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2021寒潮来袭!北方de建筑门窗如何应对?

来源:李江岩 李冠男  作者:编辑  日期:2021-11-23
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    2021年11月22日“小雪”(农历十月十八),新一轮的全国性的降温来袭,北方开启暴雪的极端天气,湿寒气候导致疫情继续持续,强降雪使降雪厚度达10cm以上,大家在室内的时间会更多些,这时也是考验室内舒适度和外窗结构保温的最佳时机,比如外窗出现不保温、结露、漏风、出汗、墙体发霉、返潮等现象,说明外窗不保温导致的结果,由此反映出建筑外窗能耗比较大,约占建筑能耗50%,大家肯定都有切身的体会。

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  2021年11月22日“小雪”(农历十月十八),新一轮的全国性的降温来袭,北方开启暴雪的极端天气,湿寒气候导致疫情继续持续,强降雪使降雪厚度达10cm以上,大家在室内的时间会更多些,这时也是考验室内舒适度和外窗结构保温的最佳时机,比如外窗出现不保温、结露、漏风、出汗、墙体发霉、返潮等现象,说明外窗不保温导致的结果,由此反映出建筑外窗能耗比较大,约占建筑能耗50%,大家肯定都有切身的体会。

外窗出现结露和出汗现象

  目前国家节能政策大力推进双碳+碳排放+节能,建筑是能耗比较大的行业,需要解决的问题很多,包括小区外墙及外窗的节能改造将是重点,建筑外门窗要解决这一系列的问题,需要从根本上来了解这个事情。

  门窗如何不结露?需要几个条件:

  门窗设计、选材的合理性

  采用高效节能门窗

  气密性能的保证

  采用干法安装

  室内保证良好的温度和湿度

超低能耗建筑外窗“大断桥”产品

  第一部分:结露的基本原理

  一、结露的产生原因

  结露定义:主要是室内外温差、窗的传热系数U值及室内相对湿度RH大小,气密性能及安装方式等因素,在室内窗表面(或低于室内温度的室内物体表面)而产生的饱和水蒸气压,将造成该表面结露。因此,要从窗的设计结构、材料选择、加工、组装、安装方式上予以高度重视,

  现分述如下:

  1.相对湿度

  在一定的温度空气中,只能含有一定量的水蒸气,若不能再含有更多的水份时,所达到的状态,称为饱和状态。空气中达到饱和状态以前,所能含有的水份量,随空气温度的高、低而增加或降低。即:相对湿度(RH)=空气中的水蒸气含量/同湿度空气达到饱和时水蒸汽量×100%.........(1)

  2.饱和水蒸气压Ps(mmhg)

  不同温度下的饱和水蒸气压Ps是不一样的,随着温度越高,空气中所能达到饱和水蒸气压Ps就越大,达到饱和水蒸气压Ps时,相对湿度RH即达100%。

  3.室内窗表面结露点湿度的计算方法

  当室内设计温度条件下的相对温度未达到饱和水蒸气压含量时的水蒸气压P,应按室内相对温度与该温度下饱和水蒸气压Ps的乘积,即:P=RH×Ps……..(2)

  上述所求出是水蒸汽分压P值,再从P值相等的饱和水蒸气压的相对应的温度,即为室内窗表面的结露点温度。例1:若室内设计温度为20℃,相对湿度RH=40%时,求室内窗表面的结露点温度,即得:P=0.4×17.53=7.013mmhg,饱和水蒸气压Ps为7.013mmhg时的温度为6℃,故室内窗表表面的结露点温度为6℃

  4.室内窗表面的结露温度判定

  室内窗表面温度的计算公式为:T=Ti-RiU(Ti-To),当室内窗表面温度计算值T大于室内结露点温度时,可判定为室内窗表面不会结露,否则会产生结露。例2:若室外温度To=-24℃,室内温度Ti=20℃。窗的传热系数U=2.5w/m².k,室内相对湿度RH=40%时,试判定窗内表面是否结露。带入上式:T=20-0.125×2.5×(20+24)=6.25℃,根据例1的计算室内一般结露点为6℃,而本例计算出室内窗表面的温度为6.25℃,大于6度故按上述参数设计窗的内表面不会结露。

超低能耗建筑示意

  二、建筑体型系数与窗墙面积比对U值得影响

  1、建筑体型系数

  建筑体型系数指建筑物表面的面积与建筑物体积之比,即体形系数=∑A/V......(3)建筑物热损失量与外表的总体积,传热系数U值,室内外温差体积有密切关系。我们知道,对建筑物体积来说,同样大小的体积,若其长、宽、高尺寸的变化,可得出不同大小的总面积,因而其热损失就有差别,从节能的角度上就提高了体积系数的要求,也就是说体形系数越大,则单位建筑面积对应的外表面积就越大,传热损失就越大。这样在建筑物热损失量要求规定值时,若体型系数表越大,U值时要求就得越小,才能满足要求。2、窗墙面积比对U值得影响由于窗和墙的传热系数相差较大,故对窗墙面积的不同比例对窗的U值就有不同要求,也就是说窗墙面积比越大,则对窗的U值要求就越小,以减少热损失,见下表

