国内外建筑法规对玻璃窗能效要求综述

1国内外建筑法规对玻璃窗能效要求综述BuildingRegulationsforWindowinChinaandAbroad王政王新春建筑材料工业技术情报研究所北京100024摘要：本文介绍了能效指标体系，综述了中外27个有代表性的国家建筑法规对窗能效的规定，分析了建筑法规与节能和玻璃发展的相互影响关系。Abstract：Thepapershowsthethermalperformancefactorssystem,summarizesthebuildingregulationsrequirementsforthethermalperformanceofwindowsinmostofEuropeancountries,US,CanadaandChina.Themutualinfluenceofbuildingcodes,energyefficiencyandglassisalsooutlined.关键词：法规；传热系数；Low-E；建筑节能；玻璃窗Keywords：U-Factor;BuildingCode;Low-EGlass;Window;EnergyEfficiency窗户是建筑外围结构的开口部位之一，是建筑的“眼睛”，它在建筑与环境的协调上担负着人与自然、户内与户外既沟通又分离的多重实用功能。窗户还有保温、隔热、遮阳、抗风雨、挡噪音等种种作用。窗户是建筑围护结构中的质轻、薄壁、透明构件，受窗户影响的采暖、空调、照明能耗往往占到整个建筑能耗的一半左右。而且窗户的质量功能，对居住者的健康、舒适以及生活工作条件，有着重大的影响。建筑节能是一项复杂的系统工程，包括墙子系统、屋面子系统、地面子系统、采暖制冷子系统、健康通风子系统和门窗（主要是外窗）子系统。外窗子系统与建筑节能的关系极为密切，但在我国改善外窗子系统热工性能未引起足够的重视。国外先进经验表明，提高门窗热工性能是建筑节能昀有效和昀经济的措施。本文将主要对西欧和美国等国建筑法规对建筑外窗热效的规定进行综述。1.能效指标门窗的热工性能与玻璃品种和窗框类型有密切关系。可见光透过率(VT)、传热系数（K值或U值，在英美文献中称为U值）、太阳能获得系数（SHGC）或遮阳系数(SC)、空气渗透（airleakage，AL）量是描述门窗热工性能的五大参数。简述如下。2可见光透过率(visibletransmittance，VT)：是一个光学特性指标，指透过玻璃的可见光（波长380～760mμ）通量的比率，VT的数值在0～1之间。VT越高，透过的可见光越多。太阳辐射大致有近一半能量是可见光，可用来补偿人工照明所需要的电力。绝大多数建筑物内都自然会用日光来尽量补充人工照明的需要。为了充分利用日光，开关电灯的时间必须认真考虑，更重要的是窗和房间都应设计成能获得日光照射的昀佳尺寸和形状。窗的尺寸与房间的纵深有直接关系，还有窗的形状和透光性能，以及房间各个不同的表面反射日光的方式等都影响照明的质量。传热系数（coefficientofheattransfer）用来表明门窗阻隔非太阳热量透过的能力，以往称总传热系数（overallcoefficientofheattransfer，U值），国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温度差为1度（K，℃），1h内通过1m2面积传递的热量，单位是瓦/平方米·度（W/(m2·K)，此处K可用℃代替），其单位有公制（W/(m2·K)）和英制（Btu/(hr·ft2·°F)），换算关系是1Btu/(hr·ft2·°F)=5.678W/(m2·K)，我国和欧洲主要国家采用公制，美国等北美国家主要采用英制。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米·度/瓦（m2·K/W）。围护结构的传热系数K值越小，或传热阻R0值越大，说明保温隔热性能越好。