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1被動(dòng)式建筑的概念

在新能源時(shí)代還未到來的今天，中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家和人口最多的國(guó)家，能源形勢(shì)十分嚴(yán)峻。世界可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：在人類建筑、工業(yè)、交通三大能耗中，建筑能耗占比40％，而且在城市范圍不斷擴(kuò)大、舊房改造急須開展、新建筑不斷涌現(xiàn)的當(dāng)下，建筑能耗也必將不斷增長(zhǎng)，因此降低建筑能耗、實(shí)施建筑節(jié)能對(duì)于促進(jìn)能耗降低、能源合理利用以及推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，就顯得至關(guān)重要。在保證合理舒適度的情況下，最大可能地降低建筑能耗已經(jīng)成為國(guó)策。

如此來看，在歐洲國(guó)家率先倡導(dǎo)的被動(dòng)式建筑理念尤為適合推動(dòng)我國(guó)的建筑節(jié)能工作。

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃和《中共中央國(guó)務(wù)院對(duì)于城市發(fā)展的若干意見》中就進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了節(jié)能減排、因地制宜、理性發(fā)展等理念，并且專門提到了被動(dòng)式建筑等綠色發(fā)展理念。住建部對(duì)被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展給予了高度重視，2015年頒布了《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行版）》，被動(dòng)式超低能耗建筑正在從示范項(xiàng)目逐步走向規(guī)模化和市場(chǎng)化，這無疑從政策上大力推動(dòng)了中國(guó)被動(dòng)式建筑的發(fā)展。

被動(dòng)式建筑經(jīng)過國(guó)內(nèi)外30余年的發(fā)展，已形成一整套完整的技術(shù)體系。它改變現(xiàn)有的建筑建造模式，充分利用太陽、人體、家電等釋放的熱量，重構(gòu)人、建筑、氣候之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期內(nèi)的低能耗，最大限度地減少溫室氣體排放。

2被動(dòng)式建筑的五個(gè)基本要素

為了實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式效果，被動(dòng)式建筑應(yīng)具有以下五個(gè)基本要素：

（1）高性能的保溫體系，建筑物所有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須具備優(yōu)良的保溫性能，U≤0.15W/㎡K；

（2）高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，有效的熱回收新風(fēng)系統(tǒng)是保證室內(nèi)良好的空氣質(zhì)量和降低能耗的重要因素，Ψa≤0.01W/㎡K；

（3）極佳的氣密性，被動(dòng)式建筑的氣密性至關(guān)重要，避免產(chǎn)生冷熱氣體對(duì)流，造成熱量流失，N50≤0.6/h；

（4）無熱橋設(shè)計(jì)，所有邊部、角落、連接處和滲透物地方必須在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要格外謹(jǐn)慎，避免熱橋產(chǎn)生，要削弱圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳熱能力，防止形成熱流相對(duì)密集，同時(shí)也要控制熱量的流失，Ψa≤0.01W/㎡K；

（5）高性能被動(dòng)式門窗體系，門窗必須有良好的保溫隔熱效果，配置充氧氣、鍍Low-E膜的高保溫隔熱玻璃、窗框體采用超級(jí)保溫材料，使其具有超強(qiáng)的保溫性能，Uw≤0.8W/㎡K。

其中，高性能的被動(dòng)式建筑外窗也就是被動(dòng)式建筑外窗，則是被動(dòng)式建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在普通建筑中，透過外窗的散熱損失占整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能量損失的40％左右，以此換算，建筑外窗能耗幾乎占據(jù)社會(huì)總能耗的20％。因此，被動(dòng)式建筑外窗是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式建筑的先決條件，被動(dòng)式建筑外窗材料的選擇、加工、安裝對(duì)于被動(dòng)式建筑就顯得格外重要。

被動(dòng)式建筑外窗其實(shí)就是指符合被動(dòng)式建筑用窗標(biāo)準(zhǔn)的窗產(chǎn)品，整窗具有超強(qiáng)的隔熱保溫系數(shù)、超強(qiáng)的氣密性能，Uw值需小于0.8w／(m·K)。

