跟著菲斯特教授學(xué)被動(dòng)房【四】

《德國被動(dòng)房基礎(chǔ)理論》課程，共8節(jié)，由德國被動(dòng)房研究所沃爾夫?qū)し扑固亟淌谥v授，沈陽建筑大學(xué)夏曉東講述，柴澤賓翻譯，沈陽建筑大學(xué)建筑節(jié)能技術(shù)研究中心錄制。本課程已獲授權(quán)，轉(zhuǎn)載必究。

第四節(jié)   建筑外門窗

課程PPT及講義

【P1】

前面幾節(jié)課我們針對非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)講了保溫隔熱性和氣密性，這一節(jié)我們要講一下透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分，也就是外門窗。一般來講，外門窗的熱損失會(huì)很大，冬季時(shí)熱量從室內(nèi)通過外窗向室外流失、夏季時(shí)熱量從室外通過外窗傳遞到室內(nèi)。外窗的主要功能是使我們的視線可以透過外窗從而看到室外的景物，這意味著光線可以穿透外窗。因此，我們使用外窗的一個(gè)主要原因就是采光。

與此同時(shí)，光線攜帶著太陽的熱量，從外窗穿過傳遞到室內(nèi)，這個(gè)過程我們稱之為被動(dòng)式太陽得熱。冬季時(shí)我們希望有這樣的太陽得熱來保持建筑的溫度，而在夏季這些多余的太陽能量會(huì)成為熱負(fù)荷，那么這些透過外窗進(jìn)來的太陽能就變成了太陽能負(fù)荷。在冬季我們需要讓更多的太陽光透過外窗以獲得更多的太陽得熱，而在夏季則正好相反。

【P2】

接下來我們要講到玻璃非常重要的一個(gè)屬性。從這張圖上我們可以看到同一個(gè)外窗呈現(xiàn)出的兩種畫面。可見光是我們?nèi)庋劭梢钥吹降墓?，在我們?nèi)祟愌劬M(jìn)化的過程中，我們的肉眼逐漸對太陽光譜中的這一部分比較敏感，所以左側(cè)圖就是我們?nèi)搜劭梢姷漠嬅?。右?cè)圖則是同一個(gè)外窗通過紅外熱像儀呈現(xiàn)的畫面。實(shí)際上，不管是我們?nèi)庋劢邮盏降目梢姽?，還是形成的熱輻射，其實(shí)是同一類型的輻射，都稱為電磁輻射，這種電磁輻射的波譜比較廣泛。

自然界電磁輻射有長波輻射和短波輻射，長波輻射波長可以達(dá)到幾百上千米，短波輻射波長則可以小到幾微米。那么右側(cè)這張熱成像的圖片波長就在6微米至20微米之間，波長非常短。我們的身體也在時(shí)刻向外輻射著紅外線，其波長就介于5微米至30微米之間。體溫越高，熱輻射量就越大；體溫越低，熱輻射量就越小。

因此在右圖中我們可以看到有些部分溫度較高，它的熱輻射的量也較多，比如墻邊的窗簾溫度大約在22攝氏度左右，而玻璃片表面的溫度則大約在15攝氏度左右，其產(chǎn)生的熱輻射就相對低一些；圖中藍(lán)色的區(qū)域溫度可能只有8攝氏度左右，其熱輻射就更低了。

這就是我們通過紅外攝像儀能夠觀察到的情況，其輻射的波長就介于5~30微米之間。左圖中我們?nèi)庋勰軌蚩吹降目梢姽庖彩且环N電磁輻射，但是它的波長非常短，介于0.38~0.78微米即380~780納米之間，波長通常是用納米計(jì)量的。有意思的是，玻璃在380~780納米這個(gè)波長區(qū)間里看起來是透明的，這是因?yàn)樵诳梢姽獾牟ㄗV區(qū)間里的短波輻射能夠穿過玻璃到達(dá)人眼。

而右側(cè)紅外熱成像圖中我們所看到的中紅外波段，在這個(gè)熱輻射波長區(qū)間內(nèi)玻璃卻不是透明的，也就是說這一波長區(qū)間的電磁波無法穿透玻璃，那么同樣在這個(gè)熱輻射波長區(qū)間內(nèi)其他物體的光也無法透過玻璃。因此在右圖中我們看到的其實(shí)是玻璃表面散發(fā)出的熱輻射。

到這里我們就了解了玻璃很重要的一個(gè)特性，那就是，玻璃可以讓輻射波長在380納米到近紅外的1500納米之間的太陽輻射中可見光部分透過并進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)把太陽熱量帶入室內(nèi)，而室內(nèi)物體所散射的熱輻射則幾乎被玻璃表面完全吸收而無法穿過玻璃。

這也是我們利用玻璃這樣的特性的原因，它對可見光是可以透過的，而對熱輻射卻是不能透過的。之后關(guān)于外窗我們將會(huì)分兩個(gè)不同的章節(jié)來講，一是玻璃的性能，二是窗框的性能，兩者都對外窗的保溫隔熱性能起到至關(guān)重要的作用。

【P3】

我們先來了解一下玻璃的傳熱系數(shù)，也就是U值。前面我們講過熱量是如何從非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳遞過去的，而透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)同樣會(huì)有熱量傳遞。前面我們講過的非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)（比如墻體）的傳熱系數(shù)的計(jì)算方法，同樣適用于計(jì)算玻璃的傳熱系數(shù)（U值）。

盡管玻璃的傳熱系數(shù)計(jì)算會(huì)略微復(fù)雜一些，這是因?yàn)椴ＡЬ哂幸恍┨匦裕溆?jì)算原理跟前面講的其他構(gòu)件一樣，其熱量傳遞方式遵循著同樣的物理法則，它的計(jì)算被收錄在編號為EN673的國際標(biāo)準(zhǔn)里。外窗玻璃的傳熱系數(shù)跟玻璃片之間的距離有關(guān)，通常玻璃間的空腔里會(huì)填充一些氣體，也稱為氣體空腔。

