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摘要：被動式超低能耗建筑，也稱被動房，是從德國建筑學(xué)界興起的低能耗發(fā)展而來。門窗是建筑圍護(hù)體系的組成部分，也是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫最薄弱的環(huán)節(jié)。因而，門窗節(jié)能是被動房能否達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵。
本文主要采用熱工（詞條“熱工”由行業(yè)大百科提供）模擬計(jì)算的方法從型材腔體截面（詞條“截面”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)、玻璃系統(tǒng)配置、密封膠條形式調(diào)整等方面對門窗系統(tǒng)熱工性能的影響進(jìn)行分析，提出門窗系統(tǒng)保溫性能提升的主要途徑。在門窗的實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化安裝方式，避免出現(xiàn)熱橋，減少熱損失。
關(guān)鍵詞：被動房;門窗系統(tǒng);保溫性能
被動式超低能耗建筑用門窗在隔熱性能和隔聲性能上，更優(yōu)于普通斷橋鋁窗，在產(chǎn)品性能上處于同類產(chǎn)品的高水平狀態(tài)。因其傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）遠(yuǎn)高于其他部位，門窗的保溫性能成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的絕對重要環(huán)節(jié)。為獲得最佳的門窗保溫性能，必須保證門窗的各個(gè)組成部分均具備優(yōu)良的保溫特性，同時(shí)最大限度地避免安裝部位的熱橋問題。
為實(shí)現(xiàn)建筑的超低能耗指標(biāo)，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系對門窗提出了不同的性能要求。德國是門窗節(jié)能要求比較高的國家，現(xiàn)階段德國外門窗的傳熱系數(shù)K≤0.6-1.1W/(㎡·K)。參考德國節(jié)能門窗的做法，依據(jù)中國典型地區(qū)的氣候條件及各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對節(jié)能門窗的指標(biāo)要求，本文從型材腔體截面優(yōu)化、聚氨酯保溫材料填充、玻璃系統(tǒng)配置、門窗系統(tǒng)密封材料等因素來分析整窗保溫性能的改善途徑，提高密封性，減少熱量流失，提高建筑節(jié)能門窗的保溫性能。本文所配圖片及介紹均圍繞嘉寓自主研發(fā)的朗尚-A101系列(以下簡稱A101系列)被動式門窗系統(tǒng)，滿足了被動式超低能耗指標(biāo)，通過了德國PHI被動式建筑部品認(rèn)證。
1、被動式建筑門窗系統(tǒng)性能
依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)圖集16J908-8《被動式低能耗建筑——嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》、《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484規(guī)定的方法測定，以及《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106，對外窗的基本性能要求有：
1.1，外窗的型材傳熱系數(shù)K≤1.3W/(㎡·K);
1.2，外門窗的透明材料應(yīng)選用Low-E中空玻璃或真空玻璃：
1.2.1玻璃的傳熱系數(shù)，K≤0.8W(㎡·K);
1.2.2玻璃的太陽能總透射比，g≥0.35;
