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跟着菲斯特教授学被动房【四】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。




第四节   建筑外门窗


课程PPT及讲义



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前面几节课我们针对非透明围护结构讲了保温隔热性和气密性,这一节我们要讲一下透明围护结构部分,也就是外门窗。一般来讲,外门窗的热损失会很大,冬季时热量从室内通过外窗向室外流失、夏季时热量从室外通过外窗传递到室内。外窗的主要功能是使我们的视线可以透过外窗从而看到室外的景物,这意味着光线可以穿透外窗。因此,我们使用外窗的一个主要原因就是采光。


与此同时,光线携带着太阳的热量,从外窗穿过传递到室内,这个过程我们称之为被动式太阳得热。冬季时我们希望有这样的太阳得热来保持建筑的温度,而在夏季这些多余的太阳能量会成为热负荷,那么这些透过外窗进来的太阳能就变成了太阳能负荷。在冬季我们需要让更多的太阳光透过外窗以获得更多的太阳得热,而在夏季则正好相反。



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接下来我们要讲到玻璃非常重要的一个属性。从这张图上我们可以看到同一个外窗呈现出的两种画面。可见光是我们肉眼可以看到的光,在我们人类眼睛进化的过程中,我们的肉眼逐渐对太阳光谱中的这一部分比较敏感,所以左侧图就是我们人眼可见的画面。右侧图则是同一个外窗通过红外热像仪呈现的画面。实际上,不管是我们肉眼接收到的可见光,还是形成的热辐射,其实是同一类型的辐射,都称为电磁辐射,这种电磁辐射的波谱比较广泛。


自然界电磁辐射有长波辐射和短波辐射,长波辐射波长可以达到几百上千米,短波辐射波长则可以小到几微米。那么右侧这张热成像的图片波长就在6微米至20微米之间,波长非常短。我们的身体也在时刻向外辐射着红外线,其波长就介于5微米至30微米之间。体温越高,热辐射量就越大;体温越低,热辐射量就越小。


因此在右图中我们可以看到有些部分温度较高,它的热辐射的量也较多,比如墙边的窗帘温度大约在22摄氏度左右,而玻璃片表面的温度则大约在15摄氏度左右,其产生的热辐射就相对低一些;图中蓝色的区域温度可能只有8摄氏度左右,其热辐射就更低了。


这就是我们通过红外摄像仪能够观察到的情况,其辐射的波长就介于5~30微米之间。左图中我们肉眼能够看到的可见光也是一种电磁辐射,但是它的波长非常短,介于0.38~0.78微米即380~780纳米之间,波长通常是用纳米计量的。有意思的是,玻璃在380~780纳米这个波长区间里看起来是透明的,这是因为在可见光的波谱区间里的短波辐射能够穿过玻璃到达人眼。


而右侧红外热成像图中我们所看到的中红外波段,在这个热辐射波长区间内玻璃却不是透明的,也就是说这一波长区间的电磁波无法穿透玻璃,那么同样在这个热辐射波长区间内其他物体的光也无法透过玻璃。因此在右图中我们看到的其实是玻璃表面散发出的热辐射。


到这里我们就了解了玻璃很重要的一个特性,那就是,玻璃可以让辐射波长在380纳米到近红外的1500纳米之间的太阳辐射中可见光部分透过并进入室内,同时把太阳热量带入室内,而室内物体所散射的热辐射则几乎被玻璃表面完全吸收而无法穿过玻璃。


这也是我们利用玻璃这样的特性的原因,它对可见光是可以透过的,而对热辐射却是不能透过的。之后关于外窗我们将会分两个不同的章节来讲,一是玻璃的性能,二是窗框的性能,两者都对外窗的保温隔热性能起到至关重要的作用。



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我们先来了解一下玻璃的传热系数,也就是U值。前面我们讲过热量是如何从非透明围护结构中传递过去的,而透明围护结构同样会有热量传递。前面我们讲过的非透明围护结构(比如墙体)的传热系数的计算方法,同样适用于计算玻璃的传热系数(U值)。


尽管玻璃的传热系数计算会略微复杂一些,这是因为玻璃具有一些特性,但其计算原理跟前面讲的其他构件一样,其热量传递方式遵循着同样的物理法则,它的计算被收录在编号为EN673的国际标准里。外窗玻璃的传热系数跟玻璃片之间的距离有关,通常玻璃间的空腔里会填充一些气体,也称为气体空腔。