“被動(dòng)房之父”菲斯特教授曾在《成功設(shè)計(jì)和建造被動(dòng)房質(zhì)量保證指南》一書中指出：“被動(dòng)式建筑用窗整窗傳熱系數(shù)小于0.85w／(m·K)，是基于內(nèi)表面平均溫度在設(shè)計(jì)條件下要高于17℃。”也就是說，外窗傳熱系數(shù)是根據(jù)內(nèi)表面溫度來確定的，即在不采暖的情況下，建筑外窗窗內(nèi)部表面溫度只有高于17℃，才能保證外窗內(nèi)表面的熱舒適度，這被稱之為“熱舒適度準(zhǔn)則”。研究表明，在室內(nèi)空氣溫度為20℃、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度高于17℃時(shí)，人體才不會(huì)感受到明顯的來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷輻射。因此，被動(dòng)式建筑外窗除了需要適用被動(dòng)式建筑外，還應(yīng)該要保證宜人的室內(nèi)氣候并提供能量的正平衡。

3使外窗符合被動(dòng)式建筑外窗傳熱系數(shù)的三大要素

建筑外窗屬于透明部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)U值是考核門窗保溫性能的關(guān)鍵指標(biāo)。如何來降低整窗的傳熱系數(shù)U值？我們可以根據(jù)下面這個(gè)U值計(jì)算公式來進(jìn)行逐步分析。

Uw=（UgAg+UfAf+ΨgLg）/（Ag+Af）

其中公式中的各項(xiàng)指標(biāo)分別為：

Uw為整窗的傳熱系數(shù)，單位是W/（㎡·k）；

Ug為玻璃的傳熱系數(shù)，單位是W/（㎡·k）；

Uf為窗框體的傳熱系數(shù)，單位是W/（㎡·k）；

Ag為玻璃可視面積，單位是㎡；

Af為窗框體的可視面積，單位是㎡；

Ψg為玻璃間隔條相關(guān)的線性熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位是W/（㎡·k）；

Lg為玻璃可視面邊緣的長(zhǎng)度，單位是m。

由這個(gè)公式可以看出，要想減低整窗傳熱系數(shù)，也就是U值，取決于窗框體的型材使用、玻璃以及中空玻璃間隔條這三個(gè)要素，接下來就針對(duì)這三個(gè)要素進(jìn)行分析。

3.1窗框體的型材使用

型材是外窗節(jié)能和防結(jié)露的重要部位，德國(guó)被動(dòng)式建筑標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，要求型材的傳熱系數(shù)U≤1.3W/（㎡·k）。目前我國(guó)主要的型材節(jié)能產(chǎn)品有多腔塑料（PVC-U）型材、高性能斷熱鋁型材、鋁木復(fù)合型材等。

PVC材料隔熱性能良好，但自身的強(qiáng)度不高且剛性差，所以為了滿足被動(dòng)窗標(biāo)準(zhǔn)，塑窗企業(yè)通過提高型材厚度、腔室層數(shù)，采用增強(qiáng)型非金屬內(nèi)襯、填充發(fā)泡聚氨酯材料等措施提高塑鋼窗的保溫性能。

鋁合金型材由于本身具有較高的強(qiáng)度、耐候性能良好、成本較低等優(yōu)勢(shì)，但是隔熱性能較差導(dǎo)致門窗整體的熱工性能較差，為了滿足被動(dòng)窗的標(biāo)準(zhǔn)，需要采用斷熱橋措施，如采用新型高分子材料，增大隔熱條寬度、在隔條之間填充發(fā)泡材料等方法，但這也加大了門窗的寬度。

鋁木復(fù)合型材為框體材料的鋁包木窗則在被動(dòng)式建筑中的應(yīng)用更為廣泛。在PHI（PassiveHouseInstitute，德國(guó)被動(dòng)房研究所）官方網(wǎng)站上認(rèn)證的被動(dòng)窗，鋁合金占比最少，其次是PVC窗，包含純木、鋁包木、塑包木等木窗類的占比近60％，以大幅度優(yōu)勢(shì)勝出。可見木窗產(chǎn)品的開發(fā)在被動(dòng)房領(lǐng)域是非常活躍的。

鋁木復(fù)合型材的主材為木材，木材是天然的保溫材料，用木材做被動(dòng)窗有先天的優(yōu)勢(shì)：力學(xué)強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、先天具環(huán)保性能和低碳特質(zhì)。為了更好地提高門窗的整體性能，木材還可與鋁合金、高分子材料等材料進(jìn)行復(fù)合進(jìn)一步提高門窗的整體性能。

