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系统被动窗解决方案及成本分析

发布日期:2019-01-11 浏览次数:128

  引言:


  随着建筑节能的快速发展,被动式房屋以其超低能耗的优势在国内引起了社会各界的广泛关注。尤其近年来,国家政策和地方规范的大力推广,被动房产业也蓬勃发展,其各项技术也趋于成熟。被动房技术的兴起,对缓解能源紧张、减少二氧化碳排放量、减少大气污染将起到重要作用。因此住房和城乡建设部对被动房建设高度重视,已将其列为“十二五”期间建设领域节能低碳发展的重要内容。


  1、被动房的核心知识


  被动房又被称之为被动式超低能耗绿色建筑,简称超低能耗建筑,是指适应气候特征和自然条件,通过高保温隔热性能和气密性更高的维护结构,采用高效新风热回收(词条“热回收”由行业大百科提供)技术,最大程度地降低建筑供暖供冷需求,并充分利用可再生资源,以更少的能源消耗提供舒适的室内环境,并能满足绿色建筑基本要求的建筑。


  根据上述定义,被动式建筑的核心关键点分为以下几点:


  1、 高效的外保温系统性;被动房要求屋顶,外墙楼板围护结构传热系数U值(词条“U值”由行业大百科提供)要低于0.15W/(m2·k),因此就要采用传热系数较低的保温材料。对于外保温结构而言,除了高性能保温材料和选取适当的保温结构,房屋本身的体型系数及窗墙比也至关重要,这也是在设计阶段就要考虑的问题。


  2、 建筑具有极佳的气密性;建筑围护结构上存在裂纹,缝隙和细小的空洞。通过这些缝隙,大量的热能会流失掉,同时产生的气流导致不舒适感,甚至产生霉菌影响身心健康。被动房的一个核心目标就是保证室内的舒适度与健康的环境,因此提高建筑气密性是保证建筑节能及舒适的重要前提。


  3、 有高效的热回收装置的新风系统;被动房的气密性绝佳,但是我们生活的环境所需大量的新鲜空气,因次被动房中要用到新风系统。新风系统可以保证室内空气的新鲜度,而且可以回收空气中的热量,对循环的风进行预热,降低建筑热负荷等作用。


  4、 无热桥设计;通过热桥,一方面会有大量的热能散发出去,或者从室外大量得热,加重建筑采暖或制冷的负荷,另一方面,也存在冷凝发霉的风险,进一步破坏建筑构件,因此在设计被动房时,必须避免热桥。被动房的热桥限值:<=0.01W/(mK)。此外,建筑的所有拐点及与外墙其他构配件的连接点、面都是薄弱节点,需要特别注意。在设计阶段,一方面要避免保温层出现间断,另一方面要尽可能避免保温层被各种固定件穿透,被称为“铅笔原则”,如果无法避免,则刺穿保温层材料的导热系数也要尽可能的降低。


  5、被动式的建筑外窗;冬天大多数供暖建筑室内空气温度可以达到20℃,而普通建筑的玻璃内表面的温度往往为12或14℃,一方面容易在玻璃表面形成水雾,损坏构件,另一方面,降低舒适度和健康度。为了满足被动房的低能耗及高舒适度,窗户作为外围护结构的薄弱环节,被动窗的选用就显的尤为重要。


  本文就被动式建筑的外窗展开分析。


  2、被动式建筑外窗(被动窗)解决方案分析


  被动式建筑外窗的几个限值:窗户U值<0.8W/(m2K),窗户安装U值<0.85W/(m2K),同时玻璃g值(即阳光透过比率)达到0.5-0.6左右,室内空气温度和室内玻璃表面的辐射(词条“辐射”由行业大百科提供)温差<4.2度。除去保温性能的指标要求,要达到整体被动房的要求,对被动窗附加要求为:


  1、 依据标准EN1026检测透气性并依据标准EN12207划分等级,最低要求为4级,空气量Q100≤2.0m3/h·m2;


