节能窗的发展与问题探讨

冯沫,王申禹,冯萍

(北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京100044)

节能窗的发展与问题探讨

冯沫,王申禹,冯萍

(北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京100044)

摘要:介绍了节能窗户性能评价指标,指出了影响窗户节能的因素,并从玻璃的选择、框材的选择以及安装方面提出了相应的改善措施,希冀对我国建筑节能的实施提供一定的参考。

关键词:节能窗;玻璃;框材;安装工艺

1引言

窗是建筑组成中的重要元素,通常是建筑外观的一个主导特征。除此之外,窗户为建筑使用者提供采光、视野和新鲜的空气,同时窗户在影响能源利用,电力需求及环境等方面,也起着举足轻重的作用。大量研究表明,通过窗户的太阳得热和热损失占建筑采暖和空调负荷较大比重。合理的窗户设计和选择能够减少电力照明负荷、电力峰值需求和空调负荷,从而避免昂贵的用电支出。我国作为建筑能耗大国,建筑节能势在必行,窗户作为建筑节能的重要一环,因此大力研究和发展节能窗户具有一定的现实意义。

2节能窗户的性能评价指标

目前评价窗户节能性能的指标往往有以下4种。

2.1　传热系数(U)

当室内外存在温差时,窗户将会通过窗框和玻璃以传导、对流、长波辐射组合的方式损失热量或得到热量。U值代表了整体的传热能力和保温能力。

2.2　太阳得热系数(SHGC)

不管室外温度如何,窗户都可以通过直接或间接太阳辐射获得热量。窗户的太阳得热能力可以由窗户的太阳得热系数或遮阳系数来表征。

2.3　可见光透射比(VT)

可见光透射比是玻璃的一种光学性能,用以描述透过玻璃的可见光的量值。增大可见光透射比可提供充足的自然采光,从而减少电气照明及相关空调负载,以此影响建筑能耗。

2.4　空气渗透(AL)

窗扇和窗框之间的缝隙所引起的空气渗透也会带来热量的损失和积累。这种影响通常以特定压力条件下透过单位面积窗户的空气渗透率进行量化。

3影响窗户节能的因素

3.1　玻璃

玻璃作为窗户的主体部分,对窗户整体的节能效果有着举足轻重的作用。玻璃本身的材料,窗户使用玻璃的结构以及玻璃和框材的结合方式,都是影响窗户节能效果的关键因素。单纯增加玻璃厚度并不能有效提高玻璃的隔热性能,因此在目前市场中,单层玻璃窗已销声匿迹,取而代之以利用中间的空气腔来降低传热的双层玻璃。但双层玻璃并未对可见光透射比和太阳得热系数有明显的改善。因此,节能窗户的设计关键就是采用节能性能较好的玻璃,以此来提高窗户的节能性能。

3.2　框材

窗框的材质决定了诸如窗框厚度、结构强度、重量和耐久性等窗户的物理性能,对窗户的热工性能也有影响。目前市场中应用较广的框材为铝合金窗框以及以塑料为框材加入型材的塑钢窗。塑钢窗由于多腔式的结构从而具有了良好的隔热性能,传热系数仅为钢材的1/357,铝材的1/1250;同时其在耐候性、耐腐蚀性、气密性、水密性、隔声性等方面均具有良好的性能。

3.3　密封部件

窗是靠五金配件来完成开启、关闭功能的,是最易磨损和持续活动的部分,其功能的有效性不仅直接导致安全问题,而且影响建筑窗的保温性能以及水密性、气密性。对平开窗而言,多锁点五金件比单锁点五金件可大大提高窗的密封性能。

同时,洞口密封材料的质量既影响建筑的保温节能效果,也关系到墙体的防水性能。目前钢塑窗框的四边与墙体之间的空隙,通常使用聚氨酯发泡体进行填充。此类材料不仅有填充作用,而且还有很好的密封保温和隔热性能。另外应用较多的密封材料还有硅胶、三元乙丙胶条。密封胶条用于玻璃和扇及框之间的密封,在塑钢窗中起着水密、气密及节能的重要作用。

4提高窗户节能性能的措施

4.1　玻璃的选择

设计出高性能的节能窗户,最重要的就是在多样的玻璃工艺中,选择、搭配出最合理的窗户制作方案,进而达到窗户节能性的要求。其中双层和多层中空玻璃以及着色玻璃是常用的选择方式。多层玻璃可以提高玻璃的保温性能,而着色玻璃可以降低太阳辐射得热和眩光。

4.1.1　夹层玻璃

同为透明无色玻璃,单层玻璃的U值1.09,双层中空玻璃U值不到0.5,三层双中空玻璃U值仅为0.31。可见多层玻璃对建筑的热损耗能起到不小的弥补作用。但实验也表明,多层玻璃虽然传热损失显著降低,但可见光透射比和太阳得热系数的削减并不令人满意。

