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第二节
窗户节能

一、节能措施

(一)减少渗透量

1.密闭条的设置:设置密闭条是达到气密、隔声的必要措施之一。采用这种措施,有的往往不能达到较佳效果,其原因:①密闭条采用注模法生产,断面尺寸不准确,且不稳定,橡胶质硬度超过要求;②型材断面较小,刚度不够,致使执手部位缝隙严密,而在窗扇两端部位形成较大的缝隙。因此,随着钢窗型材的改进,必须生产、采用具有断面准确、质地柔软、压缩性比较大、耐火性较好等特点的密闭条。

2.密闭系数的确定和应用:建筑物由门窗缝隙渗入的冷空气量是由门窗两侧所承受的风压差和热压差所决定的,而影响因素是很复杂的。一般来说,风压差和热压差与建筑物的型式、门窗所处的高度、朝向及室内外温差等因素有关。

根据国家规定的检测方法(GB7107—86),对某一窗型测出的空气渗透量是根据统一的标准,对该窗气密性进行评价的数据,不能直接在具体建筑窗户渗透量计算中使用。

然而,我们可以把采取密闭措施的各种窗型测出的气密性数据与未加密闭处理的窗型(一般窗缝构造)气密性数据相比,求出密闭系数,然后在工程计算中处于不同朝向、高度等条件下的窗户渗透量乘以密闭性能不同的密闭系数来解决窗户渗透量计算问题。

规定的空气渗透性见表4-2-1。

GB7107 —86 规定的空气渗透性 表4-2-1

根据国家规定的检测方法,测得一般窗缝构造渗透量,约为4.5m 3 /m·h,在密闭系数测算中取4.5m 3 /m·h,为了趋于安全和计算方便,在测算中各级采取其下限值。建议密闭系数取值如表4-2-2所列。

密闭系数取值 表4-2-2

根据建议的密闭系数进行计算,采用Ⅲ级窗可减少房间冷风渗透方面的能耗40%;采用Ⅱ级窗可减少该项能耗60%;采用Ⅰ级窗则可减少该项能耗达80%之多。

《细则》中规定:“设计中应采用密封性良好的窗户(包括阳台门),低层和多层居住建筑中应等于或优于Ⅲ级;高层和中高层居住建筑应等于或优于Ⅱ级,当窗户密闭性不能达到规定要求时,应加强气密措施,保证达到规定要求”。

(二)减少传热量

1.保温措施:改善窗户的保温性能需要解决镶嵌材料(玻璃)和窗框、扇型材两部分。

(1)镶嵌材料部分保温性能的提高主要是利用两层玻璃中间的空气间层热阻较大的原理,双层窗和单层双玻璃窗都是这一道理,只是空气间层的厚度有所不同。一般来说,空气间层厚些,热阻较大,但在单层双玻璃中的空气间层不易取得较大厚度。目前我国采取的双玻构造绝大部分是简易型的,双玻形成的空气间层并非是绝对严密的,而且一般不作干燥处理,窗户在冬季使用时,很难保证外层玻璃的内侧表面在任何阶段都不形成冷凝。同时,在窗型的设计中应该在构造上提供容易擦抹玻璃内侧表面和下方框扇部位的条件。

密封中空双层玻璃构件是国际上流行的第二代产品,国内目前已引进并建成了为数不少的生产线。这种产品由于密封空间内装有一定量的干燥剂,在寒冷季节时,空气内的玻璃表面温度虽然较低,但仍然可不低于其中干燥空气的露点温度。这样就避免了玻璃表面结露,并保证了窗户的洁净和透明度。因其中是密闭、静止的空气层,使热工性能处于较佳而又稳定的状态。由于工艺复杂、材料昂贵,造价很高,因此,目前国内一般建筑还无法采用,仅在一些标准较高的公共建筑、民用建筑中应用。