  2、 依据标准EN1027检测透气性并依据标准EN12208划分等级,最低要求为7A级(300Pa);


  3、 依据标准EN12210检测抗风压性能,并符合标准EN12210的要求,根据静力学要求,等级最低为2级,最大挠度(词条“挠度”由行业大百科提供)等级为B(L200);


  2.1密封性能提升。




图一 易欧思ES101系列被动窗方案节点


  外窗是建筑外围护结构中比较薄弱的部分,冷空气从窗的缝隙渗入室内,会使室温剧烈波动,影响室内环境卫生并消耗大量的热量,这种现象我们称之为“冷风渗透”。当外窗受到正风压的作用。冷空气通过门窗缝隙渗进室内,而外窗被风面受到负压的作用,室内的热空气又从门窗缝隙渗向室外。这样,室内相对静止的空气加快了流速。有人说:“针尖大的孔,斗大的风”指的就是这种现象。为了维持舒适的室内环境,寒冷地区要冬季采暖,炎热地区要夏季制冷。这都需要消耗大量的能量。因此被动窗的气密性效果列为了被动窗的主要功能之一。


  而被动窗只有在其两侧存在压力差时才会产生空气渗透现象。形成压力差的动力为风力和空气浮升力,它们分别构成风压和热压。由于风的随机性强,室内的热压相对稳定,但被动窗的风压处于非稳定状态,根据建筑门窗环境工学的理论,要想提高被动窗的气密性效果,必须让减少被动窗两侧的压力差及提高空气渗透的阻力。


  如图一。


  采用了等压腔原理(词条“等压腔原理”由行业大百科提供),平衡被动窗内外侧的气压。确保框扇配合空间间隙的气压与室外腔气压一致。通过等压胶条(红颜色部位)起主要密封作用。在采取减少被动窗两侧的压力差的前提下,必须提高空气渗透进室内腔室的空气阻力。空气进入腔体后,主要受到两种阻力:摩擦阻力和形状阻力。摩擦阻力跟腔室四周的粗糙度有关,而形状阻力当腔室由小变大和由大变小时,都会形成压力损失。一般结论是,空气流入和流出腔体时,缝隙越窄渗透阻力越大。由此,我们根据上述原理,设计密封腔室如(图一)气密腔区域部分。气体渗透流动方向设计阶段基本为“之”字形,也就是我们通常说的三道密封。在任何情况下,笔者认为此种密封方式为最合理的密封措施。参见(图二)。


  从上表中我们可以看到,气体转向数目在三道密封以及错开密封方式时,空气单位面积的渗透量达到最低。值得一提的是,增加密封层次和数量,空气渗透量不仅没有降低,反而有增大的趋势。




图二 气流转向数目和渗透量的关系


  综上,提高被动窗密封性能的主要措施为


  1、 提高铝合金窗型材规格尺寸和装配的精度。目的是保证框扇之间的应有搭接量,减少框扇缝隙,提高被动窗的密封性。


  2、 改进被动窗的型材断面的几何形状。以适当增加框、扇搭接量。


  3、 加设合理的密封胶条。密封胶条一定要采用耐久性好的弹性密封胶或胶条进行玻璃镶嵌密封和框扇之间的密封。而且,密封胶条一定要保证在门窗四周的连续性,形成环形的密封结构。


  4、 框扇杆件拼接部位和五金装配部位,应采用密封材料进行妥善的密封处理。


  2.2保温性能


  被动窗除了密封性能为重要的指标外,保温性能更是衡量被动窗非常重要的指标。根据德国被动房研究所(PHI)对中国气候区域的划分,被动窗K值的要求基本分为两个标准,一个是寒冷地区的K值不大于0.8W/ W/(m2·K),一个是温暖地区的K值不大于1.0 W/(m2·K)。相对于塑钢被动窗和木制被动窗,铝合金被动窗在保温性能方面劣势比较明显。因此,铝合金被动窗的保温设计要点和保温措施更为重要。


