節能窗的發展與問題探討

馮沫,王申禹,馮萍

(北京建筑大學 工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心,北京100044)

節能窗的發展與問題探討

馮沫,王申禹,馮萍

(北京建筑大學 工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心,北京100044)

摘要:介紹了節能窗戶性能評價指標,指出了影響窗戶節能的因素,并從玻璃的選擇、框材的選擇以及安裝方面提出了相應的改善措施,希冀對我國建筑節能的實施提供一定的參考。

關鍵詞:節能窗;玻璃;框材;安裝工藝

1引言

窗是建筑組成中的重要元素,通常是建筑外觀的一個主導特征。除此之外,窗戶為建筑使用者提供采光、視野和新鮮的空氣,同時窗戶在影響能源利用,電力需求及環境等方面,也起著舉足輕重的作用。大量研究表明,通過窗戶的太陽得熱和熱損失占建筑采暖和空調負荷較大比重。合理的窗戶設計和選擇能夠減少電力照明負荷、電力峰值需求和空調負荷,從而避免昂貴的用電支出。我國作為建筑能耗大國,建筑節能勢在必行,窗戶作為建筑節能的重要一環,因此大力研究和發展節能窗戶具有一定的現實意義。

2節能窗戶的性能評價指標

目前評價窗戶節能性能的指標往往有以下4種。

2.1　傳熱系數(U)

當室內外存在溫差時,窗戶將會通過窗框和玻璃以傳導、對流、長波輻射組合的方式損失熱量或得到熱量。U值代表了整體的傳熱能力和保溫能力。

2.2　太陽得熱系數(SHGC)

不管室外溫度如何,窗戶都可以通過直接或間接太陽輻射獲得熱量。窗戶的太陽得熱能力可以由窗戶的太陽得熱系數或遮陽系數來表征。

2.3　可見光透射比(VT)

可見光透射比是玻璃的一種光學性能,用以描述透過玻璃的可見光的量值。增大可見光透射比可提供充足的自然采光,從而減少電氣照明及相關空調負載,以此影響建筑能耗。

2.4　空氣滲透(AL)

窗扇和窗框之間的縫隙所引起的空氣滲透也會帶來熱量的損失和積累。這種影響通常以特定壓力條件下透過單位面積窗戶的空氣滲透率進行量化。

3影響窗戶節能的因素

3.1　玻璃

玻璃作為窗戶的主體部分,對窗戶整體的節能效果有著舉足輕重的作用。玻璃本身的材料,窗戶使用玻璃的結構以及玻璃和框材的結合方式,都是影響窗戶節能效果的關鍵因素。單純增加玻璃厚度并不能有效提高玻璃的隔熱性能,因此在目前市場中,單層玻璃窗已銷聲匿跡,取而代之以利用中間的空氣腔來降低傳熱的雙層玻璃。但雙層玻璃并未對可見光透射比和太陽得熱系數有明顯的改善。因此,節能窗戶的設計關鍵就是采用節能性能較好的玻璃,以此來提高窗戶的節能性能。

3.2　框材

窗框的材質決定了諸如窗框厚度、結構強度、重量和耐久性等窗戶的物理性能,對窗戶的熱工性能也有影響。目前市場中應用較廣的框材為鋁合金窗框以及以塑料為框材加入型材的塑鋼窗。塑鋼窗由于多腔式的結構從而具有了良好的隔熱性能,傳熱系數僅為鋼材的1/357,鋁材的1/1250;同時其在耐候性、耐腐蝕性、氣密性、水密性、隔聲性等方面均具有良好的性能。

3.3　密封部件

窗是靠五金配件來完成開啟、關閉功能的,是最易磨損和持續活動的部分,其功能的有效性不僅直接導致安全問題,而且影響建筑窗的保溫性能以及水密性、氣密性。對平開窗而言,多鎖點五金件比單鎖點五金件可大大提高窗的密封性能。

同時,洞口密封材料的質量既影響建筑的保溫節能效果,也關系到墻體的防水性能。目前鋼塑窗框的四邊與墻體之間的空隙,通常使用聚氨酯發泡體進行填充。此類材料不僅有填充作用,而且還有很好的密封保溫和隔熱性能。另外應用較多的密封材料還有硅膠、三元乙丙膠條。密封膠條用于玻璃和扇及框之間的密封,在塑鋼窗中起著水密、氣密及節能的重要作用。

4提高窗戶節能性能的措施

4.1　玻璃的選擇

設計出高性能的節能窗戶,最重要的就是在多樣的玻璃工藝中,選擇、搭配出最合理的窗戶制作方案,進而達到窗戶節能性的要求。其中雙層和多層中空玻璃以及著色玻璃是常用的選擇方式。多層玻璃可以提高玻璃的保溫性能,而著色玻璃可以降低太陽輻射得熱和眩光。

4.1.1　夾層玻璃

同為透明無色玻璃,單層玻璃的U值1.09,雙層中空玻璃U值不到0.5,三層雙中空玻璃U值僅為0.31。可見多層玻璃對建筑的熱損耗能起到不小的彌補作用。但實驗也表明,多層玻璃雖然傳熱損失顯著降低,但可見光透射比和太陽得熱系數的削減并不令人滿意。