(2)框扇型材部分保温的加强采用如下办法:采用导热系数小的材料截断金属框扇型材的热桥,这在一些窗型中试用,效果很好;利用空气层截断钢窗框扇的热桥。目前应用的双樘串联钢窗即以此作为断热的一种有效措施;采用复合型框扇如钢塑型、钢木型、木塑型等;采用低导热材料的框扇材料如塑料等。

2.通过双玻间距、框扇百分比与传热系数的关系曲线进行能耗分析。不论是那种节能窗型,空气间层的薄厚与传热系数的高低有着一定的规律性,在同样的材质、构造中,空气间层愈大,传热系数愈小。但是,在钢料型中空气间层厚度达到一定程度,传热系数的降低率就很小了。例如:空气间层由9mm至15mm,传热系数降低10%;15mm至20mm,降低2%。因此,超过20mm厚的空气间层厚度再加大效果并不明显。另外,由于塑料型导热系数较小,较钢料型的传热系数要小很多。

钢木型较钢塑型的传热系数要小些,尽管塑料(PVC)的导热系数为0.16W/m·C小于木材的导热系数0.23W/m·C,但从复合型框扇构件来看,木质配件的热阻大于塑料配件(木质配件厚度大于塑料配件厚度)。因此,钢木型略小于钢塑型的传热系数是符合规律的。

木塑型主要是木质窗,部分附有塑料配件,其传热系数小于在主料中设有金属衬筋的塑料型的传热系数。

除了空气间层的厚薄对这一窗型的传热系数有较大影响外,窗的框扇面积占窗面积的百分率也有一定的影响。一般来说,窗框扇面积比重较大,窗的传热系数则有所提高。然而,在低导热的塑料框扇及钢塑框扇型中,其面积比例的变化,则是相反的情况。

3.高层外窗传热系数附加率。由于日照影响,外窗在不同方向的修正系数已在《细则》中规定。因高层风速增加,对外窗传热系数应给予附加,表4-2-3所示为单玻窗与双玻窗位于不同高度时传热系数的附加率。

不同高度传热系数附加率 表4-2-3

例:双玻窗K 0 =3.5W/m 2 ·℃,处于北京地区迎风面,位于第13层,则K 0 =3.5×1.01=3.54W/m 2 ·℃;位于第25层,则K 0 =3.5×1.03=3.61W/m 2 ·℃。

4.节能窗型在工程中应用的实际效果。1989年底,北京市节能示范小区——安苑北里北区建成了采用节能双玻窗的小学工程。1990年1月,北京市建筑设计研究院研究所对该校三层北向教室的这种节能窗(保温性能为K 0 =3.41W/m 2 ·℃,空气渗透性Ⅱ级)进行了温度实测,在同一教室内,把另一套双玻璃的子扇打开固定,形成单玻窗同时测试。从24h平均温度看:①双玻窗的内侧玻璃内表面温度高达13.7℃,已经高于此教室外墙内表面温度0.7℃,且仅低于室内温度3.2℃,远远小于室温与外墙内表面温度不得大于6℃的规定;②两层玻璃内外表面温差达9.65℃,而单玻内外表面温差只有2.45℃。③两玻璃之间有四根导线出入,使两玻空气间层的密闭受到一定影响。因此,认为在非测试阶段(正常使用时)的实际热阻将较大,效果会更好些,说明双玻璃窗的节能效果是很显著的。

二、对节能窗的评价

当前,国家已经先后制定了建筑外窗物理性能的各项国家标准,并由国家建筑工程质量监督检测中心负责检测。建设部和北京市也先后制定了《标准》和《细则》。这样,就为节能窗型的研制、评价和应用研究提供了理论上和技术上的依据。

