被动式超低能耗建筑用外窗传热系数指标分析.pdf

2023年9 月被动式超低能耗建筑用外窗传热系数指标分析徐海华1 严浩董呈明3（1.浙江省建设工程质量检验站有限公司，浙江杭州3 1 0 0 1 2;2.中亿丰罗普斯金材料科技股份有限公司，江苏苏州2 1 5 1 0 0;3.浙江瑞明节能门窗技术有限公司，浙江湖州3 1 3 2 0 3）摘要：近几年，被动式超低能耗建筑开始增多，作为节能建筑的代表，被动式建筑对外窗性能的要求极为严格，只有安装传热系数符合要求的外窗，才能使超低能耗建筑的价值得到最大化体现。文章以此为背景，围绕外窗传热系统的计算与选择展开了讨论，先介绍了相关指标的计算标准和方法，随后，对指标确定依据进行了分析，希望能够给相关人员以启发，为日后设计外窗产品、建设被动式建筑等工作的开展提供理论参考。关键词：传热系数指标；被动式超低能耗；建筑施工；外窗0引言新形势下，节能减排发展理念在建筑领域得到落实，通过做好外窗节能设计，优化外窗传热系数，实现节能减排目标。以德国为代表的西方国家，在外窗节能研究领域的起步较早，并提出了实现外窗节能的行业标准规范，要求建筑节能达到零能耗，即推广“被动式超低能耗建筑”。在我国，该类建筑需要在住建部统一指导下组织建设，现已取得了一定成就，如秦皇岛的“在水一方”。在绿色节能理念下，如何控制外窗传热系数成为业内人士关注的重点，为实现上述发展目标，有必要对门窗传热系数做出准确分析与计算，使本研究课题凸显其现实意义。1研究背景新时期，节能环保的重要性逐渐为人们所熟知，针对节能建筑所展开研究的数量不断增加，其中，多数研究均提到了“被动式超低能耗建筑”。作为建筑行业节能发展道路上的里程碑，被动式建筑对外窗传热系数所提出的要求极为严格，虽然我国已拥有大量被动式建筑，但尚未对外窗传热系数及相关指标进行统一，多数施工单位选择照搬德国规定，由于德国和我国气候存在明显差异，因此，按照德国规定选择外窗并建设被动式建筑，在热舒适度、节能性等方面的表现往往无法达到预期 。在此背景下，越来越多的专家和学者将目光聚焦于外窗传热系统，希望能够尽快确定相应的研究方法与计算公式，使被动式建筑的优点得到充分发挥。首次提出“被动式建筑”概念的沃尔夫冈菲斯特，便在其所出版的指南类书籍中明确指出：（1)外窗传热系数应在0.8 5 以下，这样要求的目的是保证建筑能量平衡且具有良好的热舒适性，若建筑房间内节能科技文章编号：2 0 9 5-4 0 8 5(2 0 2 3)0 9-0 1 3 7-0 3未安装散热器，则要保证设计条件下，外窗内侧温度平均值在1 7 以上；（2）为避免房间内长出大量霉菌，应保证外窗内侧温度始终不低于1 3 。换言之，对被动式建筑而言，要想保证外窗传热系数符合要求，关键是要将外窗视为一个整体，在此基础上，以内表面温度平均值为依据，对传热系数加以确定，确保即使在不供暖的前提下，外窗内侧温度的平均值仍然能够达到1 7 以上，只有这样才能使外窗具有理想的热舒适度 2 。2外窗传热系数指标计算被动超低能耗建筑指的是对自然条件、气候特征具有良好适应性，配有气密性、隔热性及保温性理想的围护结构，可以凭借新风热回收相关技术对自身供冷、供暖需求加以控制，能够使可再生能源得到充分利用，只需消耗少量能源便可以为人们提供符合其心理诉求的室内环境的绿色建筑 3 。被动式建筑所使用的围护结构并不局限于地面、屋面和墙面，还包括外窗，且外窗为建筑设计薄弱点，鉴于此，在选择建筑外窗时，需要重点考虑其传热系数，对该项指标进行计算的标准和具体方法如下。2.1计算标准2.1.1传热学原理传热学共涉及以下几大理论：一是特性不同的物体，其所发出红外线的波长也有所不同，红外线特性主要取决于发射物体特性，同时对接收物体特性具有明确要求，一般来说，由固体物质所发出红外线，更容易被固体物质所接收，气体物质则难以接收到固体物质所发出红外线。二是热能可以通过对流、辐射或是传导的方式传递。三是高温环境下，9 0%或以上的热能会经由辐射的方式进行传递，实测辐射强度主要.137 节能科技取决于温度。