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被动房设计
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PHI被动房窗户设计

时间:2019-08-18 19:57:15   作者:实战被动房   来源:PHI   阅读:85  
内容摘要:为了满足被动房对于窗户热舒适度的要求,当窗户附近没有散热器时,就必须使用三层保温玻璃和隔热窗框。被动房设计师不一定必须了解任何一种新产品。但是他应该了解玻璃和窗框的基本性能,才能审核厂家提供给他的产品。由于被动房上的窗户和其他建筑构件相比还比较贵,居民在日常使用中也把窗户作为特别“贵重”的建筑构件对待,所以预防可能存在...
为了满足被动房对于窗户热舒适度的要求,当窗户附近没有散热器时,就必须使用三层保温玻璃和隔热窗框。


被动房设计师不一定必须了解任何一种新产品。但是他应该了解玻璃和窗框的基本性能,才能审核厂家提供给他的产品。由于被动房上的窗户和其他建筑构件相比还比较贵,居民在日常使用中也把窗户作为特别“贵重”的建筑构件对待,所以预防可能存在的缺陷就特别重要。


一、细化PHPP中的能量平衡计算

最迟在详细设计时必须在PHPP中录入完整的窗户正确数据,因为此时窗户面积已经确定,安装细部节点已经或将要绘制,不同的产品现在也必须进行相互比较(窗框传热系数Uf和热桥系数Ψ,玻璃传热系数Ugg值,窗户安装后的热桥系数Ψ)。下文将对玻璃和保温窗框的基本性能和质量标准给予详细介绍,为设计师提供重要的决策依据。


二、保温玻璃

根据充填气体的品种、玻璃间距和涂层品种,三层保温玻璃的传热系数目前可以做到Ug0.5-0.8W/m2K)。这是未受任何干扰的玻璃的传热系数,即近似于在玻璃中间位置能达到的传热系数!玻璃边缘间隔条的热损失要大得多,后面将和窗框一起做详细介绍。三层保温玻璃的太阳得热系数g与涂层有关,在40%-60%之间。在中欧气候条件下,三层玻璃的能量平衡结果始终比双层玻璃的有利:这一点同样适用于南向窗户。


被动房对玻璃的能源准则为,不允许为了窗户的传热系数,而把g值降得太低。对此适用以下公式:

g1.6W/m2K)≥Ug

利用产品认证数据(ü-标记)很容易检验上述条件。如果满足条件,那么使用这种玻璃在整个严冬可以获得净太阳能得热,只要窗户不被遮挡或不是朝向不好的话。所以这里仍然要求:请审核录入PHPP的数据。


高级保温玻璃由三层玻璃组成,一般有两层玻璃镀膜。这种选择性“低辐射率”或 “low-e”镀层就像一面镜子,只反射热辐射,即红外光谱,所以热量就很难辐射出去。当这种低辐射玻璃被加热时,在镀层一侧的热量不容易“散失”。为了减少相对两块玻璃的热辐射,每个间隔有一个镀膜就够了,一般在第2和第5个玻璃面上镀膜(从外往里数),见图1

1:保温玻璃的镀膜顺序和间隔条。采用铝合金间隔条的双玻保温窗不适合用于被动房。三玻保温窗的“low-e”镀膜一般在第2和第5个面上。在第3和第5个面上镀膜虽然可以得到更好的g 值,但是在太阳入射和阴影投射下,会增加中间一层玻璃的破碎危险。为此必须使用钢化玻璃。利用简单的测试方法可以确定镀层的位置:火焰投射到镀膜层的镜像颜色和没有镀膜的不一样。不同产品颜色可能不同

给出的玻璃传热系数Ug是指玻璃中间的数值。玻璃边缘间隔条的热损失必须单独计算(玻璃热桥系数Ψg


玻璃外侧或内侧镀膜只能略微改善玻璃的传热系数Ug。前面介绍的金属镀膜不耐磨 (软镀层),热解镀膜耐磨(硬镀膜),所以也适用于玻璃外侧镀膜。在外侧玻璃外表面镀膜,可以在明朗的冬夜避免在玻璃外侧形成露水或结冰。这个问题一直困扰着人们,特别是对于屋顶上的窗户,所幸现在市场上已经可以买到贴在窗玻璃外表面的热解镀膜。


“选择性反射”是说,可见光可以很好地透过这些涂层。所以眼睛看上去玻璃是透明的。可见光范围的透明度(τVis)和太阳得热系数值(g值)受到涂层影响会有所降低,即需要在良好的保温和太阳得热之间找到一个折中。


