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錢(qián)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(méi)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(mén)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(kāi)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(guò)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(guò)環(huán)境空氣溫度，尤其是深色型材。通過(guò)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(guò)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(mén)窗型材部分的隔熱性能如何顯著影響熱量的傳輸以及門(mén)窗系統(tǒng)（詞條“門(mén)窗系統(tǒng)”由行業(yè)大百科提供）的熱舒適性能。通過(guò)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(guò)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(méi)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(méi)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(hù)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(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)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(xiě)(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(guò)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(guò)窗框的日平均得熱量，這表明斷熱鋁合金門(mén)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(lèi)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(guò)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(guò)公式強(qiáng)調(diào)了炎熱氣候區(qū)降低門(mén)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(mén)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。