它同时还和玻璃表面的辐射率有关,这里我们看到的是镀膜玻璃,coating是玻璃表面的涂层,玻璃表面的辐射率是指玻璃表面向外辐射和吸收热辐射的能力,这里用ε来表示。此外还跟空腔内填充的气体的导热系数和粘性有关,比如我们常说的充氩气,氩气为惰性气体导热系数很低。



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根据国际标准EN673我们可以进行玻璃外窗的传热系数计算。与非透明围护结构同理,我们假设图中玻璃外窗的右侧为室内、左侧为室外,那么冬季室内为高温一侧,室外为低温一侧,热量会从右侧向左侧传递,我们首先需要计算右侧第一道玻璃自身的热阻,接下来,从第一道玻璃到第二道玻璃的热量传递会有两种方式:一种是热辐射,另一种是热传导。


其中热辐射先从第一道玻璃的表面散射出来,再由第二道玻璃的表面吸收,这一辐射过程也是玻璃外窗热传递最重要的一种方式;而另一种热传递则主要是由于玻璃间气体的导热性能产生的。


这两种热传方式是同时存在的,这跟我们所学的初中物理中电路并联类似。热量被第二道玻璃吸收后,同样会按照刚才所介绍的方式向左传递。此外计算总传热阻还要加上内外表面的传热阻,这样我们就可以对外窗的玻璃部分进行总体的传热系数计算。



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我们通过这张图来了解一下纯粹的浮法玻璃(也就是没有经过任何人工处理,没有镀膜的玻璃),横坐标表示的是波长,从200纳米到11200纳米以上,其中包括了可见光辐射范围和部分红外线辐射范围;纵坐标的单位是百分比,表示的是玻璃对辐射的三种作用所占的比例。


这三种作用的分别是黄色的区域代表玻璃对辐射的传导,蓝色的区域代表玻璃对辐射的反射,和红色的区域代表玻璃对辐射的吸收。从这张图我们可以看到,纯玻璃对于波长在200纳米至4500纳米之间的辐射,既有传导,又有反射还有吸收,而对于波长在4500纳米以上的辐射则只有反射和吸收。


我们还可以发现,对于波长在380纳米至780纳米之间的可见光部分,玻璃最主要是起传导的作用,只有一小部分可见光会被反射和吸收;而对于大部分的红外线辐射,玻璃则主要是吸收和少量的反射,甚至会没有传导作用,玻璃表面吸收了大量的热辐射,其表面温度就会升高。


玻璃对热辐射具有较少的反射作用也就是图中蓝色区域,这也是为什么我们能从外窗的玻璃表面上看到我们自己。总的来说,玻璃对短波热辐射以传导作用为主、只有一小部分的反射和吸收,而对长波热辐射则以吸收为主、只有一小部分的反射、没有传导。



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前面我们理解了玻璃对于热辐射的不同作用,接下来我们举几个例子来理解一下外窗玻璃传热系数的计算方法。单片玻璃的传热系数计算大家可以课后自己练习一下,在这里我们先来看一下双玻单腔外窗,这也是大多数已建建筑常用的外窗类型,其两片玻璃的表面未做任何处理,中间空腔里也多为普通空气。


当然空腔内的空气应该保持干燥,否则空气中的水蒸气可能会在玻璃内表面形成凝结,这是我们不希望发生的情况。玻璃的厚度很薄,大约只有4mm,因此其热阻很小。之前我们了解过不同材料的导热系数,其中玻璃的导热系数大约是1W/mK,我们可以通过一个很简单的计算,也就是玻璃的厚度d,也就是0.004m除以玻璃的导热系数λ,也就是1W/m·K,得出单片玻璃的热阻约为0.004m2K/W,这个值是非常小的。


因此对于双玻单腔外窗来说,其热阻值主要取决于两片玻璃的间距,也就是玻璃之间的空气层。以空气为填充气体的空腔厚度为18mm,而空气的导热系数为0.026W/mK,这样我们可以计算出该空气腔体的热阻值约为0.69m2K/W,这个热阻值还是很高的,它在两片玻璃之间还是个不错的保温隔热材料。



然而遗憾的是,两片玻璃之间热量传递还有另外一种方式,那就是辐射,而空气对于辐射的热阻值阻就没有那么高了,只有0.23m2K/W,这样一来玻璃之间有很多热量会通过辐射的方式从高温一侧的玻璃传递给低温一侧的玻璃。空气的热传导与玻璃之间的热辐射在整个热传递过程中属于并联关系,那么我们就可以计算出两片玻璃之间空气层的总热阻值约为0.20m2K/W。