以中國(guó)第一樘自主研發(fā)生產(chǎn)并通過PHI認(rèn)證的森鷹P120被動(dòng)式鋁包木窗為例，其主體框體由進(jìn)口實(shí)木與PVC塑料型材組合而成，外部再扣以鋁材，該產(chǎn)品集成木材厚度采用68mm。多腔PVC塑料型材的導(dǎo)熱系數(shù)λ值為0.18，多腔室的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在最大限度上減少氣體對(duì)流，有效提高保溫性能。因塑料型材本身屬于非主受力構(gòu)件，可以適當(dāng)減少型材壁厚。框體四邊嵌A級(jí)防火聚氨酯絕熱材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)λ值為0.035，在窗體上墻安裝完畢后被外墻的保溫板完全覆蓋，最大限度地減少因邊框及邊框與洞口之間的部位產(chǎn)生的熱能或冷能損失。最后，框扇搭接的密封采用了四道密封膠條的設(shè)計(jì)，形成的三個(gè)密封腔室有利于減少氣體的對(duì)流，整窗的氣密性達(dá)到0.16。通過檢測(cè)，森鷹PASSIVE120的技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到頂級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，木材本身的可再生屬性，使其和其他型材在原材制作過程中消耗地下能源的制作方式不同，這首先符合被動(dòng)式建筑的降耗追求。木質(zhì)框體的使用壽命長(zhǎng)，從建筑外窗角度可配合被動(dòng)式建筑實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)期使用，不影響其被動(dòng)式效果，進(jìn)而降低其改造或重建所帶來的消耗問題。

3.2玻璃

玻璃占整個(gè)門窗面積的75％左右，所以其保溫性能對(duì)整窗是否可以達(dá)到被動(dòng)式效果也是非常關(guān)鍵的。外窗熱保護(hù)性能的改善速度超出了其他所有建筑構(gòu)件，外窗U值已降至40年前的1/8。20世紀(jì)70年代起德國(guó)的多數(shù)外窗采用單玻，其U值約為5.5W/m2·K，經(jīng)過了50年的發(fā)展，目前已經(jīng)從簡(jiǎn)單的浮法玻璃推進(jìn)到了目前的三層中空保溫玻璃。玻璃的保溫性能是由玻璃厚度、鍍膜性能、中空玻璃間隔條及間距、內(nèi)充惰性氣體等要素決定的。玻璃表面用于降低玻璃熱輻射透過率的金屬鍍膜被稱作低輻射（LOW-E）鍍膜。鍍膜可以有效降低對(duì)紅外光譜的輻射，玻璃間的空腔內(nèi)充填的惰性氣體通常為氬氣，與固體不同，氣體的熱損失則是氣體層到達(dá)一定厚度以后氣體的對(duì)流循環(huán)所引起的。氬氣是一種惰性氣體，氬氣比空氣重，可以減少玻璃內(nèi)部對(duì)流，提高保溫性能。所以，目前填充90％以上氬氣、中空層間距在15~18mm的三層雙LOW-E玻璃，便可使中空玻璃的中心Ug值達(dá)到0.5~0.8W/（㎡·k）的水平。

但除了Ug值外，玻璃的太陽得熱系數(shù)g值也不可以忽略，g值代表正常入射角的太陽輻射的透射比例，窗玻璃應(yīng)滿足Ug：1.6W/m2K·g≤0。滿足這一條件意味著通過窗口的太陽能集熱超出窗口熱損失的補(bǔ)償需求。

3.3暖邊間隔條

為獲得最佳的門窗熱工性能，除了保證窗框及玻璃具備優(yōu)良的保溫特性之外，同時(shí)還需要降低玻璃邊部的線性熱傳導(dǎo)系數(shù)Ψg。通過對(duì)一定的框玻比及長(zhǎng)寬比的玻璃窗進(jìn)行熱工模擬計(jì)算，會(huì)發(fā)現(xiàn)熱量通過玻璃邊部流失的比例占通過整窗流失的比例可高達(dá)20％，這對(duì)于整窗性能的影響是巨大的，因此需要使用暖邊間隔材料替換冷邊間隔材料，以最大限度地降低玻璃邊部的線性傳熱損失。

