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錢塘江畔，夜幕下的杭州奧體流光溢彩，亞運會成功閉幕。在這次亞運會，杭州前后斥資2000+億大規模建設基礎設施，泰諾風有幸能參與其中，種種高效盡顯中國速度，引得外國網友頻頻圍觀，狂呼“基建狂魔”。
如今我們穿梭在城市的建筑森林之中，一棟棟幕墻建筑，沒有最高只有更高，而我們也不再感慨這只有誰誰誰能做，資訊時代，在全球化的背景下，門窗幕墻行業已與國際接軌，齊頭并進，技術交流必不可少。
泰叔上周介紹了幕墻中開啟扇對幕墻節能的影響，今天特地翻譯一篇泰諾風北美同事發表的論文供大家參考。
隨著GB55015的提出，國內南方地區對于門窗有了更低的U值要求，這篇文章為此舉提供了有利的數據支撐，說明了低U值對于炎熱氣候區的貢獻。致廣大而盡精微，本文以整體視角深入講解門窗U值對建筑能耗的影響以及炎熱氣候下斷橋隔熱（詞條“斷橋隔熱”由行業大百科提供）結構對門窗幕墻節能的重要性，希望能夠對各位有所幫助。
摘要：人們普遍認為，在炎熱的氣候條件下， U值并不是影響門窗幕墻性能的關鍵因素，而規范和設計關注的重點通常是太陽輻射得熱，尤其是減少透明部分得熱。大家的想法是，炎熱氣候下室內外的空氣溫差比寒冷氣候下小得多，因此熱傳遞的驅動力較小。
然而，在炎熱氣候下，門窗幕墻型材部分傳熱的主要機制還有吸收太陽輻射，然后將吸收的熱量通過傳導的方式傳輸到型材的室內側表面。由于吸收太陽能，型材外表面溫度會大大超過環境空氣溫度，尤其是深色型材。通過這種機制產生的內外溫差與冬季寒冷氣候下的溫差更為接近。使用隔熱條和暖邊間隔條可以大大削弱這種通過玻璃邊緣及型材部位的太陽得熱機制。
本文回顧的新加坡太陽能研究所(SERIS)的一項研究數據表明，在炎熱的氣候條件下，門窗型材部分的隔熱性能如何顯著影響熱量的傳輸以及門窗系統（詞條“門窗系統”由行業大百科提供）的熱舒適性能。通過對整棟建筑進行建模研究，說明了與太陽得熱系數(SHGC)相比，門窗U值對建筑能耗的影響。研究表明，隔熱型材在炎熱氣候條件下建筑中的使用，與在寒冷氣候條件下一樣重要。
此外，太空針塔翻新工程中使用的暖邊間隔條表明，減少玻璃邊緣的熱傳導對于降低夏季制冷負荷、冬季制熱負荷以及改善全年熱舒適度起著至關重要的作用。
關鍵詞：性能、能效、健康-舒適-IEQ 性能、隔熱、暖邊間隔條、玻璃性能、規范-標準-評級系統。
導言和背景
通常認為，只有在寒冷氣候區，使用低傳熱系數(低 U值)的門窗設計才是重要的。在美國建筑規范中，1-3 號氣候區(南部較熱地區)的U值限值相比 6-8 號北部氣候區更高，便證明了這一點。表 1 列出了 2018 年國際節能規范 (IECC)、美國采暖、制冷和空調工程 (ASHRAE) 標準 90.1 - 2016 的 U值要求。
表1：美國最新版建筑規范要求的門窗U值要求
(單位：btu/℉.hr.ft2)
固體材料傳導熱量的一個關鍵驅動因素是一側與另一側之間的溫差，溫差越大，熱量傳輸越快。傳導熱傳輸的方程為(Zemansky& Dittman，1981 年)：
其中：
• Q/t 是單位時間內的熱傳導量(瓦或 btu/hr)。
• k 是材料的導熱系數
• A 是橫截面的面積
• T(hot) - T(cold) 是冷熱表面之間的溫差，即 "Delta T"，DT
• d 是材料的厚度(能量流動方向的尺寸)
人們普遍認為，門窗系統的外表面溫度與外部環境空氣的溫度相近。因此，在亞利桑那州的炎熱沙漠地帶與北達科他州的寒冷平原相比，溫差(DT)或熱傳遞的驅動力相對較小。例如，在北達科他州這樣寒冷的氣候條件下，室外空氣溫度可能低至 -40℃(-40℉)，而室內溫度為 21℃(70℉)，DT 為 61℃(110℉)。