计算的方法是玻璃总传热阻等于热传导热阻值的倒数与热辐射传热阻的倒数之和的倒数,【R总=(1/R1+1/R2)-1,即R空总=(1/0.69 +1/0.23)-1m2K/W≈0.2m2K/W】。两片玻璃和中间的空气腔是一种串联关系,整个外窗玻璃部分的总热阻值约为0.373m2K/W,也就是各层热阻值的加和,这样我们就可以计算出整个外窗的传热系数约为2.7W/(m2K)。


普通没有保温层的砌体墙的U值约为1.4 W/(m2K),而双玻单腔外窗U值几乎是普通无保温砌体墙的两倍。通过U值与室内外温差值的乘积我们可以计算出此种外窗单位面积的热损失量,也就是2.7W/(m2K)·(20-(-10))K=81W/m2,那么也就是说此种外窗在室内外温差30度时单位面积所产生的热量流失是81 W/m2,可想而知如果建筑的外窗面积有20平方米的话其热量损失会有多大。



同样,我们可以计算出室内一侧玻璃内表面的温度,大家可以参考讲义中的计算式,【θ内表=θ室内–R内表·U窗·(θ室内–θ室外)=20K-0.13m2K/W·2.7W/(m2K)·(20K-(-10K))=9.47ºC】,大约为9.5摄氏度。我们想象一下在冬季室外零下10摄氏度的情况下,室内玻璃表面的温度只有9~10摄氏度,如果温度再稍微低一点就会在玻璃表面出现结露,这也是很多老建筑外窗表面经常出现的现象。这种老式外窗在欧洲上个世纪80年代就逐渐淘汰了,而在中国到了21世纪初还在使用,尤其是一些老建筑。



建筑的外窗在上个世纪70年代随着新发明的出现,开始有了很大的改进和提升,接下来我们会对此进行介绍。如今建筑师已经不需要对玻璃的性能再做这样基础性的计算,但我们前面介绍的原理和计算方法仍然需要大家熟练掌握,以便我们在设计中对其他一些材料进行相应的计算分析。



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从前面我们讲的内容大家已经了解到,外窗空腔里大部分的热量是通过热辐射进行传递的,也就是说,热辐射才是空腔里热量传递的最主要方式。如果我们能在两片玻璃之间设置一道辐射屏障,那么热辐射的热量损失就会小很多。有一种比较容易的方式来设置这样一道热辐射的屏障,比如在玻璃之间设置一层金属薄膜来对热辐射进行反射,把热辐射反射回去。


从经典物理学的角度来看,这样做会适得其反,因为往玻璃上覆上一层金属(比如银),玻璃就会变成镜子,而把镜子用在外窗上显然是不合适的,因为我们的视线无法穿过镜子到达它的另一侧;然而从现代量子物理学的角度来看,光是非常有可能从这样一层金属薄膜穿过,因为根据现代量子力学的理论,一些粒子是可以穿过像墙体这样的物体,称之为“隧道效应”。


能量较高的光粒子要比能量较低的光粒子更容易从这个“隧道”穿过去。短波辐射的光粒子能量非常高、运动剧烈,它使得可见光这样的短波辐射穿过金属层到达另一侧的可能性变得非常高,当然这也取决于金属层的厚度。如果这个金属层的厚度足够小,那么光线穿过它的可能性就会非常高。按照“隧道效应”理论,光线中的可见光部分就能从这个金属涂层穿过,而光线中长波的部分几乎是无法穿过金属涂层的,反而会被金属层反射回去。


因此,给玻璃内侧镀上一层金属薄膜的想法非常巧妙,从图中可以看到它可以把绝大部分波长的辐射反射出去,也就是蓝色部分,只有极少部分会被吸收,也就是红色的部分。在实际工程实践中是给玻璃的一侧表面镀上金属膜,也就是我们所说的low-E玻璃,或叫做低辐射玻璃,镀膜的结果就是热辐射中被吸收的部分只有3%,而被反射的部分高达97%。这层镀膜也使得玻璃对长波辐射的吸收率降低了30倍之多,因此它也被称为low-e膜(低辐射玻璃膜)



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现在我们还是举双玻单腔玻璃的例子,这次我们给外玻璃的内侧镀上low-e膜,在low-e膜的反射作用下,外侧玻璃对腔体内热辐射的吸收率大幅降低,这使得腔体的传热系数大大减小、辐射热阻大幅增高,几乎是以前的30倍,此时热量传递的一个主要方式就变成了腔体内的热传导,整个腔体的热阻值由原来的0.20m2K/W变为0.70m2K/W,外窗的总热阻约为0.866m2K/W,计算得出的传热系数U值为1.2 W/(m2K),这也是常见双玻单腔low-e窗的传热系数。