4.1.2　着色玻璃及光致变色玻璃

着色会降低单层玻璃的太阳得热系数,但是可见光透射比下降更快,而且颜色对太阳得热系数的降低程度有限。如需较大程度降低太阳得热系数,可使用反射涂层来增加材料表面的反射率。但由于这些涂层对于外界影响比较强烈,会像镜子那样强烈反射阳光,对于临近建筑会造成影响。而且着色玻璃并不能随周围环境的改变而调节自身的性能,在很多时候既不能满足节能要求,又不能满足业主的环境要求。相比较之下,光致变色玻璃是种较理想的窗户材料。这种材料能从室内昏暗条件下的透明状态转变为到室外明亮条件下的暗色状态,允许足够的光线透过以提供照明的同时,阻断可引起眩光和空调运行的过量太阳光。而且其制作成并不高,是制作节能建筑窗户的理想材料。

4.1.3　夹层中填充气体

在夹层中间填充气体可以提高夹层玻璃窗的节能性能。为了让效果达到最好,要严格控制厚度和向中空玻璃所填充的气体。氪气和氩气是两种常用的惰性气体,无毒、无色、无味且化学性质稳定。填充氪气后玻璃的保温性能优于填充氩气,不过氪气成本较高。但是气体总会存在渗漏的问题,因而此项工艺十分依赖于玻璃的密封质量。在技术达到要求,能够提供良好质量保障时,填充惰性气体以提高窗户的节能性能是不错的选择。

4.1.4　镀膜玻璃

在大部分商业建筑中,通常会采用Low-E涂层来降低太阳得热,虽然这使得可以用来补充采暖的有利太阳得热有所减少,但是显然控制太阳得热更为重要。Low-E玻璃的太阳能控制范围可以有较大的变化,同时还可以保持较低的U值。

4.2　框材

4.2.1　复合框材

所谓复合框材,主要由两种或两种以上单一材料构成。试验证明,由金属与非金属相互复合的框材,其性能可得到全面优化。如塑钢框材利用塑料的可塑性可制成复杂断面,从而为安装密封条和镶嵌卡条提供最佳断面,可大幅提高窗的气密性和水密性。在窗框设计中,可以将金属框材面向室外,将塑料框朝向室内。这一方面可满足建筑外观要求,同时还可使室内侧免于暴露金属表面,有利于防止结露和触摸时冰凉的不适感。塑料框材布置在室内可避免阳光直射,减少老化,延长寿命。

4.2.2　窗框填充材料

新材料出现后需要有相应的结构配合使之发挥合理性能。同样的材料采用的结构不同,在性能上相差很大。窗框采用多腔隔热条、密封采用多道密封和玻璃、附件配套,使窗框的传热系数大幅度降低。为提高框架的热阻,应加大隔热条的宽度或连接内外铝框的隔热芯子的厚度。为了框架断面的紧凑,根据热流长度原理,在隔热条同样宽度下,可设计成“弓”形从而增加热流的长度,提高了热阻,使传热系数进一步降低。

适当加宽隔热条可有效降低K值,但若加得太大,会造成结构不紧凑,必须还要寻求提高热阻的措施。根据热传导原理,可将热传导的面设计成叠加的多空腔以提高热阻。另窗关闭时的缝隙密封处理是一个薄弱环节。窗的密封构造设计除解决对流热损失问题外,还要考虑解决热传导的损失问题,因此密封条的设计除考虑密封性能外还需考虑多头密封空腔,形成多腔空间,以使传热系数与其他部分配套。

4.3　窗户的安装

节能窗的安装应根据不同的材料情况,采用焊接、膨胀螺栓或射钉等方法固定。不论采用何种固定方法,安装均须牢固。增加窗户开启缝隙的搭接量,减小开启缝的宽度。按所用材料、断面形状、装置部位,采用各种密封条进行密封,以提高外窗的气密性水平。窗上压缝条、密封条的安装应顺直,与窗结合应牢固严密。当采用塑料窗时,与塑料型材紧密接触的各种五金件、紧固件、密封条、间隔条、垫块、密封材料和保温材料等,在性能上应与PVC材性相容。另塑料窗对温度比较敏感,故窗进入现场后应在50℃以下的库房(棚)内存放,并远离热源。要注意塑料窗及玻璃的安装,避免在低温下进行施工。

5结语

(1)玻璃的改进。高性能窗户可以采用中空玻璃(由一层Low-E+一层普通浮法玻璃或两层以上Low-E浮法玻璃构成)或光致变色玻璃,四周用高强高气密性复合粘结剂,将两片或多片玻璃与密封条、玻璃条粘接、密封。中间充入干燥气体,框内充以干燥剂,以保证玻璃片间空气的干燥度。另外,在寒冷地区的建筑,应保证窗户具有低U值,高太阳得热系数的特点,而炎热地区,则是低U值,低太阳得热系数,所以各种玻璃需要活用,在不同地区应该装配不同种类。

(2)窗框的改进。研发并采用新型的复合框材,金属材料与非金属材料的搭配。并在窗框的断面内加入加宽隔热条。

(3)密封部件的改进。密封条的设计除考虑密封性能外还需考虑多头密封空腔,形成多腔空间,以求得传热系数与其他部分配套。高性能、耐久的五金配件,可以提高窗户的节能性能。

中图分类号:TU831

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2015)01-0261-03

通讯作者:冯萍(1975—),女,湖北襄阳人,副教授,主要从事建筑技术教学与研究工作。

作者简介:冯沫(1993—),女,北京人,北京建筑大学土木与交通工程学院大学生。

基金项目:北京市本科生科研训练项目资助(2014年)(编号:48041614002)资助

收稿日期:2014-11-13