所谓的“太阳镜”它故意降低g值,所以对被动房不是一种好的解决方案。独立遮阳措施(挑出檐口或卷帘等)对于夏季遮阳效果更好,在冬季屋子需要太阳时可以把它们打开。

注意:改变涂层顺序有玻璃破碎的危险


为了优化g值,理想的做法是在第3和第5个面上镀膜,而不是在第2和第5个面上,见图1。然而,假如在三层玻璃的中间一层的某个表面镀膜,在夏季髙热辐射条件下会被不均匀地加热,以致破碎。所以,只有在使用钢化玻璃时才推荐在第3个面上镀膜。而这种做法由于造价原因只有在特殊情况下才能实现。

2:由两膛常规双层玻璃窗组成的双膛窗,它们均采用暖边间隔条

Ug(全部玻璃)=0.62W/m2K),窗框Uf0.65W/( m2K),整窗Uw0.68(m2K)

全部玻璃的g值:0.47。在两窗之间大的空间可以安装遮阳装置起到很好的防风保护作用


在此,还要介绍一下检查这类玻璃的简单方法。从烛光反射图像的颜色可以分辨涂层。6个面的镜像图中,低辐射镀膜的颜色与无镀膜表面的4个镜像颜色不同。用这种快速检查方法可以很容易地分辨哪个玻璃表面有镀膜,镀膜是否在正确的位置,或者说究竟有没有镀膜。但是要注意,颜色中性的镀膜在镜像图中色差比图1的要小。

高级双玻保温窗的构造与三玻保温窗相似,但只有4个面中的1个面有涂层(从外数第3个面)。目前能买到的最好的双玻保温窗的传热系数可以达到Ug0.9W/m2K);只有充填氙气才可以得到更好的性能。可惜氙气很稀少所以很贵。


对于中欧气候条件,被动房玻璃的传热系数应该为Ug0.8W/m2K)。用几个双层玻璃的组合(2+22+1)完全可以达到该指标,经常采用的有双膛窗或组合窗,见图2。所以,原则上是可以满足能源准则的。当然需要检验任何一种玻璃和镀膜组合的能源准则,因为第4层玻璃经常会显著降低g值。近来,市场上已经可以买到适合用于被动房的双膛窗和组合窗。这种组合的窗户隔声效果很好。在多风的沿海地区,两膛窗户之间安装遮阳装置是这种组合的又一大优点。


三、有保温的窗框

除了玻璃的热损失外,无保温窗框的热损失很大。常规窗框[Uf1.5-2W/m2•K]的传热系数是典型三玻保温窗[Ug0.7W/m2•K]的两倍多。所以,髙级玻璃必须搭配良好保温的窗框,因为窗框比例占到30%40%,在典型窗户尺寸中是比较髙的。

3:有保温的窗框:增加窗框厚度(120mm),增加玻璃在框内的深度,采用暖边间隔条。本图例以一种虚构的匀质材料为基本条件λ=0.085W/mK),窗框传热系数Uf0.75W/m2K),玻璃热桥系数Ψg0.028W/mK),玻璃在框 内的深度27mm,窗户传热系Uw0.78W/m2K),窗户内表面最低温度13度,相当于fRsi0.77

窗框和玻璃的面积比通常取决于窗洞口的土建尺寸,与保温覆盖窗框多少没有关系。典型的外框宽度在120mm(两侧和上框)〜140mm(胸墙处)。经过优化的有保温的窗框和标准窗框都是这个尺寸,厚度为68mm(68)。当平均窗户尺寸为1.23m×1.48m时,窗框比例为34%,阳台门(l.lm×2.2m)的窗框比例为31%,小窗的窗框比例可能会超过40%


首先是加大窗框的安装深度,以便能够安装保温层。68mm窗框厚度对于被动房来说太小了,即使对于今天可用的热工性能优化的导热系数很低的材料也显得太小。增加玻璃在窗框的安装深度并采用暖边间隔条也可以为减少热损失作很大贡献,目前在被动房上已经被视为窗户的“常规技术”,见图3