  衡量被动窗节能的三个要素,分别是热传导、热对流和热辐射,铝合金被动窗的技能技术也是从上述三个要素入手。根据《建筑门窗幕墙热工计算规程》(JGJ/T 151-2008)进行模拟计算公式(示意图参见图三):


  Uw = ( Σ Ag Ug + Σ Af Uf + Σ lψ ψ ) / At


  式中:Uw -整窗的传热系数[W/(m2·K)]


  At -窗面积(m2)


  Uf -窗框的传热系数[W/(m2·K)]


  Af -窗框面积(m2)


  Ug-窗玻璃(或者其他镶嵌板)的传热系数[W/(m2·K)]


  A g-窗玻璃(或者其他镶嵌板)面积(m2)


  lψ-玻璃区域(或者其他镶嵌板区域)的边缘长度(m)


  ψ-窗框和窗玻璃(或者其他镶嵌板)之间的线传热系数[W/(m·K)]




图三 U值计算公式示意


  根据以上两个概念,我们铝合金被动窗的设计要点为以下几点:


  1、 对框体结构进行优化设计,减小框体传热面积,降低热量的传导、对流(词条“对流”由行业大百科提供)和辐射,降低Uf;


  首先,喷涂铝型材的传热系数约为160 W/(m·K),而隔热条材质采用尼龙66+25%玻璃纤维(词条“玻璃纤维”由行业大百科提供),传热系数仅为0.3 W/(m·K),两者相差约530多倍。由此可见,加大隔热条的宽度,是阻止型材快速热传导的最有效的方法。


  再次,根据热量传递的对流特性,在型材结构中较大的腔体内易形成对流从而造成热量的流失。因此在各个大的腔室内应当填充相应的填充材料以保证在该区域内不会造成热量损失。参见图一热对流区域。一般根据需要分别填充三元乙丙发泡材料或聚氨酯发泡材料。


  此外,应当着重在型材结构设计中应当保证无热桥,并且应当保证玻璃、隔热条等气温线顺直。参见图四。在设计阶段应当着重分析14℃温度线,务必保证内侧玻璃边缘部分最低的温度应>14℃,否则被动窗就会出现结露霉变的危险。




图四 易欧思ES101系列热温线


  2、 选择合理的玻璃配置,针对性的采用Low-e玻璃、真空玻璃等;被动窗的玻璃选用准则为Ug*1.6≤0.7 W/(m?K),因此,被动窗所选用的玻璃的传热系数范围应当为0.45~0.7之间。不允许为了降低整窗的传热系数而将玻璃的传热系数降得太低。主要是为了避免玻璃内外侧温差过大造成结露现象等。本文不做详细论述。


  3、 优化玻璃镶嵌槽口的结构、采用暖边技术提高玻璃镶嵌区域的线传热系数。被动窗认证中,根据德国被动房研究所得要求,引申了一个概念,称之为不透明部分的传热系数,计算公式为Ψopaque=Ψg+Uf·Af/Lg ,被动窗Uw值达标的被动窗是依据通过不透明部分的热量流失进行评级的。根据公式,影响因素有型材的Uf值、型材可视面积Af、玻璃的边部周长Lg。


  按照这种评级办法,在被动窗的研发过程中,仅考虑降低Uw值是不全面的。如果仅依靠高性能玻璃或者中空玻璃来降低Uw值的设计,会导致不透明部分线传热系数Ψopaque值超标而降级甚至无法通过认证。 换言之,被动房用窗必须同时兼顾使用优秀的型材设计、玻璃和间隔条而完成。


