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沃卡姆(山东)真空玻璃科技有限公司位于山东省济南市莱芜高新技术产业开发区钱塘江大街15号,是一家集真空玻璃制造和真空生产工艺、真空玻璃装备制造及和真空玻璃技术研发、应用于一体的专业化公司。

为建筑实现能源控制和节能设计 Energy control and energy design for buildings
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真空玻璃助力UPVC窗为实现碳中和添翼

1 建筑节能标准要求

北京市《居住建筑节能设计标准》于2021年1月1日正式执行,将北京居住建筑节能率由75%提升至80%以上,标志着建筑节能向更高水平迈进。

我国建筑节能是以1980-1981的建筑能耗为基础,按每步在上一阶段的基础上提高能效30%为一个阶段:

第一步节能是在1980-1981的基础上节约30%,通称为节能30%的标准。

第二步节能是在第一步节能的基础上再节约30%,即1-(0.7*0.7)=51%,(国家为了字面上更容易表示,定为50%的节能率标准)。

第三步节能是在第二步节能的基础上再节约30%,即1-(0.7*0.7*0.7)=66%,简称为节能65%的标准。

第四步节能是在第三步节能的基础上再节约30%,即1-(0.7*0.7*0.7*0.7)=76%,简称为节能75%的标准。

如此推算下去,第五步节能是在第四步节能的基础上再节约30%,即1-(0.7*0.7*0.7*0.7*0.7)=83%。

整体的节能目标提高显著提高:由原来的75%提升至80%以上。提高了建筑围护结构热工性能,大幅提高了外窗的传热系数标准:外窗、阳台门(窗)、幕墙透光部位和屋面天窗”的传热系数K值定为不大于1.1W/(m2·K)。

据相关数据统计,北京市执行门窗传热系数K值低于1.1 W/(m2·K)的要求已经达到近零能耗建筑于要求,已经达到了欧洲国家中的领先水平。(见表1)

表1  欧洲各国家或地区外窗U值限定

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近零能耗建筑”(Nearly zero energy building)一词源于欧盟。欧盟于2010年7月9日发布了《建筑能效指令》(修订版)(Energy Performance of Building Directive recast,EPBD),要求各成员国确保在2018年12月31日起,所有政府持有或使用的新建建筑达到“近零能耗建筑”要求;在2020年12月31日起,所有新建建筑达到“近零能耗建筑”要求。由于欧盟成员国经济不平衡、气候区跨度大、成员国可以以本国实际情况为基础、以充分考虑节能技术成本效益比为前提,提出其“近零能耗”建筑量化目标,并没有统一明确的量化节能目标。对于“近零能耗建筑”,欧盟各国也存在不同的具体定义。

目前,国内众多门窗企业都申请了德国被动房研究所(PHI)的窗部件认证证书,PHI对于窗的要求是Uw值要小于0.8 W/(㎡·K)。(此处特指北京市所在的气候区)

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图1  PHI认证证书

2 热工模拟计算分析

2.1 欧洲标准和中国标准的计算结果差异

首先,我们需要分析欧洲标准和中国标准的计算结果差异:玻璃配制选用“6双银LowE+16Ar+5+16Ar+6双银lowE”。使用JGJ151计算的玻璃的中心区域传热系数K值为0.709W/(㎡·K);如果使用CEN标准计算玻璃中心区域的传热系数K值为0.603W/(㎡·K)。分别使用两个标准,配合Crown92系列的UPVC型材,整窗传热系数Uw的计算结果分别如下:

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图2  使用中国标准计算的整窗Uw为0.862   

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图3  使用欧洲标准计算的整窗Uw为0.771

对比计算结果可以发现,完全相同的窗会因为计算标准的不同,导致整窗传热系数Uw的计算结果产生不同。

2.2 不同材质窗户的U值算对比

所以接下来文中讨论的所有配置,都是在中国标准(JGJ/T151-2008建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程)的环境条件下模拟的:

首先,针对市场上常见的断桥铝,U-PVC和木窗的70系列,在窗型相同,玻璃配置(详见图4)相同的前提下,对比结果见图5~图7:

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图4  中空玻璃玻璃配置

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图5  70系列断桥铝合金窗的计算结果为:1.334W/(㎡·K)

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图6  70系列U-PVC窗的计算结果为:1.257W/(m2·K)   

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图7  70系列木窗的计算结果为:1.330W/(m2·K)

