引言：
隨著建筑節(jié)能的快速發(fā)展，被動(dòng)式房屋以其超低能耗的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。尤其近年來，國(guó)家政策和地方規(guī)范的大力推廣，被動(dòng)房產(chǎn)業(yè)也蓬勃發(fā)展，其各項(xiàng)技術(shù)也趨于成熟。被動(dòng)房技術(shù)的興起，對(duì)緩解能源緊張、減少二氧化碳排放量、減少大氣污染將起到重要作用。因此住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部對(duì)被動(dòng)房建設(shè)高度重視，已將其列為“十二五”期間建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能低碳發(fā)展的重要內(nèi)容。
1、被動(dòng)房的核心知識(shí)
被動(dòng)房又被稱之為被動(dòng)式超低能耗綠色建筑，簡(jiǎn)稱超低能耗建筑，是指適應(yīng)氣候特征和自然條件，通過高保溫隔熱性能和氣密性更高的維護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，最大程度地降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生資源，以更少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。
根據(jù)上述定義，被動(dòng)式建筑的核心關(guān)鍵點(diǎn)分為以下幾點(diǎn)：
1、 高效的外保溫系統(tǒng)性;被動(dòng)房要求屋頂，外墻樓板圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U值要低于0.15W/(m2·k)，因此就要采用傳熱系數(shù)較低的保溫材料。對(duì)于外保溫結(jié)構(gòu)而言，除了高性能保溫材料和選取適當(dāng)?shù)谋亟Y(jié)構(gòu)，房屋本身的體型系數(shù)及窗墻比也至關(guān)重要，這也是在設(shè)計(jì)階段就要考慮的問題。
2、 建筑具有極佳的氣密性;建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上存在裂紋，縫隙和細(xì)小的空洞。通過這些縫隙，大量的熱能會(huì)流失掉，同時(shí)產(chǎn)生的氣流導(dǎo)致不舒適感，甚至產(chǎn)生霉菌影響身心健康。被動(dòng)房的一個(gè)核心目標(biāo)就是保證室內(nèi)的舒適度與健康的環(huán)境，因此提高建筑氣密性是保證建筑節(jié)能及舒適的重要前提。
3、 有高效的熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng);被動(dòng)房的氣密性絕佳，但是我們生活的環(huán)境所需大量的新鮮空氣，因次被動(dòng)房中要用到新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)系統(tǒng)可以保證室內(nèi)空氣的新鮮度，而且可以回收空氣中的熱量，對(duì)循環(huán)的風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，降低建筑熱負(fù)荷等作用。
4、 無熱橋設(shè)計(jì);通過熱橋，一方面會(huì)有大量的熱能散發(fā)出去，或者從室外大量得熱，加重建筑采暖或制冷的負(fù)荷，另一方面，也存在冷凝發(fā)霉的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步破壞建筑構(gòu)件，因此在設(shè)計(jì)被動(dòng)房時(shí)，必須避免熱橋。被動(dòng)房的熱橋限值：<=0.01W/(mK)。此外，建筑的所有拐點(diǎn)及與外墻其他構(gòu)配件的連接點(diǎn)、面都是薄弱節(jié)點(diǎn)，需要特別注意。在設(shè)計(jì)階段，一方面要避免保溫層出現(xiàn)間斷，另一方面要盡可能避免保溫層被各種固定件穿透，被稱為“鉛筆原則”，如果無法避免，則刺穿保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)也要盡可能的降低。
