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框铝合金平开窗节能保温分析
(2009-09-17 00:20:22)
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杂谈

什么样的窗是节能保温窗？一种说法是窗框型材导热系数低的是节能窗，另一说法是整窗传热系数K值低的窗则是节能保温窗等，莫衷一是。对于节能保温问题还需从热的传输方式来分析，热的传输有传导、对流、辐热3种方式。玻璃导热系数为0.75W/(m.K)；铝为203W/( m.K)；PVC塑料为0.16W/(m.K)。
　　一、节能保温窗性能分析
　　1.材质传热性能对节能保温性能的影响
　　总热绝缘系数R：
　　R=Ri+R+Re
　　式中：Ri—内表面换热热绝缘系数，取0.11m2•K/W；
　　Re—外表面换热热绝缘系数，冬季取0.04m2•K/W，；夏季取0.05m2•K/W；
　　R—围护结构传热热绝缘系数，单一材料R=δ/λ，多层围护结构R=R1+R2……+ Rn。
　　当围护结构有空气层时，空气层的传热热绝缘系数为：中空玻璃da=6mm时取0.1m2•K/W ；da=9mm时取0.12(m2•K)/W；da=12mm时取0.14(m2)/W。
　　当采用玻璃、铝板、PVC塑料板做围护构件(T=3mm)时的传热系数(冬季)如下：
　　玻璃：R=0.11+0.003/0.76+0.04
　　　　　 =0.1539m2•K/W
　　　　　K=1/R=6.496W/(m2•K)
　　铝板：R=0.11+0.003/203+0.04
　　　　　=0.1500m2•K/W
　　K=1/R=6.666W/(m2•K)
　　PVC塑料板：R=0.11+0.003/0.16+0.04
　　　　　　　　=0.1688m2•K/W
　　K=1/R=5.9259W/(m2•K)
　　由上可知：铝板的传热系数是玻璃的102.62%、塑料的112.49%；塑料的传热系数是玻璃的91.22%。
　　2.玻璃厚度对节能保温性能的影响
　　当采用中空玻璃时，不同厚度玻璃(同样空气层)的传热系数(冬季)如下：
　　(1)6(玻璃厚度)+6(空气层厚度)+6(玻璃厚度)时：
　　R=0.11+0.006/0.76+0.10+0.006/0.76+0.04=0.2658m2•K/W；
　　K=1/R=3.7624W/(m2•K)
　　(2)当8+6+8时：
　　R=0.11+0.008/0.76+0.10+0.008/0.76+0.04
　　 =0.2711(m2•K)/W
　　K=3.6893W/(m2•K)
　　(3)当10+6+0时：
　　R=0.2763(m2•K)/W
　　K=3.619W/(m2•K)
　　玻璃厚度6mm时的传热系数是厚10mm的103.96%；8mm时是10mm的101.94%；6mm时是 8mm的101.98%，这说明玻璃的厚度对传热系数的影响很小。
　　3.空气层厚度对节能保温性能的影响
　　而增大空气层厚度，当采用8＋9＋8时：
　　R=0.11+0.008/0.76+0.12+0.008/0.76+0.04=0.2911m2•K/W
　　K=1/R=3.4358W/(m2•K)
　　当采用8+12+8时：R=0.3111m2•K/W
　　K=3.2148W/(m2•K)
　　空气层厚度9mm时的传热系数是6mm的93．13％；12mm时是6mm的87．13%。
　　由上见，要降低窗的传热系数，采取增大空气层的效果明显。但试验结果表明，空气层不大于20mm时，传热热绝缘系数随空气层厚度增大而增加，超过２０mm以后，随空气层厚度增加热绝缘系数反而递增。
　　4.型材对节能保温性能的影响