综上模拟计算的结果可以看出,相同系列的门窗,U-PVC窗的型材的Uf值最低,当玻璃配置相同时,整窗的传热系数也是最低的。

2.3 更换中空玻璃配置和窗型降低整窗U值

1.257 W/(㎡·K)距离1.1W/(㎡·K)的整窗传热系数要求还有一定的距离。接下来首先尝试中空玻璃的配置升级,把中空玻璃的K值从1.0 W/(㎡·K)左右降低到0.8 W/(㎡·K)左右。(见图8)重新计算70系列的UPVC窗是否能够满足北京市的居住建筑节能设计要求。

通过对规格尺寸为1230mm*1480mm的简易窗型模拟计算,整窗传热系数Uw的模拟结果为1.110W/(㎡·K)(见图9)。然后,将规格尺寸更换为1500mm*1500mm的左右分隔窗型,并继续使用JGJ/T 151进行计算:

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图8  中空玻璃玻璃配置

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图9  1230mm*1480mm窗型计算结果

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图10  1500mm*1500mm窗型计算结果

通过计算,整窗传热系数Uw的模拟结果为1.160 W/(m2·K)(详见图10)。所以,70系列UPVC窗搭配传统的中空玻璃显然是不能满足北京居住建筑节能设计规范的要求。

2.4 采用真空玻璃进一步降低整窗U值

真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。真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来,将其间隙抽成真空并密封排气孔,两片玻璃之间的间隙为0.3mm,真空玻璃的两片一般至少有一片是低辐射玻璃,这样就将通过真空玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热降到最低,其工作原理与玻璃保温瓶的保温隔热原理相同。真空玻璃是玻璃工艺与材料科学、真空技术、物理测量技术、工业自动化及建筑科学等,多种学科、多种技术、多种工艺协作配合的硕果。

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图11  真空复合中空玻璃配置

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图12  1500mm*1500mm窗型计算结果

搭配上真空复合中空玻璃的70系列UPVC窗,同样的1500mm*1500mm的左右分隔窗型,同样根据JGJ/T 151进行计算,整窗传热系数Uw的计算结果为0.930W/(m2·K)。(详见图12)

最后,为了更准确模拟“T”型分隔的1500mm*1500mm标准窗型的整窗传热系数,由于软件限制,只能把窗户分成上下两个部分。(由于Window软件的限制,无法计算“T”型分隔的窗型的传热系数)其中上半部分高度为500mm,下半部分高度为1000mm。依次分别计算出上下两部分的整窗传热系数后,再进行面积加权求和公式求得最终的整窗传热系数。 

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图13  下半部分计算结果 

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图14  上半部分计算结果

经过面积加权计算,Uw =(0.99*1.5m2+1.131*1.5m2)/2.25m2=1.03 W/(m2·K)。(模拟温度曲线和热流曲线详见图15和图16)

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图15  Crown70系列温度曲线    图16  Crown70热流曲线

综上,搭载真空玻璃的70系列UPVC窗的Uw达到了1.03 W/(m2·K),可以轻松满足北京居住建筑节能设计规范的要求。当真空玻璃配置升级为双Low-E真空复合中空玻璃,Uw值可以实现小于1.0 W/(m2·K)的解决方案。可以满足京津冀地区、山东省、河南省和东三省等区域的被动式超低能耗居住建筑节能要求。同时也满足近零能耗建筑严寒地区和寒冷地区的节能要求。(详见图17)

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图17  近零能耗建筑技术标准

最后,笔者把PHI认证的“被动窗”的玻璃配置更换成双Low-E复合真空中空玻璃,进行热工计算,得到整窗传热系数Uw的模拟结果为0.652 W/(m2·K)(详见图18)

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图18  1230mm*1480mm PHI窗型计算结果

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图19  Crow92系列温度曲线    图20  Crown92热流曲线

3 结论

通过上述一系列的计算可以发现:对于中空玻璃,不同的间隔层保温性能也有所差异。真空间隔层的保温性能远远超过传统中空间隔层,真空复合中空玻璃的传热系数也比传统中空玻璃低很多。(详见表2)

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性能优异的UPVC型材,配合搭载了Low-E和暖边间隔条的真空玻璃,最终制成保温性能优异的高性能门窗。真空玻璃除了能有效提高门窗的保温性能,还能减少中空复合玻璃的总厚度,减少型材的厚度尺寸,从而降低玻璃和整窗自重,间接地提高了五金和整窗的寿命。同时,沃卡姆真空玻璃独有的真空度保持技术,也充分保障了玻璃的耐久性能。在中国面临“2030碳达峰”和“2060碳中和”两个前所未有的巨大挑战时,提高UPVC窗的节能性能和耐久性能,能有效地助力近零能耗建筑和被动式建筑的蓬勃发展。

作者简介

刘永亮,沃卡姆(山东)真空玻璃科技有限公司总经理;联系地址:山东省济南市历下区中润财富中心 1号楼;电话:13793298222;邮箱:99597556@qq.com