然而，在亞利桑那州的盛夏，室外氣溫可達 43℃(110℉)室溫為 21℃(70℉)時，DT 僅為 22℃(40℉)。然而，這種簡單化的觀點忽略了外框材料對太陽能量吸收的影響。在太陽直射的情況下，型材外表面的溫度會大大超過室外空氣溫度，尤其是深色外框。太陽吸收機制可使型材內外表面之間的 DT 值更接近在寒冷氣候下觀察到的 DT 值。
如果沒有使用隔熱材料(例如尼龍隔熱條)對室內外鋁型材進行斷熱處理，亦或沒有在玻璃邊緣使用隔熱材料(例如低熱導率的暖邊間隔條)，就無法阻止吸收的熱量直接傳導到建筑物內部，從而給空調系統帶來巨大負荷，并給靠近外窗的住戶帶來明顯的炎熱不適感。由于存在誤解，許多為熱帶氣候條件下的建筑物設計的門窗幕墻都不考慮隔熱條或中空玻璃暖邊間隔條。因此證明這種熱量傳輸機制對節能和舒適性能都有意義是非常重要的。
我們將新加坡太陽能研究所(SERIS)的實地測試結果(SERIS 2016)、建筑系統與診斷(BSD)的建筑能耗建模分析(BSD，2016 年)和實際建筑案例研究的結果匯總展示在此，以說明在炎熱氣候區降低門窗幕墻 U 值的重要性。
實地測試研究
實驗細節：
為了證明鋁門窗系統的斷橋隔熱結構在炎熱氣候下的作用，這里將回顧 SERIS 開展的一個研究項目(SERIS，2016 年)。SERIS研究了四種不同的鋁框系統：無斷橋的系統(Uf = 7 W/㎡ K)、低性能斷橋系統(Uf = 3-4 W/㎡ K)、中等性能斷橋系統(Uf= 2.5 W/㎡ K)和高性能斷橋系統(Uf= 1-2 W/㎡ K)(圖 1)。
請注意：以 w/㎡K為單位的框架U值是采用歐洲標準方法計算得出的，因此，即使轉換成 IP單位，也無法與采用 NFRC 100計算得出的美國 U值相比較。因此，為避免與美國建筑規范等等要求混淆，未將單位轉換為 btu/℉.hr.ft2。
圖1：本研究中評估的四種鋁合金系統。
從左到右依次為非斷熱、低斷熱、中斷熱和高斷熱系統。
每種系統都分別對淺色和深色表面的型材進行了測試。這些框安裝在新加坡的一個調控試驗室朝西的墻壁上(圖2)。
圖2：調控試驗室(左)和試驗屋墻壁框架結構特寫(右)。
全套數據采集系統每 2 秒鐘采集一次數據，采集數據的熱電偶溫度計分別放置在每種框的室內和室外表面，熱通量傳感器放置在每種框的室內一側(用于測量通過框從室外到室內的熱通量)，兩個空氣溫度和濕度傳感器(室內和室外)，以及一個日射強度計(用于測量室外垂直太陽照度)。在大約 3 個月的數據采集期間，室內溫度保持在 23-24℃之間，室外環境溫度從最低的 24℃ (75℉) 到最高的 37℃(99℉)，每天保持3小時左右。日間太陽光照度最高達 670 W/㎡K。
結果：得熱
根據測量到的熱通量數據計算出了通過窗框的日平均得熱量，這表明斷熱鋁合金門窗幕墻的應用對減少建筑物內部得熱有著顯著影響。(圖3)
圖3：四種不同類型窗框的 60天內平均太陽得熱量(深色)
對于深色型材，高斷熱型材平均得熱量相比非斷熱型材減少了 61%。即使是斷熱型材中性能最差的低斷熱型材，也比非斷熱系統減少了 24% 的太陽得熱量。而對于非斷熱型材，淺色型材與深色型材相比可減少 27% 的得熱量。淺色高斷熱型材相比淺色非斷熱型材得熱量減少62%，而其與深色無斷橋框架相比，得熱量減少73%。
這些數據支持了這樣一個事實，即通過窗框的熱傳導機制是由以下因素驅動的：1. 窗框對太陽能的吸收量(深色比淺色吸收更多)2. 吸收的熱量從窗框外部向室內傳輸的快慢取決于型材的斷熱程度。
由于篇幅長度原因，今天就先講這么多。這一期通過公式強調了炎熱氣候區降低門窗幕墻 U 值的必要性和重要性。接下來用詳細的實驗數據，讓我們對門窗型材部分的隔熱性能如何影響熱量傳輸有了深入了解。敬請期待下一期，泰叔將引入一個建筑能源模型，詳細分析SHGC與U值對建筑能耗影響的對比。
