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         当今世界的建筑领域,建筑节能是全球的大趋势,我国人口众多,能源相对缺乏,建筑节能工作更是刻不容缓。在整个建筑系统中,门窗作为其重要组成部分,能耗占建筑总能耗的40%。在美国,根据美国能源部(DOE)的统计,每年美国家庭的能源损失,单从窗户一项就要价值350亿美元。因此,提高门窗的节能性能,同时不遗余力地在新建建筑和既有建筑上推广使用节能门窗,是一件意义重大、成效明显、利国利民的好事情。

        要推广这件好事,首先要做的就是制定有效的评定方法,从而可以遴选出优质的节能门窗。类似我国对于家用电器的节能采用的《中国能效标识》,门窗的节能评估也有自己的节能标识。在我国,住房和城乡建设部标准定额研究所曾经推出过“RISN”建筑门窗节能认证和标识;但是在执行过程中,各个地方又推出了其他不同的节能认证和标识,所以目前我国还没有形成一套完整统一的门窗节能认证体系。
        放眼全球,目前世界上体系最完整的门窗节能认证,就是“美国能源之星认证计划”和“加拿大能源之星认证计划”了。北美“能源之星”都是一种自愿性认证体系,其不仅规范了具体的认证流程和每年的工厂审核流程,还规定了详细的认证标准要求和测试项目:从如何进行选样测试,到如何评估测试的产品系列都有明确的方法和要求。
        一、美国能源之是计划
        “美国能源之星计划”是由美国国家能源部和美国环境保护署(FPA)在1992年共同提出的一项志愿性计划。该计划旨在帮助企业和个人节省资金,通过高效的能源利用,来降低能源消耗,减少温室气体排放,保护世界的环境和气候。在EPA的指导下,美国的普通消费者、产品制造企业、产品零售商等等,都可以积极参与“能源之星计划”。为了不断推动“能源之星计划”在全美国的有效实施,美国各个州政府还采用“联邦税收减免”政策来鼓励消费者使用贴有“ENERGY STAR”标识的产品,使消费者得到巨大的优惠。以门窗产品为例,这一政策规定一旦消费者购买了能源之星认证的门窗产品,消费者可以直接向州政府提出返利:在2013年前返利曾一度达到产品售价的30%、上限为现金1500美元;目前返利也达到产品售价的10%、上限为500美元(门)和200美元(窗)。
        经过23年的实践,“ENERGYSTAR”标识已经在美国家喻户晓,它为帮助企业和个人认识节能产品、使用节能产品作出了卓越的贡献。目前虽然“能源之星”还不是《美国建筑法规》强制规定的认证体系,但是由于市场广泛的认知和接受度,使得美国的门窗制造企业竞相申请该认证体系,而没有通过“ENERGYSTAR”认证的产品,在市场上就会受到冷遇。
        1.NFRC与美国能源之星计划(USENERGY STAR Proqram)
        在美国,美国环境保护署(EPA)目前指定NFRC机构来主持建筑门窗能源之星计划的实施。NFRC(The National Fenestration Rating Council,国家门窗能效分级委员会),是一个非盈利性组织,其负责组织并编写门窗的“美国能源之星计划”的相关规范和标准;同时负责认可从事能效测试工作的第三方检测机构;还负责认可从事认证和工厂审核的第三方认证机构。
        2.美国“能源之星”认证
        NFRC制定的“ENERGY STAR Product Specification Residential Windows,Doors,and Skylights(窗、门、天窗的技术规范)”规定,申请“能源之星”认证的产品,必须是用于民用建筑的成品门窗,而那些在现场组合的建筑门窗不能申请“能源之星”认证;用于商业建筑的建筑门窗也不能申请“能源之星”认证,比如幕墙单元就无法申请能源之星。
        3.美国“能源之星”认证标准
        按照“能源之星”认证规范的规定,门窗产品需要在NFRC认可的第三方检测实验室,测试和模拟计算以下参数。这些参数包括:
(1)传热系数,U-Factor;
(2)太阳热增益系数,Solar Heat GainCoefficient(SHGC);
(3)可见光透射系数,Visible transmittance(VT);
(4)气密性,Air leakage;
(S)抗结露性,Condensation resistance。
       相关规范标准和测试方法分别是:
(a)NFEC 100:Procedures for Determining Fenestration Attachment Product U-fadom
(b)NFRC 102:Test Procedure for Measuring the Steady—State Thermal Transmittance of Fenestration Systerns
(c)NFEC 200:Procedure for Dete rmining Fenestration Product Solar Heat Gain Coefficient and Visible Transmittance at Normal Incidence
