系統(tǒng)被動窗解決方案及成本分析
引言：
隨著建筑節(jié)能的快速發(fā)展，被動式房屋以其超低能耗的優(yōu)勢在國內(nèi)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。尤其近年來，國家政策和地方規(guī)范的大力推廣，被動房產(chǎn)業(yè)也蓬勃發(fā)展，其各項技術(shù)也趨于成熟。被動房技術(shù)的興起，對緩解能源緊張、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)部對被動房建設(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、被動房的核心知識
被動房又被稱之為被動式超低能耗綠色建筑，簡稱超低能耗建筑，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，被動式建筑的核心關(guān)鍵點分為以下幾點：
1、 高效的外保溫系統(tǒng)性;被動房要求屋頂，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，大量的熱能會流失掉，同時產(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。被動房的一個核心目標(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;通過熱橋，一方面會有大量的熱能散發(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，進(jìn)一步破壞建筑構(gòu)件，因此在設(shè)計被動房時，必須避免熱橋。被動房的熱橋限值：<=0.01W/(mK)。此外，建筑的所有拐點及與外墻其他構(gòu)配件的連接點、面都是薄弱節(jié)點，需要特別注意。在設(shè)計階段，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)，被動窗的選用就顯的尤為重要。
本文就被動式建筑的外窗展開分析。
2、被動式建筑外窗(被動窗)解決方案分析
被動式建筑外窗的幾個限值：窗戶U值<0.8W/(m2K)，窗戶安裝U值<0.85W/(m2K)，同時玻璃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)到整體被動房的要求，對被動窗附加要求為：
1、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1026檢測透氣性并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12207劃分等級，最低要求為4級，空氣量Q100≤2.0m³/h·m²;
2、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1027檢測透氣性并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12208劃分等級，最低要求為7A級(300Pa);
3、 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12210檢測抗風(fēng)壓性能，并符合標(biāo)準(zhǔn)EN12210的要求，根據(jù)靜力學(xué)要求，等級最低為2級，最大撓度等級為B(L200);
2.1密封性能提升。
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)，會使室溫劇烈波動，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。因此被動窗的氣密性效果列為了被動窗的主要功能之一。
而被動窗只有在其兩側(cè)存在壓力差時才會產(chǎn)生空氣滲透現(xiàn)象。形成壓力差的動力為風(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)的熱壓相對穩(wěn)定，但被動窗的風(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，要想提高被動窗的氣密性效果，必須讓減少被動窗兩側(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，平衡被動窗內(nèi)外側(cè)的氣壓。確?？蛏扰浜峡臻g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?？諝膺M(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，都會形成壓力損失。一般結(jié)論是，空氣流入和流出腔體時，縫隙越窄滲透阻力越大。由此，我們根據(jù)上述原理，設(shè)計密封腔室如(圖一)氣密腔區(qū)域部分。氣體滲透流動方向設(shè)計階段基本為“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開密封方式時，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。
綜上，提高被動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，提高被動窗的密封性。
2、 改進(jìn)被動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窗非常重要的指標(biāo)。根據(jù)德國被動房研究所(PHI)對中國氣候區(qū)域的劃分，被動窗K值的要求基本分為兩個標(biāo)準(zhǔn)，一個是寒冷地區(qū)的K值不大于0.8W/ W/(m²·K)，一個是溫暖地區(qū)的K值不大于1.0 W/(m²·K)。相對于塑鋼被動窗和木制被動窗，鋁合金被動窗在保溫性能方面劣勢比較明顯。因此，鋁合金被動窗的保溫設(shè)計要點和保溫措施更為重要。
衡量被動窗節(jié)能的三個要素，分別是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，鋁合金被動窗的技能技術(shù)也是從上述三個要素入手。根據(jù)《建筑門窗幕墻熱工計算規(guī)程》(JGJ/T 151-2008)進(jìn)行模擬計算公式(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)]
根據(jù)以上兩個概念，我們鋁合金被動窗的設(shè)計要點為以下幾點：
1、 對框體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小框體傳熱面積，降低熱量的傳導(dǎo)、對流和輻射，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)熱量傳遞的對流特性，在型材結(jié)構(gòu)中較大的腔體內(nèi)易形成對流從而造成熱量的流失。因此在各個大的腔室內(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)不會造成熱量損失。參見圖一熱對流區(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℃，否則被動窗就會出現(xiàn)結(jié)露霉變的危險。
2、 選擇合理的玻璃配置，針對性的采用Low-e玻璃、真空玻璃等;被動窗的玻璃選用準(zhǔn)則為Ug*1.6≤0.7 W/(m•K)，因此，被動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)。被動窗認(rèn)證中，根據(jù)德國被動房研究所得要求，引申了一個概念，稱之為不透明部分的傳熱系數(shù)，計算公式為Ψopaque=Ψg+Uf·Af/Lg ，被動窗Uw值達(dá)標(biāo)的被動窗是依據(jù)通過不透明部分的熱量流失進(jìn)行評級的。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Lg。
按照這種評級辦法，在被動窗的研發(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，會導(dǎo)致不透明部分線傳熱系數(shù)Ψopaque值超標(biāo)而降級甚至無法通過認(rèn)證。換言之，被動房用窗必須同時兼顧使用優(yōu)秀的型材設(shè)計、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。我們可以簡單的將被動式門窗安裝的外墻分為三個部分：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)要點就是根據(jù)這三個層及他們的功能來入手。圍繞的重點就是避免熱橋、增加密封性。合理運(yùn)用防水透氣膜，預(yù)壓膨脹密封帶，鋁制窗臺板等。安裝的要點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，采用錯峰連接方式，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，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。
3、易歐思ES101系列被動窗材料成本分析。
鋁合金被動窗為國內(nèi)新興的產(chǎn)品，對型材、附件、玻璃等各個要求比較嚴(yán)格，因此，在推廣中價格為限制發(fā)展的關(guān)鍵因素。
4、結(jié)束語
被動房節(jié)能建筑的迅猛發(fā)展既是人們對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。它并非一個高深莫測的新的建筑類別，而是基于對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人居需求的平衡而采取的一種建筑策略，通過對建筑細(xì)部精細(xì)的設(shè)計、輔助專業(yè)軟件的精準(zhǔn)計算，對施工質(zhì)量的嚴(yán)格把控，用戶體驗的回訪，將被動房理念從一種指標(biāo)落實到用戶的實際體驗，這也使得被動房在市面上更容易獲得認(rèn)可及推廣。目前我國的節(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)品性能方面和被動房還存在很大差距。隨著被動房在中國的迅速普及和大力推廣，被動窗的研發(fā)和推廣也勢在必行。
