”。此準(zhǔn)則明確指出，外窗的傳熱系數(shù)是由室內(nèi)表面溫度來確定的。研究表明，在室內(nèi)空氣溫度為20℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度高于17℃時(shí)，人體才不會感受到明顯的來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷輻射。也就是說，外窗的傳熱系數(shù)指標(biāo)要能保證在所處的環(huán)境下外窗內(nèi)表面平均溫度不低于17℃，才能達(dá)到被動式超低能耗建筑的熱舒適度要求。我國與德國氣候差異極大，適用于德國被動式超低能耗建筑用外窗的性能指標(biāo)是否適用于我國，我國被動式超低能耗建筑的外窗指標(biāo)應(yīng)該如何確定，成為亟需研究解決的課題。另外，國內(nèi)被動式超低能耗示范建筑評價(jià)是基于德國的方法進(jìn)行，外窗的熱工性能僅通過對節(jié)點(diǎn)的熱工模擬結(jié)果確定，缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)為其他工程提供參考。
本文基于被動式超低能耗建筑用外窗的“熱舒適度準(zhǔn)則”和傳熱學(xué)基本原理，推導(dǎo)出了適用于我國的被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數(shù)計(jì)算方法和內(nèi)表面最低溫度，給出了我國不同氣候地區(qū)典型城市被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數(shù)限值。在對國內(nèi)幾個(gè)典型被動式超低能耗建筑用外窗性能測試基礎(chǔ)上，論文給出了目前被動式超低能耗建筑用外窗存在的問題和分析，對國內(nèi)被動式超低能耗建筑用外窗的設(shè)計(jì)和安裝具有重要參考價(jià)值。
2 外窗熱工性能指標(biāo)研究
2.1 傳熱系數(shù)指標(biāo)確定方法研究
根據(jù)被動式超低能耗建筑用外窗的“熱舒適度準(zhǔn)則”和傳熱學(xué)原理，外窗傳熱系數(shù)計(jì)算公式可推導(dǎo)如下：
假定外窗為單一均質(zhì)材料，其典型的傳熱過程見圖1[4][5]，室內(nèi)空氣溫度t1為20℃，外窗內(nèi)表面溫度θ1為17℃，外窗內(nèi)表面換熱系數(shù)h1為8 W/(m2·K)[6]，室外空氣溫度為t2。
2.3 我國被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數(shù)研究
我國不同氣候地區(qū)外窗傳熱系數(shù)應(yīng)根據(jù)各地的冬季室外計(jì)算溫度來確定，冬季室外計(jì)算溫度可參考GB 50176-93《民用建筑（詞條“民用建筑”由行業(yè)大百科提供）熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的“附錄三 室外計(jì)算參數(shù)”中的Ⅳ型數(shù)據(jù)確定[7]。外窗傳熱系數(shù)指標(biāo)按本論文計(jì)算確定。
不同氣候地區(qū)典型城市冬季室外計(jì)算溫度和外窗傳熱系數(shù)限值見表1。
國內(nèi)已陸續(xù)建成了多個(gè)被動式超低能耗示范建筑，因暫時(shí)國內(nèi)沒有發(fā)布統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此已建和在建示范建筑的外窗傳熱系數(shù)均參考了德國有關(guān)指標(biāo)，如秦皇島某工程、哈爾濱某工程和新疆烏魯木齊某工程等，均參考德國“被動房”的要求將外窗傳熱系數(shù)K值限值設(shè)定為0.8W/(m2·K)。而秦皇島、哈爾濱和烏魯木齊的冬季室外計(jì)算溫度差異較大，依據(jù)規(guī)范，三地的冬季室外計(jì)算溫度分別為-17℃、-33℃和-33℃，則按照本論文的方法，滿足熱舒適度準(zhǔn)則的外窗傳熱系數(shù)應(yīng)分別為≤0.65 W/(m2·K)、≤0.45 W/(m2·K)和≤0.45 W/(m2·K)。工程采用的0.8W/(m2·K)設(shè)計(jì)指標(biāo)距本論文給出的限值有較大差異，難以滿足被動式超低能耗建筑用外窗“熱舒適度準(zhǔn)則”的要求。
目前國內(nèi)尚未出臺各不同氣候地區(qū)被動式超低能耗建筑用外窗相關(guān)性能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，制定該類標(biāo)準(zhǔn)對被動式超低能耗建筑在我國不同氣候區(qū)的推廣有非常重要的意義，本論文提出的方法對于我國制訂不同氣候區(qū)域被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數(shù)指標(biāo)具有重要參考價(jià)值。
2.4 外窗內(nèi)表面最低溫度研究
由于外窗不是單一材質(zhì)的均勻構(gòu)件，因此在控制外窗傳熱系數(shù)指標(biāo)時(shí)，還應(yīng)對內(nèi)表面最低溫度進(jìn)行控制。被動房之父”菲斯特教授指出“為了防止霉菌生長，在通常室內(nèi)空氣濕度下，窗戶內(nèi)表面的任何位置包括玻璃邊緣溫度至少應(yīng)在13℃以上”。可見，外窗內(nèi)表面最低溫度確定的原則是外窗室內(nèi)側(cè)在正常的濕度條件下不結(jié)露，即外窗內(nèi)表面最低溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度。
露點(diǎn)溫度可按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出的公式計(jì)算得到。公式計(jì)算結(jié)果表明，相對濕度30%、50%、60%和 65%時(shí)，露點(diǎn)溫度分別為1.90℃、6.00℃、9.26℃、11.99℃和13.2℃。室內(nèi)體感舒適的濕度一般控制在30%~65%之間，因此，外窗應(yīng)在相對濕度65%時(shí)不結(jié)露，即外窗內(nèi)表面溫度不應(yīng)低于13.2℃，一般控制在13℃。
3 我國被動式超低能耗建筑用外窗性能測試分析
3.1 測試方法
外窗傳熱系數(shù)評估以按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)室測試的報(bào)告數(shù)據(jù)為主[8]，沒有測試報(bào)告的采用符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的外窗傳熱系數(shù)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)[6]。
外窗空氣滲漏普測采用紅外熱像儀定性測試。測試是在冬季室外溫度較低的情況下進(jìn)行的，外窗存在滲漏時(shí)，室內(nèi)側(cè)的紅外熱像圖將有明顯的低溫區(qū)域，可簡便、迅速地評估外窗的空氣滲漏。氣密性能現(xiàn)場測試是對外窗氣密性能的定量評估手段，依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場測試和等級評定[9][10]。
外窗內(nèi)表面溫度監(jiān)測是對外窗內(nèi)表面各點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間段內(nèi)溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，是測試外窗熱工薄弱環(huán)節(jié)的一種手段。監(jiān)測的主要方法是在外窗的內(nèi)外表面典型點(diǎn)粘貼溫度傳感器，并連續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)。外窗內(nèi)表面結(jié)露檢查通過目測和拍照進(jìn)行。
3.2 外窗傳熱系數(shù)測試評估結(jié)果及分析
幾個(gè)典型工程的外窗做法及傳熱系數(shù)K值評估結(jié)果見表2。
外窗空氣嚴(yán)重滲漏分兩種情況：(1)外窗窗扇處空氣滲漏，見圖2，應(yīng)為外窗型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）翹曲變形所致;該工程鋁包木型材在加工和使用過程中可能存在存放或處理不當(dāng)導(dǎo)致的變形。(2)外窗與墻體接縫處空氣滲漏，見圖3，應(yīng)為安裝密封缺陷所致。
3.4 外窗氣密性測試結(jié)果及分析
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