(d)NFEC 400:Procedure for Determining Fenestration Product Air Leakage
(e)NFEC 500:Procedure for Determining Fenestration Product Condensation Resistance Values
        4.美国“能源之星”认证的认证机构和检测机构
        对于一个高质量节能的建筑门窗产品而言,它首先必须是一个质量合格、实用安全的建筑产品。在美国,所有的建材建筑产品都必须符合《International Building Code美国建筑法规》的要求。按照《美国建筑法规》的规定,所有民用或商用的门窗产品,都必须符合由官方认可的第三方认证机构的质量认证,测试标准是North American Fenestration Standard/Specification fOr Windows,doors andskylights(NAFS)。
       众所周知,美国市场是一个高度开放和成熟的自由市。还俜饺峡傻牡谌饺现せ挂埠芏。所以为了节约成本和认证周期,各个企业都在寻找一个既能提供产品质量认证,又被NFEC认可的第三方认证机构,来完成美国“能源之星”认证。目前在美国,这样的认证机构仅有NAMI,AAMA,Key Stone和WDMA四家。
        除了认证机构,按照美国“能源之星”认证的要求,所有申请认证的产品必须通过NFEC的认可的检测实验室的检测和模拟计算。在北美,最知名的检测实验室就是Intertek/ATI实验室,他们提供的权威检测报告和模拟计算报告,得到北美市场的广泛认可。
        5.美国“能源之星”认证的检测方法
        首先按照North AmericanFenestration Standard/Specification fOr Windows,doors and skylights(NAFS)标准的规定,选取标准尺寸的门窗样品,进行气密性(Air leakage)、水密性(Waterpenetration)、抗风压(Strudural bad)测试。其中的气密性数据可以直接用于“能源之星”的认证。
由于每个企业建筑门窗产品的系列很多,即使是同一系列中也会有不同尺寸的产品。如果每一个系列的每一种产品都进行测试的话,势必造成成本过高而无法操作;同时由于第三方实验室的测试条件有限,无法无限制扩充设备以满足企业各种尺寸样品的检测。
        为了有利于企业有效涵盖每一个系列中的产品,同时也为了有利于第三方实验室进行测试设备和能力的实验室比对,NFEC制定了《NFEC 100》和《NFEC102》的检测和模拟计算方法。《NFEC102》规定了各种门窗应该选取进行“传热系数U-Factor”检测的标准样品尺寸;然后按照ASTM E1199的测试方法进行U值检测。根据《NFEC 100》的规定,使用测得的U-Factor的数据,结合同系列门窗产品使用的中空玻璃结构、型材断面尺寸和结构来建立模型,并进行模拟计算;从而推算出系列中其他产品的热效能参数。
        测试U-Factor的门窗的标准样品尺寸要求,参见表1。
        我国对于门窗的传热性能,通常使用K值表示。但是目前北美和欧洲的传热性能测试都使用U值表示。u值与K值最大的区别,在于K值只计算热对流产生的传热效应,而U值计算了在热对流和表面热辐射共同作用下,产生的传热效应。
        由于NFRC使用了模拟计算的方法,以期使用最少的检测方法推导出最多的产品传热效应指数。因此用于模拟计算时的其他参数也必须使用标准数据。比如模拟计算时对于中空玻璃,必须经过IGCC的认证,以确认其组合的标准化;同时选用的玻璃(含LOW-E)组合,必须经过NFEC认证,从而可以从“LBNL IGDB(International Glanng Database)”数据库中查询玻璃的相关数据用于模拟计算。
        NFEC编制的《NFEC 200》可以推导出另外两个“能源之星”规定的指标:太阳热增益系数(SHGC)和可见光透射系数(VT)。
        6.US ENERGY STAR标识
        (1)注释1:U-Factor(u值)显示的是美制单位,通常该值的范围在Q2-1.20之间。u值的数值越。硎静返谋N滦阅茉胶茫凰栽诿拦辈,由于冬天气温低,通常选用小数值U值的门窗产品。
        (2)注释2:SHGC(太阳热增益系数)没有单位,所以该比值的范围在0-1之间。SHGC的数值越。硎静纷韪艄嗵羧确涞哪芰υ角浚凰栽诿拦喜,由于夏天太阳直射而使得室内温度较高,通常选用小数值SHGC的门窗产品。
        (3)注释3:VT(可见光透射系数)没有单位,所以该比值的范围在0-1之间。VT的数值越大,表示玻璃的透光性越好,使得室内的明亮度越高。
        (4)注释4:AL(气密性)显示的是美制单位,通常该值的范围在Q1-Q3之间。AL的数值越。硎静返钠苄栽胶,使得室内与室外的热交换程度越少,也就表示保温性能越好。
        7.美国各个气候区域对美国“能源之星”的要求
        由于美国地区幅员辽阔,各个州的气候条件相差很大。所以美国能源部和环保局根据美国各个州独特的气候条件,对于门窗产品申请ENERGY STAR的条件作出了更为详细的规定。