四是受热物体所表现出的热能传导能力，通常会随着其内部、表面温度对应梯度的增加而增加，同时随着热阻的增强而减弱。五是辐射热能所具有吸收能力，往往取决于受热物体黑度，换言之，表面黑度较高的受热物体，其吸收辐射热能的速度和效果均强度表面黑度较低的受热物体 4 。2.1.2热舒适度准则随着社会的进步，人们越来越追求生活品质，一部分人认为，温度适宜的中性环境更能够使人体感到舒适，相关指标也已被多个国家写人本国所实施的环境标准中。然而，实践经验表明，过于追求中性的室内环境，不仅会提高建筑施工成本，还会消耗大量宝贵的能源。在此背景下，有专家提出了热舒适度准则，该准则明确指出，恒湿恒温的稳定环境并不能够保证人体的健康，在允许范围内适度偏离舒适指标的环境，可以给人体以刺激，使身处其中的人变得更加健康。目前，世界多国均采用方格教授首创的PMV评价环境热舒适度，该指标涉及人体代谢率、温度和湿度等要素，取值范围在-3 至+3 之间，其中，0 代表环境中性，-3 至0 代表环境温度偏低，0 至+3 代表环境温度偏高。2.2计算方法传热系数指的是在传热条件稳定、围护两端温度相差1 的情况下，1 m单位面积每秒所传递热量平均值，单位为W/mK5。传热系数的取值主要取决于传热材料、传热过程。目前，对传热系数进行现场检测的常用方法包括三种，分别是非稳态法、热流计法还有热箱法，三者的适用场景有所不同，并且均存在突出的优点及不足，需要有关人员视情况做出选择。在本项目中，有关人员以传热学原理、热舒适度准则为依据，对计算外窗传热系数所使用公式进行了推导，具体推导过程和结果如下：首先，将建筑外窗视为一个整体，假设建筑内部空气温度是2 0（用t表示），外窗内侧温度是17（0 用表示），外窗换热系数是8（用hl表示），室外平均温度用t，表示。其次，以传热学原理为落脚点，对外窗传热路径加以分析可知，热量的传播路径是室内空气一左壁，传热方式为表面换热，对应热流密度值是2 4 W/mK，计算步骤为：q=h(ti-0,)=8(20-17)=24W/m K再次，结合传热系数的含义和定义能够发现，除极特殊情况外，外窗传热系数均可以通过以下公式进138CREATELIVING行计算：24=;-t,20-t2由于外窗往往不具有热惰性，因此，有关人员可以根据累年平均温度的最低值，确定冬季温度，例如，北京累年平均温度的最低值是-1 1.8，对应外窗传射系数取值如下：2424k=20t,20-(-11.8)最后，确定传热系数取值后，便可以推导出该系数所对应的室外温度，相关公式为：t2=20-3夜被动超低能耗建筑外窗传热系数指标探究众所周知，被动式建筑对围护体系的要求极为严格，作为围护体系不可或缺的一部分，外窗的保温效果往往决定了该类建筑的节能性，由此可见对其传热系数进行计算的重要性。3.1确定依据我国幅员辽阔，各地冬季平均温度有所不同，确定外窗传热系数时，应对建筑所在地区冬季的温度引起重视，对照现行设计规范所给出数据，对冬季室外平均温度加以确定，在此基础上，酌情调整外窗传热系统，保证外窗能够发挥出应有作用，使建筑能耗始终维持在较低水平。现阶段，我国多地均有建设被动式建筑的计划，相关示范建筑的数量逐年递增，考虑到建筑行业尚未对该类建筑的建设要求和标准进行统一，因此，包括乌鲁木齐、哈尔滨和秦皇岛在内的多地，在对该类型建筑进行施工时，均借鉴了德国的做法，即：根据德国针对被动式建筑所提出要求，统一将建筑外窗的传热系数定为0.8 W/mK。上文已给出计算外窗传热系数的公式，德国针对被动式建筑所颁布设计指南明确指出，外窗传热系数应在0.85W/mK以下，由此可以推导出以下结果：24t2=20-=20-0.85我国关于换热系数的规定与德国不同，上述传热系数的适用场景自然也有所不同，简单来说，就是按照德国标准所设计的、传热系数在0.8 5 W/mK以下的外窗，仅在冬季温度不低于-8.2 的城市或地区才能够发挥出相应的作用。