保溫遮陽新風(fēng)一體化窗的開發(fā)與性能分析

沈佑竹 ，吳志敏 ，劉永剛

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省建筑節(jié)能技術(shù)中心，江蘇 南京 210008）

0 前 言

目前大部分地區(qū)建筑室內(nèi)通風(fēng)常常采用開窗引入自然通風(fēng)的方式，但空調(diào)時段往往會造成能源浪費，且容易將室外空氣和噪聲污染引入室內(nèi)。因此，尋求外窗保溫、隔熱、遮陽、通風(fēng)整體性能提升途徑成為建筑節(jié)能新技術(shù)的關(guān)注點。

本文開發(fā)一種保溫、遮陽、新風(fēng)等功能于一體的建筑外窗，在保持或加強保溫、隔聲的同時，引入遮陽和通風(fēng)裝置，將多種功能集成為一體。為兼顧產(chǎn)品的保溫隔熱、氣密性、水密性、抗風(fēng)性、隔聲性能以及通風(fēng)效果，結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征，及更高建筑節(jié)能標(biāo)準的要求，設(shè)定了產(chǎn)品的預(yù)期主要技術(shù)指標(biāo)：傳熱系數(shù)K≤1.8 W/（m2·K），氣密性≥6級，隔聲量≥30 dB，通風(fēng)量≥50 m3/（m·h）。

1 選型配置

為達到預(yù)期設(shè)置的技術(shù)指標(biāo)，進行玻璃系統(tǒng)、型材系統(tǒng)和通風(fēng)器的選型。

1.1 玻璃系統(tǒng)方案

為了減小熱交換進行，主要從3個方面降低玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)：設(shè)置中空間層；采用惰性氣體；降低玻璃表面發(fā)射率。常見玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)見表1。

表1 常見玻璃系統(tǒng)的光學(xué)熱工參數(shù)

整窗傳熱系數(shù)K≤1.8 W/（m2·K）時，玻璃系統(tǒng)傳熱占整窗傳熱的62%～74%[1]，玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)需Ug＜1.8 W/（m2·K），又考慮到DGJ32J 71—2014《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》中關(guān)于外窗遮陽系數(shù)的規(guī)定，南向窗冬季為獲得太陽熱，冬季遮陽系數(shù)SC冬≥0.6，即不應(yīng)采用Low-E玻璃，則玻璃系統(tǒng)選擇了5透明+19A+5透明+10Ar+5透明配置。

1.2 型材系統(tǒng)方案

不同配置型材的傳熱系數(shù)見表2。

表2 常見型材的傳熱系數(shù)

綜合考慮造價因素，選擇塑鋼型材作為窗框型材。

1.3 通風(fēng)器配置

為達到通風(fēng)量≥50 m3/（m·h）的設(shè)計要求，采用主動式電動通風(fēng)器。為達到隔聲量≥30 dB的設(shè)計要求，通風(fēng)器內(nèi)設(shè)置2層由海綿做成的過濾網(wǎng)，既能吸收一定噪聲，又能過濾室外空氣。為達到傳熱系數(shù)K≤1.8 W/（m2·K）的設(shè)計要求，通風(fēng)器內(nèi)有2道空氣間隔腔，作為隔熱層。為達到氣密性≥6級的設(shè)計要求，通風(fēng)器通風(fēng)口可以關(guān)閉。通風(fēng)器斷面構(gòu)造見圖1。

圖1 通風(fēng)器斷面構(gòu)造

2 模擬計算

設(shè)計樣窗尺寸為1200 mm×1500 mm，采用THERM&WINDOW軟件對樣窗的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)進行模擬計算，通風(fēng)器部分采用同樣尺寸和構(gòu)造的鋁合金方管替代。為方便計算，鋁合金方管和塑鋼型材忽略邊緣線傳熱系數(shù)。整窗傳熱系數(shù)按式（1）計算：

式中：Ut、Ug、Uf、Uv——分別為整窗、窗玻璃、窗框、鋁合金方管的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

At、Ag、Af、Av——分別為整窗、窗玻璃、窗框、鋁合金方管的面積，m2；

Lφ——玻璃區(qū)域邊緣長度，m；

Ψ——窗框和窗玻璃之間的線傳熱系數(shù)，W/（m·K）。

玻璃、型材和通風(fēng)器的傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果見表3。

表3 樣窗傳熱系數(shù)模擬計算結(jié)果

按式（1）整窗傳熱系數(shù)計算結(jié)果為1.6 W/（m2·K）。

太陽光透射比按式（2）計算：

式中：gt、gg、gf、gv——分別為整窗、窗玻璃區(qū)域、窗框、通風(fēng)器替代物的太陽光總透射比。

整窗遮陽系數(shù)SC=gt/0.87，計算結(jié)果見表4。

表4 整窗遮陽系數(shù)模擬計算結(jié)果

3 性能分析

3.1 節(jié)能性能分析

衡量門窗節(jié)能效果的主要指標(biāo)是傳熱系數(shù)K和遮陽系數(shù)SC。傳熱系數(shù)K表示通過窗戶的室內(nèi)外熱交換量，遮陽系數(shù)SC表示透過窗戶進入室內(nèi)的太陽能熱量。傳熱系數(shù)K越小，表示通過窗戶的熱量傳遞越少，遮陽系數(shù)SC越大，表示通過窗戶進入室內(nèi)的太陽能熱量越高。