这种外窗已经在欧洲被广泛生产和采用,现在在欧洲能买到的双玻窗基本上都是有low-e膜的。接下来我们可以继续计算出双玻low-e窗在室内20摄氏度、室外零下10摄氏度时的单位面积热损失为35W,与之前普通玻璃的热损失为81W/m2相比,减少了一半多。能实现这样的效果,都有赖于现代量子力学的发展,它让我们知道光子能够从物体的“隧道”穿过到达另一侧,现在的外窗生产商也在运用量子力学理论来提高外窗的性能。


同样我们还可以计算出室内20摄氏度、室外零下10摄氏度时室内玻璃内表面温度为15.5摄氏度。因此,对于玻璃的改进不仅仅是减少了室内热量的损失,而且还提高了玻璃表面的温度,从而改善了靠近外窗区域的室内舒适度,也解决了玻璃结露的问题。



从1985至2015的三十年间,这种外窗在欧洲被广泛生产使用,此后又有了新的改进。在中国,现在最常用的就是这种类型的外窗,但我们建议使用性能更好的外窗。



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影响外窗性能的因素还有另外一个,那就是玻璃之间的空腔,这也取决于空腔内填充的气体类型。图中红颜色的线是空气,蓝颜色的线是氩气,绿颜色的线是氪气。其中氩气和氪气都属于惰性气体。


横坐标表示的是两层玻璃的间距,也就是腔体的厚度。这里我们可以看到此前我们采用空气作为填充气体时提到的18mm,随着腔体厚度的增加,它的传热系数逐渐减小。理论上来讲,如果空气只有热传导一种性质的话,其传热系数会随着腔体厚度的增加而一直减小,但实际上空腔增加到一定宽度后就会出现空气对流,从而产生热量传递的另外一种方式——对流传热,此时空腔的传热系数将趋于平直,也就是说继续增加空腔厚度,不会再继续降低传热性能,因此通常采用18mm腔体厚度。


氩气是现在常用的一种惰性气体,它的传热系数比空气低,空腔厚度通常采用16mm。氩气比较常用是因为它的成本很低。氪气的传热系数更低,但其成本非常高,只有在特殊情况下比如需要更薄的外窗或者需要更好的热阻性能时才会采用,通常情况下都采用氩气。


从这张图表中我们可以看到,这三种填充气体的外窗的传热系数,随着空腔厚度的增加先是快速下降而后趋于平缓,再后来随着对流传热的增大传热系数又会略有升高。



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随着建筑节能标准的提升,生产商对双玻单腔low-e外窗又做了改进,将其优化升级为三玻双low-e外窗。主要是分别在中间层玻璃和室内层玻璃朝向室外一侧的表面镀上一层low-e膜,对空腔内的热辐射进行反射。


运用前面的计算方法,我们可以得出三玻两腔low-e外窗的总热阻值为1.9m2K/W,U值为0.53 W/(m2K),在室内20摄氏度、室外零下10摄氏度时单位面积热损失为16W,室内玻璃表面温度为17.7摄氏度,进一步提升了外窗附近室内区域的舒适性。


自2015年起,欧洲地区外窗生产商决定开始只生产三玻双low-e外窗,到目前为止欧洲地区只能买到这种窗,而且价格也基本上降到了原来双玻单low-e窗的价格水平。我们希望中国也能尽早做出类似的决定,采用性能更加优良的三玻双low-e外窗,其成本比现在使用的双玻窗并不会增加多少。


三玻双low-e外窗以其更低的传热系数成为玻璃窗中的最佳选择,也是目前全球范围内使用最为广泛的外窗玻璃类型,特别是在中国,除了个别地区这种外窗类型不是最佳选择之外,其他各地区均适合使用此类外窗。



【P11】



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前面我们讲的主要是以冬季为例,室内温度高于室外,热量主要是从室内向室外进行传输。现在我们来讲一讲太阳能的传递,也就是室外太阳的电磁辐射中的可见光部分和一部分近红外辐射能够透过外窗玻璃为室内带来光线和热量,我们把这个情况称为“辐射得热”;与此同时,外窗玻璃能够吸收一部分太阳辐射从而温度升高,这样玻璃就会把其吸收的一部分热量辐射到室内,我们把这个情况称为“二次得热”。


将“辐射得热”与“二次得热”加到一起就是总的太阳能得热系数,在美国被称为SHGC。太阳得热系数用字母g来表示,其值是一次得热与二次得热之和。这也受太阳辐射与玻璃之间角度的影响,越接近垂直得热量越大,反之则越小。通常外窗玻璃上会标有其太阳得热系数g值,它一般是指垂直角度的得热系数。