而以上地区的地理位置相距较远，冬季温度存在明显差异，因此，结合现=0.75W/mK2424=-8.2节能科技行设计规范所给出数据可知，在不考虑极端天气的明确，尽快确定并细化相关标准，有助于被动式建筑前提下，乌鲁木齐冬季温度是-3 3，哈尔滨冬季温的推广和大范围普及。以河南为例，作为我国的人度同样是-3 3，秦皇岛冬季温度则仅有-1 7，通口大省，河南建筑每年的能耗有目共睹，该省引入过计算可知，要想保证外窗效能与热舒适度准则所被动式建筑迫在眉睫，考虑到该省面积较大且冬季提出要求相符，三地建筑外窗对应传热系数依次为温度偏低，主要城市冬季温度多处于-1 3 至-2 5 0.45W/m.K、*0.4 5 W/m K以及*0.6 5 W/m.K之间，按照上述方法计算外窗传热系数所得出结果为（理想指标、其他典型地区的计算结果见表1）。以上-0.53W/mK至0.7 3。由此可见，以现有公式为基指标均与德国所规定指标存在差异，由此可见，照搬础，结合建筑所在地区冬季的温度，确定外窗传热系德国指标并不能够保证建筑外窗具有良好的热舒数，可以最大程度保证计算结果具有实际意义，使建适度。筑外窗所具有作用得到充分发挥。我国典型地区冬季查找相关文献可知，现阶段，我国并未针对各地温度以及外窗传热系数具体如表2 所示。冬季温度，对建筑外窗的选用原则、设计标准进行表1 被动式建筑外窗传热系数温和地区冬暖夏热21至2表2 我国典型地区冬季温度以及外窗传热系数气候城市冬季温度温和地区大理冬暖夏热深圳冬冷夏热上海寒冷地区北京严寒地区哈尔滨3.2研究结论另外，现阶段，业内人士已就传热系数的决定性因素达成共识，并推导出了以下公式：Uw=(UgAg+UfAf+gLg)/(Ag+Af)该公式中，Uw代表外窗K值，Ug代表玻璃K值，Uf代表窗框K值，以上各要素的单位均为W/mK。Ag代表玻璃面积，Af代表窗框面积，对应单位是m。ug代表间隔条相关线性热传导系数，单位是。Lg代表玻璃区域可视面边缘实测长度，对应单位是m。由此可见，在设计和选择建筑外窗时，还要考虑以下几点要求：首先，为避免建筑出现外窗出现结露的问题，应严格控制外窗内侧温度，确保除极特殊情况外，外窗内侧温度均在1 7 以上，由此为室内舒适度提供保证。其次，以建筑所在地区的气候特点为依据，对SHGC加以选择，一般来说，冬暖夏热、冬冷夏热的城市，应严格控制夏季太阳辐射所产生的热量，同时将冷负荷维持在较低水平，寒冷、严寒地区或城市应重点关注冬季太阳辐射所产生热量，尽量使SHGC靠近上限。若建筑外立面装有遮阳设施，则应以冬季需求为依据，对SHGC加以确定。冬冷夏热1至2传热系数9+2.18W/m.K3?1.41W/m.K-7￥0.8 9 W/m.K-16+0.67W/m K-33+0.45W/m.K寒冷地区0.8至1.54结论本次研究所得出结论总结如下：其一，作为被动式超低能耗建筑不可或缺的核心构件，外窗的传热系数与建筑实际能耗密切相关，然而，很长一段时间内，针对传热系统所展开研究均未取得突破性进展，致使被动式建筑陷人发展困境。其二，由于被动式超低能耗建筑性质较为特殊，因此，在确定其外窗传热系数时，有关人员既要考虑热舒适度准则，还要考虑传热学原理，本文以前人研究成果为基础，提出了具有普适性的计算公式。其三，确定传热系数时，应考虑建筑所在地区冬季的平均温度。参考文献：1 郝雨杭，付素娟，时元元，等寒冷地区装配式超低能耗建筑外墙板拼缝断热桥技术研究J新型建筑材料，2 0 2 2，4 9(2)：1 0 0-1 0 3.2 负清华，崔国游，曹依蕾，等超低能耗建筑外保温对室外热环境衰减实测分析J城市住宅，2 0 2 1，28(7):253-254.3刘少亮，强万明，郝翠彩，等超低能耗建筑外窗内置安装方式的热工性能对比分析J建筑技术，2021,52(4):421-424.4 康智强，杨宜儒，夏晓东，等PHPP软件在被动式超低能耗建筑外窗设计优化中的应用J建筑技术，2 0 2 0,5 1(8)：9 4 9-9 5 2.5 茜彦辉，谷秀志，王东旭，等基于实验室测试的被动式超低能耗建筑外窗性能探讨J建设科技，2019(9):27-31.139严寒地区0.7至1.2单位W/m.K