它同時(shí)還和玻璃表面的輻射率有關(guān)，這里我們看到的是鍍膜玻璃，coating是玻璃表面的涂層，玻璃表面的輻射率是指玻璃表面向外輻射和吸收熱輻射的能力，這里用ε來表示。此外還跟空腔內(nèi)填充的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和粘性有關(guān)，比如我們常說的充氬氣，氬氣為惰性氣體導(dǎo)熱系數(shù)很低。

【P4】

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)EN673我們可以進(jìn)行玻璃外窗的傳熱系數(shù)計(jì)算。與非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)同理，我們假設(shè)圖中玻璃外窗的右側(cè)為室內(nèi)、左側(cè)為室外，那么冬季室內(nèi)為高溫一側(cè)，室外為低溫一側(cè)，熱量會(huì)從右側(cè)向左側(cè)傳遞，我們首先需要計(jì)算右側(cè)第一道玻璃自身的熱阻，接下來，從第一道玻璃到第二道玻璃的熱量傳遞會(huì)有兩種方式：一種是熱輻射，另一種是熱傳導(dǎo)。

其中熱輻射先從第一道玻璃的表面散射出來，再由第二道玻璃的表面吸收，這一輻射過程也是玻璃外窗熱傳遞最重要的一種方式；而另一種熱傳遞則主要是由于玻璃間氣體的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生的。

這兩種熱傳方式是同時(shí)存在的，這跟我們所學(xué)的初中物理中電路并聯(lián)類似。熱量被第二道玻璃吸收后，同樣會(huì)按照剛才所介紹的方式向左傳遞。此外計(jì)算總傳熱阻還要加上內(nèi)外表面的傳熱阻，這樣我們就可以對外窗的玻璃部分進(jìn)行總體的傳熱系數(shù)計(jì)算。

【P5】

我們通過這張圖來了解一下純粹的浮法玻璃（也就是沒有經(jīng)過任何人工處理，沒有鍍膜的玻璃），橫坐標(biāo)表示的是波長，從200納米到11200納米以上，其中包括了可見光輻射范圍和部分紅外線輻射范圍；縱坐標(biāo)的單位是百分比，表示的是玻璃對輻射的三種作用所占的比例。

這三種作用的分別是黃色的區(qū)域代表玻璃對輻射的傳導(dǎo)，藍(lán)色的區(qū)域代表玻璃對輻射的反射，和紅色的區(qū)域代表玻璃對輻射的吸收。從這張圖我們可以看到，純玻璃對于波長在200納米至4500納米之間的輻射，既有傳導(dǎo)，又有反射還有吸收，而對于波長在4500納米以上的輻射則只有反射和吸收。

我們還可以發(fā)現(xiàn)，對于波長在380納米至780納米之間的可見光部分，玻璃最主要是起傳導(dǎo)的作用，只有一小部分可見光會(huì)被反射和吸收；而對于大部分的紅外線輻射，玻璃則主要是吸收和少量的反射，甚至?xí)]有傳導(dǎo)作用，玻璃表面吸收了大量的熱輻射，其表面溫度就會(huì)升高。

玻璃對熱輻射具有較少的反射作用也就是圖中藍(lán)色區(qū)域，這也是為什么我們能從外窗的玻璃表面上看到我們自己?？偟膩碚f，玻璃對短波熱輻射以傳導(dǎo)作用為主、只有一小部分的反射和吸收，而對長波熱輻射則以吸收為主、只有一小部分的反射、沒有傳導(dǎo)。

【P6】

前面我們理解了玻璃對于熱輻射的不同作用，接下來我們舉幾個(gè)例子來理解一下外窗玻璃傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。單片玻璃的傳熱系數(shù)計(jì)算大家可以課后自己練習(xí)一下，在這里我們先來看一下雙玻單腔外窗，這也是大多數(shù)已建建筑常用的外窗類型，其兩片玻璃的表面未做任何處理，中間空腔里也多為普通空氣。

當(dāng)然空腔內(nèi)的空氣應(yīng)該保持干燥，否則空氣中的水蒸氣可能會(huì)在玻璃內(nèi)表面形成凝結(jié)，這是我們不希望發(fā)生的情況。玻璃的厚度很薄，大約只有4mm，因此其熱阻很小。之前我們了解過不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其中玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)大約是1W/mK，我們可以通過一個(gè)很簡單的計(jì)算，也就是玻璃的厚度d，也就是0.004m除以玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)λ，也就是1W/m·K，得出單片玻璃的熱阻約為0.004m2K/W，這個(gè)值是非常小的。

因此對于雙玻單腔外窗來說，其熱阻值主要取決于兩片玻璃的間距，也就是玻璃之間的空氣層。以空氣為填充氣體的空腔厚度為18mm，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026W/mK，這樣我們可以計(jì)算出該空氣腔體的熱阻值約為0.69m2K/W，這個(gè)熱阻值還是很高的，它在兩片玻璃之間還是個(gè)不錯(cuò)的保溫隔熱材料。

然而遺憾的是，兩片玻璃之間熱量傳遞還有另外一種方式，那就是輻射，而空氣對于輻射的熱阻值阻就沒有那么高了，只有0.23m2K/W，這樣一來玻璃之間有很多熱量會(huì)通過輻射的方式從高溫一側(cè)的玻璃傳遞給低溫一側(cè)的玻璃。空氣的熱傳導(dǎo)與玻璃之間的熱輻射在整個(gè)熱傳遞過程中屬于并聯(lián)關(guān)系，那么我們就可以計(jì)算出兩片玻璃之間空氣層的總熱阻值約為0.20m2K/W。

