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錢塘江畔，夜幕下的杭州奧體流光溢彩，亞運(yùn)會(huì)成功閉幕。在這次亞運(yùn)會(huì)，杭州前后斥資2000+億大規(guī)模建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，泰諾風(fēng)有幸能參與其中，種種高效盡顯中國(guó)速度，引得外國(guó)網(wǎng)友頻頻圍觀，狂呼“基建狂魔”。
如今我們穿梭在城市的建筑森林之中，一棟棟幕墻建筑，沒有最高只有更高，而我們也不再感慨這只有誰(shuí)誰(shuí)誰(shuí)能做，資訊時(shí)代，在全球化的背景下，門窗幕墻行業(yè)已與國(guó)際接軌，齊頭并進(jìn)，技術(shù)交流必不可少。
泰叔上周介紹了幕墻中開啟扇對(duì)幕墻節(jié)能的影響，今天特地翻譯一篇泰諾風(fēng)北美同事發(fā)表的論文供大家參考。
隨著GB55015的提出，國(guó)內(nèi)南方地區(qū)對(duì)于門窗有了更低的U值要求，這篇文章為此舉提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，說(shuō)明了低U值對(duì)于炎熱氣候區(qū)的貢獻(xiàn)。致廣大而盡精微，本文以整體視角深入講解門窗U值對(duì)建筑能耗的影響以及炎熱氣候下斷橋隔熱（詞條“斷橋隔熱”由行業(yè)大百科提供）結(jié)構(gòu)對(duì)門窗幕墻節(jié)能的重要性，希望能夠?qū)Ω魑挥兴鶐椭?/P>
摘要：人們普遍認(rèn)為，在炎熱的氣候條件下， U值并不是影響門窗幕墻性能的關(guān)鍵因素，而規(guī)范和設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)通常是太陽(yáng)輻射得熱，尤其是減少透明部分得熱。大家的想法是，炎熱氣候下室內(nèi)外的空氣溫差比寒冷氣候下小得多，因此熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力較小。
然而，在炎熱氣候下，門窗幕墻型材部分傳熱的主要機(jī)制還有吸收太陽(yáng)輻射，然后將吸收的熱量通過傳導(dǎo)的方式傳輸?shù)叫筒牡氖覂?nèi)側(cè)表面。由于吸收太陽(yáng)能，型材外表面溫度會(huì)大大超過環(huán)境空氣溫度，尤其是深色型材。通過這種機(jī)制產(chǎn)生的內(nèi)外溫差與冬季寒冷氣候下的溫差更為接近。使用隔熱條和暖邊間隔條可以大大削弱這種通過玻璃邊緣及型材部位的太陽(yáng)得熱機(jī)制。
本文回顧的新加坡太陽(yáng)能研究所(SERIS)的一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)表明，在炎熱的氣候條件下，門窗型材部分的隔熱性能如何顯著影響熱量的傳輸以及門窗系統(tǒng)（詞條“門窗系統(tǒng)”由行業(yè)大百科提供）的熱舒適性能。通過對(duì)整棟建筑進(jìn)行建模研究，說(shuō)明了與太陽(yáng)得熱系數(shù)(SHGC)相比，門窗U值對(duì)建筑能耗的影響。研究表明，隔熱型材在炎熱氣候條件下建筑中的使用，與在寒冷氣候條件下一樣重要。
此外，太空針?biāo)鹿こ讨惺褂玫呐呴g隔條表明，減少玻璃邊緣的熱傳導(dǎo)對(duì)于降低夏季制冷負(fù)荷、冬季制熱負(fù)荷以及改善全年熱舒適度起著至關(guān)重要的作用。
關(guān)鍵詞：性能、能效、健康-舒適-IEQ 性能、隔熱、暖邊間隔條、玻璃性能、規(guī)范-標(biāo)準(zhǔn)-評(píng)級(jí)系統(tǒng)。
導(dǎo)言和背景