【P12】



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接下来这张图表我们通过几种玻璃类型的对比来帮助我们做出适合的选择。图中我们可以看到四种玻璃外窗类型,分别是单层玻璃、双玻单腔玻璃、双玻单low-e充氩气玻璃、三玻双low-e充氩气玻璃,其U值分别是5.60 W/(m2K)、2.80 W/(m2K)、1.20 W/(m2K)、0.65 W/(m2K)。


我们对这些不同外窗玻璃的热损失进行计算,当我们把整个冬季的热损失加到一起,可以得到每年热损失的总量,也就是蓝色柱状图,这里我们可以看到单层玻璃每年每平的热损失量大约是双层玻璃的两倍;由于太阳辐射的作用,玻璃窗会有一部分太阳得热,也就是黄色柱状图;热损失量和太阳能的热量的差值,就是需要通过主动式采暖来进行补充的热量,也就是红色柱状图。


从这张图里我们可以对比一下没有low-e膜和氩气的双玻单腔玻璃和加了low-e膜和氩气的双玻单腔玻璃:后者的太阳得热系数比前者少一点,其结果是后者的年太阳得热量比前者少一点,但后者的年热损失要比前者少一半以上,这样一来后者每年需要补充的采暖热量就比前者少了非常多。但这不是我们的目标,我们希望能有更好的效果,这就产生了三玻双low-e充氩气玻璃。


同样从图中我们可以看到,三玻双low-e充氩气玻璃要比前者性能更好:年热损失减少一半,太阳得热少了一点,但太阳得热的量却比热损失多了一点,甚至在冬季也能出现净得热情况。因此这种三玻双low-e充氩气玻璃能够有效地为建筑节约能源。



对比来看,前面三种玻璃最后还是会有净流失,而三玻双low-e充氩气玻璃实现了净得热。在中国北方地区(像哈尔滨、沈阳、北京、青岛等)以及欧洲地区都是这种情况;在其他气候区则会有不同,比如在像两极地区那样的极寒地区可能需要四层以上的玻璃,而在中国南方气候炎热的地区(像深圳、香港等),需要玻璃对太阳辐射进行有效的阻隔也可以选择三玻双low-e充氩气的玻璃,因为它具有热载保护的作用,太阳得热系数也很低,必要时甚至可以低到0.2左右。同样气候凉爽的地区也可以选择三玻双low-e充氩气玻璃。


总之,我们需要根据建筑所处的气候区来选择适合的外窗玻璃类型。



【P13】



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接下来我们来看看窗框。同样有一个国际标准,它是对包括玻璃和窗框在内的整体外窗的一个标准。那么在计算整体窗外的传热系数时,需要考虑玻璃、间隔条、窗框和安装四个因素。



【P14】


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在这张图中,我们可以看到外窗的玻璃部分和窗框部分,外窗外挂安装在外墙上。我们可以计算出墙体的U值和面积,也可以计算出玻璃部分的U值和面积。玻璃被窗框包住的部分不计入玻璃的面积,这是从玻璃实际有效的可透视、采光、得热以及传热方面考虑的,它的面积可以很容易测得。


再有就是窗框的面积,可以用外窗洞口面积减去玻璃有效面积计算出来。此外还有两个用来分隔和固定玻璃片的间隔条,老式外窗的间隔条通常是由铝片做成的,因此它在外窗的这个位置会成为室内外热传递的一个途径,也称为热桥,由玻璃间隔条导致的热量损失其实也是很高的,因此我们在计算热损失的时候需要把这个间隔条考虑进来。


在这个图中我们还可以看到另外一个存在热桥的部位,也就是外窗下部与保温层连接的区域,这是与外窗安装有关的一个热桥部位。这样我们就可以对整个外窗的热损失总量进行计算了。用玻璃和窗框各部位的U值乘以其相应面积就可以计算出相应部位的热损失量,在间隔条和窗框安装部位的热桥部位则用相应线性系数乘以相应的长度就可以计算出热桥产生的热损失量。


把这些不同部位的热损失量加在一起得出一个总量,除以整个外窗的面积即可计算出整个外窗的传热系数。



【P15】



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我们来对比看一下这两个外窗,左边是常用的老式的双玻单low-e玻璃木外窗,也是现在中国国内一些新建建筑仍在使用的外窗类型,其间隔条为铝材,窗框也没有相应的保温隔热层,前面我们计算过玻璃部分的U值是1.2W/(m2K),但加上窗框和间隔条等因素,整个外窗的U值高于1.4W/(m2K);