(一)物理性能

国家标准在建筑外窗物理性能方面有隔声性能、采光性能、雨水渗漏性能、抗风压性能、空气渗透性能和保温性能等,充分说明窗户作为建筑的一部分围护结构的重要性。对节能评价,目前多采用雨水渗漏、抗风压、空气渗透和保温四性。在《建筑外窗保温性能分级及其检测方法》(GB8484—87)第5.2.1条中明确:“在目前的计算中,通常将通过窗户缝隙的空气渗透热损失与通过窗户的传热损失分开考虑。因此在测定窗户传热系数时,窗户缝隙应作密封处理,以消除空气渗透的影响。”这一点是非常重要的。在试验室冷室一侧模拟室外气候条件,除了气温稳定在-20℃左右,还使被测窗户处于3m/s风速的条件下(平行于窗户,相当于东向)这一渗透耗热量随密封到Ⅰ级窗的密闭水平(密闭系数0.2),由渗透产生的耗热量约为传热量的10%左右,假如某窗提供的传热系数为3.5W/m 2 ·℃,在室内外温差38℃、传热面积2.16m 2 条件下,其传热量为28.7W,如果在287W中冷风渗透量为28.5W(9.8m缝长,密闭系数0.2条件),其实际传热量应为287-28.5=258.5W,而实际传热系数应为258.5÷(2.16×38)=3.15W/m 2 ·℃;如果渗透耗热量再小一些,为Ⅰ级窗密闭系数0.2的1/2,其实际传热系数则为3.32W/m 2 ·℃。可见,在检测时究竟采取什么样的密封处理才可消除空气渗透给予的影响,并使这种处理方法在各种窗型的检测中保持稳定和一致性,我认为在密封的做法上应加以规定,并提出误差范围。

在《标准》、《细则》中,对窗户的密闭性和传热系数根据性能分级均有明确规定。

(二)使用功能

1.窗户在使用过程中,当玻璃破损、更换是否方便;双层玻璃中间内表面出现污染,擦抹是否便利等。

2.窗户使用的耐久性,例如:金属框扇的耐腐蚀性,特别是在某些表面不易作处理的部位;塑料框扇的耐老化和木质框扇胀缩变形等问题。

3.窗户的外观:在建筑立面围护结构中除了墙体之外,就是窗门,因此,窗户在满足各项物理性能和使用要求的前提下,应具有与整个建筑谐调的外观。外观在构造上有框扇的尺度问题,框扇过宽除了不美观之外,在采光方面和保温方面都是不利的;在表面的处理上主要是色彩的选择,它直接影响外观。

(三)节能经济评价

节能窗型在建筑中应用,有一个很重要的问题:节能窗与1980年住宅通用设计中采用的窗户对比,节约多少耗煤量,每个供暖期可节省多少采暖费用,以及因采用节能窗多投资部分在多长时间内可以回收。

1.评价依据。

(1)依据《标准》的有关规定。

(2)根据北京地区1989年房地产管理局进煤价格、采暖费用指标。

2.节煤量(ΔQ )。按外窗传热系数(K 0综合 )差计算,见式4-2-1。

式中ΔQ ——外窗节煤量(kg标准煤/m 2 ·年);

ΔK 0综合 ——外窗采用节能措施前后综合传热系数(包括渗透耗热当量传热系数在内)差(W/m 2 ·℃);

t i ——建筑内部气温(℃),取16℃;

t e ——室外气温,采暖期日平均气温(℃),取-1.6℃;

Z ——采暖期天数,北京地区为126(d);

q c ——煤的热值,标准煤取8.14×10 3 (w ·h/kg);

η 1 ——室外管网输送效率,取0.9;

η 2 ——锅炉效率,取0.6。

3.节能投资(Ⅰ)。节能投资系指外窗采取节能措施后所增加的费用减去因节能而节省的供暖设备费用。见式4-2-2。

式中I ——节能投资(元/m 2

Δω——节能前后造价差(元/m 2 );