1.2.3玻璃的光熱比，S=TL/g≥1.25。
TL—玻璃可見光透射比，g—太陽能總透射比。
1.3外門窗應(yīng)具有良好的氣密、水密和抗風(fēng)壓性能。其氣密性等級不低于8級，水密性等級應(yīng)不低于5級(350Pa)。
根據(jù)德國被動房研究所(PHI)對中國五大氣候區(qū)設(shè)定的窗戶最大U值，以北方寒冷地區(qū)為例，整窗U值不大于1.0W/(m2·K)。從材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)來說，鋁合金窗比木窗或塑料窗熱傳導(dǎo)性明顯，因此鋁合金被動窗要滿足性能要求比較艱難。以下針對如何提高鋁合金被動窗保溫性能展開討論。
2、提高保溫性能的主要措施
2.1型材腔體截面優(yōu)化設(shè)計(jì)
首先要做的就是優(yōu)化窗型設(shè)計(jì)，盡量減少鋁合金框占整窗的面積比例，增大玻璃面積的占比，減少開啟扇的面積。而事實(shí)上被動房的新風(fēng)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的開窗通風(fēng)換氣，被動窗在日常的使用過程中也不經(jīng)常開啟，自然也不需要太大的開啟面積。
其次，型材的厚度和隔熱腔體的長度。眾所周知，斷橋鋁窗是由室內(nèi)外鋁型材和中間隔熱型材(隔熱條)組成，隔熱條為尼龍66+25%玻璃纖維（詞條“玻璃纖維”由行業(yè)大百科提供）材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.3W/(m·K)，隔熱腔體越長，保溫效果越好。因此要求被動窗的型材厚度不低于100mm，隔熱條設(shè)計(jì)長度為64mm。
再者，腔體填充聚氨酯（詞條“聚氨酯”由行業(yè)大百科提供）等高效保溫材料可提高保溫性能。型材隔熱條腔增加了改性（詞條“改性”由行業(yè)大百科提供）PIR聚氨酯泡沫條(如圖1)，可以減少框體室外型材和室內(nèi)型材之間的熱輻射和熱對流，提高型材的保溫性能。玻璃與型材之間設(shè)置了聚乙烯泡沫條(如圖2)，以及專用配件的設(shè)計(jì)，保證了整窗的保溫性能和抗風(fēng)壓性能。
以下為熱工計(jì)算軟件進(jìn)行模擬，圖3為增加泡沫條的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，邊框U值為0.79 W/(m2·K);圖4為未增加泡沫條，邊框U值為2.45 W/(m2·K)。通過對比，根據(jù)熱量傳遞的對流特性，在結(jié)構(gòu)較大腔體內(nèi)填充相應(yīng)的保溫材料可以降低熱量的傳遞，使其保溫性能顯著提高。
2.2優(yōu)化的玻璃配置
德國被動房要求外窗玻璃傳熱系數(shù)Ug≤0.8 W/(m2·K)，玻璃太陽總透射比g≥0.35，這就決定了設(shè)計(jì)過程中不能為了整窗的傳熱系數(shù)而把g值降得太低。采用玻璃光學(xué)熱工計(jì)算模塊對玻璃系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)熱工性能計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括玻璃光譜分布、玻璃色系坐標(biāo)參數(shù)、玻璃系統(tǒng)光學(xué)熱工性能參數(shù)等。最終玻璃總厚度定為47mm，三玻兩腔中空配置，采用Low-E玻璃(低輻射鍍膜玻璃)，玻璃的可見光透射比符合標(biāo)準(zhǔn)要求，玻璃空腔內(nèi)填充惰性氣體，并且采用暖邊間隔條，降低了玻璃周圍的線傳熱系數(shù)，提高了玻璃的保溫性能，符合指標(biāo)要求。
說明： U——玻璃面板傳熱系數(shù)(W/(㎡·K));
τ——玻璃面板的可見光透射比;
SC——玻璃面板遮陽系數(shù);
傾角——單位：°;
2.3選用復(fù)合式密封膠條