窗户由框扇材料与玻璃系统组成，若假定玻璃及框扇的传热为严格的并联关系，窗户的总热阻为：R=[（Fg/Rgo+Ff/Rfo）/（Fg+Ff）]-1即K=（Fg/Rgo+Ff/Rfo）/（Fg+Ff）其中的Rgo、Rfo分别为玻璃系统与框扇所对应的总热阻，指所考虑对象内侧空气至外侧空气的热阻；Fg、Ff为玻璃与窗框的面积。如果已知框扇所占的面积比率ηf=Ff/（Fg+Ff），以所对应的传热系数K值来表示，得到简单又实用的关系式：K=Kg+ηf（Kf-Kg）。很显然，要使窗户有较小的传热系数，窗玻璃与窗框的传热系数越小越好；当窗框的传热系数较大时，其所占的面积越小越好；当窗框的传热系数较小时，随着其面积比率的增大，窗户传热系数有减小的趋势。各种不同材料窗框的大致传热系数Kf值：窗框材料铝合金断热铝合金PVC塑钢木材玻璃钢窗框Kf值W/(m2·K)4.2～4.82.4～3.22.0～2.81.5～2.01.4～1.8太阳能获得系数，亦称日射得热系数（solarheatgaincoefficient，SHGC）：太阳辐射大致有一半能量是可见光，另一半基本是红外辐射，窗能昀大限度地透射这两种辐射。太阳辐射量的多少取决于纬度，一天中和一年中什么时候以及窗的朝向，是否阴天或多雾等3等，昀后是窗的太阳辐射透过量。通过窗进入室内的太阳辐射的比例。包括直接透过的日射，以及窗吸收日射后向室内的再放热。SHGC的数值在0～1之间。SHGC的数值越小，进入室内的太阳辐射热越小。在夏热冬暖地区，SHGC昀好在0.4以下；在寒冷地区则SHGC昀好能大一些。遮阳系数(shadingcoefficient，SC)SC与SHGC在物理概念有所不同，表征窗户太阳能获得系数的衰减程度。它是以单层普通透明玻璃作为标准玻璃（我国取3mm普通平板玻璃多种产品的平均值，美国是用双厚玻璃作为标准玻璃），以标准玻璃的日射得热因数作为“标准值”，其他玻璃与之比较：SC=实际窗玻璃的日射得热系数/“标准”窗玻璃的日射得热系数，即SC=SHGC实际/SHGC标准。换算关系是SC=1.15×SHGC（一般取3mm白玻的太阳能获得系数为0.87）。窗本身的遮阳系数SC可近似地取为窗玻璃的遮蔽系数Se乘以窗玻璃面积除以整窗面积，即SC=Se×A玻/A窗。外窗的综合遮阳系数为窗本身的遮阳系数合窗口的建筑外遮阳系数的乘积，即Sｗ=SC×SD,当外窗无建筑外遮阳设施时，SD＝1，即Sｗ=SC。在寒冷的北方太阳能辐射量小，窗的传热系数是关键指标，遮阳系数越大越好。从北向南，太阳能辐射量加大，遮阳系数变得重要起来，在酷热的南方，遮阳系数越小越好。对比研究显示，大多数国家建筑法规根据当地气候条件对门窗传热系数有规定，在炎热地区还对遮阳系数或太阳能获得系数有规定。空气渗透（airleakage，AL）：由于室内外存在压力差，通过窗户上的缝隙形成得空气渗透会引起得热或热损失，空气渗透取决于风压和热压的作用。AL是每平方米窗户面积通过的空气量[m3/（m2·h）]。AL值越小，通过窗户渗透的空气量越少。一般推荐值是AL在0.1以下。缝隙法是根据不同种类窗缝隙的特点，给出其在不同室外平均风速条件下单位缝隙长度的空气渗透量Lo。这是考虑了不同朝向门窗的平均值，因此在不同地区的不同主导风向的情况下，给予不同朝向的门窗以不同的修正值k。房间的空气渗透量L=kLol（m3/h），其中l是窗缝隙总长度，单位为m。在一般的情况下，空气的渗入和空气的渗出总是同时出现的。由于渗出的是室内状态的空气，渗入的是外界的空气，所以渗入的空气量和空气状态影响室内的得热量，室内向室外渗出的空气基本没有影响室内负荷。因此在冷热负荷计算中只考虑空气的渗入。有这五个指标就可以计算出窗子的净热流量，如果是正值，则表示获得的能量高于损失，负值表示热损失高于热获得。窗的节能技术就是对这些指标的改进。能效指标关系式为：能效=太阳能获得—传热损失—空气渗透热损失在我国采暖住宅建筑中，通过围护结构门窗的传热损失与空气渗透热损失相加，约占全部热损失的50%左右，其中传热和空气渗透各约占一半。