B ——节省的供暖设备投资和相应的土建费用(元/m 2 ),B值可按3.03ΔK 0综合 概算。

4.节能收益(A)。节能收益为外窗采取节能措施后,每个供暖期所节省的包括燃煤在内的供暖费用。见式4-2-3 。

式中 A ——节能收益(元/m 2 ·年)

a ——标准煤价格,根据北京市房管部门购煤价格,折算成标准煤价格150元/t;

c ——使用1t煤需要的运行费及维修更新费,根据北京地区每平方米建筑面积供煤28kg,每平方米建筑面积运行维修更新费6.55元/m 2 计算,为234元/t。

5.节能投资回收期(n、n')。回收期的含义即采取节能措施后,多支付的基建费用可在这个期限内,从少支付的供暖费用中得到补偿。见式4-2-4、式4-2-5。

式中 i ——节能贷款年率,取2.4%。

6.有关参数的取值和计算方法。见式4-2-6、式4-2-7、式4-2-8。

窗型:宽×高=1.47m×1.47m

缝长l =9.8m

式中ε (平均) ——平均方向修正系数,取各朝向,并按有阳台和无阳台等情况下不同修正系数的平均值,经计算取0.6。

式中 V ——平均渗透量,取建筑各层、各朝向的均值(m 3 /m · h),对于7层建筑计算为2.15;

B ——密闭系数;

l ——缝长(m);

P ——空气密度(kg/m 3 );

C ——空气比热容(kJ/kg ·℃);

Δt ——室内外温差(℃)。

例:在7层建筑中采用Ⅰ级窗(渗透),

经计算对比窗的渗透耗热量Q =131W

节能窗的渗透耗热量Q =26.2W

经计算得:

(4)节能投资回收期

在7层建筑中采用K 0 分别为3.95、3.5、3.05W/m 2 ·℃,空气渗透性分别为Ⅱ级、Ⅰ级的双玻璃的效果见表4-2-4。

节能效益 表4-2-4

在一幢建筑中,可明显地看出窗户节能的优势。例如在一幢多层建筑(7层、7000m 2 )中,全部采用了节能窗(K 0 =3.5W/m 2 ·℃和空气渗透性Ⅰ级)代替80年代初选用的普通空腹钢窗(窗面积考虑占建筑面积的12%):

其节煤量为:7000×0.12×54.6=45864kg标准煤/年或45.8t标准煤/年。

其供暖费用的节约为:7000×0.12×21=17640元/年。在同一建筑内,采用节能外墙(具有六二砖墙保温水平)代替三七砖墙做法(外墙面积考虑占建筑面积的45%):K 0三七 =1.57W/m 2 ·℃;K 0六二 =1.06W/m 2 ·℃。单位面积节煤量ΔQ =12.1(1.57-1.06)=6.17kg标准煤/m 2 ·年。

节煤量为:7000×0.45×6.17=19436kg标准煤/年或19.4t标准煤/年。

单位面积供暖费用的节约:

A =4.65(1.57 -1.06)=2.4元/m 2 ·年

供暖费用的节约为:7000×0.45×2.4=7560元/年。

通过以上计算,可以看出仅一幢7000m 2 建筑中采用了节能窗,每年即可节煤45t标准煤;每年可节约采暖费用17000余元,而且多投入的资金于两年内便可回收。

(四)节能窗的性能价格

任一窗户都有其出售价格,而往往价格高低并不完全反映其节能效果的大小。因此,国内外在一些行业中有所谓价格性能比、性能价格等等指标,也就是按产品的性能好坏来看其价格的高低。当然,这一性能价格并不是来取代产品价格,但它能使生产单位制造性能既好价格又合理的产品。以K 0综合 来反映,窗户的总热阻R。为K 0综合 的倒数,因此,节能窗的性能价格(Y)为:

Y =产品价格/R o (元/m 2 ·R o )或Y =产品价格×K 0综合 (元/m 2 ·R o Jr3KML20yPkkDMBx18OxjEF921bqldpmakDHJ4q8CRpBPbStKhR4sJ6S9U9Zrapt

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