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
2. 討論
整體熱傳遞值（OTTV）
“整體熱傳遞值”（Overall Thermal Transfer Value，簡稱OTTV）最早於1975年由ASHRAE標準ASHRAE 90-75引入。OTTV指標的初衷是通過規定建築立面和屋頂的最大允許熱傳遞值，來限制空調系統的能源消耗。基於ASHRAE 90-75，新加坡於1979年制定了亞洲首個OTTV法規（後來更名為ETTV）。ASHRAE和新加坡的OTTV公式均包含三個因素：:
① 透過不透明牆體的熱傳導 (Qwc)
② 透過窗戶的太陽輻射 (Qsol)
③ 透過窗戶的熱傳導 (Qgc)
1991年，香港政府委託J. Roger Preston Co.（JRP）進行可行性研究，探討在香港實施OTTV控制的可能性。根據JRP的報告以及來自建築業界的反饋，香港政府於1995年通過《建築物（能源效率）規例》（OTTV守則），對建築外殼設計進行了立法控制。與ASHRAE和新加坡不同的是，香港的OTTV守則忽略了窗戶的熱傳導(Qgc) (見圖6)。 Hui (1997) 討論過這一原因，指出是由於室內外的溫差相對較小，但並未透露具體數據 [3].
圖6：香港、ASHRAE和新加坡的OTTV公式
透過窗戶的熱傳導(Qgc)
自從JRP得出有關透過窗戶的熱傳導 (Qgc) 的結論已經過了三十年。自1991年以來，設計準則、標準、技術，甚至是環境溫度都已經發生變化，這些變化可能會顯著影響工程結果和結論的準確性。由於JRP的報告無法取得，因此有必要重新再現原始情況以進行進一步的評估。
被忽略的部分，即透過窗戶的熱傳導(Qgc)， 以使用ASHRAE 90-75中的公式(1)來計算，如下所示：
Qgc = Uf×Af×(Tout–Tin) (1)
其中
Uf = 窗戶的U值，例如3.6 W/(m2·K)
Af = 窗戶的面積，例如占整個外牆的40%、50%、60%
Tin = 室內溫度，例如25.5℃
Tout = 室外溫度
關於室外溫度Tout 的取值, 討論了三種情況:
i) Lam等人 (1993) 收集了1980年至1989年5月至10月的戶外溫度，平均值為27.3℃ [4].
ii) 採用與Lam相似的方法，獲得了2014年至2023年期間的平均值為28.2℃（見圖7）。
iii) 根據2021年ASHRAE手冊－基礎篇中空調規定的戶外溫度為32.0℃。
圖67：香港地區平均戶外溫度(1980-1989, 2014-2023)
透過窗戶的熱傳導(Qgc) 隨後可得出（見表2A）。
表 2A: 透過窗戶的熱傳導(Qgc)
參數 窗戶的面積占據外墻的比例Af 室外溫度Tout
i) 27.3℃ ii) 28.2℃ iii) 32.0℃
透過窗戶的熱傳導(Qgc) (單位: W/m2) 40% 2.6 3.9 9.4
50% 3.2 4.9 11.7
60% 3.9 5.8 14.0
我們知道，最初於1995年制定的 OTTV 標準將 OTTV 限值設為 35 W/m²。而目前的 2019 版本以及 BEAM Plus 2.0 都將 OTTV 限值設定為 21 W/m²。正如先前所解釋，香港的 OTTV 標準（35 或 21 W/m²）僅考慮不透明牆體的熱傳導（Qwc）與窗戶透過的太陽輻射（Qsol），但如果如 ASHRAE 90-75 所要求地也考慮窗戶的熱傳導（Qgc），則可以計算出 Qgc 占總 OTTV 的比例（見表 2B、2C）。
表 2B: 窗戶熱傳導（Qgc）占總 OTTV 比例（1995年版本）
Af Qwc + Qsol Tout = 27.3℃
Qgc Total OTTV Qgc to Total OTTV
40% 35.0 2.6 37.6 6.9%
50% 3.2 38.2 8.5%
60% 3.9 38.9 10.0%
表 2C：窗戶熱傳導（Qgc）占總 OTTV 比例（2019年版本）
Af Qwc + Qsol Tout = 28.2℃ Tout = 32.0℃