  建筑体型系数与窗墙面积比对U值得要求

  三、室内通风与防潮

  保温效果的提高有两个重要的指标,即传热系数U值与气密性能的要求,由于气密性能的提高,带来的新问题,即室内的空气污染物和相对湿度高时的潮湿问题。

  1、卫生和健康要求

  换气我们知道,长期以来所使用的老式门窗密封是很不严密的,冷空气从窗缝透入室内,尽管窗不打开,从缝隙入室内的新鲜空气,足以满足一般居住条件的换气与防潮要求。但进入的冷空气就得增加取暖设备的负荷,以保持室内温度,这就要耗费能源。

  按节能保温要求,将室内通风,按国家标准要求,控制在适宜状况,高档的采取的措施是从建筑总体系统上安置温度,湿度,通风自动控制设施来自动调节造成舒适环境,但对普通建筑,仍采用人工开启的通风方式或通风槽,换气排烟器等设施来解决。

  2、控制通风量即防止相对湿度高时产生潮湿问题

  在居住和工作的房间里,会通常产生水蒸汽,一个人的呼吸每天可产生1至2立升的水蒸汽,洗澡,吃饭,浇花等每天可产生2立升以上水蒸汽,这些肉眼看不见的水蒸汽保留在室内空气中,这些水蒸汽的变化像热量由热转为冷的过程,即冬季由室内向室外,向湿度转低的室内表面聚集而形成露点结露聚华成冷凝水。热空气能吸收许多水蒸汽,常压下20℃温度时的含水量为17.3克/米³,冷空气吸收水蒸汽的量少,在0度含水量约为4.8克/米³.在20℃条件下空气的相对温度为100%时,若将其下降到0℃时,就会产生17.3-4.8=12.5克/米³的冷凝水。

饱和潮湿空气的含水量

  在室温20度的条件下,相对湿度在40%-60%较为舒适,在同一湿度条件下,若相对湿度达70%时,就会感到“发闷”而相对湿度在30%时,就会感到“干燥”使人觉得不舒服。这样室内相对湿度高时就需采取通风来调节。例3: 若室外温度为-15℃,冬季晴天相对湿度40%与室内湿度为20℃,相对温度为70%。若通风交换出室内空气1/3时,室内相对湿度为多少?

  (17.3×70%×2+1.39×40%)/3/17.3=0.477=~48%

  上述计算说明,采取有控制的通风,将室内相对湿度控制在适宜的范围与卫生和健康要求换气要求是一致的,即解决了室内空气污染也解决了室内 的结露潮湿问题。

窗的传热系数与相对湿度和室内外温度的关系

  第二部分 保证室内环境舒适度要求

  上世纪八十年代,由瑞典隆德大学教授波.阿德姆森等人就提出“被动房”理念,即在不设传统采暖设施条件下,仅靠太阳能幅射、室內灯光、电器散热、人体散热等自然得热方式条件下,建造冬季室內温度能达到20℃以上,需具备良好的舒适度的房屋。根据以上理念,提出超低能耗建筑,既节能又能满足舒适环境的需求,主要通过三个方面来实现。

  建筑围护结构做到高性能

  良好的保温、隔热(词条“隔热”由行业大百科提供)的外围护结构,包括薄弱环节的高性能门窗配套。

  有效的大幅提升所有建筑节能系统的效率。

  利用再生能源,如太阳能等、水资源合理利用及回收,有效减少化石能源的消耗。

  具体来说,就是釆用各种节能技术,采用最佳的建筑围护结构和室内舒适环境,最大限度地提高建筑保温、隔热等性能,使建筑物对主动性采暖和制冷需求降到最低,并通过各种技术手段如:新风系统的应用、采光太阳能利用、水循环系统的利用及回收等,实现室內舒适环境要求,最大限度的降低传统主动式的采暖和制冷系统的依赖,或是完全取消这类设施的解决方案;或者采用可再生能源和清洁能源对建筑本身实现电力及采暖的自给自足。

  一、超低能耗建筑性能确定的依据

  1、人体对环境温度的反应

  了解超低能耗建筑,首先要解决室内居住环境满足人们工作、生活所需求的舒适度为重点,其影响因素主要是空气温度、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。因此对建筑设计中的墙体厚度及保温、屋面保温排水(词条“排水”由行业大百科提供)、门窗保温及安装方式、遮阳、水电气的节能要求来实现。

  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”时,提出对建筑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基本依据,归纳如下: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。为了防止细菌生长,室内空气相对湿度,人体感到舒适范围内,即30%~65%之间,即要求室内表面在相对湿度为65%时不产生结露,这时结露点温度为13.2℃,因此,内表面温度最低点位置应保持在13℃以上。