計(jì)算的方法是玻璃總傳熱阻等于熱傳導(dǎo)熱阻值的倒數(shù)與熱輻射傳熱阻的倒數(shù)之和的倒數(shù)，【R總=(1/R1+1/R2)-1，即R空總=(1/0.69 +1/0.23)-1m2K/W≈0.2m2K/W】。兩片玻璃和中間的空氣腔是一種串聯(lián)關(guān)系，整個(gè)外窗玻璃部分的總熱阻值約為0.373m2K/W，也就是各層熱阻值的加和，這樣我們就可以計(jì)算出整個(gè)外窗的傳熱系數(shù)約為2.7W/(m2K)。

普通沒有保溫層的砌體墻的U值約為1.4 W/(m2K)，而雙玻單腔外窗U值幾乎是普通無保溫砌體墻的兩倍。通過U值與室內(nèi)外溫差值的乘積我們可以計(jì)算出此種外窗單位面積的熱損失量，也就是2.7W/(m2K)·(20-(-10))K=81W/m2，那么也就是說此種外窗在室內(nèi)外溫差30度時(shí)單位面積所產(chǎn)生的熱量流失是81 W/m2，可想而知如果建筑的外窗面積有20平方米的話其熱量損失會(huì)有多大。

同樣，我們可以計(jì)算出室內(nèi)一側(cè)玻璃內(nèi)表面的溫度，大家可以參考講義中的計(jì)算式，【θ內(nèi)表=θ室內(nèi)–R內(nèi)表·U窗·(θ室內(nèi)–θ室外)=20K-0.13m2K/W·2.7W/(m2K)·(20K-(-10K))=9.47oC】，大約為9.5攝氏度。我們想象一下在冬季室外零下10攝氏度的情況下，室內(nèi)玻璃表面的溫度只有9~10攝氏度，如果溫度再稍微低一點(diǎn)就會(huì)在玻璃表面出現(xiàn)結(jié)露，這也是很多老建筑外窗表面經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。這種老式外窗在歐洲上個(gè)世紀(jì)80年代就逐漸淘汰了，而在中國到了21世紀(jì)初還在使用，尤其是一些老建筑。

建筑的外窗在上個(gè)世紀(jì)70年代隨著新發(fā)明的出現(xiàn)，開始有了很大的改進(jìn)和提升，接下來我們會(huì)對此進(jìn)行介紹。如今建筑師已經(jīng)不需要對玻璃的性能再做這樣基礎(chǔ)性的計(jì)算，但我們前面介紹的原理和計(jì)算方法仍然需要大家熟練掌握，以便我們在設(shè)計(jì)中對其他一些材料進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析。

【P7】

從前面我們講的內(nèi)容大家已經(jīng)了解到，外窗空腔里大部分的熱量是通過熱輻射進(jìn)行傳遞的，也就是說，熱輻射才是空腔里熱量傳遞的最主要方式。如果我們能在兩片玻璃之間設(shè)置一道輻射屏障，那么熱輻射的熱量損失就會(huì)小很多。有一種比較容易的方式來設(shè)置這樣一道熱輻射的屏障，比如在玻璃之間設(shè)置一層金屬薄膜來對熱輻射進(jìn)行反射，把熱輻射反射回去。

從經(jīng)典物理學(xué)的角度來看，這樣做會(huì)適得其反，因?yàn)橥Ａ细采弦粚咏饘伲ū热玢y），玻璃就會(huì)變成鏡子，而把鏡子用在外窗上顯然是不合適的，因?yàn)槲覀兊囊暰€無法穿過鏡子到達(dá)它的另一側(cè)；然而從現(xiàn)代量子物理學(xué)的角度來看，光是非常有可能從這樣一層金屬薄膜穿過，因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)代量子力學(xué)的理論，一些粒子是可以穿過像墻體這樣的物體，稱之為“隧道效應(yīng)”。

能量較高的光粒子要比能量較低的光粒子更容易從這個(gè)“隧道”穿過去。短波輻射的光粒子能量非常高、運(yùn)動(dòng)劇烈，它使得可見光這樣的短波輻射穿過金屬層到達(dá)另一側(cè)的可能性變得非常高，當(dāng)然這也取決于金屬層的厚度。如果這個(gè)金屬層的厚度足夠小，那么光線穿過它的可能性就會(huì)非常高。按照“隧道效應(yīng)”理論，光線中的可見光部分就能從這個(gè)金屬涂層穿過，而光線中長波的部分幾乎是無法穿過金屬涂層的，反而會(huì)被金屬層反射回去。

因此，給玻璃內(nèi)側(cè)鍍上一層金屬薄膜的想法非常巧妙，從圖中可以看到它可以把絕大部分波長的輻射反射出去，也就是藍(lán)色部分，只有極少部分會(huì)被吸收，也就是紅色的部分。在實(shí)際工程實(shí)踐中是給玻璃的一側(cè)表面鍍上金屬膜，也就是我們所說的low-E玻璃，或叫做低輻射玻璃，鍍膜的結(jié)果就是熱輻射中被吸收的部分只有3%，而被反射的部分高達(dá)97%。這層鍍膜也使得玻璃對長波輻射的吸收率降低了30倍之多，因此它也被稱為low-e膜（低輻射玻璃膜）

【P8】

現(xiàn)在我們還是舉雙玻單腔玻璃的例子，這次我們給外玻璃的內(nèi)側(cè)鍍上low-e膜，在low-e膜的反射作用下，外側(cè)玻璃對腔體內(nèi)熱輻射的吸收率大幅降低，這使得腔體的傳熱系數(shù)大大減小、輻射熱阻大幅增高，幾乎是以前的30倍，此時(shí)熱量傳遞的一個(gè)主要方式就變成了腔體內(nèi)的熱傳導(dǎo)，整個(gè)腔體的熱阻值由原來的0.20m2K/W變?yōu)?.70m2K/W，外窗的總熱阻約為0.866m2K/W，計(jì)算得出的傳熱系數(shù)U值為1.2 W/(m2K)，這也是常見雙玻單腔low-e窗的傳熱系數(shù)。