  4、 尽量减小窗户的安装热桥装状态Uw,安装状态≤0.85W/(m2?K),应当尽早明确细部节点。我们可以简单的将被动式门窗安装的外墙分为三个部分:中间承重层、外层保温层和内侧的密封层。我们安装的技术要点就是根据这三个层及他们的功能来入手。围绕的重点就是避免热桥、增加密封性。合理运用防水透气膜,预压膨胀密封带,铝制窗台板等。安装的要点基本为外墙保温层采用单层保温、锁扣方式连接;采用双层保温时,采用错峰连接方式,避免保温材料间出现通缝;保温层采用断热桥锚栓固定;尽量避免在外墙上固定导轨、支架(词条“支架”由行业大百科提供)能可能导致热桥的部件。必须使用时,在外墙上预埋断热桥的锚固件,并尽量减少接触面积,增加隔热间层及使用非金属材料等措施降低热损失;室内密封层应采用防水(词条“防水”由行业大百科提供)隔气膜保证密封效果;采用金属窗台板,避免雨水侵蚀保温层。之间应有结构性连接,并采用密封材料密封。参考图五。




图五 ES101被动窗安装节点示例


  3、易欧思ES101系列被动窗材料成本分析。


  铝合金被动窗为国内新兴的产品,对型材、附件、玻璃等各个要求比较严格,因此,在推广中价格为限制发展的关键因素。现以易欧思ES101系列产品的材料价格分析如下表:


  由于各个厂家有相当差距,此表仅供参考。(仅为材料价格)


表一 ?易欧思单窗报价分析表(单平方米分析)

楼号:


窗号:

00001

2.25㎡

1623.89元/㎡

序号

名称

单位

单樘用量

金额

品牌或规格

1

隔热框型材

kg

14.04

1,459.06

华建易欧思ES101系列型材

2

隔热梃型材

kg

3.09

309.90

华建易欧思ES101系列型材

3

隔热扇型材

kg

10.90

963.21

华建易欧思ES101系列型材

4

压线

kg

15.05

36.21


5

连杆

kg

2.10

15.36


6

挡水板

kg

1.11

163.22

华建易欧思EOSS系列型材

小计

型材小计

2,946.96


5

塑料型材

M

10.96

10.96


8

组装配件

41.00

123.94

易欧思自有品牌

9

紧固件

11.00

4.36

易欧思自有品牌

10

开启五金

1.00

284.93

易欧思自有品牌

11

胶条

M

147.03

249.81

易欧思自有品牌

12

密封胶(门窗组装)

ST

0.80

0.80

易欧思自有品牌

13

断面胶

ST

4.00

4.00

易欧思自有品牌

14

组角胶

ST

28.00

28.00

易欧思自有品牌

15

包装材料费

2.25

0.00

易欧思自有品牌

16

中空钢化三玻

5mm双银low-e+16Ar+5双银low-e+12Ar+9mm

夹角符合钢化玻璃(词条“钢化玻璃”由行业大百科提供)

1.55

0.00

GLASS ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

小计

附件小计

706.79


H

合计(元/樘)

3,653.75


I

单价(元/㎡)

1,623.89


图样:


  4、结束语


  被动房节能建筑的迅猛发展既是人们对于更舒适更健康的居住环境的追求的自然产物,更是在能源价格逐年上涨、环保问题日益凸显的大环境下的积极解决办法。它并非一个高深莫测的新的建筑类别,而是基于对环境、经济、人居需求的平衡而采取的一种建筑策略,通过对建筑细部精细的设计、辅助专业软件的精准计算,对施工质量的严格把控,用户体验的回访,将被动房理念从一种指标落实到用户的实际体验,这也使得被动房在市面上更容易获得认可及推广。目前我国的节能建筑发展迎来新契机,但是在技术标(词条“技术标”由行业大百科提供)准和产品性能方面和被动房还存在很大差距。随着被动房在中国的迅速普及和大力推广,被动窗的研发和推广也势在必行。


  参考文献:


  [1] 《DB13(J)-T177-2015 被动式低能耗居住建筑节能设计标准》


  [2] 《德国被动房标准》;PHI,德国被动房研究所


  [3]《建筑门窗环境工学概论》

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