传热对于建筑窗体的影响因素分析

传热对于建筑窗体的影响因素及其节能途径分析

我国目前正处于建设高峰期,建筑能耗在总能耗中所占的比重也在不断增大。而外窗作为围护结构最为薄弱的环节,在建筑能耗中占了很大的比重。可见外窗是影响建筑节能的主要因素之一,其节能性能的提高,是改善建筑节能现状的首要突破口,而能量的传入与散失是导致建筑能耗增加的一个重要因素。研究传热对于建筑窗体的影响能够分析出建筑耗能的规律,并对建筑节能有着指导作用。

1 窗体耗热的传热学分析

传热学是现代技术科学体系中充满活力的主要基础学科之一,它用来研究热量传递过程的规律。当今中国单位面积采暖能耗相当于发达国家的2~3倍,建筑节能已经成为十分紧迫的问题。为实现节能所采取的技术措施必然涉及传热知识,例如各种建筑围护结构材料、门窗、供热设备管道的保温材料等的研制、生产、施工及其热物理性质的测试、热损失的分析计算;热源、和冷源设备的选择、配套、和合理有效利用;供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究;各类采暖散热器和换热器的设计、选择和性能评价;建筑物的热工计算和环境保护等等。

热量传递方式分辐射、传导、对流。这三种方式对建筑外围护结构的影响也有所不同:

(1)热辐射:主要发生在作为屋顶、墙体材料—玻璃与太阳热能之间。太阳直射热和辐射热被照射物吸收后,一部分转化成物质热能量表征为玻璃板材本体的温度升高,一部分转化为远红外热辐射能,还有一部分被墙体材料反射。

(2)热传导:主要由于建筑外围护结构室内外的温差使热能沿墙体、屋顶实体材料由温度高的一侧(室内面或室外面)向温度低的一侧(室外面或室内面)移动。

(3)热对流:是通过空气空间和缝隙进行的。自然状态下热对流行为是竖向移动。当热对流发生在水平空气层间时将发生环状对流现象,此时的热对流是最大的,垂直空气层间的热对流就很小。

窗户是建筑外围护结构的开口部位之一,是建筑的眼睛,它能起到在建筑与环境、户内与户外既沟通和分离的多重作用。热量通过窗的传递方式主要是对流换热、辐射换热和热传导,外界空气以对流换热的方式将热量传给窗体外表面,同时太阳通过辐射换热讲热量传给窗体,窗体外表面再通过导热传给窗体内表面,热量到达内表面之后又通过对流换热和辐射换热讲热量传给室内。当前,我国的窗户保温隔热性能较差,窗户的单位面积能耗为发达国家的2~3倍,且窗户的功能质量对居住者的健康、舒适以及生活工作条件有着重大的影响。门窗作为建筑最为重要的一部分,其面积占整个建筑物建筑面积的20%~30%。同时,通过外窗的传热耗热量与空气渗

透量相加约占整个建筑全部传热耗热量的50%,是建筑耗热的薄弱环节、节能的重

点部位,提高外窗的热工性能可对建筑产生23%的节能率。

2 与节能有关的外窗性能指标

传热对外窗的性能参数的影响很多,主要包括窗墙面积比、传热系数、遮阳系数、气密性方面指标。

(1)窗墙面积比是指外墙窗洞口面积与房间立面单元面积的比值,由于通过窗

流失的热量较墙体多,因此,窗墙面积比值越大对建筑节能越不利。由于外窗同时又具有采光、通风等重要功能,也是建筑立面设计中活跃的元素,窗墙比加大一方面会导致房间太阳辐射得热增加, 另一方面会增强室内、外的热量交换。前者有利于冬季室内热环境的改善, 但会导致夏季空调能耗的增加; 后者使得冬季房间的热量消耗增大,但却有利于夏季的室内散热。这意味着窗墙比加大对冬季和夏季的室内热环境都分别存在有利和不利的方面。因此,在建筑设计中应综合各种因素,通盘考虑后合理确定各向墙面开窗面积和窗户形式。根据规范要求,不同朝向、不同窗墙面积比的外窗传热系数是不一样的,窗体材料的选择应符合规范规定。