  二、解决方案

  1、因地制宜解决不同气候节能

  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,要根据我国的气侯状况来建造超低能耗建筑,并制订适合我国国情的相关标准,满足不同区域超低能耗建筑节能要求。国家政策在积极推进绿色生态建筑,强化并提高门窗产品的规范及标准,包括2030、2060实现碳达峰和碳中和目标,2022年4月实施建筑碳排放指标强制标准,北京2021年实施节能80%目标,门窗实施传热系数1.1w/m2.k,是推进绿色生态建筑的典范,加快国际标准和认证进行接轨,在欧美国家,节能减排措施已经取得很大程度的进展,全面降低能耗85~95%以上是建筑节能的发展方向。欧洲国家窗户以内平开内下悬为主,对提高门窗各项性能指标提升有帮助,没有外开窗或推拉窗,门窗传热系数为1.0w/m2.k左右,甚至更低,门窗的隔热断桥宽度基本都是>40mm,并在型材腔体填充保温材料,要求在2020年全面实现降低能耗95%以上,这就意味着门窗的传热系数要Uf≤0.8w/m2.k,气密性能≤0.3m3/m.h,气密和保温性能是互相受影响的,气密性直接影响门窗的保温和结露,因此对于门窗的结构体系和材料,包括:型材、玻璃胶条(词条“胶条”由行业大百科提供)五金(词条“五金”由行业大百科提供)、窗台板及窗套、加工工艺、安装方法等都提出了更高的技术要求。

(图片选自德国ift Rosenheim《窗及室外过道门的安装导则》,主要表达室外窗户的功能及安装方式)

  2、针对极端天气的解决方案

  建筑外门窗的气密、水密、隔音、保温性能是可直接感受到的指标,气密性能起到室内外内外空气的完全封闭,不仅仅只是窗户的密封,还有窗户与洞口及墙体的密封等环节,需要我们认真考虑。在安装窗户过程中,干法(词条“干法”由行业大百科提供)施工,包括窗台板及窗套的使用,对解决外窗的气密性有重要作用,窗框与窗扇之间的等压胶条起的作用很大,等压胶条不仅仅解决气密性能,还有水密、隔音、保温等性能,材质要选用三元乙丙(词条“三元乙丙”由行业大百科提供)发泡复合胶条或其他高性能密封产品,所以要采用多腔结构,解决空气对流及气流衰减问题,也包括玻璃内外胶条的选用,胶条安装过程中,应考虑伸缩问题,防止热胀冷缩时发生不完整连接。3、建筑外窗的气密性能保证建筑外窗气密性:在标准状态下,压力差为10pa时的单位开启缝长的空气渗透量和单位面积的空气渗透量。门窗的气密性能是影响建筑采暖或空调的热工性能的重要指标,在寒冷地区,由于室内外温差造成冬季室外的冷空气从窗的缝隙进入室内,而室内的热空气从窗缝隙流到室外,引起热损失,炎热地区夏季室内也同样消耗电能,保证建筑节能和保温,气密性能的保证很重要。门窗在设计时要考虑产品的使用过程会发生的问题,包括极端天气的影响,门窗表现尤为突出,所以建筑外窗保温系数K(U)<1.0w/m2.k是合理的。

超低能耗“大断桥”的安装示意图

  4、针对北方极端天气门窗节能的保证措施

  建筑外墙与门窗节能的匹配性,保证建筑节能的一致性,节能门窗保温传热系数<1.1w/m2.k;结构采用断桥系统(、塑、木),应形成完整的闭合环,如果不能形成断桥闭合环,空气将有通道,形成假断桥结构;结构的密封要形成环形密封,并采用EPDM硅胶条等高性能材料,保证结构系统的耐候性能;型材断面设计要符合等强、等压原理的原则,实现材料性能的匹配性和经济性;应用新材料(词条“新材料”由行业大百科提供)和新技术,保证隔热材料导热系数要低,从结构上阻隔空气传导热传导途径的产生,保证与玻璃的节能匹配;采用双Low-E三玻结构或真空+中空玻璃,控制玻璃充气的渗漏,渗漏将导致玻璃性能失效,确保玻璃的保温性能和阻止一定程度的光辐射;

三玻两腔玻璃的性能指标

  应用好遮阳系统和通风系统,控制好室内水蒸气饱和度、温度和湿度,防止结露;

  处理好结构间缝隙的密封,保证完全贴合;五金件的正确应用,增加锁点,保证气密性和结构强度;在施工过程中,要严格按照干法工艺进行施工,处理好窗户与洞口之间的密封,以保证门窗的施工质量。以上要求满足新建和旧改项目的节能要求。

  三、结束语

  综上所述,建筑外门窗的设计理念在最初时结构设计时要充分考虑各种不利因素导致的各种问题,并通过结构设计解决,以及要满足不同区域建筑的要求,并在实际操作中进行控制,其重要性可想而知,把问题解决在事前。随着绿色建筑和建筑节能改造的逐渐推广与应用,建筑新材料和新技术将不断涌现,对我国的建筑业发展起到积极推动作用。

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