　　窗的主要功能是采光，不透光的材料只能用作窗框，大部分面积要用玻璃。不同窗框材料做的窗透光面积比值是不一样的，以1200mm×1500mm窗为便，铝合金平开窗透光面积约92％左右，塑料窗占８０％～８５％。窗的传热由窗框传热与玻璃传热两部分组成，采用同样的玻璃时，由于玻璃传热其本相同（会由于玻璃所占整窗面积比不一样而有所不同），虽然窗框材料传热差异较大，但由于占窗面积比值不大，且铝合金、塑料窗框均为空心型材（空腔空气层有传热热绝缘性），所以整窗传热系数不会有太大的差别。
　　5.气密性对节能保温性能的影响
　　窗的漏气量属于窗的气密性能指标，但对窗的保温性能影响较大。漏气量无论对冬季保温地区和夏季防热地区保持室内温度都有重大影响。
　　GBJ119－87中，由门窗缝隙渗入室内冷空气的热量计算公式为：
　　Q=αCpL(tn-twn)Pwnm
　　例如：漏气1m3，采暖室外温度0℃，采暖室内设计温度20℃，空气密度1.25kg/m3时：　　Q=0.28×1×1×(20-0)×1.25×1=7W/h
　　以1.2m×1.5m双扇平开窗为例，缝隙长约10m。当采用气密Ⅰ级，漏气量为0.5m3/(m•h)，总漏气量5m3/h，温差20℃时耗能35W/h；采用气密Ⅱ级，漏气量1.5m3/(m•h)，总漏气量15m3/h，温差20℃时耗能105W/h；采用气密Ⅲ级，漏气量2.5m3/(m•h)，总漏气量25m3/h，温差20℃时耗能175W/h；采用气密Ⅳ级，漏气量4m3/(m•h)，总漏气量40m3/h，温差20℃时耗能280W/h。按采暖期150天计，每漏气10m3，煤耗73kg/年，气密Ⅳ级窗1年耗煤297kg/m2。
　　二、镀膜中空玻璃隐框铝合金窗分析
　　1.镀膜玻璃的节能保温分析
　　太阳辐射热通过窗辐射对室内温度产生影响，我国地域广大，气候条件各异，《民用建筑热工设计规范》GB50176－93，将热工设计分区划分为：寒地区（必须充分满足冬季保温要求，一般不考虑夏季防热）；寒冷地区（应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热）；夏热冬冷地区（必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温）；夏热冬暖地区（必须充分满足夏季防热要求，一般不考虑冬季保温）；温和地区（部分地区考虑冬季保温，一般不考虑夏防热）。这样不同地区对太阳辐射热的利用（限制）就有不同要求，严寒（寒冷）地区要充分利用太阳辐射热，并使已进入室内的太阳辐射热最大限度地留在室内；而对夏热冬暖（冬冷）地区，夏季要限制太阳辐射热进入室内。窗玻璃的透光系数（透明玻璃）在72％（19mm）～89％（2mm）之间。透明玻璃在透光的同时，太阳辐射热也辐射入室内，现在可采用镀膜玻璃，使太阳可见部分透射入室内，将太阳辐射热部分反射，以减少进入室内的太阳辐射热。阳光控制膜玻璃SS－8可见光透射率为2％，太阳能反射率为33％；CG－20可见光透射率为20％，太阳能反射率为49％；CG－20可见光透射率为20％，太阳能反射率39％；而低辐射Low－E玻璃对外辐射热量；严寒（寒冷）地区，白天太阳辐射热能通过窗玻璃进入室内，被室内物体吸收（贮存），当太阳落山后，室内温度高于室外（还有室内采暖设备的热量）就以远红线通过窗户向室外辐射，如果采用低辐射膜玻璃，白天将太阳辐射热吸收到室内（约90％），晚上又能将远红外辐射部分反射回室内。因此，对不同热工设计分区的窗应选用不同种类镀膜玻璃，即冬季当暖为主地区，宜选用Low－E玻璃，以夏季防热为主的地区，宜选用阳光控制膜。
　　2.镀膜中空玻璃隐框铝合金平开窗的特点
　　对节能保温窗的评价应考虑窗的传热系数、空气渗透量、镀膜玻璃的可见光透射率和太阳能（黑体远红外线）反射率，进行综合平衡，当然还要进行技术经济比较。镀膜中空玻璃隐框铝合金平开窗就是具有这种综合功能的节能保温窗。由于镀膜中空玻璃是用胶固定在铝合金框上，窗的外侧合部为中空玻璃，铝框不与室外空气接触，这样当窗两侧存在温差时的传热由镀膜中空玻璃承担；且中空玻璃具有较低的传热系数，而铝合金平开窗又具有良好的气密性能气密Ⅰ级，漏气量（KG）。