窗戶的玻璃系統(tǒng)采用5CL+19A+5CL+10Ar+5CL的配置，玻璃系統(tǒng)和整窗的遮陽系數(shù)測試結(jié)果見表5。

表5 窗戶遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)檢測結(jié)果

3.2 隔聲性能分析

隔聲量是指入射到試件上的聲功率與透過試件的投射聲功率之比。GBJ 11821—1988《民用建筑噪聲隔聲設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了民用建筑室內(nèi)允許噪聲級，共分為4級，三級是最低標(biāo)準，“特級”根據(jù)特殊要求確定。一般單層玻璃窗戶可以降噪25 dB左右，雙層玻璃窗戶在此基礎(chǔ)上最多可以再降噪10 dB，3層玻璃窗戶最多可降噪42 dB[2]。

保溫、遮陽、新風(fēng)一體化窗因為引入了通風(fēng)器，整窗的隔聲性能會受到影響，隔聲的薄弱部位在通風(fēng)器與型材的接縫處，以及通風(fēng)器的通風(fēng)口。經(jīng)測試，當(dāng)通風(fēng)器完全打開時，整窗可以降噪25 dB；當(dāng)通風(fēng)器的通風(fēng)口完全關(guān)閉時，整窗可以降噪35dB。引入通風(fēng)器后，整窗的隔聲性能有所降低。GB50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了住宅外窗的空氣聲隔聲性能應(yīng)不小于25 dB，交通干線兩側(cè)臥室和起居室的窗戶隔聲性能不應(yīng)小于30 dB。但是此樣窗的隔聲性能依舊能夠符合GB 50118—2010的規(guī)定和產(chǎn)品預(yù)期隔聲量設(shè)計值大于等于30 dB。

3.3 通風(fēng)性能分析

對于動力通風(fēng)器的通風(fēng)性能，是指在0壓差下，開啟狀態(tài)下的通風(fēng)量。本次研發(fā)的保溫、遮陽、通風(fēng)一體化窗安裝了動力通風(fēng)器，通風(fēng)器有自然回風(fēng)口和動力出風(fēng)口。動力通風(fēng)口靠近電機一側(cè)，當(dāng)電機啟動時，會向室內(nèi)引入新風(fēng)。當(dāng)室內(nèi)氣壓略高于室外側(cè)時，產(chǎn)生微正壓通風(fēng)，此時遠離電機一側(cè)的自然回風(fēng)口開始工作，向室外排風(fēng)。通風(fēng)器的通風(fēng)量取決于通風(fēng)器的電機功率大小。對于本次研發(fā)的一體化窗的通風(fēng)器，通風(fēng)量采用通風(fēng)口的平均風(fēng)速進行計算，經(jīng)測試，通風(fēng)器的通風(fēng)量為59.44 m3/h。

3.4 氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性能分析

根據(jù)DGJ32/J 71—2014的規(guī)定，居住建筑外窗氣密性等級不得小于6級，水密性等級不得小于3級，高層建筑抗風(fēng)壓等級不得小于6級。經(jīng)測試，整窗的氣密性為6級，水密性為3級，抗風(fēng)壓性能為9級，符合DGJ32/J 71—2014規(guī)定要求。

3.5 自噪聲性能分析

測試動力通風(fēng)器的噪聲時，將其水平放置在半消聲室中央、出風(fēng)口中心位置離地面1.5 m高，進風(fēng)口和出風(fēng)口均處于自由空間，在220 V電壓下運行10 min后進行測試，取其離出風(fēng)口中心位置水平方向1 m處的聲壓級。GB/T 28198—2011《窗用動力通風(fēng)器》規(guī)定通風(fēng)量大于50 m3/h的通風(fēng)器其噪聲等級不得大于38 dB。測試結(jié)果動力通風(fēng)器的噪聲為37 dB，符合規(guī)定要求。

4 結(jié)語

對保溫、隔熱、新風(fēng)一體化窗進行了設(shè)計及樣窗制作，并且對整窗的保溫和隔熱性能進行了理論計算，最后對一體化窗進行了節(jié)能、隔聲、通風(fēng)、氣密性、水密性和抗風(fēng)壓的性能測試，對比預(yù)期設(shè)計結(jié)果均能達到相關(guān)要求。下一步將對各配件及窗整體構(gòu)造進行優(yōu)化，對這種功能窗的節(jié)能及提高室內(nèi)環(huán)境的效果進行試驗，為其工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。