這種外窗已經(jīng)在歐洲被廣泛生產(chǎn)和采用，現(xiàn)在在歐洲能買到的雙玻窗基本上都是有l(wèi)ow-e膜的。接下來我們可以繼續(xù)計(jì)算出雙玻low-e窗在室內(nèi)20攝氏度、室外零下10攝氏度時(shí)的單位面積熱損失為35W，與之前普通玻璃的熱損失為81W/m2相比，減少了一半多。能實(shí)現(xiàn)這樣的效果，都有賴于現(xiàn)代量子力學(xué)的發(fā)展，它讓我們知道光子能夠從物體的“隧道”穿過到達(dá)另一側(cè)，現(xiàn)在的外窗生產(chǎn)商也在運(yùn)用量子力學(xué)理論來提高外窗的性能。

同樣我們還可以計(jì)算出室內(nèi)20攝氏度、室外零下10攝氏度時(shí)室內(nèi)玻璃內(nèi)表面溫度為15.5攝氏度。因此，對于玻璃的改進(jìn)不僅僅是減少了室內(nèi)熱量的損失，而且還提高了玻璃表面的溫度，從而改善了靠近外窗區(qū)域的室內(nèi)舒適度，也解決了玻璃結(jié)露的問題。

從1985至2015的三十年間，這種外窗在歐洲被廣泛生產(chǎn)使用，此后又有了新的改進(jìn)。在中國，現(xiàn)在最常用的就是這種類型的外窗，但我們建議使用性能更好的外窗。

【P9】

影響外窗性能的因素還有另外一個(gè)，那就是玻璃之間的空腔，這也取決于空腔內(nèi)填充的氣體類型。圖中紅顏色的線是空氣，藍(lán)顏色的線是氬氣，綠顏色的線是氪氣。其中氬氣和氪氣都屬于惰性氣體。

橫坐標(biāo)表示的是兩層玻璃的間距，也就是腔體的厚度。這里我們可以看到此前我們采用空氣作為填充氣體時(shí)提到的18mm，隨著腔體厚度的增加，它的傳熱系數(shù)逐漸減小。理論上來講，如果空氣只有熱傳導(dǎo)一種性質(zhì)的話，其傳熱系數(shù)會(huì)隨著腔體厚度的增加而一直減小，但實(shí)際上空腔增加到一定寬度后就會(huì)出現(xiàn)空氣對流，從而產(chǎn)生熱量傳遞的另外一種方式——對流傳熱，此時(shí)空腔的傳熱系數(shù)將趨于平直，也就是說繼續(xù)增加空腔厚度，不會(huì)再繼續(xù)降低傳熱性能，因此通常采用18mm腔體厚度。

氬氣是現(xiàn)在常用的一種惰性氣體，它的傳熱系數(shù)比空氣低，空腔厚度通常采用16mm。氬氣比較常用是因?yàn)樗某杀竞艿汀ｋ礆獾膫鳠嵯禂?shù)更低，但其成本非常高，只有在特殊情況下比如需要更薄的外窗或者需要更好的熱阻性能時(shí)才會(huì)采用，通常情況下都采用氬氣。

從這張圖表中我們可以看到，這三種填充氣體的外窗的傳熱系數(shù)，隨著空腔厚度的增加先是快速下降而后趨于平緩，再后來隨著對流傳熱的增大傳熱系數(shù)又會(huì)略有升高。

【P10】

隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提升，生產(chǎn)商對雙玻單腔low-e外窗又做了改進(jìn)，將其優(yōu)化升級為三玻雙low-e外窗。主要是分別在中間層玻璃和室內(nèi)層玻璃朝向室外一側(cè)的表面鍍上一層low-e膜，對空腔內(nèi)的熱輻射進(jìn)行反射。

運(yùn)用前面的計(jì)算方法，我們可以得出三玻兩腔low-e外窗的總熱阻值為1.9m2K/W，U值為0.53 W/(m2K)，在室內(nèi)20攝氏度、室外零下10攝氏度時(shí)單位面積熱損失為16W，室內(nèi)玻璃表面溫度為17.7攝氏度，進(jìn)一步提升了外窗附近室內(nèi)區(qū)域的舒適性。

自2015年起，歐洲地區(qū)外窗生產(chǎn)商決定開始只生產(chǎn)三玻雙low-e外窗，到目前為止歐洲地區(qū)只能買到這種窗，而且價(jià)格也基本上降到了原來雙玻單low-e窗的價(jià)格水平。我們希望中國也能盡早做出類似的決定，采用性能更加優(yōu)良的三玻雙low-e外窗，其成本比現(xiàn)在使用的雙玻窗并不會(huì)增加多少。

三玻雙low-e外窗以其更低的傳熱系數(shù)成為玻璃窗中的最佳選擇，也是目前全球范圍內(nèi)使用最為廣泛的外窗玻璃類型，特別是在中國，除了個(gè)別地區(qū)這種外窗類型不是最佳選擇之外，其他各地區(qū)均適合使用此類外窗。

【P11】

前面我們講的主要是以冬季為例，室內(nèi)溫度高于室外，熱量主要是從室內(nèi)向室外進(jìn)行傳輸?，F(xiàn)在我們來講一講太陽能的傳遞，也就是室外太陽的電磁輻射中的可見光部分和一部分近紅外輻射能夠透過外窗玻璃為室內(nèi)帶來光線和熱量，我們把這個(gè)情況稱為“輻射得熱”；與此同時(shí)，外窗玻璃能夠吸收一部分太陽輻射從而溫度升高，這樣玻璃就會(huì)把其吸收的一部分熱量輻射到室內(nèi)，我們把這個(gè)情況稱為“二次得熱”。

將“輻射得熱”與“二次得熱”加到一起就是總的太陽能得熱系數(shù)，在美國被稱為SHGC。太陽得熱系數(shù)用字母g來表示，其值是一次得熱與二次得熱之和。這也受太陽輻射與玻璃之間角度的影響，越接近垂直得熱量越大，反之則越小。通常外窗玻璃上會(huì)標(biāo)有其太陽得熱系數(shù)g值，它一般是指垂直角度的得熱系數(shù)。