4.1.2　著色玻璃及光致變色玻璃

著色會降低單層玻璃的太陽得熱系數,但是可見光透射比下降更快,而且顏色對太陽得熱系數的降低程度有限。如需較大程度降低太陽得熱系數,可使用反射涂層來增加材料表面的反射率。但由于這些涂層對于外界影響比較強烈,會像鏡子那樣強烈反射陽光,對于臨近建筑會造成影響。而且著色玻璃并不能隨周圍環境的改變而調節自身的性能,在很多時候既不能滿足節能要求,又不能滿足業主的環境要求。相比較之下,光致變色玻璃是種較理想的窗戶材料。這種材料能從室內昏暗條件下的透明狀態轉變為到室外明亮條件下的暗色狀態,允許足夠的光線透過以提供照明的同時,阻斷可引起眩光和空調運行的過量太陽光。而且其制作成并不高,是制作節能建筑窗戶的理想材料。

4.1.3　夾層中填充氣體

在夾層中間填充氣體可以提高夾層玻璃窗的節能性能。為了讓效果達到最好,要嚴格控制厚度和向中空玻璃所填充的氣體。氪氣和氬氣是兩種常用的惰性氣體,無毒、無色、無味且化學性質穩定。填充氪氣后玻璃的保溫性能優于填充氬氣,不過氪氣成本較高。但是氣體總會存在滲漏的問題,因而此項工藝十分依賴于玻璃的密封質量。在技術達到要求,能夠提供良好質量保障時,填充惰性氣體以提高窗戶的節能性能是不錯的選擇。

4.1.4　鍍膜玻璃

在大部分商業建筑中,通常會采用Low-E涂層來降低太陽得熱,雖然這使得可以用來補充采暖的有利太陽得熱有所減少,但是顯然控制太陽得熱更為重要。Low-E玻璃的太陽能控制范圍可以有較大的變化,同時還可以保持較低的U值。

4.2　框材

4.2.1　復合框材

所謂復合框材,主要由兩種或兩種以上單一材料構成。試驗證明,由金屬與非金屬相互復合的框材,其性能可得到全面優化。如塑鋼框材利用塑料的可塑性可制成復雜斷面,從而為安裝密封條和鑲嵌卡條提供最佳斷面,可大幅提高窗的氣密性和水密性。在窗框設計中,可以將金屬框材面向室外,將塑料框朝向室內。這一方面可滿足建筑外觀要求,同時還可使室內側免于暴露金屬表面,有利于防止結露和觸摸時冰涼的不適感。塑料框材布置在室內可避免陽光直射,減少老化,延長壽命。

4.2.2　窗框填充材料

新材料出現后需要有相應的結構配合使之發揮合理性能。同樣的材料采用的結構不同,在性能上相差很大。窗框采用多腔隔熱條、密封采用多道密封和玻璃、附件配套,使窗框的傳熱系數大幅度降低。為提高框架的熱阻,應加大隔熱條的寬度或連接內外鋁框的隔熱芯子的厚度。為了框架斷面的緊湊,根據熱流長度原理,在隔熱條同樣寬度下,可設計成“弓”形從而增加熱流的長度,提高了熱阻,使傳熱系數進一步降低。

適當加寬隔熱條可有效降低K值,但若加得太大,會造成結構不緊湊,必須還要尋求提高熱阻的措施。根據熱傳導原理,可將熱傳導的面設計成疊加的多空腔以提高熱阻。另窗關閉時的縫隙密封處理是一個薄弱環節。窗的密封構造設計除解決對流熱損失問題外,還要考慮解決熱傳導的損失問題,因此密封條的設計除考慮密封性能外還需考慮多頭密封空腔,形成多腔空間,以使傳熱系數與其他部分配套。

4.3　窗戶的安裝

節能窗的安裝應根據不同的材料情況,采用焊接、膨脹螺栓或射釘等方法固定。不論采用何種固定方法,安裝均須牢固。增加窗戶開啟縫隙的搭接量,減小開啟縫的寬度。按所用材料、斷面形狀、裝置部位,采用各種密封條進行密封,以提高外窗的氣密性水平。窗上壓縫條、密封條的安裝應順直,與窗結合應牢固嚴密。當采用塑料窗時,與塑料型材緊密接觸的各種五金件、緊固件、密封條、間隔條、墊塊、密封材料和保溫材料等,在性能上應與PVC材性相容。另塑料窗對溫度比較敏感,故窗進入現場后應在50℃以下的庫房(棚)內存放,并遠離熱源。要注意塑料窗及玻璃的安裝,避免在低溫下進行施工。

5結語

(1)玻璃的改進。高性能窗戶可以采用中空玻璃(由一層Low-E+一層普通浮法玻璃或兩層以上Low-E浮法玻璃構成)或光致變色玻璃,四周用高強高氣密性復合粘結劑,將兩片或多片玻璃與密封條、玻璃條粘接、密封。中間充入干燥氣體,框內充以干燥劑,以保證玻璃片間空氣的干燥度。另外,在寒冷地區的建筑,應保證窗戶具有低U值,高太陽得熱系數的特點,而炎熱地區,則是低U值,低太陽得熱系數,所以各種玻璃需要活用,在不同地區應該裝配不同種類。

(2)窗框的改進。研發并采用新型的復合框材,金屬材料與非金屬材料的搭配。并在窗框的斷面內加入加寬隔熱條。

(3)密封部件的改進。密封條的設計除考慮密封性能外還需考慮多頭密封空腔,形成多腔空間,以求得傳熱系數與其他部分配套。高性能、耐久的五金配件,可以提高窗戶的節能性能。

中圖分類號:TU831

文獻標識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0261-03

通訊作者:馮萍(1975—),女,湖北襄陽人,副教授,主要從事建筑技術教學與研究工作。

作者簡介:馮沫(1993—),女,北京人,北京建筑大學土木與交通工程學院大學生。

基金項目:北京市本科生科研訓練項目資助(2014年)(編號:48041614002)資助

收稿日期:2014-11-13