復(fù)合式密封膠條（詞條“膠條”由行業(yè)大百科提供）即由密實(shí)三元乙丙橡膠(如圖6,a)和發(fā)泡三元乙丙橡膠(如圖6,b)共擠工藝制成的密封條（詞條“密封條”由行業(yè)大百科提供）。在密封部位選用發(fā)泡三元乙丙橡膠，以提供更高的氣密性和水密性，同時(shí)安裝部位依然采用硬度（詞條“硬度”由行業(yè)大百科提供）較高、物理性能優(yōu)秀的實(shí)心橡膠，以保證膠條的牢固性和耐久性。
玻璃內(nèi)外膠條均采用了長尾設(shè)計(jì)(如圖6,c)。玻內(nèi)膠條的安裝卡口嵌入到扣條內(nèi)，玻外膠條通過安裝卡舌安裝在被動式門窗扇型材上，膠條長尾設(shè)計(jì)能夠搭接到聚乙烯泡沫條上，泡沫條與玻璃接觸面為波紋條形狀(如圖4)。把被動式門窗框型材和保溫玻璃之間的空間分成了內(nèi)外兩部分，有效阻擋熱量的輻射和傳導(dǎo)，提高了門窗的整體保溫性能，還具有良好的減震和隔音效果。
框扇中間密封條采用多腔體結(jié)構(gòu)(如圖7)，設(shè)有內(nèi)沿、外沿和密封角。外沿和密封角是密實(shí)三元乙丙橡膠，內(nèi)沿是發(fā)泡三元乙丙橡膠，并設(shè)有與隔熱斷橋相對應(yīng)的斜度。在門窗關(guān)閉時(shí)，框扇密封條與隔熱斷橋相接觸，實(shí)現(xiàn)有效的三道密封。
經(jīng)軟件模擬計(jì)算后的框扇U值計(jì)算結(jié)果為Kf=0.91W/(m2·K)，梃扇節(jié)點(diǎn)U值計(jì)算結(jié)果Kf=0.99W/(m2·K)，框部節(jié)點(diǎn)U值計(jì)算結(jié)果Kf=0.79W/(m2·K)，均滿足型材傳熱系數(shù)K ≤1.3W/(㎡·K)要求，根據(jù)熱工計(jì)算公式，整窗傳熱系數(shù)為0.94 W/(m2·K)，滿足U值≤1.0 W/(m2·K)的要求。
3、窗戶的安裝熱橋
在被動窗的研發(fā)過程中，僅在組裝工藝考慮滿足保溫性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，窗框四周的氣密構(gòu)造也非常重要。增大的窗框厚度和窗臺板的設(shè)計(jì)，幾乎無法覆蓋保溫板，以致盡管采用了優(yōu)化熱工性能的窗戶，而安裝后的傳熱系數(shù)也會明顯變差。
為避免熱橋，增加密封性，經(jīng)過優(yōu)化的安裝狀態(tài)，窗戶增加窗副框固定在角鋼（詞條“角鋼”由行業(yè)大百科提供）上并安裝于結(jié)構(gòu)墻體外側(cè)，四周設(shè)有足夠厚度的保溫板覆蓋。內(nèi)置防水（詞條“防水”由行業(yè)大百科提供）隔氣膜，外設(shè)防水透氣膜，均應(yīng)一側(cè)有效地粘貼在窗副框上，另一側(cè)與結(jié)構(gòu)墻體粘貼。副框與角鋼間增加防潮保溫墊塊，增加隔熱間層降低熱損失。并采用耐候密封膠密封。外墻外保溫系統(tǒng)亦可選用石墨聚苯乙烯（詞條“聚苯乙烯”由行業(yè)大百科提供）材料，更低的導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)異的阻燃抗熔滴特性，大大提高了建筑防火安全性。參考圖8。
結(jié)論:綜上所述，在被動窗的研發(fā)過程中，根據(jù)不同氣候區(qū)對門窗性能的差異性需求，保證三道密封，優(yōu)化型材腔體截面設(shè)計(jì)，填充保溫材料，增大玻璃面積，提高玻璃保溫性能，選擇復(fù)合式密封膠條，經(jīng)過軟件模擬分析，可以顯著提高門窗的保溫性能。在項(xiàng)目使用過程中，要嚴(yán)格優(yōu)化安裝狀態(tài)，避免安裝熱橋與熱量的流失才會使被動式建筑真正實(shí)現(xiàn)超低能耗。
參考文獻(xiàn)
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[7]萬成龍，劉洪濤，我國被動式超低能耗建筑用外窗傳熱系數(shù)指標(biāo)研究[J]，門窗，2016(04)
作者單位：北京嘉寓門窗幕墻股份有限公司