　　3.节能效果比较
　　按JGJ26－93中有关公式，采用各种类型的建筑耗能情况，可从定量上了解各种窗的节能效果。
　　以北京市某建筑为例，平面尺寸10m×10m，建筑面积100m2，层高4m，外墙面积160m2，其中窗占1/6。
　　(1)第1种情况，采用240mm厚砖墙：Ki=2.2W/(m2•K)，单玻钢窗：Ki=6.0W/(m2•K);qo=6m3(m•h)，缝隙5m/m2。
　　漏气量：160×1/6×6×5=800m3h
　　V=400m3，n=800/400=2次/h
　　QINF=24×0.28×1.25×2×400×(2470+2×126)
　　　 =18291840W
　　单位面积耗热量：18291840/100=182918W/m2
　　QHT=24×(0.34×40+0.66×80+0.81×40)×5/6×2.2+1/6×6)×(2470+2×126)
　　　 =18287485W
　　单位面积耗热量：18287485/100=182875W/m2
　　Q=182918+182875-24×3.8×126=345302W/m2
　　耗煤量：Qe=354302/(0.85×0.55×8.14×103)=93.1kg/m2
　　(2)第2种情况，采用单玻铝合平开窗：Ki=6.0W/(m2•K)，ｑo=0.5m3(m•h)。漏气量：160×1/6×0.5×5=66.7m3h
　　V=400m3，n=66.7/400=0.17次/h
　　QINF=24×0.28×1.25×0.17×400×(2470+2×126)=1554806W
　　单位面积耗热量：1554806/100=15548W/m2
　　QH=182875+15548-24×3.8×126=186932W/m2
　　耗煤量：Qe=186932/(0.85×0.55×8.14×103)=49.12kg/m2
　　(3)第3种情况，采用中空玻璃隐框铝合金平开窗：
　　Ki=3.2W/(m2•K)。
　　QHT=24×(0.34×40+0.66×80+0.81×40)×(5/6×2.2+1/6×3 .2)×(2470+2×126)
　　　 =15275428W
　　15275428/100=152754W/m2
　　QH=152754+15548-24×3.8×126=1561W/m2
　　耗煤量：Qe=156811/(0.85×0.55×8.14×103)=41.20kg/m2
　　(4)第4种情况，采用Low-E膜中空玻璃(北京地处北纬40度，大气透明度4级)，假定东、西、南、北四面各占窗面积1/4，则进入室内的太阳辐射热为：
　　(160×1/6×1/4)×3067+4186+1904+4.86)×0.9×0.7×0.5×126=3530558W
　　=3530558/100=35306W/m2
　　QH=152754+15548-35306-24×3.8×126=121505W/m2
　　耗煤量Qe=121505/(0.85×0.55×8.14×103)=31.93kg/m2
　　由以上计算可见，用Low－E膜中空玻璃隐框铝合金平开窗的耗煤量是钢窗的34％，是单玻铝合金平开窗的65％，是透明中空玻璃的77.50％；如果再计入室内取暖设备远红外辐射被Low－E膜反射留在室内的热量，热耗（煤耗）还会进一步减少。
　　以上分析说明，镀膜（Low－E膜）中空玻璃隐框铝合金平开窗具有传热系数低，漏气量小，吸收（保持）太阳辐射热多的特点，是一种理想的节能保温窗。而在防热地区用用阳光控制镀膜中空玻璃隐框铝合金平开窗，由于它具有传热系数低、漏气量小，同时反射太阳辐射热的特点，是一种节能隔热窗。
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