目前,市场上可以获得许多品种的保温良好的窗框:厚度为110mm的木-高强度聚氨酯-聚氨酯-高强度聚氨酯-木的三明治框;另一种类似构造是木-软木--软木-木结构。


一些加工窗框的生产商,在木框外用软木、聚氨酯、聚苯材料或其他保温材料包覆保温护罩,它们不是粘在木框上,而是用螺栓固定或插接方式安装,便于回收利用。在很多情况下还采用铝包木的结构。由聚氨酯发泡做成的保温罩现在也用在既有建筑现代化改造上。塑料窗框型材要有更大的腔室以便填充保温材料。型材框内塞保温条的方式用得很普遍,由保温板裁剪成合适的尺寸。型材腔内做聚氨酯发泡保温时,一定要求供货商提供这种材料的原始密度,因为它们对导热系数影响很大。双膛窗或组合窗即使采用全木结构也同样能够满足保温要求,这是因为它们有很大的安装深度。塑料型材无论如何必须在腔室内填充保温材料。


按照以下原则评价保温窗框:无论采用什么材料,必须注意保温层应尽可能无中断并且“直线”盖住窗框。一小块一小块拼接的保温材料效果很小。看一下窗框的等温线图3,就会明白,保温层应尽量“短”,也就是沿着型材走直线,因为每个拐弯都会加大从内向外热交换的有效面积。


除了上述良好保温窗框的热工性能,窗框四周的气密性构造当然也非常重要。目前通常采用三道密封,防雨和功能安全对于窗户的寿命也非常重要。其实,上述性能在常规窗户上也是必须检测的。所以根据经验,对供货商和加工厂商提出上述要求是不会有争议的。


四、暖边间隔条,增加玻璃在框内的安装深度

标准窗框的玻璃安装深度只有15mm。此外,在标准保温窗上使用的铝合金间隔条会形成很大的热桥。


去除玻璃边框热桥有两种办法。第一种是加大玻璃在框内的安装深度。根据最近的研究,做到2530mm是没有问题的;除此以外,还可以使用由薄壁不锈钢板(壁厚≤0.2mm)或塑料做成的热断桥间隔条(暖边)。在窗框型材几何尺寸不变的情况下,窗户的热损失最多可以减少8%。另一个好处是,由于减少了热桥效应,玻璃边上几乎不会再结露。


五、窗户的舒适度准则

安装完以后整窗的传热系数要求小于0.85W/m2K)。这个要求主要出于对建筑物热舒适性和能量平衡的考虑。如果放弃使用散热器,那么窗户内表面平均温度即使在设计条件下也要高于17度。否则,在地面可能形成冷气层,呆在窗户边上会很不舒服。


为了防止霉菌生长,在通常室内空气湿度下,窗户内表面的任何位置包括玻璃边缘温度至少应在13度以上。采用上述暖边间隔条或加大玻璃在框内的安装深度就可以毫无困难地实现以上目标。


六、窗户的安装热桥

在窗户装到墙上时,经常会产生不可避免的热桥。按照为被动房优化的细部节点处理办法,在胸墙区域典型的热桥系数Ψ安装状态=0.03W/mK),因为此处有窗台板和窗框疏水口,几乎无法覆盖保温板。两侧和上部窗框可以用保温板覆盖(图5),所以它们的热桥系数是负值。这里的热桥系数对应于外墙传热系数Uwand0.15W/m2K),所以可以满足安装状态窗户传热系数限值Uw,安装状态≤0.85W/m2K)的要求。


然而许多常规安装节点会产生很大的热桥效应。如果像图7或图9那样将窗户放在向外远离墙体中心线的位置,并且固定在通长的木条上或者在有外保温的实心墙体的砌筑构造上,那么由于不利的安装条件造成的热桥损失很大,以致尽管采用了热工性能优化的窗户Uw0.8W/m2K),安装状态的传热系数会明显变差。


一般而言,窗户应该尽可能位于保温层内。也就是说,在安装了保温的墙体内,窗户大约位于窗洞口的中间位置。对于住户而言,除了墙体相应增厚外,和常规房子没有区别。

4:经过优化的安装状态:装在轻木结构墙体上的窗户。窗户在墙的中间位置。两侧和上部窗框可以尽量用保温板盖住。应该注意衬钢的热桥效应

安装状态窗户的热桥系数Ψ安装状态≤0.014W/m2K

安装状态窗户的传热系数Uw,安装状态=0.82W/m2K

5:经过优化的安装状态:在有外墙外保温的实心墙体上,窗户固定在木质或再生聚氨酯材料制作的支架上。窗户装在墙体外侧,并用足够厚的保温板覆盖。两侧和上部窗框被保温板覆盖。现在有些供货商也提供两侧斜边的锥形保温板