Qgc Total OTTV Qgc to Total OTTV Qgc Total OTTV Qgc to Total OTTV
40% 21.0 3.9 24.9 15.6% 9.4 30.4 30.8%
50% 4.9 25.9 18.8% 11.7 32.7 35.8%
60% 5.8 26.8 21.7% 14.0 35.0 40.1%
表 2B 顯示，Qgc占總 OTTV 的平均比例僅為 8.5%，這可能是最初 OTTV 標準忽略此項的原因。而表 2C 顯示，隨著 OTTV 限值收緊與室外溫度升高，Qgc占總 OTTV 的平均比例上升至不可忽視的 18.8% 與 35.8%。
不透明牆體的熱傳導(Qwc)
根據《香港 OTTV 規範》，不透明牆體的熱傳導（Qwc）可以使用以下公式（方程式 (2)）進行計算：
Qwc = Aw × U × α × TDEQw (2)
其中，
Aw = 不透明牆體面積（例如外牆總面積的 60%、50%、40%）
U = 不透明牆體的熱傳導係數，例如隔熱差的牆為 3.2 W/(m²·℃)，隔熱良好的牆為 1.0 W/(m²·℃)
α = 不透明牆體的吸收率，例如 0.6
TDEQw = 牆體的等效溫差，例如 5.26℃
藉由上述公式，可計算出不透明牆體的熱傳導（Qwc），如表 3A 所示。
表 3A: 不透明牆體的熱傳導(Qwc)
參數 不透明牆體面積占據外墻的比例Aw 熱傳導係數U
隔熱差 3.2 W/(m2·℃) 隔熱良好 1.0 W/(m2·℃)
不透明牆體的熱傳導(Qwc) (單位: W/m2) 60% 6.1 1.9
50% 5.1 1.6
40% 4.0 1.3
在 1990 年代，大多數建築物尚未使用具有隔熱功能的不透明牆體。但自 2020 年以來，由於 OTTV 標準變得更加嚴格，越來越多建築採用隔熱牆體。因此，將不透明牆體的熱傳導（Qwc）與窗戶的熱傳導（Qgc）同時進行比較，是合理的做法，詳見表 3B。
表3B: 不透明牆體(Qwc) 與窗戶(Qgc) 的熱傳導, 單位: W/m2
Aw/Af 不透明牆體的熱傳導(Qwc) 窗戶的熱傳導(Qgc)
1990s 隔熱差 2020s 隔熱良好 1990s Tout = 27.3℃ 2020s Tout = 28.2℃
60/40 6.1 1.9 2.6 3.9
50/50 5.1 1.6 3.2 4.9
40/60 4.0 1.3 3.9 5.8
表 3B 顯示，在 1990 年代，Qwc 明顯大於Qgc，這證明了Qgc相對不重要，也解釋了為什麼在初版 OTTV 規範中，Qgc被忽略。然而，在 2020 年代，由於 OTTV 標準更加嚴格，越來越多的建築物使用隔熱不透明牆體以減少Qwc。與此同時，窗戶的 U 值並未改善，導致Qgc 大於Qwc。
總結
本研究確認，在 1990 年代的現實情況下，窗戶的熱傳導 (Qgc) 在三個因素中(Qsol > Qwc > Qgc) 相對不重要。然而，現在的條件已經改變，包括日益增高的室外溫度和使用隔熱不透明牆體，這使得Qgc 成為第二重要的因素(Qsol > Qgc > Qwc)，並佔據了總 OTTV 的40% (見圖8)。 還有一些因素可能使得Qgc 更為關鍵，包括較大的窗牆比 (WWR)， 低於當前 21.0 W/m² 的 OTTV、較高的室外溫度等。
圖 8：不透明牆體與窗戶熱傳導的比例
值得留意的是，由於OTTV方法在滿足日益增長的建築節能需求方面存在侷限，ASHRAE已於1989年廢止該計算方法。Oraee等人. (2015) 詳細討論了這些侷限性 [5]。
能源與環境設計先鋒(LEED)
能源與環境設計先鋒（Leadership in Energy and Environmental Design，簡稱 LEED）是全球最廣泛使用的綠色建築評估系統。如果項目希望獲得美國綠建築協會（USGBC）所頒發的 LEED 認證，設計團隊需在能源效率方面遵循 ASHRAE 標準。ASHRAE 90.1（1989 年及以後版本）參照 NFRC 標準 NFRC 100《窗戶產品 U 值的測定程序》，其使用一種按面積加權的方法來計算窗戶的 U 值（Uf），公式如下（公式 3）：