5、被動(dòng)式的建筑外窗;冬天大多數(shù)供暖建筑室內(nèi)空氣溫度可以達(dá)到20℃，而普通建筑的玻璃內(nèi)表面的溫度往往為12或14℃，一方面容易在玻璃表面形成水霧，損壞構(gòu)件，另一方面，降低舒適度和健康度。為了滿足被動(dòng)房的低能耗及高舒適度，窗戶作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，被動(dòng)窗的選用就顯的尤為重要。
本文就被動(dòng)式建筑的外窗展開分析。
2、被動(dòng)式建筑外窗(被動(dòng)窗)解決方案分析
被動(dòng)式建筑外窗的幾個(gè)限值：窗戶U值<0.8W/(m2K)，窗戶安裝U值<0.85W/(m2K)，同時(shí)玻璃g值(即陽光透過比率)達(dá)到0.5-0.6左右，室內(nèi)空氣溫度和室內(nèi)玻璃表面的輻射溫差<4.2度。除去保溫性能的指標(biāo)要求，要達(dá)到整體被動(dòng)房的要求，對(duì)被動(dòng)窗附加要求為：
1、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1026檢測(cè)透氣性并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12207劃分等級(jí)，最低要求為4級(jí)，空氣量Q100≤2.0m³/h·m²;
2、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1027檢測(cè)透氣性并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12208劃分等級(jí)，最低要求為7A級(jí)(300Pa);
3、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12210檢測(cè)抗風(fēng)壓性能，并符合標(biāo)準(zhǔn)EN12210的要求，根據(jù)靜力學(xué)要求，等級(jí)最低為2級(jí)，最大撓度等級(jí)為B(L200);
2.1密封性能提升。
圖一 易歐思ES101系列被動(dòng)窗方案節(jié)點(diǎn)
外窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中比較薄弱的部分，冷空氣從窗的縫隙滲入室內(nèi)，會(huì)使室溫劇烈波動(dòng)，影響室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生并消耗大量的熱量，這種現(xiàn)象我們稱之為“冷風(fēng)滲透”。當(dāng)外窗受到正風(fēng)壓的作用。冷空氣通過門窗縫隙滲進(jìn)室內(nèi)，而外窗被風(fēng)面受到負(fù)壓的作用，室內(nèi)的熱空氣又從門窗縫隙滲向室外。這樣，室內(nèi)相對(duì)靜止的空氣加快了流速。有人說：“針尖大的孔，斗大的風(fēng)”指的就是這種現(xiàn)象。為了維持舒適的室內(nèi)環(huán)境，寒冷地區(qū)要冬季采暖，炎熱地區(qū)要夏季制冷。這都需要消耗大量的能量。因此被動(dòng)窗的氣密性效果列為了被動(dòng)窗的主要功能之一。
而被動(dòng)窗只有在其兩側(cè)存在壓力差時(shí)才會(huì)產(chǎn)生空氣滲透現(xiàn)象。形成壓力差的動(dòng)力為風(fēng)力和空氣浮升力，它們分別構(gòu)成風(fēng)壓和熱壓。由于風(fēng)的隨機(jī)性強(qiáng)，室內(nèi)的熱壓相對(duì)穩(wěn)定，但被動(dòng)窗的風(fēng)壓處于非穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)建筑門窗環(huán)境工學(xué)的理論，要想提高被動(dòng)窗的氣密性效果，必須讓減少被動(dòng)窗兩側(cè)的壓力差及提高空氣滲透的阻力。
如圖一。
采用了等壓腔原理，平衡被動(dòng)窗內(nèi)外側(cè)的氣壓。確保框扇配合空間間隙的氣壓與室外腔氣壓一致。通過等壓膠條(紅顏色部位)起主要密封作用。在采取減少被動(dòng)窗兩側(cè)的壓力差的前提下，必須提高空氣滲透進(jìn)室內(nèi)腔室的空氣阻力。空氣進(jìn)入腔體后，主要受到兩種阻力：摩擦阻力和形狀阻力。摩擦阻力跟腔室四周的粗糙度有關(guān)，而形狀阻力當(dāng)腔室由小變大和由大變小時(shí)，都會(huì)形成壓力損失。一般結(jié)論是，空氣流入和流出腔體時(shí)，縫隙越窄滲透阻力越大。由此，我們根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)密封腔室如(圖一)氣密腔區(qū)域部分。氣體滲透流動(dòng)方向設(shè)計(jì)階段基本為“之”字形，也就是我們通常說的三道密封。在任何情況下，筆者認(rèn)為此種密封方式為最合理的密封措施。參見(圖二)。
