本文摘自由Warmframe暖框科技与AECOM艾奕康香港联合编写并同期发表在香港幕墙协会期刊的署名文章。
作者
周雨禎 暖框科技（北京）有限公司
李銘 艾奕康有限公司建築工程外墻部（香港）
摘要
隔熱斷橋窗由隔熱斷橋窗框與中空玻璃構成，與普通窗戶相比，具有優越的隔熱性能。在香港，其低U值與低遮陽係數的特性有助於降低建築物的冷暖負荷，從而顯著減少碳排放。斷橋隔熱窗被全球廣泛認可為實現更安全、更環保社會的重要技術之一，並已在全球範圍內應用超過三十年。 深圳自從國家新規將窗戶最大允許U值由3.5 W/(m²·K)降至2.4 W/(m²·K)後，便已採用隔熱斷橋窗。 然而，香港幾乎未使用以及很難推行斷橋隔熱窗戶的應用，值得深入探討。
本文探討了在香港推行隔熱斷橋窗窗所面臨的層層障礙。第一個問題探討了香港現有OTTV規範計算方法的不足， 該計算方法基於30年前香港的建築和環境條件，但實際的建築和環境條件已經大相徑庭，導致按原方法計算出的結果過於高估建築的實際能耗性能。 第二個問題討論了香港目前的LEED項目在計算窗的熱工性能的計算方法。工程師常以玻璃中心U值作為整體窗戶U值，這不符合LEED的實際要求，導致建築的實際能源效能可能無法達到設計要求。 第三個問題探討了屋宇署（BD）基於結構安全考量對斷橋隔熱材料用於結構構件的審批限制。本文提出了一個簡單且成熟的解決方案以回應結構安全的顧慮。此外，本文亦討論了本研究的局限性及未來在能源模擬與實驗測試方面的計劃。
關鍵詞: 隔熱斷橋窗、U值、OTTV、建築外墻
背景
在19世紀，單片玻璃開始在建築窗戶上使用。爲了改善窗戶的隔熱性能, 美國發明家Thomas D. Stetson 於1865年發明了中空玻璃 (IGU)。 然而，直到1970年代的石油危機以後，中空玻璃才開始被更廣泛地使用。當時，玻璃製造商開始研發低輻射（Low-E）塗層來提高玻璃的能效，對比普通無塗層透明中空玻璃，低輻射塗層中空玻璃將玻璃的隔熱性能幾乎提高一倍，並將U值降低了50%。40年前，一家德國公司研發了第一個隔熱斷橋窗，即在金屬窗框外部和內部之間安裝塑料條。如今，儘管現代的斷橋窗戶由不同的玻璃和框架型材組成，但使用低導熱材料作為斷橋的最初概念仍然沒有改變（圖1）。
圖1：現代隔熱斷橋窗
U值，作爲區分窗戶性能的關鍵參數之一, 它描述了熱量通過窗戶的外表面和内表面的傳遞速度。對於窗戶而言, U值越低性能越好。對於整個窗戶系統而言，最佳的U 值通常為0.8 W/(m²·K) 或者更低，這個最佳值由具有良好隔熱性能的窗框和高性能的中空玻璃組成; 而最差的窗戶U值則爲6.8 W/(m²·K)或者更高，這通常是由普通窗框和單層玻璃組成的。值得注意的是，窗戶的U值並非單指玻璃本身的U值，而是窗框與玻璃的区域内加權平均值, 这一点在相关的标准中有明确规定，例如ISO 15099, ASHRAE 90.1, 等等。
德國是最早採用隔熱斷橋窗戶的國家之一，當時在1990年代，隨著窗戶U值標準從3.1 W/(m²·K)調整為1.8 W/(m²·K)，德國便開始從傳統窗戶轉向使用隔熱斷橋窗戶。英國則在2000年代完成了類似的升級。美國和中國在2000年代也開始使用隔熱斷橋窗戶，但當時僅限於寒冷氣候的建築；在熱帶氣候的建築中，直到2020年才開始使用隔熱斷橋窗戶。深圳在過去幾乎所有的建築都使用傳統窗戶，但自從2021年新規範《建築能效與可再生能源應用通用規範》GB55015-2021出台後，最大允許的窗戶U值從3.5 W/(m²·K)降低至2.4 W/(m²·K)，因此要求使用隔熱斷橋窗戶。香港則沒有對窗戶U值的要求。Wong（2017）顯示，香港商業建築中最常見的窗戶配置是使用非隔熱斷橋（傳統）框架與低辐射隔熱中空玻璃 [1]。估計香港的典型窗戶U值平均為3.6 W/(m²·K)（見圖2）。
圖2：自1990年以來的窗戶U值要求
- 介紹
隔熱斷橋窗戶的外觀與傳統窗戶完全相同，無論從室內或室外觀察。正是隔熱斷橋使得隔熱斷橋窗戶的熱性能超越了傳統窗戶。為了量化並可視化這一性能，我們使用了THERM軟件。THERM是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）開發的，並且是全球最廣泛使用的熱模擬軟件之一。模擬結果顯示，隔熱斷橋窗戶的優勢包括：
