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凱米特分享|淺談被動窗的應用及研發

分類:
行業知識
2021/12/24 08:20
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摘要:2020年9月22日,習近平主席在聯合國一般性辯論時宣布中國二氧化碳排放量力爭在2030年達到峰值,2060年前實現碳中和。如何能如期兌現承諾,貫徹落實國家能源利用轉型,積極推動低碳社會發展,發展綠色建筑、零能耗建筑。作為實現碳達峰、碳中和任務目標的重要途徑。發展零能耗建筑避不開被動式門窗的應用。

一、背景

2020年9月22日,習近平主席在聯合國一般性辯論時宣布中國二氧化碳排放量力爭在2030年達到峰值,2060年前實現碳中和。

2020年12月12日,習近平主席在氣候峰會上進一步提出了中國國家自主貢獻新舉措,即到2030年單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源資源占一次能源消費比重將達到25%左右,森林蓄積量比2005年增加60億立方米,風能、太陽能發電量將達到12億千瓦以上。

碳達峰是指全球、國家、城市、企業等主體的碳排放在由升轉降的過程中,碳排放的最高點即碳峰值。碳中和是指人為排放量與通過植樹造林,碳捕捉與封存(CCS)技術等人為吸收匯達平衡,狹義上指二氧化碳排放,廣義也可指所有溫室氣體排放。

如何能如期兌現承諾,貫徹落實國家能源利用轉型,積極推動低碳社會發展,發展綠色建筑、零能耗建筑。作為實現碳達峰、碳中和任務目標的重要途徑。發展零能耗建筑避不開被動式門窗的應用。

二、被動門窗在建筑中的應用

2.1什么是被動式門窗

門窗作為一個空間單元,是建筑物必不可少的基本要素之一,它烘襯著建筑物的形象和風格,從形式到功能都記錄放映了建筑藝術傾向;被動門窗通過外立面均等分的線條感設計、以及各種各樣的開啟方式,使建筑物更具備強烈的視覺效果沖擊,充分展現建筑物流暢高雅的感覺。

基于被動式設計而設計的節能門窗,被動門窗不是一種能耗標準,而是一種兼顧效能、建筑外觀和良好舒適度的系統門窗解決方案;而“被動式設計”應用自然界的陽光、風力、氣溫、濕度的自然原理,盡量不依賴常規能源的消耗,以規劃、設計、環境配置的建筑手法來改善和創造的居住環境;基本不需要額外加裝采暖、制冷設備。

2.2被動門窗分類:

被動門窗按照材質可分為塑鋼門窗、木門窗、鋁合金門窗,本文主要討論鋁合金門窗。

2.3被動式門窗特性:

根據德國被動式房屋研究所PHI的研究結果表明,被動式房屋的窗戶必須符合以下要求。

三層低能耗或等效的玻璃、高保溫性能暖邊、高保溫窗框、墻體中的優化安裝方式。對目前國內大部分的磚石混凝土實墻,按被動式建筑要求采用墻體洞口外側懸掛安裝固定。這些條件完全匹配才能使被動式門窗熱損失與現代標準的玻璃相比減少50%。即使在冬天寒冷的夜里,這些減少的熱損失也能保持室內溫度舒適。

1、 對外窗透明部分的基本性能要求:

玻璃的透明部分性能是最為復雜的,需同時滿足如下要求:

1)玻璃的傳熱系數應滿足K≤0.8W/(m2 ·K) 。

2)玻璃的太陽能總透射比G≥0。

3)玻璃的選擇性系數S,愈大愈好。并滿足S=TL/g≥1.25的要求;其中TL 是可見光透射比。

2、型材的選擇:
房屋外門窗框的型材傳熱系數K 應依據現行國家標準《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484 規定的方法測定,并符合K ≤1.3W/(m2 ·K)規定。
3、密封材料選擇:
我國工程用窗普遍忽視窗的密封材料。被動式房屋的外窗應采用三道耐久性良好的密封材料密封。
4、對外窗的氣密、水密和抗風壓性能要求:
外門窗應具有良好的氣密、水密和抗風壓性能。依據現行國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106,其氣密性等級不應低于8 級、水密性等級不應低于6級、抗風壓性能等級不應低于9 級。
5、對窗的安裝的要求:
同普通房屋外窗一般安放在窗洞口內不同,被動房外窗一般安裝外墻外側。這種安裝方式可以減少20% 左右的熱損失。外窗與墻體的連接有防水透氣膜、防水隔氣膜和密封膠組成的完整密封連接系統。
對于被動房來說,除了要考慮與門窗節能有關的保溫性能、遮陽性能、氣密性能,還要考慮與安全和舒適度有關的抗風壓性能、水密性能、隔聲性能、采光性能及耐久性能等,這涉及到了設計、選材、安裝、維護等各個環節,還與門窗桿件型材、玻璃、密封膠條、五金、配套件各種部件的性能有關。

三、被動窗的研發

根據以上總結的被動窗的特點,我們做了以下設計。
1.采用三玻兩中空配置5雙銀Lowe(鋼化)+16Ar+5白玻(鋼化)+16Ar+5雙銀Lowe (鋼化)暖邊條填充氬氣, 玻璃的傳熱系數應滿足K≤0.7W/(m2 ·K)
2.型材采用64mm隔熱條,鋁合金狀態采用6063-T66,壁厚按照GB/T8478 2020《鋁合金門窗》的要求,達到1.8mm。
3.為了提高水密性和氣密性,框扇密封及等壓膠條采用的是三元乙丙符合發泡膠條,玻璃密封膠條室外采用三元乙丙符合發泡膠條,室內采用三元乙丙膠條。

四、被動窗新材料應用的展望

隨著科學技術發展,新材料、新工藝、新技術不斷出現,在被動窗的研發中新方案也層出不窮。

1. 新型玻璃真空玻璃

真空玻璃是空玻璃是一種新型玻璃深加工產品,是基于保溫瓶原理研發而成。真空玻璃的結構與中空玻璃相似,其不同之處在于真空玻璃空腔內的氣體非常稀薄,幾乎接近真空。真空玻璃的保溫隔熱性能是基于真空保溫瓶原理。鋼化真空玻璃 V 玻產品的隔熱效果超過 1 米厚的磚墻,是普通中空玻璃的 4~6 倍,U 值(也叫傳熱系數或 K值)低至 0.4 W/m2·K(歐洲 IFT 實驗室報告)。如果使用真空玻璃來制作被動窗,不僅能很好的減輕玻璃重量,還能節省資源。

2. 氣凝膠材料

1) 硅氣凝膠纖細的納米網絡結構有效地限制了局域熱激發的傳播,其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l,而且對紅外和可見光的湮滅系數之比達100以上,能有效地透過太陽光,并阻止環境溫度的紅外熱輻射,成為一種理想的透明隔熱材料,在太陽能利用和建筑物節能方面已經得到應用。

通過摻雜的手段,可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導,常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0.013w/m·K,是熱導率最低的固態材料,可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料,800K時的熱導率僅為0.03w/m·K,作為軍品配套新材料將得到進一步發展。

2) 上海交通大學的李志強等采用熱擠壓法制備了0.1%(質量分數)石墨烯/鋁符合材料,其抗拉強度較純鋁基本提高了62%,達到了249MPa。同時他們進一步研究表明加入3%(質量分數)的石墨烯可以是彈性模量提高18%。

隨著科技的進步與發展和政府的政策干預,近零能耗建筑,被動門窗必將越來越被普遍的應用,而且隨著新材料的應用被動門窗性能必將會更好。

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