從上表中我們可以看到，氣體轉(zhuǎn)向數(shù)目在三道密封以及錯(cuò)開密封方式時(shí)，空氣單位面積的滲透量達(dá)到最低。值得一提的是，增加密封層次和數(shù)量，空氣滲透量不僅沒有降低，反而有增大的趨勢(shì)。
圖二 氣流轉(zhuǎn)向數(shù)目和滲透量的關(guān)系
綜上，提高被動(dòng)窗密封性能的主要措施為
1、 提高鋁合金窗型材規(guī)格尺寸和裝配的精度。目的是保證框扇之間的應(yīng)有搭接量，減少框扇縫隙，提高被動(dòng)窗的密封性。
2、 改進(jìn)被動(dòng)窗的型材斷面的幾何形狀。以適當(dāng)增加框、扇搭接量。
3、 加設(shè)合理的密封膠條。密封膠條一定要采用耐久性好的彈性密封膠或膠條進(jìn)行玻璃鑲嵌密封和框扇之間的密封。而且，密封膠條一定要保證在門窗四周的連續(xù)性，形成環(huán)形的密封結(jié)構(gòu)。
4、 框扇桿件拼接部位和五金裝配部位，應(yīng)采用密封材料進(jìn)行妥善的密封處理。
2.2保溫性能
被動(dòng)窗除了密封性能為重要的指標(biāo)外，保溫性能更是衡量被動(dòng)窗非常重要的指標(biāo)。根據(jù)德國(guó)被動(dòng)房研究所(PHI)對(duì)中國(guó)氣候區(qū)域的劃分，被動(dòng)窗K值的要求基本分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是寒冷地區(qū)的K值不大于0.8W/ W/(m²·K)，一個(gè)是溫暖地區(qū)的K值不大于1.0 W/(m²·K)。相對(duì)于塑鋼被動(dòng)窗和木制被動(dòng)窗，鋁合金被動(dòng)窗在保溫性能方面劣勢(shì)比較明顯。因此，鋁合金被動(dòng)窗的保溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)和保溫措施更為重要。
衡量被動(dòng)窗節(jié)能的三個(gè)要素，分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，鋁合金被動(dòng)窗的技能技術(shù)也是從上述三個(gè)要素入手。根據(jù)《建筑門窗幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJ/T 151-2008)進(jìn)行模擬計(jì)算公式(示意圖參見圖三)：
Uw = ( Σ Ag Ug + Σ Af Uf + Σ lψ ψ ) / At
式中：Uw -整窗的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]
At -窗面積(m2)
Uf -窗框的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]
Af -窗框面積(m2)
Ug-窗玻璃(或者其他鑲嵌板)的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]
A g-窗玻璃(或者其他鑲嵌板)面積(m2)
lψ-玻璃區(qū)域(或者其他鑲嵌板區(qū)域)的邊緣長(zhǎng)度(m)
ψ-窗框和窗玻璃(或者其他鑲嵌板)之間的線傳熱系數(shù)[W/(m·K)]
圖三 U值計(jì)算公式示意
根據(jù)以上兩個(gè)概念，我們鋁合金被動(dòng)窗的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為以下幾點(diǎn)：
1、 對(duì)框體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小框體傳熱面積，降低熱量的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，降低Uf;
首先，噴涂鋁型材的傳熱系數(shù)約為160 W/(m·K)，而隔熱條材質(zhì)采用尼龍66+25%玻璃纖維，傳熱系數(shù)僅為0.3 W/(m·K)，兩者相差約530多倍。由此可見，加大隔熱條的寬度，是阻止型材快速熱傳導(dǎo)的最有效的方法。