安装状态窗户的热桥系数Ψ安装状态≤0.03W/m2K

安装状态窗户的传热系数Uw,安装状态=0.80W/m2K

6:在木纤维板构成的外墙外保温系统中,窗户与两侧洞口和胸墙处的节点

对于有外保温系统的实心墙体,必须在安装外保温前,把窗户固定到墙体前面。图5上使用安装支座固定。支座可以用木块或再生聚氨酯制作,它们的导热系数相对较小。也可以用不锈钢角钢固定,如果角钢排列不太密的话。应该避免采用整根安装轨道,否则会造成非常髙的热损失,以至于在保温窗框上花的功夫被抵消掉。


在轻木结构墙体上窗户可以居中安装。这种结构上,整个墙体全是保温层,见图8。当然此处应该注意,不能让在洞口安装的窗户造成太大的热桥,如图7所示。


在按被动房标准进行窗户认证时,除了必须检验窗户性能外,也必须审核制造厂提供的针对不同墙体结构的细部节点。所以,建筑师在使用经过认证的窗户时可以采用这类细部节点,而不需要自己再去做热桥试验。

7:错误:在轻木结构墙体内错误安装的窗户会造成很髙的热桥损失。墙体传热系数U墙=0.12W/m2K),窗户传热系数Uw0.80W/m2K,安装热桥系数Ψ安装状态=+0.06W/mK),安装状态窗户的传热系数Uw,安装状态=0.93W/m2K

8:经过优化的安装状态:窗户位于保温层的中间位置,边角木板只是呈点状分布于窗框下面(考虑到结构稳定)。轻木结构墙体传热系数U墙=0.12W/m2K),窗户传热系数Uw0.80W/m2K),安装热桥系数Ψ安装状态≤0.014W/mK),安装状态窗户的传热系数Uw,安装状态=0.82W/m2K


9:错误:窗户落在砌筑墙体上。窗和墙的保温层中断了,接合处的热损失非常大。墙体传热系数U墙=0.12W/m2K),窗户传热系数Uw0.80W/m2K),安装热桥系数Ψ安装状态=+0.014W/mK),安装状态窗户传热系数Uw,安装状态=0.95W/m2K


10:相同的窗户从外向里伸入到保温层里,并固定在支座上。两个建筑构件的保温层闭合没有中断。墙体传热系数U墙=0.12W/m2K),窗户传热系数Uw0.80W/m2K),安装热桥系数Ψ安装状态≤+0.03W/mK),安装状态窗户传热系数Uw,安装状态=0.80W/m2K


七、窗洞口

由于被动房采用了较厚的保温层,窗洞口比普通建筑深。但是居民一般没有感觉。然而,如果将保温板做成斜口可以扩大视野,洞口对太阳的遮挡也减少。洞口保温层做成直角还是斜角对保温效果没有太大影响。现在有一家外保温供应商可以提供用岩棉(防火) 制作的洞口保温型材,见图12。南向窗户挡火梁处保温不做斜口可以起到夏季遮阳效果。利用PHPP可以进行细部优化。


八、卷帘

被动房原则上也可以使用卷帘。但是安装卷帘会增加热桥。如有可能,将卷帘安装在墙的前面,后面应有至少6cm厚的保温层,以防在卷帘盒内表面结露。应尽量采用气密性电动或摇杆操作系统。最近,市场上也可以买到气密性很好的皮带操作系统。如图11所示是一种轻型卷帘遮阳装置。


11:窗框用保温覆盖的洞口,卷帘作为遮阳装置


12:有一家供应商推出了外保温斜口型材作为窗洞口的保温构件。窗框覆盖保温层的作用基本保持不变,而洞口侧边的视线遮挡显著减少



总结:适用于被动房的窗户

•检查玻璃的能源准则:g1.6W/m2K)≥Ug

不允许以牺牲窗户传热系数为代价而将g值降得太低。

•适用于被动房窗户的准则:

对于标准尺寸窗户1.23m×l.48m,窗户的传热系数Uw0.8W/m2K)。

•使用有保温的窗框:必须掌握窗框传热系数Uf“和玻璃热桥系数Ψg

•增加玻璃在窗框内的安装深度:2530mm

•采用暖边间隔条,铝合金间隔条不适用!

•在设计工况下,内侧玻璃边缘部分最低温度>13°C,否则有结露霉变危险。

•使用环形密封条,至少两道密封,内侧密封特别重要,因为它可以防止窗框结合处结露。

•尽量减小窗户的安装热桥装状态Uw,安装状态≤0.85W/m2K),尽早明确细部节点。

•在用户手册中包含窗户的维护和检修说明。


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