【P12】

接下來這張圖表我們通過幾種玻璃類型的對比來幫助我們做出適合的選擇。圖中我們可以看到四種玻璃外窗類型，分別是單層玻璃、雙玻單腔玻璃、雙玻單low-e充氬氣玻璃、三玻雙low-e充氬氣玻璃，其U值分別是5.60 W/(m2K)、2.80 W/(m2K)、1.20 W/(m2K)、0.65 W/(m2K)。

我們對這些不同外窗玻璃的熱損失進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)我們把整個(gè)冬季的熱損失加到一起，可以得到每年熱損失的總量，也就是藍(lán)色柱狀圖，這里我們可以看到單層玻璃每年每平的熱損失量大約是雙層玻璃的兩倍；由于太陽輻射的作用，玻璃窗會(huì)有一部分太陽得熱，也就是黃色柱狀圖；熱損失量和太陽能的熱量的差值，就是需要通過主動(dòng)式采暖來進(jìn)行補(bǔ)充的熱量，也就是紅色柱狀圖。

從這張圖里我們可以對比一下沒有l(wèi)ow-e膜和氬氣的雙玻單腔玻璃和加了low-e膜和氬氣的雙玻單腔玻璃：后者的太陽得熱系數(shù)比前者少一點(diǎn)，其結(jié)果是后者的年太陽得熱量比前者少一點(diǎn)，但后者的年熱損失要比前者少一半以上，這樣一來后者每年需要補(bǔ)充的采暖熱量就比前者少了非常多。但這不是我們的目標(biāo)，我們希望能有更好的效果，這就產(chǎn)生了三玻雙low-e充氬氣玻璃。

同樣從圖中我們可以看到，三玻雙low-e充氬氣玻璃要比前者性能更好：年熱損失減少一半，太陽得熱少了一點(diǎn)，但太陽得熱的量卻比熱損失多了一點(diǎn)，甚至在冬季也能出現(xiàn)凈得熱情況。因此這種三玻雙low-e充氬氣玻璃能夠有效地為建筑節(jié)約能源。

對比來看，前面三種玻璃最后還是會(huì)有凈流失，而三玻雙low-e充氬氣玻璃實(shí)現(xiàn)了凈得熱。在中國北方地區(qū)（像哈爾濱、沈陽、北京、青島等）以及歐洲地區(qū)都是這種情況；在其他氣候區(qū)則會(huì)有不同，比如在像兩極地區(qū)那樣的極寒地區(qū)可能需要四層以上的玻璃，而在中國南方氣候炎熱的地區(qū)（像深圳、香港等），需要玻璃對太陽輻射進(jìn)行有效的阻隔也可以選擇三玻雙low-e充氬氣的玻璃，因?yàn)樗哂袩彷d保護(hù)的作用，太陽得熱系數(shù)也很低，必要時(shí)甚至可以低到0.2左右。同樣氣候涼爽的地區(qū)也可以選擇三玻雙low-e充氬氣玻璃。

總之，我們需要根據(jù)建筑所處的氣候區(qū)來選擇適合的外窗玻璃類型。

【P13】

接下來我們來看看窗框。同樣有一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，它是對包括玻璃和窗框在內(nèi)的整體外窗的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。那么在計(jì)算整體窗外的傳熱系數(shù)時(shí)，需要考慮玻璃、間隔條、窗框和安裝四個(gè)因素。

【P14】

在這張圖中，我們可以看到外窗的玻璃部分和窗框部分，外窗外掛安裝在外墻上。我們可以計(jì)算出墻體的U值和面積，也可以計(jì)算出玻璃部分的U值和面積。玻璃被窗框包住的部分不計(jì)入玻璃的面積，這是從玻璃實(shí)際有效的可透視、采光、得熱以及傳熱方面考慮的，它的面積可以很容易測得。

再有就是窗框的面積，可以用外窗洞口面積減去玻璃有效面積計(jì)算出來。此外還有兩個(gè)用來分隔和固定玻璃片的間隔條，老式外窗的間隔條通常是由鋁片做成的，因此它在外窗的這個(gè)位置會(huì)成為室內(nèi)外熱傳遞的一個(gè)途徑，也稱為熱橋，由玻璃間隔條導(dǎo)致的熱量損失其實(shí)也是很高的，因此我們在計(jì)算熱損失的時(shí)候需要把這個(gè)間隔條考慮進(jìn)來。

在這個(gè)圖中我們還可以看到另外一個(gè)存在熱橋的部位，也就是外窗下部與保溫層連接的區(qū)域，這是與外窗安裝有關(guān)的一個(gè)熱橋部位。這樣我們就可以對整個(gè)外窗的熱損失總量進(jìn)行計(jì)算了。用玻璃和窗框各部位的U值乘以其相應(yīng)面積就可以計(jì)算出相應(yīng)部位的熱損失量，在間隔條和窗框安裝部位的熱橋部位則用相應(yīng)線性系數(shù)乘以相應(yīng)的長度就可以計(jì)算出熱橋產(chǎn)生的熱損失量。

把這些不同部位的熱損失量加在一起得出一個(gè)總量，除以整個(gè)外窗的面積即可計(jì)算出整個(gè)外窗的傳熱系數(shù)。

【P15】

我們來對比看一下這兩個(gè)外窗，左邊是常用的老式的雙玻單low-e玻璃木外窗，也是現(xiàn)在中國國內(nèi)一些新建建筑仍在使用的外窗類型，其間隔條為鋁材，窗框也沒有相應(yīng)的保溫隔熱層，前面我們計(jì)算過玻璃部分的U值是1.2W/(m2K)，但加上窗框和間隔條等因素，整個(gè)外窗的U值高于1.4W/(m2K)；