通常認(rèn)為，只有在寒冷氣候區(qū)，使用低傳熱系數(shù)(低 U值)的門窗設(shè)計(jì)才是重要的。在美國(guó)建筑規(guī)范中，1-3 號(hào)氣候區(qū)(南部較熱地區(qū))的U值限值相比 6-8 號(hào)北部氣候區(qū)更高，便證明了這一點(diǎn)。表 1 列出了 2018 年國(guó)際節(jié)能規(guī)范 (IECC)、美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程 (ASHRAE) 標(biāo)準(zhǔn) 90.1 - 2016 的 U值要求。
表1：美國(guó)最新版建筑規(guī)范要求的門窗U值要求
(單位：btu/℉.hr.ft2)
固體材料傳導(dǎo)熱量的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是一側(cè)與另一側(cè)之間的溫差，溫差越大，熱量傳輸越快。傳導(dǎo)熱傳輸?shù)姆匠虨?Zemansky& Dittman，1981 年)：
其中：
• Q/t 是單位時(shí)間內(nèi)的熱傳導(dǎo)量(瓦或 btu/hr)。
• k 是材料的導(dǎo)熱系數(shù)
• A 是橫截面的面積
• T(hot) - T(cold) 是冷熱表面之間的溫差，即 "Delta T"，DT
• d 是材料的厚度(能量流動(dòng)方向的尺寸)
人們普遍認(rèn)為，門窗系統(tǒng)的外表面溫度與外部環(huán)境空氣的溫度相近。因此，在亞利桑那州的炎熱沙漠地帶與北達(dá)科他州的寒冷平原相比，溫差(DT)或熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小。例如，在北達(dá)科他州這樣寒冷的氣候條件下，室外空氣溫度可能低至 -40℃(-40℉)，而室內(nèi)溫度為 21℃(70℉)，DT 為 61℃(110℉)。
然而，在亞利桑那州的盛夏，室外氣溫可達(dá) 43℃(110℉)室溫為 21℃(70℉)時(shí)，DT 僅為 22℃(40℉)。然而，這種簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)忽略了外框材料對(duì)太陽(yáng)能量吸收的影響。在太陽(yáng)直射的情況下，型材外表面的溫度會(huì)大大超過室外空氣溫度，尤其是深色外框。太陽(yáng)吸收機(jī)制可使型材內(nèi)外表面之間的 DT 值更接近在寒冷氣候下觀察到的 DT 值。
如果沒有使用隔熱材料(例如尼龍隔熱條)對(duì)室內(nèi)外鋁型材進(jìn)行斷熱處理，亦或沒有在玻璃邊緣使用隔熱材料(例如低熱導(dǎo)率的暖邊間隔條)，就無(wú)法阻止吸收的熱量直接傳導(dǎo)到建筑物內(nèi)部，從而給空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)巨大負(fù)荷，并給靠近外窗的住戶帶來(lái)明顯的炎熱不適感。由于存在誤解，許多為熱帶氣候條件下的建筑物設(shè)計(jì)的門窗幕墻都不考慮隔熱條或中空玻璃暖邊間隔條。因此證明這種熱量傳輸機(jī)制對(duì)節(jié)能和舒適性能都有意義是非常重要的。
我們將新加坡太陽(yáng)能研究所(SERIS)的實(shí)地測(cè)試結(jié)果(SERIS 2016)、建筑系統(tǒng)與診斷(BSD)的建筑能耗建模分析(BSD，2016 年)和實(shí)際建筑案例研究的結(jié)果匯總展示在此，以說(shuō)明在炎熱氣候區(qū)降低門窗幕墻 U 值的重要性。
實(shí)地測(cè)試研究
實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)：