例如，典型多层住宅，北京地区窗4户传热24%+门窗缝隙空气渗透热损失23%，合计约占全部热损失的47%；哈尔滨地区为28%+29%，合计约占全部热损失的57%。对于美国北部和加拿大通常的冬季气候条件，加拿大标准CSAA440(EnergyPerformanceEvaluationofWindowsandSlidingGlassDoors窗和滑动玻璃门能效评定标准)规定了供暖期内窗的热流量净值计算方法，并引入单值参数―窗能效分级ER（EnergyRating），ER的计算公式为：ER=[72.2×SHGCw]—[21.9×Uw]—[0.54×L75/Aw]式中ER=能效分级(W/m2)SHGCw=窗的太阳能获得系数（无量纲）Uw=窗的U值(W/(m2·K))L75=窗的平均空气渗透量(m3/h)Aw=窗面积(m2)对于当地市场上常见的中空玻璃塑钢窗，其中，Low-E镀膜中空玻璃中充入氩气，大小为610mmx1220mm，每米缝隙空气渗透量为0.55m3/(m·h)，L75为2m3/h，得到ER值见表一。表一加拿大窗能效分级ER计算举例玻璃UwSHGCwER皮尔金顿Low-E硬镀膜（发射率＝0.2）1.730.52－1.8Low-E软镀膜（发射率＝0.09）1.580.47－2.1双层Low-E软镀膜（发射率＝0.05）1.520.30－13.1普通无色中空玻璃2.440.55－15.2资料来源：皮尔金顿技术文件ATS-146加拿大门窗制造协会采用上述方法。加拿大安大略省的公共服务部门OntarioHydro对达到ER要求的门窗提供5加元/平方英尺的补贴。加拿大建筑法规将把ER作为补充参数。CSAA440还专门为加拿大13个城市给出了单独的能效分级计算公式，相对于全国的ER，该指标叫做ERS。除考虑玻璃种类、窗大小外，ERS还考虑当地气候情况、窗建筑面积比以及窗朝向等细节情况。表二为窗建筑面积比为15％下四城市测得的ERS。表二加拿大四城市ERS计算举例城市玻璃ERS5南向东、西向北向平均蒙特利尔皮尔金顿在线Low-E19－8－23－5双层Low-E软镀膜（发射率＝0.05）－1－17－25－15多伦多皮尔金顿在线Low-E21－7－21－4双层Low-E软镀膜（发射率＝0.05）1－15－24－13温尼伯皮尔金顿在线Low-E28－14－33－8双层Low-E软镀膜（发射率＝0.05）1－23－34－20温哥华皮尔金顿在线Low-E17－5－16－2双层Low-E软镀膜（发射率＝0.05）2－11－18－10资料来源：皮尔金顿技术文件ATS-146在上述二表中，在加拿大地区的供暖期内在线Low-E镀膜玻璃窗能效指标较好。但应指出的是，上述玻璃中，太阳能获得系数不同。如果太阳能获得系数相同，当然是U值低的产品ER性能优。2.国外主要国家建筑法规对窗热工性能的要求世界范围的能源紧张推动着各国加强建筑节能法规的发展，对窗的能效指标要求不断提高。这方面，欧洲走在前边。在20世纪70年代石油危机之后，北欧国家制订了严格的建筑节能法规，例如，当时瑞典规定窗的传热系数为2.0，芬兰的为2.1。英、法、德等国1973年石油危机以来已修订了四次建筑标准，而每次修订标准都要求进一步改善建筑围护结构热工性能。2000年以来，各国继续提高节能法规要求，2002年英国把U值从3.3（1990年）提高到2.0，2004年芬兰把U值提高到1.4。相比而言，美国相对滞后，美国能源部全国建筑节能示范法规1995年才引入U值指标，1998年以后引入SHGC指标。随着建筑节能的深入，降低建筑总体能耗正成为趋势。有的国家对建筑总体节能提出要求，不再对窗这样的建筑部品做具体规定，例如德国和瑞典等。为控制总能耗，这些国家的建筑外窗不但没有降低热性能要求，反而比以前更高，例如，瑞典1998取消对窗U值的规定转而要求建筑总体节能水平，市场上窗U值从2.0继续降低到1.3～1.6。2.1欧洲等地的规定6根据欧洲平板玻璃协会、美国能源部、国