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超低能耗建筑用外窗设计依据

超低能耗建筑用外窗设计依据

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超低能耗建筑用外窗设计依据

【关键词】环境温度 热舒适度 相对湿度 结露点 传热系数 适合国情的标准

【摘要】我国是多气候区域,地区之间差异明显,分严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖地区,因此不能生搬硬套德国的指标,但他们提出的外窗的能耗应保证室内热舒适度的两条准则原理是应当借鉴的,根据这两条准则原理,结合我国的实际情况,以作为外窗设计的依据。

前言

     节能减排是国家经济发展必由之路,建筑门窗的节能是全社会节能减排的重要组成部分,不仅在我国,就是西方发达国家也是积极推进建筑门窗的节能工作,目前国家对碳中和、碳达峰要求为2030年和2060年,降低能耗已迫在眉睫。

     德国现行门窗节能标准为1.0 w/m2.k≤Uw≤1.2w/m2.k,且要求在2020年前,所有建筑节能要达到近零能耗,即所谓“被动式超低能耗建筑”要达到这个要求。根据德国的气候条件,其门窗保温性能,必须是Uw≤0.8w/m2.k,当然不仅仅是单纯降低Uw值,其他相关产品性能指标应相应与其配套,只不过是门窗Uw值降低难度更大一些,而且也是一个主要的指标。

      我国超低能耗建筑,在住建部科技与产业发展中心的直接领导全面质量监督下,各地已建了多个项目,如秦皇岛“在水一方”和哈尔滨的“辰能.溪树庭院”,积累了不少经验。当前国内各地区都有一些项目在建中,与其配套的门窗对我国来说,还是一个薄弱环节。

      由于我国的气候条件地理环境与德国不一样,不能完全照搬德国的相关技术指标,而应吸收他们的经验,来制订适合我国国情的相关标准,满足建筑节能要求。

一、超低能耗建筑用外窗性能确定的依据

1、人体对环境温度的反应

      研发超低能耗建筑外窗的设计,首先要讨论室内环境满足人们工作、生活所需要的舒适度,其影响因素为空气温度、相对湿度、气流速度及平均辐射温度。其核心点是室内环境,使人在休息时能保持体温在37℃左右,超过或低于2℃时,在短期内还可忍受,若持续时间太长或体温升降偏差太大时,就会损害健康,甚至危及生命,因此,在人类赖以生存的条件范围内,有一个较小的区间定为“舒适区”,在此条件下,人体热调节机能的应变最小。

早在40多年前,美国耶鲁大学盖奇等人就提出了人体热感觉与环境、健康状态的关系。

2、室内环境热舒适度准则

     德国在建造“被动式超低能耗建筑”外窗时,提出对窗的能耗保证热舒适度的两条准则,应是我们设计开发我国超低能耗建筑外窗基本依据,归纳如下:

      第一,窗安装上墙后,整窗的传热系数Uw,不论室外空气温度是多少,在控制能耗的情况下,应保持室内温度为20℃,室内表面平均温度在设计条件下,高于17℃,否则在地面可能形成冷气层,在窗边会感觉不舒适。

     第二,为了防止细菌生长,在室内空气相对湿度,人体感到舒适范围内,即30%~65%之间,即要求窗室内表面在相对湿度为65%时不产生结露,这时露点温度为13.2℃,因此,窗的内表面温度最低点位置应保持在13℃以上。

二、我国超低能耗建筑外窗性能的确定

      我国是多气候区域,地区之间差异明显,分严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖地区,因此不能生搬硬套德国的指标,但他们提出的外窗的能耗应保证室内热舒适度的两条准则原理是应当借鉴的,根据这两条准则原理,结合我国的实际情况,以作为外窗设计的依据,从建造室内舒适小环境中。简单地讲,可分为两种作用的性能。

      一种是根据外界环境制定的性能指标,如传热系数K值及抗风压性能,它控制室内小环境的热舒适度和安全。

     另一种是对室内小环境舒适度的保证,如气密、水密、隔声、防火、太阳能热量获得率及使用寿命等可作为定值的择优确定,因此除抗风压性能和传热系数K值要根据我国的气候异常条件确定外,其余可基本采用德国的性能数据,包括窗的安装上墙要求。这样,抗风压性能按常规计算取值即可,而保温性能则按热传导的基本原理,即可推导出我国各地区的传热系数指标,其中针对寒冷和严寒地区主要是防寒,夏热冬暖地区是防热和潮湿,而夏热冬冷地区则二者兼顾。

      以严寒地区为例,大家都会有共同感觉是气候干燥,而南方冬天因潮湿,其温度虽然在零上10℃以内,还是觉得很冷,但北方同样温度下,就不像南方那样感觉很冷。因此在吸取德国两条舒适度准则中,我们认为采用温度为20℃,由于室内空气干燥,窗内表面温度可低一些取16℃也不会有冷辐射感觉,其相对湿度取30%-55%以满足舒适度为准,减少了过度的要求。

      按以上意见,基本准则确定后,按稳定传热条件来计算,即可推导出外窗传热系数K值。即外窗的传热系数和防止结露的最低温度表面的传热系数,按此两个指标和与其配套的性能的保证指标,即可设计开发出超低能耗建筑用外窗的依据。

     现举严寒地区为例:

     设室外温度为t0,室内温度ti为20℃,窗内壁平均温度tib为16℃,相对湿度为55%计算,则室内结露点温度为10.7℃,这样窗内壁最低点温度取≥11℃,则可求出K值,以满足外界温度的要求。

kw≤[(ti- tib).hi]/ (ti- t0)

上式中:

kw —窗的传热系数w/m2.k

ti —室内温度K取20℃

t0 —室外温度K

hi —窗内表面换热系数,取8 w/m2.k

tib —窗内壁平均温度取16℃

     若严寒地区某城市,冬季室外最低温度为t0=-35 ℃,即可求出整窗的传热系数Kw值。

kw≤[(20- 16).8]/ [20-(-35)] ≤0.58 w/m2.k

     窗的薄弱环节部位的传热系数KL,应保证内壁薄弱点的温度>11℃。

则KL<[(20- 11).8]/ [20-(-35)] <1.3 w/m2.k

其他地区,均可按照以上原则,采用本地区热舒适度取值,以确定窗的性能指标。

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三、小结

      超低能耗建筑,将成为我国建筑节能发展趋势,而其外窗设计制造也是其关健内容。为尽快开发研制出适合我国国情的超低能耗建筑外窗,提出我们的想法和建议,以作为制订标准的参考。

参考文献:

1.塑料门窗设计原理   李之毅  姜成爱   2007.3

 2.被动式超低能耗建筑用外窗传热系数指标研究  万成龙   王洪涛等   2016.3

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