如何满足被动式低能耗建筑外窗需求

2019-07-22 09:47:30 来源: 作者: 阅读:  字体 :

 ——胜达TOP-BEST 88MD门窗系统

河北胜达智通新型建材有限公司  张秀亮 刘秀云

 

  要:本文论述了被动建筑用门窗的设计、材料选用及安装使用原则。

关键词:被动式低能耗建筑、被动式门窗、建筑能耗、德国被动门窗研究所PHI认证、整窗传热系数K值、防水透气膜与防水隔气膜、遮阳系统

1 前言

伴随我国城镇化进程进一步加快,新建建筑数量呈几何式增长,但达到绿色节能要求的建筑不多,造成国内的建筑能耗总量逐年上升。在社会三大能耗(建筑能耗、工业能耗和交通能耗)中,建筑能耗占社会总能耗的40%以上。因此,有效控制建筑能耗是当前降低社会总能耗、减少雾霾、改善空气质量的关键环节。在国家政策层面,住建部组织编制并印发《建筑业发展“十三五”规划》,提出深化建筑业体制机制改革、推动建筑产业现代化、推进建筑节能与绿色建筑发展等主要任务。为了进一步降低建筑能耗,国家四次调整节能政策,进一步削减建筑耗能指标。建筑能耗由原来1980年采暖燃煤指标25kg标准煤/m2年),减少到2014年采暖燃煤指标6.25 kg标准煤/m2年)(表一中国建筑节能发展路线)。京津冀、山东、新疆等地区率先进入建筑节能75%行列(即采暖燃煤指标6.25 kg标准煤/m2年)。与此同时在我国,一种更加节能环保的被动式低能耗居住建筑(建筑节能92%,缘起德国)近几年发展迅速。

1  中国建筑节能发展路线

 

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1 被动式低能耗建筑

“被动式低能耗居住建筑”包括五大技术系统:厚大的保温系统、超级节能的被动式门窗系统、高效的新风热回收系统、完整的气密层系统以及建筑无热桥设计(图1被动式建筑五大系统)。

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                                1  被动式建筑五大系统

德国被动建筑研究所PHI的被动建筑性能(表2):

德国被动式低能耗建筑性能指标  PHI

名称

要求值

外墙、屋顶、地面传热系数

0.15W/K

外门窗传热系数(安装后)

0.85W/K

气密性

n50 0.6/h

通风设备热回收率

75%

通风设备耗电率

0.45W/h)㎡

采暖/制冷需求

15KWh/·year

供暖负荷

10W/

一次能源需求

120KWh/·year

室内舒适性指标

 

室内温度

20-26

相对湿度

40%-60%

超温频率

10%

CO2含量

1000ppm

室内表面温度差

3

噪音

30dB

无结露发霉

 

上表可见,德国的被动式建筑性能指标优异,建筑能耗小,运行能源消耗低,居住环境舒适。一栋建筑,其能源消耗主要表现如下的外围护结构中:窗户、外墙、地板、屋面等(表3建筑外围护结构能耗限值)。对于外围护结构的外墙、屋面、地板简单来说增加保温厚度、杜绝“冷桥”产生,就能控制其能耗(被动式建筑保温系统结构复杂,在这里不详细论述)。作为外围护结构的门窗系统,根据权威机构分析虽然仅仅占外维护结构的10%,但是热量损失却达到整栋建损失的44%(如图2)。所以大力提高建筑外围护结构门窗系统节能,是降低建筑能耗最重要的途径。

 

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建筑物能量传递表

建筑外围护结构能耗限值

传热系数标准

(单位:W/K

DB11-891-2012《北京居住建筑节能设计标准》

德国《建筑节能条例》ENEV2009

德国被动房标准(Passive House

窗户

1.502.00

1.3

0.8

外墙

0.350.45

0.28

0.15

地板

0.350.45

0.35

0.15

屋面

0.300.40

0.2

0.15

4   德国规范对外窗保温性能的限值[W/m2·K

年代

1977

1982

1995

2002

2009

2012

2020(计划)

UW

3.5

2.8

2.0

1.7

1.3

1.1

0.8


 

5   北京市节能标准对外窗保温性能的限值 [W/m2·K]

年代

1986

1997

1999

2004

2013

KW

6.4

4.0

3.5

2.8

1.5-2.0

 

