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凯米特分享|浅谈被动窗的应用及研发

分类:
行业知识
2021/12/24 08:20
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摘要:2020年9月22日,习近平主席在联合国一般性辩论时宣布中国二氧化碳排放量力争在2030年达到峰值,2060年前实现碳中和。如何能如期兑现承诺,贯彻落实国家能源利用转型,积极推动低碳社会发展,发展绿色建筑、零能耗建筑。作为实现碳达峰、碳中和任务目标的重要途径。发展零能耗建筑避不开被动式门窗的应用。

一、背景

2020年9月22日,习近平主席在联合国一般性辩论时宣布中国二氧化碳排放量力争在2030年达到峰值,2060年前实现碳中和。

2020年12月12日,习近平主席在气候峰会上进一步提出了中国国家自主贡献新举措,即到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源资源占一次能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量比2005年增加60亿立方米,风能、太阳能发电量将达到12亿千瓦以上。

碳达峰是指全球、国家、城市、企业等主体的碳排放在由升转降的过程中,碳排放的最高点即碳峰值。碳中和是指人为排放量与通过植树造林,碳捕捉与封存(CCS)技术等人为吸收汇达平衡,狭义上指二氧化碳排放,广义也可指所有温室气体排放。

如何能如期兑现承诺,贯彻落实国家能源利用转型,积极推动低碳社会发展,发展绿色建筑、零能耗建筑。作为实现碳达峰、碳中和任务目标的重要途径。发展零能耗建筑避不开被动式门窗的应用。

二、被动门窗在建筑中的应用

2.1什么是被动式门窗

门窗作为一个空间单元,是建筑物必不可少的基本要素之一,它烘衬着建筑物的形象和风格,从形式到功能都记录放映了建筑艺术倾向;被动门窗通过外立面均等分的线条感设计、以及各种各样的开启方式,使建筑物更具备强烈的视觉效果冲击,充分展现建筑物流畅高雅的感觉。

基于被动式设计而设计的节能门窗,被动门窗不是一种能耗标准,而是一种兼顾效能、建筑外观和良好舒适度的系统门窗解决方案;而“被动式设计”应用自然界的阳光、风力、气温、湿度的自然原理,尽量不依赖常规能源的消耗,以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造的居住环境;基本不需要额外加装采暖、制冷设备。

2.2被动门窗分类:

被动门窗按照材质可分为塑钢门窗、木门窗、铝合金门窗,本文主要讨论铝合金门窗。

2.3被动式门窗特性:

根据德国被动式房屋研究所PHI的研究结果表明,被动式房屋的窗户必须符合以下要求。

三层低能耗或等效的玻璃、高保温性能暖边、高保温窗框、墙体中的优化安装方式。对目前国内大部分的砖石混凝土实墙,按被动式建筑要求采用墙体洞口外侧悬挂安装固定。这些条件完全匹配才能使被动式门窗热损失与现代标准的玻璃相比减少50%。即使在冬天寒冷的夜里,这些减少的热损失也能保持室内温度舒适。

1、 对外窗透明部分的基本性能要求:

玻璃的透明部分性能是最为复杂的,需同时满足如下要求:

1)玻璃的传热系数应满足K≤0.8W/(m2 ·K) 。

2)玻璃的太阳能总透射比G≥0。

3)玻璃的选择性系数S,愈大愈好。并满足S=TL/g≥1.25的要求;其中TL 是可见光透射比。

2、型材的选择:
房屋外门窗框的型材传热系数K 应依据现行国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484 规定的方法测定,并符合K ≤1.3W/(m2 ·K)规定。
3、密封材料选择:
我国工程用窗普遍忽视窗的密封材料。被动式房屋的外窗应采用三道耐久性良好的密封材料密封。
4、对外窗的气密、水密和抗风压性能要求:
外门窗应具有良好的气密、水密和抗风压性能。依据现行国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106,其气密性等级不应低于8 级、水密性等级不应低于6级、抗风压性能等级不应低于9 级。
5、对窗的安装的要求:
同普通房屋外窗一般安放在窗洞口内不同,被动房外窗一般安装外墙外侧。这种安装方式可以减少20% 左右的热损失。外窗与墙体的连接有防水透气膜、防水隔气膜和密封胶组成的完整密封连接系统。
对于被动房来说,除了要考虑与门窗节能有关的保温性能、遮阳性能、气密性能,还要考虑与安全和舒适度有关的抗风压性能、水密性能、隔声性能、采光性能及耐久性能等,这涉及到了设计、选材、安装、维护等各个环节,还与门窗杆件型材、玻璃、密封胶条、五金、配套件各种部件的性能有关。

三、被动窗的研发

根据以上总结的被动窗的特点,我们做了以下设计。
1.采用三玻两中空配置5双银Lowe(钢化)+16Ar+5白玻(钢化)+16Ar+5双银Lowe (钢化)暖边条填充氩气, 玻璃的传热系数应满足K≤0.7W/(m2 ·K)
2.型材采用64mm隔热条,铝合金状态采用6063-T66,壁厚按照GB/T8478 2020《铝合金门窗》的要求,达到1.8mm。
3.为了提高水密性和气密性,框扇密封及等压胶条采用的是三元乙丙符合发泡胶条,玻璃密封胶条室外采用三元乙丙符合发泡胶条,室内采用三元乙丙胶条。

四、被动窗新材料应用的展望

随着科学技术发展,新材料、新工艺、新技术不断出现,在被动窗的研发中新方案也层出不穷。

1. 新型玻璃真空玻璃

真空玻璃是空玻璃是一种新型玻璃深加工产品,是基于保温瓶原理研发而成。真空玻璃的结构与中空玻璃相似,其不同之处在于真空玻璃空腔内的气体非常稀薄,几乎接近真空。真空玻璃的保温隔热性能是基于真空保温瓶原理。钢化真空玻璃 V 玻产品的隔热效果超过 1 米厚的砖墙,是普通中空玻璃的 4~6 倍,U 值(也叫传热系数或 K值)低至 0.4 W/m2·K(欧洲 IFT 实验室报告)。如果使用真空玻璃来制作被动窗,不仅能很好的减轻玻璃重量,还能节省资源。

2. 气凝胶材料

1) 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播,其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l,而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上,能有效地透过太阳光,并阻止环境温度的红外热辐射,成为一种理想的透明隔热材料,在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。

通过掺杂的手段,可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导,常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0.013w/m·K,是热导率最低的固态材料,可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料,800K时的热导率仅为0.03w/m·K,作为军品配套新材料将得到进一步发展。

2) 上海交通大学的李志强等采用热挤压法制备了0.1%(质量分数)石墨烯/铝符合材料,其抗拉强度较纯铝基本提高了62%,达到了249MPa。同时他们进一步研究表明加入3%(质量分数)的石墨烯可以是弹性模量提高18%。

随着科技的进步与发展和政府的政策干预,近零能耗建筑,被动门窗必将越来越被普遍的应用,而且随着新材料的应用被动门窗性能必将会更好。