被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能设计

2023年6月23日建筑工程5阅读模式

0 引言

目前我国建筑能耗的比重较大，占社会总能耗的三分之一。被动式低能耗绿色建筑利用新风热回收技术以及各种可再生能源，通过保温隔热性能以及气密性较高的围护结构降低建筑能耗，为人们提供舒适室内环境的建筑。

为了更好地保障建筑合理性，提高建筑能耗控制精度，降低建筑外窗的热能消耗，提出被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能设计方法，对绿色建筑与多功能能源系统进行优化。对绿色建筑内外各能量成分的性能、能量水平、能量利用效果的影响及其相互关系进行研究，针对多工况建筑能源系统的特点，将多功能绿色建筑能源系统进行集成，实现建筑能源的组合与梯级综合利用。

Camporeale等以板型与高层住宅形态为研究对象研究建筑形态优化降低一次能源消耗。在当前气候变化情景下，可以有效减少能源消耗和温室气体排放，但该方法针对绿色建筑热环境质量改善不明显。疏志勇等以夏热冬冷地区某研发中心被动式超低能耗办公楼为试验对象，通过线性拟合室内外热湿环境，研究不同功能区的室内温湿度及舒适性。该方法的被动式超低能耗建筑室内温湿度受干扰较小，具有良好的建筑密闭性，但存在湿度较大且间歇性过热的现象。Bevilacqua等设计一种低能耗建筑要求的建筑围护结构，利用动态模拟软件，研究两种不同的住宅建筑在不同气候环境下的能量性能。采取适当的通风策略，进一步减少冷却需求。该方法减少了供暖需求合冷却能源需求，但在寒冷的气候条件下，系统性能明显受到了限制。

基于以上研究，从建筑节能合空间节能两方面考虑，提出建筑三玻两腔防冷桥外窗节能的概念，通过针对建筑能源适用性的分析，提高三玻两腔防冷桥外窗结构可再生能源在建筑能源供应系统中的作用，降低建筑主体的能耗，减少能源的需求。当窗户的墙体面积比达到规范要求时，应尽可能增加窗户的开窗面积，以加强通风。

针对当前建筑节能设计中存在的薄弱环节，结合气候特点，分析建筑外窗结构及其热工性能，并提出相应的技术措施和方法，实现对三玻两腔防冷桥外窗结构的优化设计。

1 三玻两腔防冷桥外窗设计影响因素

为了更好地优化建筑功能、改善能耗情况，提出被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能设计监测方法。以寒冷地区既有被动式低能耗绿色建筑为研究对象，结合窗户外光环境和热环境的作用机理，推导出改造建筑能力及质量的变化规律，并对改造后的外窗节能潜力进行分析。

为验证被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能设计效果，使用Doe2IN软件进行对比分析，模拟三玻两腔防冷桥外窗一年中住宅建筑的温度、负荷、能耗等情况。

本研究中建筑尺寸为5.1mx5.1mx2.8m，按照《建筑节能设计标准实施细则》将外墙结构、内墙结构、屋顶结构、屋面结构和屋盖结构的热工性能指标分别设置0.95（㎡·K）/W、0.54（㎡·K）/W、0.34（㎡·K）/W、0.52（㎡·K）/W、、0.84（㎡·K）/W。三玻两腔防冷桥外窗设计影响因素如表1所示。

表1 三玻两腔防冷桥外窗设计影响因素

建筑节能外窗系统包括外窗系统、玻璃系统、密封系统、通风遮阳系统等多种组件。结合市面上的节能保温材料进行综合评估筛选，针对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗进行结构分割处理，对三玻两腔防冷桥外窗结构进行优化。

2 三玻两腔防冷桥外窗节能检测方法

结合当地的实际情况，考虑太阳辐射、气流、温度等相关因素的影响。对影响被动式低能耗绿色建筑三玻两腔防冷桥外窗的外部结构环境因素进行综合考虑评估，确定合适的窗型结构，加强外窗密封，减少外窗对冷空气的渗透，降低外窗传热系统。通常建筑外窗由透明材料如玻璃、窗框及相关支撑结构等构成，用以固定材料。被动式能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗结构如图1所示。

图1 三玻两腔防冷桥外窗结构

由于部分地区冬季天气寒冷，三玻两腔防冷桥外窗不仅可以起到保温的作用，还可以达到降低能耗、避免环境污染等目的。但由于受各种环境因素的影响，三玻两腔防冷桥外窗温度调节系数也存在不同的等级，为确保三玻两腔防冷桥外窗调节控制方法在建筑采暖中的有效应用，对三玻两腔防冷桥外窗温度调节系数的数值等级评定方法进行划分。

结合建筑采暖电热膜的耗能情况进行分析，并建立相应的等级评估指标集。具体算法表示为：

建筑外窗结构能耗一级评价指标集：

式中：u₁为能源消耗量，J；u₂为能源类型；u₃为能源回收率；u₄为能源使用比例。

建筑外窗结构能耗二级评价指标集：

式中：u₁₁为消耗量，t；u₁₂为回收率；u₁₃为再利用率；u₁₄为替代比率。

建筑外窗结构能耗三级评价指标集：

式中：u₂₁为热能消耗量，J；u₂₂为环境承载量，km²；u₂₃为废弃物污染率；u₂₄为放射物质污染率。三玻两腔防冷桥外窗温度调节评估指标如图2所示。

图2 三玻两腔防冷桥外窗温度调节评估指标

在整个建筑外窗结构中，被动式建筑以室内舒适性为目标，依据能量平衡原理，对各个建筑节能构件集建筑物理结构进行合理设计与施工，从根本上降低能耗。

以R_i表示建筑结构功能管理信息集，以H表示管理质量等级，建筑质量等级记录为L（A、B、C、D）。在此基础上，对建筑外窗结构耗损值W_ij进行计算，使之取值在（0,1]范围内。收集三玻两腔防冷桥外窗建筑结构特征值进行计算：