傳統(tǒng)的中空玻璃邊部采用金屬間隔條，因其傳熱系數(shù)較高，在玻璃邊部形成了局部熱橋效應(yīng)，增大了玻璃邊部的線性傳熱損失。暖邊間隔條采用非金屬材料，或部分金屬材料，或低于鋁金屬傳導(dǎo)系數(shù)的金屬間隔條，使其熱傳導(dǎo)系數(shù)低于鋁金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。暖邊技術(shù)的應(yīng)用就是為了降低Ψ值，減少中空玻璃邊緣的熱量損失。

同時(shí)在PHI被動(dòng)窗要求中，還對(duì)外窗的熱舒適度做了定義，要求窗戶內(nèi)表面溫度與室溫平均值的偏差不得超過4.2K，即|ΔSI|≤4.2K；而通常玻璃邊緣為溫度最低點(diǎn)，也是最容易結(jié)露發(fā)霉的地方。因此，采用暖邊可以有效地解決這個(gè)問題，預(yù)防整窗邊部結(jié)露，以獲得最佳居住舒適度。

4保證被動(dòng)式建筑外窗的整體氣密性

具有高等級(jí)的氣密性對(duì)于被動(dòng)式建筑達(dá)到降耗目的起著關(guān)鍵性的作用，國(guó)際上對(duì)被動(dòng)式建筑的氣密性標(biāo)準(zhǔn)為n50≤0.6h-1，該公式中的n50表示室內(nèi)外的壓差為50Pa，h-1為建筑物每小時(shí)的換氣數(shù)。高等級(jí)的氣密性不是自然形成的，這需要在所有建造環(huán)節(jié)中進(jìn)行相關(guān)考慮，進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)及施工。氣密層必須是一個(gè)連續(xù)不間斷的封閉層，而建筑外窗則是其中最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。

如何在制造環(huán)節(jié)使被動(dòng)式建筑外窗滿足被動(dòng)式建筑窗洞口的氣密性要求？這需要做到以下幾點(diǎn)：

（1）選用符合性能要求和被動(dòng)式建筑外窗標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)組成材料；（2）滿足性能設(shè)計(jì)要求；（3）進(jìn)行系統(tǒng)拼接的方案處理；（4）嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行各種銑槽及鉆孔加工；（5）合理配置高性能五金。

對(duì)于建筑外窗來說，安裝是重中之重，這對(duì)于被動(dòng)式建筑更是如此。一樘被動(dòng)式建筑外窗在建筑上是否真的可以達(dá)到被動(dòng)式效果，尤其是可否保證整體被動(dòng)式建筑的氣密性，外窗安裝技術(shù)尤為重要。

（1）采用整窗懸掛于墻體外表面的安裝方式，保證傳熱系數(shù)Uw，installed≤0.85W/(m2/k)；（2）窗體側(cè)面及上面采用專用L型角鋼進(jìn)行多點(diǎn)固定，滿足窗體的承重要求；（3）室內(nèi)側(cè)防水隔汽膜可有效防止水汽滲透，并保證氣體交換率n50≤0.6h-1的氣密性要求；（4）室外側(cè)防水透汽膜可有效防止水分進(jìn)入，并保證室內(nèi)的氣體流通；（5）專用L型角鋼的隔熱墊片置于鋼件與墻體間，減小熱損失，起到了斷橋隔熱的作用。

通過以上幾點(diǎn)可以看出，被動(dòng)窗的安裝采用了最大限度降低熱橋的安裝方法，同時(shí)保證了被動(dòng)式建筑外窗在安裝層面上的高氣密性。

5結(jié)語

被動(dòng)式建筑用窗無論是從高品質(zhì)化的材質(zhì)選擇、極低的傳熱系數(shù)呈現(xiàn)，還是高標(biāo)準(zhǔn)的氣密性要求、特殊的安裝工藝上，都較之普通的建筑外窗有著極大的區(qū)別。

被動(dòng)式建筑外窗是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式建筑的先決條件之一，所以必須從門窗設(shè)計(jì)、材料選擇、加工生產(chǎn)、節(jié)點(diǎn)處理、成窗安裝方面予以重視。正是如此嚴(yán)苛的細(xì)節(jié)把控才使其可以安裝在被動(dòng)式建筑上，達(dá)到被動(dòng)式建筑整體的被動(dòng)式效果。