為了證明鋁門窗系統(tǒng)的斷橋隔熱結(jié)構(gòu)在炎熱氣候下的作用，這里將回顧 SERIS 開展的一個(gè)研究項(xiàng)目(SERIS，2016 年)。SERIS研究了四種不同的鋁框系統(tǒng)：無(wú)斷橋的系統(tǒng)(Uf = 7 W/㎡ K)、低性能斷橋系統(tǒng)(Uf = 3-4 W/㎡ K)、中等性能斷橋系統(tǒng)(Uf= 2.5 W/㎡ K)和高性能斷橋系統(tǒng)(Uf= 1-2 W/㎡ K)(圖 1)。
請(qǐng)注意：以 w/㎡K為單位的框架U值是采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算得出的，因此，即使轉(zhuǎn)換成 IP單位，也無(wú)法與采用 NFRC 100計(jì)算得出的美國(guó) U值相比較。因此，為避免與美國(guó)建筑規(guī)范等等要求混淆，未將單位轉(zhuǎn)換為 btu/℉.hr.ft2。
圖1：本研究中評(píng)估的四種鋁合金系統(tǒng)。
從左到右依次為非斷熱、低斷熱、中斷熱和高斷熱系統(tǒng)。
每種系統(tǒng)都分別對(duì)淺色和深色表面的型材進(jìn)行了測(cè)試。這些框安裝在新加坡的一個(gè)調(diào)控試驗(yàn)室朝西的墻壁上(圖2)。
圖2：調(diào)控試驗(yàn)室(左)和試驗(yàn)屋墻壁框架結(jié)構(gòu)特寫(右)。
全套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每 2 秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的熱電偶溫度計(jì)分別放置在每種框的室內(nèi)和室外表面，熱通量傳感器放置在每種框的室內(nèi)一側(cè)(用于測(cè)量通過框從室外到室內(nèi)的熱通量)，兩個(gè)空氣溫度和濕度傳感器(室內(nèi)和室外)，以及一個(gè)日射強(qiáng)度計(jì)(用于測(cè)量室外垂直太陽(yáng)照度)。在大約 3 個(gè)月的數(shù)據(jù)采集期間，室內(nèi)溫度保持在 23-24℃之間，室外環(huán)境溫度從最低的 24℃ (75℉) 到最高的 37℃(99℉)，每天保持3小時(shí)左右。日間太陽(yáng)光照度最高達(dá) 670 W/㎡K。
結(jié)果：得熱
根據(jù)測(cè)量到的熱通量數(shù)據(jù)計(jì)算出了通過窗框的日平均得熱量，這表明斷熱鋁合金門窗幕墻的應(yīng)用對(duì)減少建筑物內(nèi)部得熱有著顯著影響。(圖3)
圖3：四種不同類型窗框的 60天內(nèi)平均太陽(yáng)得熱量(深色)
對(duì)于深色型材，高斷熱型材平均得熱量相比非斷熱型材減少了 61%。即使是斷熱型材中性能最差的低斷熱型材，也比非斷熱系統(tǒng)減少了 24% 的太陽(yáng)得熱量。而對(duì)于非斷熱型材，淺色型材與深色型材相比可減少 27% 的得熱量。淺色高斷熱型材相比淺色非斷熱型材得熱量減少62%，而其與深色無(wú)斷橋框架相比，得熱量減少73%。
這些數(shù)據(jù)支持了這樣一個(gè)事實(shí)，即通過窗框的熱傳導(dǎo)機(jī)制是由以下因素驅(qū)動(dòng)的：1. 窗框?qū)μ?yáng)能的吸收量(深色比淺色吸收更多)2. 吸收的熱量從窗框外部向室內(nèi)傳輸?shù)目炻Q于型材的斷熱程度。
由于篇幅長(zhǎng)度原因，今天就先講這么多。這一期通過公式強(qiáng)調(diào)了炎熱氣候區(qū)降低門窗幕墻 U 值的必要性和重要性。接下來(lái)用詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓我們對(duì)門窗型材部分的隔熱性能如何影響熱量傳輸有了深入了解。敬請(qǐng)期待下一期，泰叔將引入一個(gè)建筑能源模型，詳細(xì)分析SHGC與U值對(duì)建筑能耗影響的對(duì)比。