        美国的气候区域分为四种,分别是“北区”、“中北区”、“中南区”和“南区”。图2显示了各个区的位置。
        表2、表3、表4、表s、表6是各个气候区域对能效指数的最新详细规定(2015年1月1日至2016年1月1日)。
        二、“加拿大能源之星”计划(Canada ENERGY STAR Program)
        地处高寒地区、国土面积居世界首位的加拿大,也已经针对本国的建筑门窗产品开展了“加拿大能源之星”计划。该计划是由加拿大自然资源部(NRCan)制的,旨在推动更多加拿大民众在建筑商使用节能建筑门窗产品。在2004年1月,加拿大政府就与美国能源部和环保署就CanadaENERGY STAR在加拿大的使用作了联合要求。后来经过加拿大本地的多年实践,加拿大自然资源部于2014年推出了新修订后的“加拿大能源之星”认证规范和要求,并从2015年2月1日起正式实施。
        1.“加拿大能源之星”认证标准
        在新版“加拿大能源之星”认证规范出台之前,加拿大政府并没有强制门窗产品必须进行涉及门窗质量和安全的产品认证,只需要按照North American Fenestration Standard/Specification for Windows. doors and    skyIights(NAFS)标准进行检测即可。但是从2015年2月1日开始,凡是申请“加拿大能源之星”认证的门窗产品,必须得到第三方认证机构的产品质量认证后,才可以申请。目前Intertek已经成为加拿大自然资源部认可的认证机构、检测机构之一,可以从事全流程的产品认证和“加拿大能源之星”认证服务。
        “加拿大能源之星”规定的能效测试标准是CSA A4402 Fenestration energy performance。CSA A4402同样引用了NFRC103、NFRC 200的要求和模拟计算方法,主要区别在于“加拿大能源之星”不要求建立模型,只需要按照NFRC100中规定的样品尺寸提供相关配件的能效参数和产品型材图纸,从LBNL    IGGB(IntemationaiGlazing Database)数据库中查询其相关数据,即可完成相关的计算。所以申请“加拿大能源之星”认证,门窗产品使用的中空玻璃仍然首先要经过IGCC的认证,以确认其组合的标准化。
        2.“加拿大能源之星”认证的表征参数
        和“美国能源之星”认证一样,申请加拿大能源之星同样需要提供这些参数:U-Factor、Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)、Visual Transmittance(VT)、Air Leakage(AL);除此之外,“加拿大能源之星”还要求利用这些参数,按照下列公式,计算一个特别的参数,“Energy Rating(ER)能源级数”。
公式:ER=(57.76XSHC)-(21.90XU)-(1.97 X L75)+40
其中:
SHGCw:门窗产品的太阳热增益系数;
U:门窗产品的传热性U值,单位是W/(m2·K):
L:门窗产品在75 Pa的压强差时的正向和负向的气密性平均值,单位L/(s·m2)。
所以申请“加拿大能源之星”认证时,需要综合评估ER、U-Factor、SHGC、VT、AL后才能判断是否符合加拿大各省对于能源之星的规定和要求。
        3.加拿大各个气候区域对“能源之星”的要求
        在2010年前,加拿大的气候区域曾经分为四个区域,分别表示为“区域A、区域B、区域C、区域D”。但是从2010年开始,根据最新的加拿大建筑法规(National Building Code)规定,加拿大的气候区域按照采暖日(Heating Degree Day,HDD)的数量,重新划分为3个区域,分别表示为“区域l、区域2、区域3”。
        4.Canada EN ERGY STAR标识
        当企业通过了“加拿大能源之星”认证之后,企业必须制备相应的认证标识并将其醒目地标注在产品上。
        5.“加拿大能源之星”认证实例
(I)实验方法
CSA A440.2-2014 Fenestration Energy Performance
(2)样品描述(见表15)
(3)检测结果(见表16)
(4)检测结论
产品符合“加拿大能源之星”的“区域l”的要求。
        三、结束语
        美国和加拿大的“能源之星”认证已经持续推行了十多年,认证有效推动了两个国家国内的建筑门窗的研发和节能技术的推广,同时培育了广大民众对于能耗节约的普遍认知,从而使绿色建筑、节能门窗深入人心。
        我国幅员辽阔,南北气候差异很大,所以国家很早就开始鼓励并提倡使用节能技术和绿色建材来新建改建各类民用和商业建筑,同时引导各类建筑企业朝着建筑节能领域逐步改进。经过多年的奋斗,我国很多建筑门窗企业的技术能级已经达到甚至超过国外发达国家绿色建筑制造水平。随着“一带一路”政策的全球化推进,相信会有更多的国内建筑门窗企业走出国门,在取得更多美国和加拿大能源之星认证后,他们将会站在更高的建筑舞台上演奏出中国建筑绿色节能的优美旋律。