右圖顯示的是一種適用于被動(dòng)房的外窗類型，三玻雙low-e充氬氣玻璃，窗框部位加了保溫層，間隔條也采用了更好性能的保溫處理，整體外窗的U值低于0.8W/(m2K)。在中國目前也能夠生產(chǎn)這樣的被動(dòng)房應(yīng)用的外窗。

【P16】

現(xiàn)有的被動(dòng)式外窗有很多種，圖中展示的只是其中一部分，其中有剛才我們看到過的類型，也有斷橋鋁的窗框類型，還有PVC塑料的窗框類型。

【P17】

前面我們提到過外窗玻璃和窗框的計(jì)算方式，這里我們再來看一下。我們通常會(huì)對窗框在整個(gè)外窗中所占面積比例有一個(gè)預(yù)想，但實(shí)際做好的外窗其窗框部分比例往往比我們預(yù)想的還大，而且大很多，因此窗框也是非常重要的部分

【P18】

我們再來看看外窗玻璃間隔條。如圖所示，這是我們常見的一種由鋁片間隔條來固定玻璃的外窗，而鋁材的導(dǎo)熱性要比玻璃之間的氣體高很多，熱量更容易通過玻璃和這個(gè)間隔條進(jìn)行傳遞。

玻璃邊緣的熱量損失更大，邊緣部位溫度跟室內(nèi)溫度的溫差也更大，在室外-10攝氏度、室內(nèi)20攝氏度，室內(nèi)相對濕度50%的情況下，玻璃邊緣的內(nèi)表面溫度會(huì)低于9攝氏度，這就會(huì)導(dǎo)致玻璃邊緣更容易產(chǎn)生結(jié)露，結(jié)露清理不及時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致窗框出現(xiàn)發(fā)霉。因此，間隔條同樣是非常重要的部分。

【P19】

我們再來看一下這個(gè)外窗的熱量成像，我們可以看到玻璃中心溫度在15攝氏度左右，窗框溫度在13攝氏度左右，同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)玻璃邊緣的部位溫度要比玻璃中心區(qū)域低很多，只有7.3攝氏度，這正是因?yàn)殇X制間隔條成為熱橋產(chǎn)生熱量流失導(dǎo)致的結(jié)果。

【P20】

接下來我們看看有沒有更好的解決辦法。這里我們看到最左邊的外窗的間隔條就是用鋁材制成的，間隔條的作用就是給玻璃定位，但產(chǎn)生了熱橋，造成了玻璃邊緣內(nèi)表面的溫度很低的問題。

一個(gè)解決辦法就是，把鋁制的間隔條改為不銹鋼材料，這樣的改進(jìn)好了一些，但對于我們現(xiàn)代的外窗來說還不夠好?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些企業(yè)研制生產(chǎn)出了一種新型暖邊間隔條，它是由塑料或其它纖維增強(qiáng)材料做成的，他的線性熱橋熱損失系數(shù)比鋁制的小了近一半，而且外窗的U值也降到了0.8W/(m2K)，這也是我們對間隔條進(jìn)行研究改進(jìn)的目標(biāo)。

【P21】

后面還有更一步改進(jìn)的產(chǎn)品，我們在這里就不逐個(gè)展開講了，在市場上可以買到不同類型的間隔條。將來所有的外窗都應(yīng)該使用這樣的斷熱橋的間隔條。鋁制的間隔條成本非常低，每米大約5分錢，改良過的間隔條成本也不高，每米大約兩毛錢。對于1平方米的外窗玻璃，間隔條的長度就是4米，換成改良過的間隔條整個(gè)外窗的成本增量也不過六毛錢。通常一個(gè)外窗的價(jià)格大約400到500歐元，那么間隔條的成本幾乎可以忽略不計(jì)，因此從這個(gè)方面來看我們應(yīng)該禁止使用鋁制的間隔條。

【P22】

盡管我們現(xiàn)在有了很多暖邊的間隔條，但是從這張紅外熱成像圖片中，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)問題。這個(gè)外窗就采用了具有隔熱效果的暖邊間隔條，但是我們還是能在玻璃的邊緣看到一條很長的溫差線，也就是綠顏色部分，雖然已經(jīng)不再像鋁制間隔條那么低了，但仍然還是有點(diǎn)熱量損失，因此我們還是得繼續(xù)探索，并且希望將來的外窗性能能夠更好。

這里請大家看一下玻璃的右下角區(qū)域，猜猜這是什么。有人可能會(huì)認(rèn)為是玻璃另一側(cè)的人或是動(dòng)物，但根據(jù)我們前面講過的，紅外熱像儀識別的是玻璃表面的溫度和熱量，是看不到玻璃外面的情況的。實(shí)際上這是拍攝者在玻璃上反射出來的形象，人體的熱輻射傳遞到了玻璃上，被玻璃反射后又被紅外熱像儀捕捉到，我們還可以看到藍(lán)色的點(diǎn)狀部位就是紅外熱像儀的鏡頭，它的溫度相對較低，而人體的頭部和手部溫度較高，呈現(xiàn)了較明顯的紅色。

實(shí)際上在用紅外熱像儀進(jìn)行拍照的時(shí)候應(yīng)該避免拍攝者出現(xiàn)在玻璃的反射區(qū)域里。這張圖里拍攝者使用了一張薄板對身體進(jìn)行了遮擋，避免人像投影到玻璃上。

【P23】

這張圖就是對被動(dòng)房的外窗所做的認(rèn)證，里面包括外窗的斷面、溫度分布以及一張認(rèn)證報(bào)告，其中認(rèn)證報(bào)告里會(huì)寫明外窗各方面性能的數(shù)值，比如窗框的U值、寬度，還有會(huì)產(chǎn)生額外熱流失的間隔條，再給出外窗熱傳系數(shù)的一個(gè)參考值，這些數(shù)據(jù)在這個(gè)認(rèn)證表里都能看到。根據(jù)前面我們提到的EN10077國際標(biāo)準(zhǔn)，除了玻璃的數(shù)據(jù)是常規(guī)值外，其它數(shù)據(jù)從認(rèn)證報(bào)告的表里都能獲得，把這些數(shù)值代入公式就可以計(jì)算出結(jié)果。