更高的能效與更低的碳足跡
U值和遮陽係數（SC）是與窗戶能效相關的主要特徵參數。表1顯示了先進的隔熱斷橋窗戶與配備相同性能低輻射中空玻璃單元的傳統窗戶的U值和太陽熱增益係數（SHGC）。
表1：窗戶的U值與太陽熱增益係數（SHGC）
| 框架佔窗戶面積比例 | 先進隔熱斷橋窗戶 | 傳統窗戶 | ||
雖然在一般窗戶中，窗框與窗戶區域的比例僅為15%到25%，但窗框對能效的影響卻可高達70%。這是因為窗框的U值約為16 W/(m²·K)，是玻璃U值的十倍左右。作為對比，使用熱斷橋技術的最新型窗戶，配備暖框科技隔熱毯和暖邊玻璃間隔，其窗框U值僅為4 W/(m²·K)，比一般窗框低75%（如圖3所示）。得益於熱斷橋窗戶的高效性能，建築物的能效可大大提升。較低的U值和遮陽系數（SC）有助於減少香港建築物的供暖和制冷負荷，從而顯著降低碳排放。
圖3：窗框的U值比較
冬暖夏涼
為了評估窗戶內表面溫度， 我們進行了THERM模型模擬。軟件中定義的戶外和室內的環境條件參考香港的環境數據，具體數據如下：
冬季戶外夜間溫度 = 7℃ 夏季戶外日間溫度 = 32℃ 室內溫度 = 25℃ 太陽輻射 = 783 W/m²
圖4：窗框溫度比較
圖4展示了先進隔熱斷橋窗與普通窗戶的內部表面溫度之比較。在冬季，先進隔熱斷橋窗與普通窗戶的溫度分別為21℃和16℃；在夏季，則分別為27℃和40℃。這些結果顯示，普通窗戶在夏季過熱或冬季過冷，無法有效抵禦外部環境的影響，而先進隔熱斷橋窗則展現出卓越的適應能力，能夠維持室內溫度的穩定。
透過維持穩定的室內溫度，隔熱斷橋窗提升了用戶的舒適度。這種窗戶設計消除了窗框附近的冷熱點，有助於全年創造更為舒適的室內環境。研究（如Seppänen等人2006的研究）顯示，當室內溫度保持在20-25℃時，用戶的生產力將達到最佳狀態的98%以上。而當溫度低於15℃或高於30℃時，用戶的生產力會顯著下降[2]。因此，先進隔熱斷橋窗不但能提高居住的舒適度，更能幫助維持居住者的生產力。
減少結露
根據圖4所顯示的窗框溫度以及室內溫度設定為25℃的情況，我們可以預測何時會出現結露現象。圖5展示了在室內溫度為25℃時的露點溫度曲線。對於普通窗戶而言，當室內相對濕度達到58%時，窗戶表面就可能出現結露。而在香港潮濕的冬季，這種情況是相當常見的。然而，對於先進的隔熱斷橋窗來說，需要室內相對濕度達到79%以上時窗戶才會出現結露，這種情況在實際生活中是不太可能發生的。
圖 5：露點溫度與相對濕度圖表
降低噪音傳遞
由於聲音震動更容易在一體成型的鋁框中傳遞並形成聲音橋接，因此熱斷橋窗戶中的熱斷橋可視為聲音隔離材料。雖然目前沒有具體數據顯示其差異，但普遍認為熱斷橋窗戶的性能並不亞於普通窗戶。事實上，市面上有許多經過測試的產品，其聲音傳遞係數（STC）達到45，這意味著這些窗戶的噪音控制效果甚至優於4英寸的空心混凝土磚。
- 研究問題
全球普遍認為，窗戶是實現建築可持續性和碳中和的重要因素之一。例如，為了達到低能耗建築（LEB）標準，窗戶的U值應為1.4 W/(m²·K)；為了達到被動式房屋（Passivhaus）標準，窗戶的U值應為0.8 W/(m²·K)；而為了達到近零能耗建築（NZEB）標準，窗戶的U值則應更低，達到0.7 W/(m²·K)。這些都無法在沒有熱斷窗的情況下實現。香港距離深圳僅50公里，氣候和挑戰類似，但除了常規窗戶外，幾乎不使用熱斷窗，這似乎有些奇怪。
在與香港的建築專業人士，包括建築師、工程師、顧問和承包商進行廣泛討論後，最常見的評論可總結如下：
香港將整體熱傳遞值（OTTV）作為建築能效設計的唯一指標，並且法規中對窗戶U值沒有要求。.
對於申請美國綠色建築委員會（USGBC）LEED認證的項目，當窗戶U值是由ASHRAE標準要求時，工程師通常將玻璃中心的U值視為等同於窗戶U值，忽略了窗框的影響。 香港屋宇署（BD）因結構安全考量而對批准熱斷窗持保留態度。如果要在項目中使用熱斷窗，必須啟動審查流程，這將額外耗費時間和金錢，且無法保證獲得批准。
本文將基於相關理論和標準，對上述問題進行深入分析，详见《下篇》。