右图显示的是一种适用于被动房的外窗类型,三玻双low-e充氩气玻璃,窗框部位加了保温层,间隔条也采用了更好性能的保温处理,整体外窗的U值低于0.8W/(m2K)。在中国目前也能够生产这样的被动房应用的外窗。



【P16】



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现有的被动式外窗有很多种,图中展示的只是其中一部分,其中有刚才我们看到过的类型,也有断桥铝的窗框类型,还有PVC塑料的窗框类型。



【P17】


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前面我们提到过外窗玻璃和窗框的计算方式,这里我们再来看一下。我们通常会对窗框在整个外窗中所占面积比例有一个预想,但实际做好的外窗其窗框部分比例往往比我们预想的还大,而且大很多,因此窗框也是非常重要的部分



【P18】



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我们再来看看外窗玻璃间隔条。如图所示,这是我们常见的一种由铝片间隔条来固定玻璃的外窗,而铝材的导热性要比玻璃之间的气体高很多,热量更容易通过玻璃和这个间隔条进行传递。


玻璃边缘的热量损失更大,边缘部位温度跟室内温度的温差也更大,在室外-10摄氏度、室内20摄氏度,室内相对湿度50%的情况下,玻璃边缘的内表面温度会低于9摄氏度,这就会导致玻璃边缘更容易产生结露,结露清理不及时,还会导致窗框出现发霉。因此,间隔条同样是非常重要的部分。



【P19】



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我们再来看一下这个外窗的热量成像,我们可以看到玻璃中心温度在15摄氏度左右,窗框温度在13摄氏度左右,同时我们发现玻璃边缘的部位温度要比玻璃中心区域低很多,只有7.3摄氏度,这正是因为铝制间隔条成为热桥产生热量流失导致的结果。



【P20】



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接下来我们看看有没有更好的解决办法。这里我们看到最左边的外窗的间隔条就是用铝材制成的,间隔条的作用就是给玻璃定位,但产生了热桥,造成了玻璃边缘内表面的温度很低的问题。


一个解决办法就是,把铝制的间隔条改为不锈钢材料,这样的改进好了一些,但对于我们现代的外窗来说还不够好。现在已经有一些企业研制生产出了一种新型暖边间隔条,它是由塑料或其它纤维增强材料做成的,他的线性热桥热损失系数比铝制的小了近一半,而且外窗的U值也降到了0.8W/(m2K),这也是我们对间隔条进行研究改进的目标。



【P21】



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后面还有更一步改进的产品,我们在这里就不逐个展开讲了,在市场上可以买到不同类型的间隔条。将来所有的外窗都应该使用这样的断热桥的间隔条。铝制的间隔条成本非常低,每米大约5分钱,改良过的间隔条成本也不高,每米大约两毛钱。对于1平方米的外窗玻璃,间隔条的长度就是4米,换成改良过的间隔条整个外窗的成本增量也不过六毛钱。通常一个外窗的价格大约400到500欧元,那么间隔条的成本几乎可以忽略不计,因此从这个方面来看我们应该禁止使用铝制的间隔条。



【P22】



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尽管我们现在有了很多暖边的间隔条,但是从这张红外热成像图片中,我们还会发现问题。这个外窗就采用了具有隔热效果的暖边间隔条,但是我们还是能在玻璃的边缘看到一条很长的温差线,也就是绿颜色部分,虽然已经不再像铝制间隔条那么低了,但仍然还是有点热量损失,因此我们还是得继续探索,并且希望将来的外窗性能能够更好。


这里请大家看一下玻璃的右下角区域,猜猜这是什么。有人可能会认为是玻璃另一侧的人或是动物,但根据我们前面讲过的,红外热像仪识别的是玻璃表面的温度和热量,是看不到玻璃外面的情况的。实际上这是拍摄者在玻璃上反射出来的形象,人体的热辐射传递到了玻璃上,被玻璃反射后又被红外热像仪捕捉到,我们还可以看到蓝色的点状部位就是红外热像仪的镜头,它的温度相对较低,而人体的头部和手部温度较高,呈现了较明显的红色。