【P24】

這里是一個(gè)裝修改造的項(xiàng)目，從這張紅外熱成像圖片里可以看到玻璃門表面溫度基本都在比較舒適的溫度范圍內(nèi)，沒有低于16攝氏度的部位，右側(cè)建筑墻體的溫度跟室內(nèi)其它物體的溫度一樣都在室溫區(qū)間內(nèi)，這也是為什么在被動(dòng)房里感覺溫度非常舒適的原因。

我們跟改造前的外窗比較一下可以非常明顯地看到差別，原來的外窗窗框表面的溫度都很低，基本都呈綠色或藍(lán)色，玻璃邊緣的間隔條產(chǎn)生熱橋?qū)е聹囟雀停覀?cè)墻體未作保溫措施時(shí)溫度也很低，溫度大約都在12-14攝氏度左右。通過這樣的對比，我們就知道被動(dòng)房比普通的房子在改善居住環(huán)境方面具有非常大的優(yōu)勢。

【P25】

接下來我們來講講外窗的安裝。我們先來看看外窗安裝的幾個(gè)不同位置。第一個(gè)位置：外窗安裝在距離墻體結(jié)構(gòu)部分最遠(yuǎn)的位置（如左圖所示），有時(shí)應(yīng)建筑師的設(shè)計(jì)要求，外窗甚至?xí)鈮ν鈧?cè)平齊。

在這個(gè)安裝位置時(shí)，窗框與保溫層連接的地方會(huì)成為保溫隔熱的薄弱點(diǎn)，熱量會(huì)從此處流失，會(huì)有一些熱損失。根據(jù)外窗各部位的傳熱系數(shù)，我們可以計(jì)算出這個(gè)安裝位置的外窗整體U值為0.8W/(m2K)，且其室內(nèi)側(cè)的溫度也都可以接受。因此，把外窗安裝在最外側(cè)的位置沒什么問題，這里要注意的是，這里所說的安裝在最外側(cè)，窗框也是要安裝在保溫層范圍內(nèi)的。

【P26】

第二個(gè)位置：外窗安裝在保溫層的居中位置。此時(shí)，窗框與保溫層連接處熱損失比前一個(gè)位置要小一些，外窗整體U值也比前一個(gè)位置稍好一點(diǎn)，其室內(nèi)側(cè)溫度也都可以。

【P27】

第三個(gè)位置：外窗靠近結(jié)構(gòu)墻的位置安裝。此時(shí)，下方窗框連接處的傳熱系數(shù)稍微增加了一點(diǎn)，外窗整體U值為0.82W/(m2K)，其室內(nèi)側(cè)溫度也都可以。實(shí)際上，這個(gè)位置是我們推薦采用的安裝位置，后面我們會(huì)具體了解一下這個(gè)位置的安裝。

【P28】

第四個(gè)位置：我們繼續(xù)把外窗往室內(nèi)一側(cè)推移，安裝在結(jié)構(gòu)墻上。此時(shí)，窗框連接處的傳熱系數(shù)明顯增加，外窗整體U值增至0.85 W/(m2K)，這個(gè)結(jié)果還可以接受，但比我們推薦的安裝位置高了一些。

【P29】

第五個(gè)位置：現(xiàn)在我們把外窗完全安裝在結(jié)構(gòu)墻上，這也是很多工程師和安裝工人比較傾向采用的安裝位置。此時(shí)，窗框連接處尤其是下方連接處的傳熱系數(shù)增加了很多，仔細(xì)觀察就可以發(fā)現(xiàn)，下方連接處可以說幾乎沒有了保溫層的保護(hù)，熱量就會(huì)從這里大量流失。因此，這個(gè)安裝位置不適合。盡管采用了高性能的外窗，但這種安裝位置卻使外窗實(shí)際的U值增高到了0.98W/(m2K)。因此，我們不應(yīng)該把外窗直接安裝在結(jié)構(gòu)墻體的窗洞內(nèi)。

通過對比，我們可以發(fā)現(xiàn)外窗最好是在靠著結(jié)構(gòu)墻但跟保溫層對齊的位置安裝，也就是第27頁的安裝位置。安裝時(shí)，有一種方式是，先在外窗下方位置將小木塊固定到結(jié)構(gòu)墻上，然后由木方來支撐起外窗。

【P30】

我們最后要講的是外窗的朝向問題。我們前面介紹過建筑的能量平衡原理，也就是建筑每年會(huì)有一定的熱損失總量，太陽得熱會(huì)對此進(jìn)行一定的熱量補(bǔ)充。這張圖表的橫軸是外窗的朝向，其中0表示正南朝向，負(fù)值一側(cè)是將朝向向東旋轉(zhuǎn)直至正北，正值一側(cè)是將朝向向西旋轉(zhuǎn)直至正北。

我們先來看看普通雙玻單腔木框外窗的情況，那么他的年均熱損失量是500多，也就是藍(lán)色的線，朝向正南時(shí)太陽得熱最大，而隨著朝向向東或向西旋轉(zhuǎn)時(shí)，太陽得熱逐漸減小，朝向在南偏東或南偏西30度范圍內(nèi)，太陽得熱差別不大。這也是為什么在中國絕大多數(shù)人都喜歡朝南向外窗的建筑；朝向轉(zhuǎn)至正北時(shí)，太陽得熱較小，得熱量只有正南時(shí)的三分之一左右。

【P31】

我們把它換成三玻兩腔low-e玻璃但采用木框的外窗，得到的結(jié)果是，年平均熱損失量大幅降低，仍然是藍(lán)色的線，從520降到了240左右，仍然是朝向正南時(shí)太陽得熱最大，朝北向的太陽的熱量最小，但幾乎接近0值。