Uf = (∑(Ufr×Afr)+∑(Ueg× Aeg)+∑(Ug× Ag))/(Afr+Aeg+Aeg) (3)
Where,
Ufr = 窗框的傳熱係數（W/(m²·K)）
Ueg = 玻璃邊緣的傳熱係數（W/(m²·K)）
Ug = 玻璃中心的傳熱係數（W/(m²·K)）
Af = 窗框的面積（m²）
Aeg = 玻璃邊緣的面積（m²）
Ag = 玻璃中心的面積（m²）
根據《LEED 建築設計與施工 V4 – 最低能源性能》明確指出：「窗戶的 U 值應輸入整體組件的 U 值，該值需考慮窗框系統的 U 值。僅輸入玻璃中心的 U 值是不可接受的。」（見圖 9）
圖 9：LEED 建築設計與施工 V4 – 最低能源性能
然而，經過與一些建築專業人士（包括機電工程師、外牆工程師以及 LEED 顧問）交流後，我們發現香港的大多數 LEED 項目實際上使用的是玻璃中心的 U 值，而非整體窗戶（含窗框）U 值。這可能是因為香港 OTTV（整體傳熱值）法規實際上是以玻璃中心的遮陽係數（SC）作為整體窗戶的 SC 值（見圖 10）。
圖 10：香港 OTTV 法規第 7.5 節
玻璃中心與整體窗戶（包括玻璃與窗框）U 值之間的差異相當大。這是因為窗框的 U 值可能是玻璃中心 U 值的 3 至 10 倍。對於充氬氣的 Low-e 中空玻璃單元（IGU），其典型玻璃中心 U 值為 1.5 W/(m²·K)。但當考慮窗框的影響後，整體窗戶的 U 值可能會介於 1.8 W/(m²·K) 至 5.6 W/(m²·K) 之間。見圖 11。
圖 11：窗戶 U 值與窗框面積比率對U 值的影響
準確計算窗戶的 U 值極為重要，因為當前設計階段普遍使用建築能源模擬來評估建築的能源表現。LEED 要求進行全建築能源模擬，以證明所提方案在能源效能上的實際改善，從而讓項目獲得相應的積分並最終達成不同級別的認證。如果輸入了相對偏低的（玻璃中心）U 值而獲得較高評分，可能會在調試階段失去該積分，因為實際窗戶的能源性能遠遜於玻璃中心。雖然使用良好絕熱性能的窗戶（其 U 值較接近玻璃中心）可改善此情況，但這仍是一項現存問題。
結構安全
香港屋宇署（BD）關注金屬窗框的外部與內部部分是由低導熱的熱隔材料（如PVC、聚酰胺、聚氨酯）隔開，而非一體化的框架。如果熱隔材料或其連接發生故障，則將無法固定玻璃，這可能導致玻璃脫落並墜落至建築外（見圖12）。
圖12：熱隔材料的安全顧慮
香港屋宇署並非首個提出此類顧慮的單位。自熱隔窗戶發明以來，關於其結構安全性已有廣泛的討論。解決方案簡單且成熟：將外部金屬框架與熱隔材料一起用螺栓固定到內部金屬框架上。2012年，上海市政府發布了《DGJ08-56-2012 建築幕牆工程技術規範》，規定了使用螺栓的相關要求（見圖13）。
圖13：《DGJ08-56-2012 建築幕牆工程技術規範》第13條
圖14解釋了螺栓作為故障保護措施的機制。窗戶設計應考慮到這一點。儘管熱隔材料故障的情況極為罕見，但若發生故障，幾乎無法更換，這意味著初期設計應該考慮到其他性能（如氣密性和水密性）不會因此受到影響。有經驗的外立面設計師應該能夠處理此類情況。
圖14：熱隔材料的安全解決方案
最後，穿透熱隔材料的螺栓會引入額外的熱橋效應。螺栓的熱橋效應應根據相關標準進行適當評估。例如，NFRC模擬手冊規定使用等溫面方法，根據是否存在熱橋效應來加權計算窗戶面積。圖15顯示了有無螺栓的熱隔窗的U值。從圖中可見，螺栓的間距和尺寸會使窗戶的U值較無螺栓的熱隔窗增加大約10%[6]。 然而，即使是有螺栓的熱隔窗在最差情況下，其表現仍優於常規的非熱隔窗。因此，從結構安全性和熱性能的角度來看，螺栓解決方案應被視為可靠的。
圖 15：有/無螺栓的窗戶 U 值對比
結論
隔熱斷橋窗在全球範圍內已被認可三十多年，是實現建築可持續性和碳中和的最重要技術之一，但在香港尚未被採用。通過詳細分析，本論文得出結論，隔熱斷橋未被採用的阻礙如下:
原有的 OTTV 規範忽略了窗戶的熱傳導(Qgc), 但隨著 OTTV 限值、室外溫度和不透明牆面的隔熱性能變化等原因，Qgc現在已成為建築外殼熱傳遞的第二大因素（佔 40%）
對於 LEED 項目，窗戶的 U 值應考慮框架和玻璃的 U 值，並使用面積加權法來計算整體窗戶的U值，但目前的做法是將玻璃中心的 U 值視為窗戶的 U 值，這導致設計與實際情況之間存在較大差異。
香港屋宇署擔心熱隔斷失效會導致玻璃從建築物上掉落，因此不批准使用熱隔斷窗戶。將外部金屬框架與內部金屬框架通過熱隔斷進行螺栓固定是一種簡單且成熟的解決方案，但由於上述 OTTV 和 LEED 問題，相關利益方尚未推廣此方法。
這些問題未受到足夠的重視，延遲了隔熱斷橋窗的採用，但更重要的是，這可能導致對建築能源表現的過高估計，換句話說，建築的實際能源表現不太可能達到設計要求。為了實現香港 2050 年的碳中和目標，作為最佳建築外墻技術之一，熱斷橋窗戶有助於提升建築能效並減少碳排放。因此，有必要及時解決上述三個問題，消除障礙，讓隔熱斷橋能夠根據其技術價值得到採用。
局限性與未來工作
本文未包含在香港氣候中比較有無熱斷橋窗戶的建築實際能源表現的模擬。可比模擬和實驗測試對驗證熱斷橋窗戶的實際效益至關重要，並將在下一步進行。
參考文獻
[1]Wong, S., 2017, Energy Saving Potential of Thermal Broken Fenestration System in Hot Climate Counties, World SustAInable Built Environment Conference 2017 Hong Kong, Track 3: Advancing SBE Assessments, p. 868-873.
[2]Seppänen, O., Fisk, W.J., Lei, Q.H, 2006, Effect of Temperature on Task Performance in office Environment, Lawrence Berkeley National Laboratory.
[3]Hui, S.C., 1997, Overall thermal transfer value (OTTV): how to improve its control in Hong Kong, Proc. of the One-day Symposium on Building, Energy and Environment, vol. 16, p. 12-21.
[4]Lam, J.C., Hui, S.C.M. and Chan, A.L.S., 1993, Overall thermal transfer value control of building envelope design part 2-OTTV parameters, Hong Kong Engineer, 21(9), p. 40-44.
[5]Oraee, M. and Luther, M.B., 2015, The next step in energy rating: the international ETTV method vs. BCA Section-J Glazing Calculator, 49th International Conference of the Architectural Science Association, p. 423-433.
[6]Zhou, Y.Z., 2023, Impact of bolt penetrating the insulation layer on the curtain-wall thermal performance based on THERM simulation, Proc. Of the 15th Building Physics Conference of China, Building Facades, p. 959-962.
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