上面关于节能门窗发展的一组数据(表4、表5),我国建筑门窗传热系数大部分在1.5-3.5 W/m2·K)之间,广大农村地区门窗传热系数更高达到3.5-6.0W/m2·K)。在欧洲发达国家2012年门窗传热系数已经达到1.1 W/m2·K),计划2020年实现门窗传热系数为0.8 W/m2·K),所有新建建筑按照超低能耗被动房屋建造。对比显示我国节能门窗发展与发达国家低能耗门窗应用存在着显著的差距。为了赶上发达国家建筑节能步伐,大幅度降低居住建筑的采暖和制冷能耗以及建筑物的总能耗;显著改善居住建筑室内环境、节约资源和能源、保护环境。早在2007年住房城乡建设部与德国能源署双方,确定在我国推动被动式低能耗建筑的发展作为合作内容,在全国推广。经过近几年推广,河北、新疆、山东、浙江等地区被动式建筑越来越多。被动建筑的优越性能渐渐被人们熟知。特别是由住房城乡建设部科技发展促进中心与河北省建筑科学研究院会同有关单位编制的我国首部被动房标准——《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB 13(J)/T177-2015,于201551日起实施。此标准实施标志着我国的被动式建筑的发展趋于规范化、标准化,是我国被动式房屋发展过程中的里程碑。它的颁布实施无疑对被动式房屋的发展和推广产生了巨大的推动作用。

    什么样的门窗能满足被动式建筑需要呢?与普通门窗设计区别在哪里?既然被动建筑是舶来品,那么德国有成套被动门窗认证机构(其他国家也有成套的门窗认证机构,这里不再赘述),这里只介绍德国的两大被动式门窗认证机构及河北省被动门窗标准(表6):

被动式门窗认证机构及标准

认证及检测机构

认证及检测条件

检测方法

德国被动门窗研究所(PHI

整窗UW0.8 W/(㎡·K)

玻璃Ug=0.7 W/(㎡·K)

整窗安装UW0.85 W/(㎡·K)

fRsi=0.250.70

理论计算

德国罗森海姆门窗研究所(IFT

整窗UW0.8 W/(㎡·K)

玻璃Ug=0.6W/(㎡·K)

整窗安装UW0.85W/(㎡·K)

热箱:18-22

冷箱:0-5

河北省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》

整窗UW1.0 W/(㎡·K)

玻璃Ug0.8W/(㎡·K)

玻璃的太阳能总透射比g0.35玻璃的光热比LSG1.25

整窗安装UW1.0W/(㎡·K)

热箱:18-22

冷箱:-19--20

达到如上性能的门窗系统(表6),才能称为“被动式低能耗门窗”。河北胜达智通新型建材有限公司为了满足被动建筑需求,更好的服务于建筑节能,设计开发了高性能被动式塑料门窗系统——胜达TOP-BEST88MD被动式门窗系统。该门窗系统是德国被动门窗研究所(PHI)认证产品。认证ID编号0968Wi03PHB级。

2 被动式建筑门窗特点及性能介绍

下面从如下几个方面阐述被动式门窗:

首先设计节能门窗,必须充分了解窗户的传热系数K值:

KW=(KgAg+KfAf+ψLg)/( Ag+Af)

式中:

KW----窗传热系数,Kg----玻璃传热系数,Kf----窗框传热系数,

Ag----玻璃面积(里外两面投影中取小的一面面积),Af----窗框面积(包括窗扇和窗外套),

ψ----玻璃、窗框间的线传热系数,Lg----玻璃、窗框间的线长,m

通过上面公式知道:门窗传热系数由选用窗框型材材质性能、选配玻璃性能及玻璃边缘线传热三部分组成。通过上面表格(表5)可以将被动式门窗玻璃传热系数设定为一个定值。例如:河北省标准要求玻璃传热系数≤0.8 W/(㎡·K);德国被动门窗研究所判定门窗等级的玻璃传热系数≤0.7 W/(㎡·K);罗森海姆门窗研究所判定门窗等级的玻璃传热系数≤0.6 W/(㎡·K)。根据门窗传热系数公式可知,玻璃性能给定后,影响门窗传热性能的指标为门窗型材传热与玻璃边缘线传热。对于玻璃边缘的线传热,使用非金属材质的暖边条,改变胶条构造形状等可以实现。真正需精雕细琢的是门窗型材高性能材料选择系统:包括型材本身的腔室断面结构设计、满腔钢衬替代系统、内部填充保温材料、胶条系统应用、五金系统配套、门窗外遮阳系统等等。