实际上在用红外热像仪进行拍照的时候应该避免拍摄者出现在玻璃的反射区域里。这张图里拍摄者使用了一张薄板对身体进行了遮挡,避免人像投影到玻璃上。



【P23】



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这张图就是对被动房的外窗所做的认证,里面包括外窗的断面、温度分布以及一张认证报告,其中认证报告里会写明外窗各方面性能的数值,比如窗框的U值、宽度,还有会产生额外热流失的间隔条,再给出外窗热传系数的一个参考值,这些数据在这个认证表里都能看到。根据前面我们提到的EN10077国际标准,除了玻璃的数据是常规值外,其它数据从认证报告的表里都能获得,把这些数值代入公式就可以计算出结果。



【P24】



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这里是一个装修改造的项目,从这张红外热成像图片里可以看到玻璃门表面温度基本都在比较舒适的温度范围内,没有低于16摄氏度的部位,右侧建筑墙体的温度跟室内其它物体的温度一样都在室温区间内,这也是为什么在被动房里感觉温度非常舒适的原因。


我们跟改造前的外窗比较一下可以非常明显地看到差别,原来的外窗窗框表面的温度都很低,基本都呈绿色或蓝色,玻璃边缘的间隔条产生热桥导致温度更低,右侧墙体未作保温措施时温度也很低,温度大约都在12-14摄氏度左右。通过这样的对比,我们就知道被动房比普通的房子在改善居住环境方面具有非常大的优势。



【P25】



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接下来我们来讲讲外窗的安装。我们先来看看外窗安装的几个不同位置。第一个位置:外窗安装在距离墙体结构部分最远的位置(如左图所示),有时应建筑师的设计要求,外窗甚至会跟外墙外侧平齐。


在这个安装位置时,窗框与保温层连接的地方会成为保温隔热的薄弱点,热量会从此处流失,会有一些热损失。根据外窗各部位的传热系数,我们可以计算出这个安装位置的外窗整体U值为0.8W/(m2K),且其室内侧的温度也都可以接受。因此,把外窗安装在最外侧的位置没什么问题,这里要注意的是,这里所说的安装在最外侧,窗框也是要安装在保温层范围内的。



【P26】



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第二个位置:外窗安装在保温层的居中位置。此时,窗框与保温层连接处热损失比前一个位置要小一些,外窗整体U值也比前一个位置稍好一点,其室内侧温度也都可以。



【P27】



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第三个位置:外窗靠近结构墙的位置安装。此时,下方窗框连接处的传热系数稍微增加了一点,外窗整体U值为0.82W/(m2K),其室内侧温度也都可以。实际上,这个位置是我们推荐采用的安装位置,后面我们会具体了解一下这个位置的安装。



【P28】



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第四个位置:我们继续把外窗往室内一侧推移,安装在结构墙上。此时,窗框连接处的传热系数明显增加,外窗整体U值增至0.85 W/(m2K),这个结果还可以接受,但比我们推荐的安装位置高了一些。



【P29】



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第五个位置:现在我们把外窗完全安装在结构墙上,这也是很多工程师和安装工人比较倾向采用的安装位置。此时,窗框连接处尤其是下方连接处的传热系数增加了很多,仔细观察就可以发现,下方连接处可以说几乎没有了保温层的保护,热量就会从这里大量流失。因此,这个安装位置不适合。尽管采用了高性能的外窗,但这种安装位置却使外窗实际的U值增高到了0.98W/(m2K)。因此,我们不应该把外窗直接安装在结构墙体的窗洞内。



通过对比,我们可以发现外窗最好是在靠着结构墙但跟保温层对齐的位置安装,也就是第27页的安装位置。安装时,有一种方式是,先在外窗下方位置将小木块固定到结构墙上,然后由木方来支撑起外窗。



【P30】


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我们最后要讲的是外窗的朝向问题。我们前面介绍过建筑的能量平衡原理,也就是建筑每年会有一定的热损失总量,太阳得热会对此进行一定的热量补充。这张图表的横轴是外窗的朝向,其中0表示正南朝向,负值一侧是将朝向向东旋转直至正北,正值一侧是将朝向向西旋转直至正北。


我们先来看看普通双玻单腔木框外窗的情况,那么他的年均热损失量是500多,也就是蓝色的线,朝向正南时太阳得热最大,而随着朝向向东或向西旋转时,太阳得热逐渐减小,朝向在南偏东或南偏西30度范围内,太阳得热差别不大。这也是为什么在中国绝大多数人都喜欢朝南向外窗的建筑;朝向转至正北时,太阳得热较小,得热量只有正南时的三分之一左右。



【P31】



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我们把它换成三玻两腔low-e玻璃但采用木框的外窗,得到的结果是,年平均热损失量大幅降低,仍然是蓝色的线,从520降到了240左右,仍然是朝向正南时太阳得热最大,朝北向的太阳的热量最小,但几乎接近0值。