再次，根據(jù)熱量傳遞的對(duì)流特性，在型材結(jié)構(gòu)中較大的腔體內(nèi)易形成對(duì)流從而造成熱量的流失。因此在各個(gè)大的腔室內(nèi)應(yīng)當(dāng)填充相應(yīng)的填充材料以保證在該區(qū)域內(nèi)不會(huì)造成熱量損失。參見圖一熱對(duì)流區(qū)域。一般根據(jù)需要分別填充三元乙丙發(fā)泡材料或聚氨酯發(fā)泡材料。
此外，應(yīng)當(dāng)著重在型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)保證無熱橋，并且應(yīng)當(dāng)保證玻璃、隔熱條等氣溫線順直。參見圖四。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)著重分析14℃溫度線，務(wù)必保證內(nèi)側(cè)玻璃邊緣部分最低的溫度應(yīng)>14℃，否則被動(dòng)窗就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露霉變的危險(xiǎn)。
圖四 易歐思ES101系列熱溫線
2、 選擇合理的玻璃配置，針對(duì)性的采用Low-e玻璃、真空玻璃等;被動(dòng)窗的玻璃選用準(zhǔn)則為Ug*1.6≤0.7 W/(m•K)，因此，被動(dòng)窗所選用的玻璃的傳熱系數(shù)范圍應(yīng)當(dāng)為0.45~0.7之間。不允許為了降低整窗的傳熱系數(shù)而將玻璃的傳熱系數(shù)降得太低。主要是為了避免玻璃內(nèi)外側(cè)溫差過大造成結(jié)露現(xiàn)象等。本文不做詳細(xì)論述。
3、 優(yōu)化玻璃鑲嵌槽口的結(jié)構(gòu)、采用暖邊技術(shù)提高玻璃鑲嵌區(qū)域的線傳熱系數(shù)。被動(dòng)窗認(rèn)證中，根據(jù)德國(guó)被動(dòng)房研究所得要求，引申了一個(gè)概念，稱之為不透明部分的傳熱系數(shù)，計(jì)算公式為Ψopaque=Ψg+Uf·Af/Lg ，被動(dòng)窗Uw值達(dá)標(biāo)的被動(dòng)窗是依據(jù)通過不透明部分的熱量流失進(jìn)行評(píng)級(jí)的。根據(jù)公式，影響因素有型材的Uf值、型材可視面積Af、玻璃的邊部周長(zhǎng)Lg。
按照這種評(píng)級(jí)辦法，在被動(dòng)窗的研發(fā)過程中，僅考慮降低Uw值是不全面的。如果僅依靠高性能玻璃或者中空玻璃來降低Uw值的設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致不透明部分線傳熱系數(shù)Ψopaque值超標(biāo)而降級(jí)甚至無法通過認(rèn)證。換言之，被動(dòng)房用窗必須同時(shí)兼顧使用優(yōu)秀的型材設(shè)計(jì)、玻璃和間隔條而完成。
4、 盡量減小窗戶的安裝熱橋裝狀態(tài)Uw，安裝狀態(tài)≤0.85W/(m2•K)，應(yīng)當(dāng)盡早明確細(xì)部節(jié)點(diǎn)。我們可以簡(jiǎn)單的將被動(dòng)式門窗安裝的外墻分為三個(gè)部分：中間承重層、外層保溫層和內(nèi)側(cè)的密封層。我們安裝的技術(shù)要點(diǎn)就是根據(jù)這三個(gè)層及他們的功能來入手。圍繞的重點(diǎn)就是避免熱橋、增加密封性。合理運(yùn)用防水透氣膜，預(yù)壓膨脹密封帶，鋁制窗臺(tái)板等。安裝的要點(diǎn)基本為外墻保溫層采用單層保溫、鎖扣方式連接;采用雙層保溫時(shí)，采用錯(cuò)峰連接方式，避免保溫材料間出現(xiàn)通縫;保溫層采用斷熱橋錨栓固定;盡量避免在外墻上固定導(dǎo)軌、支架能可能導(dǎo)致熱橋的部件。必須使用時(shí)，在外墻上預(yù)埋斷熱橋的錨固件，并盡量減少接觸面積，增加隔熱間層及使用非金屬材料等措施降低熱損失;室內(nèi)密封層應(yīng)采用防水隔氣膜保證密封效果;采用金屬窗臺(tái)板，避免雨水侵蝕保溫層。之間應(yīng)有結(jié)構(gòu)性連接，并采用密封材料密封。參考圖五。
圖五 ES101被動(dòng)窗安裝節(jié)點(diǎn)示例
3、易歐思ES101系列被動(dòng)窗材料成本分析。