节能门窗材料分类:塑料门窗、断桥铝合金门窗、木门窗(铝包木门窗)、聚氨酯门窗。对比不同材料导热系数,发现PVC塑料材料导热系数为0.17w/m·K,优于其他门窗型材选用材料(见塑料型材的优势(7))。其次,不同窗框型材传热系数Uf值,塑料型材优势明显,塑料型材大断面多腔室传热系数可以做到不大于1.0 W/(㎡·K);断热铝合金中间隔条37.5mm情况下,其型材传热系数Uf值只有1.7W/(㎡·K);木门窗在附合其他高保温材料后才能达到被动门窗需要,其价格昂贵。在同等保温性能要求下,塑料材质的被动式门窗,性价比最好。在如今推动绿色节能环保的时代背景下,开发节能高效塑料被动窗,成为建筑节能首选。

7    不同材料导热系数及传热系数对比

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下面从胜达TOP-BEST 88MD被动式塑料窗系统,解析被动式窗构成体系(图3)。    

 

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3    胜达TOP-BEST 88MD型材断面

以胜达TOP-BEST 88MD被动门窗系统的型材断面为例:

超宽断面设计,基本宽度88mm,完全满足被动门窗传热系数≤0.8 W/(㎡·K)的要求。

全部外壁厚为3.0mm,超越国标A类设计,型材自身刚度更高。

型材为7腔结构,3道密封设计,提供无以伦比的保温隔声及水密性能。

安装玻璃厚度最大可实现50mm,玻璃嵌入深度增大,实现更低的玻璃边缘线传热系数。

环保不含铅钡配方,使建筑更加绿色环保。

表面彩色化处理:即可采用高耐候性、高仿真膜体,又可采用外扣铝结构,形成丰富的型材表面色彩,为建筑物增添一抹亮丽。

拼接型材自带密封结构,提高拼接整窗气密性。

率先研发高保温高强度复合材料,代替钢衬系统,抗风压及保温性能卓越。

 

高保温高强度内衬

若满足德国被动门窗研究所被动式门窗整窗传热系数≤0.8 W/(㎡·K)的要求,塑料型材内腔不能穿装整体钢衬(特殊设计除外);断桥铝合金型材,断热部分保温结构复杂;木窗系统必须附合使用高保温材料。胜达公司塑料被动窗系统创新使用高保温高强度增强型钢(图4),代替普通增强型钢,经德国被动门窗研究所论证,满足被动建筑节能使用要求。为满足抗风压需求,该产品又经过巴斯夫公司力学模型计算(图5),完全满足被动门窗抗风压需求。最终成窗经国内权威检测机构测试,在保证卓越的保温性能同时门窗刚度、抗风压性能完全满足被动建筑需求(图15)。
6.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg7.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

 

 

高保温高强度的增强衬

 

 

8.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg9.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

高保温高强度的增强衬力学计算

 

内部填充保温材料

     对于被动式型材,若达到整窗0.8 W/(㎡·K),型材内部需进行保温材料填充。由于型材腔室形状不同,需制作不同形状的保温材料。胜达TOP-BEST88MD保温系统(图6),该系统操作简单方便,节能环保。

 

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型材内部填充保温材料

独特三密封胶条构造

被动式门窗除型材本身的高保温性能,其整窗的气密性设计非常关键。为满足不同用户及不同环境需求,开创设计了两套胶条体系(图7)。体系一,采用软硬一体TPV可焊接胶条,胶条实现在线穿装,组装成窗时整体焊接,节省人工成本,提高整窗水气密性能。体系二,采用EPDM表面微发泡三元乙丙胶条,特别是中间大胶条设计,是满足被动门窗节能0.8 W/(㎡·K)首选。该胶条体系拐角处采用整体焊接技术,胶条安装无断点,使水气密性能进一步提高。

 

13.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求1.jpg13.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

体系一                                                            体系二

7  独特三密封胶条构造

高气密性辅材设计

被动式建筑气密性要求高,设计门窗拼接结构时,必须保证整体门窗气密效果。拼接材料的气密结构设计(图八)非常关键。在拼接组合门窗时,高弹性共挤材料完全能够抵御由于外界环境温度变化引起门窗伸缩变形产生的缝隙,保证拼接窗气密性能。