【P32】

現(xiàn)在我們把外窗換成三玻雙low-e玻璃被動(dòng)房窗框要求的外窗，得到的結(jié)果是年均熱損失量從240左右降到了140左右，還是藍(lán)顏色的線，整個(gè)南向從正東到正西的范圍內(nèi)，幾乎都是凈得熱的朝向，這樣外窗在冬季也可以變成建筑的熱體系的一部分，這就是被動(dòng)式太陽房的道理。

【P33】

把不同類型外窗匯總到同一張圖表里，我們就可以對它們進(jìn)行比較從而選擇適合的外窗。從上而下，分別是：雙玻單腔木框外窗，U值在2.1左右，雙玻單low-e木框外窗，U值在1.2左右，三玻雙low-e被動(dòng)房窗框的外窗，U值在0.8左右，還有兩種新型的節(jié)能外窗，U值在0.2左右。

我們可以發(fā)現(xiàn)，窗框?qū)ν獯罢w性能的影響比玻璃對外窗的影響更大，這也是為什么被動(dòng)房的外窗需要提高窗框性能的原因。截至2017年新型節(jié)能外窗在外窗玻璃、間隔條等方面又有了很大的提升，市場上也就有了更好和更多的選擇。

【P34】

下面這張圖表我們來看看，外窗在建筑表面積的占比與建筑能耗量之間的關(guān)系，這里我們主要看建筑的南立面，這是依據(jù)奧地利因斯布魯克地區(qū)的數(shù)據(jù)，其氣候條件與中國北京比較相似。上面的紅顏色曲線是雙層玻璃的外窗，下面的紅顏色曲線是三層玻璃的外窗。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，同樣是在外窗占比為0的情況下，雙層玻璃外窗和三層玻璃外窗的建筑采暖熱需求存在著差異，也就是橫軸0刻度線的兩條紅色曲線的數(shù)值是36和28，這是因?yàn)榻ㄖ毕虻耐獯皩ㄖ芎囊彩怯杏绊懙?，因?刻度線也不是相同的數(shù)值。

這里我們主要看南向外窗，隨著我們加大南向外窗所占比例，即便采用的是雙層玻璃的外窗，建筑采暖熱需求也會(huì)逐漸降低；但同樣占比情況下，采用三層玻璃外窗時(shí)，他的采暖熱需求降低的幅度會(huì)更大，外窗所占比例越大，采暖熱需求降得越多。當(dāng)外窗面積所占比例達(dá)到42%將近建筑南向立面一半的時(shí)候，采暖熱需求會(huì)降低到15kWh/m2，這個(gè)值實(shí)際上已經(jīng)能夠達(dá)到被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)了。

這里我們看到56%是南向外窗面積所占比例的一個(gè)最佳限值。假如我們繼續(xù)加大外窗占比，那么建筑采暖熱需求會(huì)隨之繼續(xù)降低，但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，建筑采暖熱需求并沒有隨著外窗占比的增加而直線性的下降，而是趨于平緩的下降。而與此同時(shí)，我們會(huì)遇到另外一個(gè)問題，就是隨著我們增加南向外窗窗墻面積比，太陽得熱不斷增加，會(huì)增加夏季的制冷負(fù)荷，建筑的制冷需求也就隨之增加了，也就是藍(lán)顏色的曲線。

在因斯布魯克地區(qū)，南向外窗窗墻面積比較小的建筑幾乎沒有制冷的需求；而外窗很大時(shí)，太陽的熱負(fù)荷會(huì)很高，對制冷的需求也就很高，這就需要在夏季對建筑采取遮陽措施。這也是為什么很多現(xiàn)代建筑的制冷需求要比老建筑高很多的原因。因此，在因斯布魯克地區(qū)56%的南向窗墻面積比從節(jié)能角度來說是一個(gè)最佳的限值。

【P35】

本節(jié)的最后，我們就外窗所講的知識做以總結(jié)。

對于寒冷氣候區(qū)的建筑，我們對外窗的選擇建議：采用三玻雙low-e玻璃，空腔填充成本較低的氬氣，玻璃間隔16mm，使用暖邊間隔條，窗框要做保溫隔熱處理且傳熱系數(shù)在0.7W/(m2K)左右，外窗要安裝在墻體保溫層的范圍內(nèi)，外窗的最佳朝向?yàn)槟舷?，南偏東或南偏西30度均可，可以使用PHPP設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化外窗的大小及其經(jīng)濟(jì)性，南向的外窗可以大一些，北向可以開窗，但是窗面積主要從滿足采光要求即可，東向和西向外窗考慮到夏季日照會(huì)過多，可以盡量小一些，滿足采光要求即可。

關(guān)于采光我們這里補(bǔ)充一點(diǎn)說明：按照經(jīng)典被動(dòng)房理論，建筑不應(yīng)在北側(cè)開窗，但也要求建筑進(jìn)深不應(yīng)大于6米，否則室內(nèi)北側(cè)采光會(huì)不足。隨著建筑的發(fā)展和使用需求的提高，建筑進(jìn)深逐漸加大到12米左右，此時(shí)建筑北側(cè)需要開設(shè)外窗進(jìn)行采光，被動(dòng)房對此的要求也相應(yīng)做出了改變，北側(cè)根據(jù)采光需求進(jìn)行開窗設(shè)計(jì)，并做好建筑外圍護(hù)的保溫隔熱措施。另外，建筑進(jìn)深的適當(dāng)增加，反而可以有效降低被動(dòng)房單位面積的能耗和造價(jià)。從這個(gè)角度來講，選擇最佳的平面形式往往比加厚保溫層更為有效。

好，這節(jié)課就講述到這里。謝謝大家！

點(diǎn)擊回看：第一節(jié)   被動(dòng)房概述

點(diǎn)擊回看：第二節(jié)   圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱

點(diǎn)擊回看：第三節(jié) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性