运用动力特性原理，改变外窗各部件的相对位置发生。基于上述算法，可对窗户各部位进行调节更换，达到不同季节、时间、部位的节能效果。以此优化被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能控制方法，实现对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗功能进行合理规范的目标。

3 三玻两腔防冷桥外窗节能实现

针对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗进行结构分割处理，对三玻两腔防冷桥外窗结构进行优化。结合空间分离原理，对三玻两腔防冷桥外窗进行同一参数差异值进行转换，根据三位坐标体系对三玻两腔防冷桥外窗数据层进行划分。若S代表插值系数，γ为三玻两腔防冷桥外窗结构动态参数，计算三玻两腔防冷桥外窗结构质量的多项式，具体算法为：

基本上述算法，进一步计算三玻两腔防冷桥外窗结构能量耗损数值的动态变化参数，运用动态设计原理，从多角度考虑，通过增加窗框系统的动态特性，改变外窗的开启方式，当能耗转换场为p时，动态能耗控制算法可记为：

结合建筑空间位置相应特征，对不同组件的功能进行优化及解决，最终形成一个完整的设计。直接有效的方法就是提高门窗的节能效果，基于此对建筑外窗结构功能模型进行优化如图3所示。

图3 建筑外窗结构功能优化模型

基于建筑外窗热性能的基本原理，对外窗热工性能的基本原理进行功能分析、资源分析、工艺分析和物理矛盾分析，得出基本关系参数。在计算过程中，窗框标准数值算法为：

式中：F_g为玻璃的面积，㎡；F_f为窗框的面积，㎡。

根据所对应的传热系数λ值，可进一步得到传热系：

若要降低窗户的传热系数，就需要保证玻璃系统与窗框之间的传热系数最小化，降低窗框的传热系数，增加窗框的面积比，减小窗框总传热系数。若是玻璃体系传热的综合系数，用于反映玻璃体系的导热系数公式为：

式中：D为热流上的温度梯度，K/m；C为热流方向上的热通量，W/㎡；h为辐射传热系数；w为热流方向。

通常在三玻两腔防冷桥外窗中，层内有两层玻璃和空气层的玻璃系统成为双玻，其热阻能耗算法为：

基于上述算法对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能数值及建筑性能进行优化设计，可以更好地降低建筑能耗损失，保障建筑环保节能的设计要求。

4 三玻两腔防冷桥外窗传热性能检测

冬天建筑通过外窗吸收大量的热量以减少能源消耗，对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗总热阻R进行计算，进一步规范防冷桥外窗的传热系数η_f，计算被动式能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗结构关系为：

式中：F_g为消化数值；F_r为室内的热量损失，J。

假设隔热系数为R_e0，同时通过外通风的方式快速调节室内温度为R_r0。基于此对被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗结构传热性能进行分析，具体如图4所示。

图4 三玻两腔防冷桥外窗结构传热性能

防冷桥外窗的传热系数、通过外通风的方式快速调节室内温度和室内热量损失的传热性能可达到60%，而消化数值的传热性能高达90%。随着窗墙比的逐渐增加，三玻两腔防冷桥外窗结构的传热性能随之增大。

5 三玻两腔防冷桥外窗结构密闭性检测

将建筑与环境的系统界限作为研究对象，除了优化建筑本身，还必须通过建筑个体合理利用环境能量，保证窗户的气密性、水密性和隔音性。太阳辐射可以穿透透光罩，并且这部分热量在建筑热环境及三玻两腔防冷桥外窗设计过程中发挥着重要作用。建筑外窗结构功能划分如表2所示。

表2 三玻两腔防冷桥外窗结构功能

通过建筑个体特征对环境能量消耗情况进行分析，检测建筑外窗结构密闭性，对比当前外窗结构性能进行记录，分别记为实验组和对照组，记录窗户的气密性和水密性，检测结果分别如图5和图6所示。

图5 三玻两腔防冷桥外窗气密性检测结果

图6 三玻两腔防冷桥外窗水密性检测结果

采取三玻两腔防冷桥外窗的实验组节能窗在实际应用过程中，气密性及水密性都显著高于对照组，可以更好地控制外窗能耗数值。

6 三玻两腔防冷桥外窗能耗控制参数检测

对组件结构进行优化，结合空间分离原理对三玻两腔防冷桥外窗同一参数差异值进行转换，对试验过程的主要影响检测参数标准进行规范设置，具体如表3所示。

表3 三玻两腔防冷桥外窗能耗控制参数设置

其中ORC表示中低温热力循环系数；OHN表示三玻两腔防冷桥外窗连铸系数；EEG表示能耗系数描记信息，在此可忽略不计；ACC表示外窗建筑结构自适应控制参数；ACH表示为自动清算数值。基于上述试验环境及参数进行规范，分析对照组的建筑外窗节能情况及本研究中提出的被动式低能耗绿色建筑的三玻两腔防冷桥外窗节能设计效果，具体如图7所示。