 

15.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求1.jpg16.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

高气密拼接型材

五金系统配套开发与选用

高质量的门窗系统,离不开优质五金系统配套开发。型材标准槽口设计与特殊使用部位需与配套五金厂家合作开发。 被动式门窗一般采用五金全包结构、防盗五金系统(图九),提高整窗密封性能的同时门窗安全性能大大增加。

17.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg18.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

9 全包结构五金及防盗五金系统

辅配系统开发

配套专用附件:中梃插接件(外置或内置)及密封垫片、玻璃槽板(框用、扇用)及玻璃垫板、防尘密封条等等。插接部位密封性能完整。

 

19.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg20.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

21.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg22.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg23.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

10   辅配系统

 

 门窗的整窗保温性能

 

24.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg25.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

 

11 安装使用增强型钢计算结果

 

 

26.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg27.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

 

 

12  高保温高强度材料代替增强型钢计算结果

 

 

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13  高保温增强材料+内腔填充保温材料计算结果

采用粤建科门窗热工分析软件计算,计算条件如下:

型材厚度88mm,框扇型材叠高122mm,七腔结构,三元乙丙胶条。

内外空气温度:室内20℃,室外-20℃。

通过热工分析,腔室内填充不同增强衬及保温材料,型材节点传热系数计算结果相差较大(见图1213),其节点对应的成窗性能实际结果更加相同。

对于内腔使用钢衬的节点,节点传热系数为1.15 W/(㎡·K)(图11),配置传热系数0.7W/(㎡·K)玻璃,能够满足整窗UW1.0 W/(㎡·K)要求。

对于内腔只使用高保温高增强材料的节点传热系数为0.95 W/(㎡·K)(图12),其结果与我公司型材(型材腔室内未添加任何材料)实测数值传热系数为0.92 W/(㎡·K),极其接近。本结构配置传热系数0.7W/(㎡·K)玻璃,其整窗性能为0.9 W/(㎡·K),仍不能满足德国被动房研究所被动门窗要求。

对于内腔使用高强度高保温增强材料并在增强衬及其他腔室内填充保温材料的节点传热系数为0.78 W/(㎡·K)(图13),配置传热系数0.7W/(㎡·K)玻璃,其整窗性能为UW0.8 W/(㎡·K)(完全满足德国被动门窗研究所PHI被动门窗要求)。本系统产品在配置传热系数为0.52W/(㎡·K)的玻璃,整窗传热系数能够做到0.68W/(㎡·K)。我们认为通过配置性能更优越的玻璃,而不使用高效保温的型材系统,满足被动式门窗需求,不足取。

3 被动门窗系统需取得的检测报告、认证及荣誉

 

一款优秀的产品必须是专业的设计,反复的测试,不断改进的产品。胜达TOP-BEST88MD在取得德国被动门窗研究所(PHI)认证后,又通过了国内多家检测机构检测,取得了专业的检测报告及相关认证证书(图14实用新型专利证书,图15被动房研究所(PHI)认证,图16 型材检测报告,图17门窗检测报告,图18北京康居认证)。

 

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19   被动式低能耗建筑产品目录

4 被动门窗安装

门窗安装中广泛流传着这样一句话:门窗是三分制作,七分安装。被动门窗安装更加复杂与重要。其安装必须经过公式计算并反复验证,考虑墙体材质,及安装部位能量损失。根据不同墙体,安装位置不同(图20),窗户的安装位置直接影响其整体保温性能(图21)。

4.1 被动门窗安装计算(德国被动门窗研究所提供)

该计算公式比国内常用计算公式,增加了墙体连接部位的能量损失,其计算结果更加合理。

     UW,instal=(UgAg+UfAf+ψgLg+ψinstalLinstal)/( Ag+Af)     

式中:

UW----窗传热系数

Ug----玻璃传热系数

Uf----窗框传热系数

Ag----玻璃面积(里外两面投影中取小的一面面积)

Af----窗框面积(包括窗扇和窗外套)

ψg----玻璃、窗框间的线传热系数

Lg----玻璃、窗框间的线长,m

ψinstal----窗框与墙体间的线传热系数(取决于窗户的安装类型)