鋁合金被動(dòng)窗為國(guó)內(nèi)新興的產(chǎn)品，對(duì)型材、附件、玻璃等各個(gè)要求比較嚴(yán)格，因此，在推廣中價(jià)格為限制發(fā)展的關(guān)鍵因素。現(xiàn)以易歐思ES101系列產(chǎn)品的材料價(jià)格分析如下表：
由于各個(gè)廠家有相當(dāng)差距，此表僅供參考。(僅為材料價(jià)格)
表一 易歐思單窗報(bào)價(jià)分析表（單平方米分析）
|
表一 易歐思單窗報(bào)價(jià)分析表（單平方米分析） |
|||||
|
樓號(hào): |
窗號(hào): |
00001 |
2.25㎡ |
1623.89元/㎡ |
|
|
序號(hào) |
名稱 |
單位 |
單樘用量 |
金額 |
品牌或規(guī)格 |
|
1 |
隔熱框型材 |
kg |
14.04 |
1,459.06 |
華建易歐思ES101系列型材 |
|
2 |
隔熱梃型材 |
kg |
3.09 |
309.90 |
華建易歐思ES101系列型材 |
|
3 |
隔熱扇型材 |
kg |
10.90 |
963.21 |
華建易歐思ES101系列型材 |
|
4 |
壓線 |
kg |
15.05 |
36.21 |
|
|
5 |
連桿 |
kg |
2.10 |
15.36 |
|
|
6 |
擋水板 |
kg |
1.11 |
163.22 |
華建易歐思EOSS系列型材 |
|
小計(jì) |
型材小計(jì) |
2,946.96 |
|||
|
5 |
塑料型材 |
M |
10.96 |
10.96 |
|
|
8 |
組裝配件 |
個(gè) |
41.00 |
123.94 |
易歐思自有品牌 |
|
9 |
緊固件 |
個(gè) |
11.00 |
4.36 |
易歐思自有品牌 |
|
10 |
開啟五金 |
套 |
1.00 |
284.93 |
易歐思自有品牌 |
|
11 |
膠條 |
M |
147.03 |
249.81 |
易歐思自有品牌 |
|
12 |
密封膠（門窗組裝） |
ST |
0.80 |
0.80 |
易歐思自有品牌 |
|
13 |
斷面膠 |
ST |
4.00 |
4.00 |
易歐思自有品牌 |
|
14 |
組角膠 |
ST |
28.00 |
28.00 |
易歐思自有品牌 |
|
15 |
包裝材料費(fèi) |
㎡ |
2.25 |
0.00 |
易歐思自有品牌 |
|
16 |
中空鋼化三玻 |
㎡ |
1.55 |
0.00 |
GLASS |
|
小計(jì) |
附件小計(jì) |
706.79 |
|||
|
H |
合計(jì)（元/樘） |
3,653.75 |
|||
|
I |
單價(jià)（元/㎡） |
1,623.89 |
|||
|
圖樣： |
|
||||
被動(dòng)房節(jié)能建筑的迅猛發(fā)展既是人們對(duì)于更舒適更健康的居住環(huán)境的追求的自然產(chǎn)物，更是在能源價(jià)格逐年上漲、環(huán)保問題日益凸顯的大環(huán)境下的積極解決辦法。它并非一個(gè)高深莫測(cè)的新的建筑類別，而是基于對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人居需求的平衡而采取的一種建筑策略，通過對(duì)建筑細(xì)部精細(xì)的設(shè)計(jì)、輔助專業(yè)軟件的精準(zhǔn)計(jì)算，對(duì)施工質(zhì)量的嚴(yán)格把控，用戶體驗(yàn)的回訪，將被動(dòng)房理念從一種指標(biāo)落實(shí)到用戶的實(shí)際體驗(yàn)，這也使得被動(dòng)房在市面上更容易獲得認(rèn)可及推廣。目前我國(guó)的節(jié)能建筑發(fā)展迎來新契機(jī)，但是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品性能方面和被動(dòng)房還存在很大差距。隨著被動(dòng)房在中國(guó)的迅速普及和大力推廣，被動(dòng)窗的研發(fā)和推廣也勢(shì)在必行。
參考文獻(xiàn)：
[1] 《DB13(J)-T177-2015 被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》
[2] 《德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)》;PHI，德國(guó)被動(dòng)房研究所
[3]《建筑門窗環(huán)境工學(xué)概論》