【P32】


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现在我们把外窗换成三玻双low-e玻璃被动房窗框要求的外窗,得到的结果是年均热损失量从240左右降到了140左右,还是蓝颜色的线,整个南向从正东到正西的范围内,几乎都是净得热的朝向,这样外窗在冬季也可以变成建筑的热体系的一部分,这就是被动式太阳房的道理。



【P33】


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把不同类型外窗汇总到同一张图表里,我们就可以对它们进行比较从而选择适合的外窗。从上而下,分别是:双玻单腔木框外窗,U值在2.1左右,双玻单low-e木框外窗,U值在1.2左右,三玻双low-e被动房窗框的外窗,U值在0.8左右,还有两种新型的节能外窗,U值在0.2左右。


我们可以发现,窗框对外窗整体性能的影响比玻璃对外窗的影响更大,这也是为什么被动房的外窗需要提高窗框性能的原因。截至2017年新型节能外窗在外窗玻璃、间隔条等方面又有了很大的提升,市场上也就有了更好和更多的选择。



【P34】



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下面这张图表我们来看看,外窗在建筑表面积的占比与建筑能耗量之间的关系,这里我们主要看建筑的南立面,这是依据奥地利因斯布鲁克地区的数据,其气候条件与中国北京比较相似。上面的红颜色曲线是双层玻璃的外窗,下面的红颜色曲线是三层玻璃的外窗。


我们会发现,同样是在外窗占比为0的情况下,双层玻璃外窗和三层玻璃外窗的建筑采暖热需求存在着差异,也就是横轴0刻度线的两条红色曲线的数值是36和28,这是因为建筑北向的外窗对建筑能耗也是有影响的,因此0刻度线也不是相同的数值。



这里我们主要看南向外窗,随着我们加大南向外窗所占比例,即便采用的是双层玻璃的外窗,建筑采暖热需求也会逐渐降低;但同样占比情况下,采用三层玻璃外窗时,他的采暖热需求降低的幅度会更大,外窗所占比例越大,采暖热需求降得越多。当外窗面积所占比例达到42%将近建筑南向立面一半的时候,采暖热需求会降低到15kWh/m2,这个值实际上已经能够达到被动房的标准了。


这里我们看到56%是南向外窗面积所占比例的一个最佳限值。假如我们继续加大外窗占比,那么建筑采暖热需求会随之继续降低,但是我们会发现,建筑采暖热需求并没有随着外窗占比的增加而直线性的下降,而是趋于平缓的下降。而与此同时,我们会遇到另外一个问题,就是随着我们增加南向外窗窗墙面积比,太阳得热不断增加,会增加夏季的制冷负荷,建筑的制冷需求也就随之增加了,也就是蓝颜色的曲线。


在因斯布鲁克地区,南向外窗窗墙面积比较小的建筑几乎没有制冷的需求;而外窗很大时,太阳的热负荷会很高,对制冷的需求也就很高,这就需要在夏季对建筑采取遮阳措施。这也是为什么很多现代建筑的制冷需求要比老建筑高很多的原因。因此,在因斯布鲁克地区56%的南向窗墙面积比从节能角度来说是一个最佳的限值。



【P35】



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本节的最后,我们就外窗所讲的知识做以总结。


对于寒冷气候区的建筑,我们对外窗的选择建议:采用三玻双low-e玻璃,空腔填充成本较低的氩气,玻璃间隔16mm,使用暖边间隔条,窗框要做保温隔热处理且传热系数在0.7W/(m2K)左右,外窗要安装在墙体保温层的范围内,外窗的最佳朝向为南向,南偏东或南偏西30度均可,可以使用PHPP设计软件优化外窗的大小及其经济性,南向的外窗可以大一些,北向可以开窗,但是窗面积主要从满足采光要求即可,东向和西向外窗考虑到夏季日照会过多,可以尽量小一些,满足采光要求即可。



关于采光我们这里补充一点说明:按照经典被动房理论,建筑不应在北侧开窗,但也要求建筑进深不应大于6米,否则室内北侧采光会不足。随着建筑的发展和使用需求的提高,建筑进深逐渐加大到12米左右,此时建筑北侧需要开设外窗进行采光,被动房对此的要求也相应做出了改变,北侧根据采光需求进行开窗设计,并做好建筑外围护的保温隔热措施。另外,建筑进深的适当增加,反而可以有效降低被动房单位面积的能耗和造价。从这个角度来讲,选择最佳的平面形式往往比加厚保温层更为有效。



好,这节课就讲述到这里。谢谢大家!



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