Linstal----窗框与墙体连接间的线长,m

 

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20 不同墙体不同的安装形式 

 

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21 门窗安装位置传热性能比较

 

4.2 安装总装图

     对于我国钢筋混凝土墙体,外墙贴覆保温板,被动门窗安装采用外挂式。门窗与建筑物保温层处于同一水平面内,这种安装形式能够有效避免安装部位与建筑物间产生“冷桥”。“冷桥”会使该部位能量损失增大,产生结露现象,甚至产生霉菌,影响人类健康。

 

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22 安装节点

4.3 安装连接件

安装连接件需根据型材断面特点专门设计,连接件上预留型材连接孔,其安装螺钉孔位置必须在型材内腔增强衬处,保证连接件与门窗可靠连接,确保安装强度。为减少安装件与墙体产生“冷桥”,设计专门隔热垫片,减少建筑物热量损失。如图23安装节点,连接件下部黑色部分为隔热垫片。

 

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23  安装连接件及安装节点

4.4门窗安装膜体的使用

被动门窗使用年限50年以上,门窗使用过程中受到因温度变化产生的门窗热胀冷缩、墙体不规则沉降等原因造成门窗与墙体之间产生缝隙。被动式门窗为了消除这种缝隙,门窗与墙体安装部位使用专用膜体:室外使用防水透气膜与室内使用防水隔汽膜。

 

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24     室内防水隔气膜 

室内防水隔气膜是解决房屋门窗构件与结构的连接处的气密性,减少室内潮湿空气渗透入墙体,使墙体部位结露,影响整体建筑物的保温性能。

 

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25  室外防水透气膜

室外防水透气膜作用是防水和透汽的作用,防止安装链接处进水和发霉。安装时与结构有效粘结宽度≥30mm,固定连接件处完全包覆,避免热量损失以及水蒸气渗漏腐蚀安装连接件。防水透汽膜与结构粘结要滚压密实,不得有空鼓,黏贴时膜体连接的两构件之间留有余量,防止门窗热胀冷缩或墙体沉降,撕裂防水透气膜,影响整窗安装气密性能。

4.5 辅框及外置窗台板的安装使用

门窗下部渗水问题,一直困扰着门窗制作人与土建承包商。被动式门窗系统,专门在室外窗台部位设计使用铝合金窗台板,让雨水沿着窗台板排出,从而很好的解决了门窗下部漏水问题。被动门窗外置窗台板不是简单的选择使用,其门窗系统中必须设计专用辅框型材(图26),满足安装要求。下图(图27)可见安装使用室外窗台板的建筑墙体外立面干净整洁,没有水渍侵袭。

 

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26     门窗安装辅框及窗台板

4.6 门窗外遮阳系统使用 

门窗外遮阳在门窗保温性能中,能够提供15%-20%的节能效果。现代普通建筑,大部分未设计遮阳系统,一般家庭安装内置窗帘满足日常遮阳。对于内置窗帘,其保温隔热性差,占用室内空间。对于被动式建筑选用哪种遮阳,根据不同地区可采用不同结构,并与门窗一体化设计(图28)。国外建筑遮阳与门窗一体化设计,美观实用,节能效果明显(图27)。

46.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg 47.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg

 

27  室外遮阳及窗台板

48.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg 49.如何满足被动式低能耗建筑外窗需求.jpg 

28  外遮阳系统及窗台板

5 结论

综上所述,被动式门窗系统从型材材料选择、断面结构、胶条形式、五金配置、安装材料设计到遮阳系统,必须精心设计反复论证,才能设计出满足于被动式低能耗建筑的门窗系统,才能为我国的绿色节能建筑提供高效节能产品。做为一栋需使用寿命超过50年的节能建筑,门窗系统的材料选择尤为重要,胜达TOP-BEST 88MD被动式塑料门窗系统凭借卓越的保温性能及经久耐用性能,在被动式建筑发展中将会留下浓墨重彩的一笔。

 

参考文献:

[1] 德国被动房研究所被动房标准(Passive House

[2] 河北省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB 13(J)/T177-2015 河北省住房和城乡建设厅

[3] 德国《建筑节能条例》ENEV2009

[4] 中国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010

[5] 《北京居住建筑节能设计标准》》DB11-891-2012

[6] 《被动建筑超低能耗绿色建筑技术导则》