(2)传热系数是指在稳定传热条件下,围护结构两侧空气温差为1度(K,℃),1小时内通过1平方米面积传递的热量,单位是瓦/平方米·度(W/㎡·K,此处K可用℃代替)。近年来我国在节能门窗的研究方面取得了很大的进展,改进外窗热工性能主要集中在提高玻璃、窗框热阻和加强密封性方面。降低外窗传热系数应选择保温性能较好的中空玻璃、Low-E玻璃和热断桥型窗框材料。随着窗户与其他围护结构传热系数的降低,这些部位在建筑总失热量中所占比例越来越小,而空气渗透耗热量的比重不断上升。

(3)遮阳系数系指外窗对阳光的遮挡程度,是影响外窗节能的另一个重要指标。降低遮阳系数可以减少夏季通过外窗的太阳辐射得热,降低室内制冷负荷,提高建筑节能效果。窗口遮阳系数取决于窗体材料、外遮阳形式、构造、材料及颜色等因素。如遮阳型Low-E玻璃,其低辐射镀膜层可以有效反射太阳中的远红外辐射,具有较低的遮阳系数(SC<0.5)。而更为有效的方法是设置卷帘窗或外遮阳,可活动的卷帘窗或外遮阳形式多样,夏季放下可有效阻挡太阳辐射热,冬季收起又可充分吸收太阳辐射热能,已成为夏季隔热的重要手段,适合于夏热冬冷地区南区。另外在玻璃表面贴隔热膜或在中空玻璃内设置各种格栅状的可调构件等也是降低窗户遮阳系数的有效措施。

3 窗体节能的主要途径

在建筑中,窗户的热阻远远小于其他外围护结构,窗户是保温能力最低的建筑外围护结构,对于采暖建筑的窗户,其耗热量包括两个方面:一是窗框和玻璃的传热耗热量,二是窗户缝隙的冷风渗透耗热量。因此,专家认为,门窗节能要从这两方面着手,一方面减少窗框和玻璃的导热系数,增强保温性能;另一方面改善窗户制作安装精度,加密封条,减少空气渗透,减少冷风渗透量。

提高窗户的保温隔热能力可减少外窗的能量损耗。窗户由框扇和玻璃组成,框扇仅占窗面积的20%%~30%%,窗越大,所占比例越小。玻璃面积占窗面积的

70%%~85%%,门窗隔热保温性能的好坏应取决于框材和玻璃的综合隔热保温效果。不同的框扇材质有不同的传导系数,节能效果也不一样。

选择隔热性能好的窗框类型, 虽然总体上,窗户的隔热性能由玻璃来控制,但是窗框占整个窗户总面积的10%~30%.不同的窗框材料有不同的热工性能。

窗框的性能会对窗户性能产生直接影响。现在越来越多的生产商制造合金或是复合材料窗框,通过改变窗框的热工性能来使整个窗户满足规范要求的性能参数。

玻璃类型的选择也影响着窗户的节能效果。随着技术的不断进步,玻璃品种越来越多,目前主要以节能为目的的玻璃品种有吸热玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等。其中,中空玻璃由于在两片玻璃之间形成了一定的厚度并被限制了流动的空气或其他气体层从而减少了玻璃的对流和传导传热。因此,它具有较好的隔热能力。例如由两片5毫米普通玻璃和中间厚度为10毫米的空气层组成的中空玻璃,在热流垂直于玻璃进行热传递时对流传热、热传导、辐射传热各约占总传热的2%、38%、60%,同时中空玻璃的单片还可以采用镀膜玻璃和其他节能玻璃,能将这些玻璃的优点都集中于中空玻璃上,也就是说中空玻璃还可以集本身和镀膜玻璃的优点于一身,从而发挥更好的节能作用。

采用内贴隔热膜也可在后期降低外窗的传热系数。具有操作简便, 无湿作业、不损伤窗口基面, 工期短, 不受季节限制等优点。隔热膜有一定的安全增强功能, 同时具备夹层玻璃的碎片粘持性能, 其安全性优于钢化玻璃。通过对双玻塑钢窗粘贴隔热膜可明显提高其隔热性能, 其传热系数接近三玻塑钢窗, 并达到了国家65%节能标准。

此外,窗型的选择也影响节能效果。常用窗型一般为推拉窗、平开窗、固定窗。推拉窗的换热量除了框扇和玻璃的热传导外,还有因窗扇在窗框上的左右推拉造成的空隙加大而产生较强的空气对流,因此推拉窗的节能效果不理想。平开窗因没有推拉而不产生空气对流,平开窗的热量流失只是窗框、扇和玻璃的热传导及辐射,平开窗的节能效果优于推拉窗,固定窗把窗框嵌在墙体内,玻璃直接安在窗框上,