系統被動窗解決方案及成本分析
引言：
隨著建筑節能的快速發展，被動式房屋以其超低能耗的優勢在國內引起了社會各界的廣泛關注。尤其近年來，國家政策和地方規范的大力推廣，被動房產業也蓬勃發展，其各項技術也趨于成熟。被動房技術的興起，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。因此住房和城鄉建設部對被動房建設高度重視，已將其列為“十二五”期間建設領域節能低碳發展的重要內容。
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結構，采用高效新風熱回收技術，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環境，并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。
根據上述定義，被動式建筑的核心關鍵點分為以下幾點：
1、 高效的外保溫系統性;被動房要求屋頂，外墻樓板圍護結構傳熱系數U值要低于0.15W/(m2·k)，因此就要采用傳熱系數較低的保溫材料。對于外保溫結構而言，除了高性能保溫材料和選取適當的保溫結構，房屋本身的體型系數及窗墻比也至關重要，這也是在設計階段就要考慮的問題。
2、 建筑具有極佳的氣密性;建筑圍護結構上存在裂紋，縫隙和細小的空洞。通過這些縫隙，大量的熱能會流失掉，同時產生的氣流導致不舒適感，甚至產生霉菌影響身心健康。被動房的一個核心目標就是保證室內的舒適度與健康的環境，因此提高建筑氣密性是保證建筑節能及舒適的重要前提。
3、 有高效的熱回收裝置的新風系統;被動房的氣密性絕佳，但是我們生活的環境所需大量的新鮮空氣，因次被動房中要用到新風系統。新風系統可以保證室內空氣的新鮮度，而且可以回收空氣中的熱量，對循環的風進行預熱，降低建筑熱負荷等作用。
4、 無熱橋設計;通過熱橋，一方面會有大量的熱能散發出去，或者從室外大量得熱，加重建筑采暖或制冷的負荷，另一方面，也存在冷凝發霉的風險，進一步破壞建筑構件，因此在設計被動房時，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配件的連接點、面都是薄弱節點，需要特別注意。在設計階段，一方面要避免保溫層出現間斷，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熱系數也要盡可能的降低。
5、被動式的建筑外窗;冬天大多數供暖建筑室內空氣溫度可以達到20℃，而普通建筑的玻璃內表面的溫度往往為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，窗戶作為外圍護結構的薄弱環節，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)達到0.5-0.6左右，室內空氣溫度和室內玻璃表面的輻射溫差<4.2度。除去保溫性能的指標要求，要達到整體被動房的要求，對被動窗附加要求為：
1、 依據標準EN1026檢測透氣性并依據標準EN12207劃分等級，最低要求為4級，空氣量Q100≤2.0m³/h·m²;
2、 依據標準EN1027檢測透氣性并依據標準EN12208劃分等級，最低要求為7A級(300Pa);
3、 依據標準EN12210檢測抗風壓性能，并符合標準EN12210的要求，根據靜力學要求，等級最低為2級，最大撓度等級為B(L200);
2.1密封性能提升。
外窗是建筑外圍護結構中比較薄弱的部分，冷空氣從窗的縫隙滲入室內，會使室溫劇烈波動，影響室內環境衛生并消耗大量的熱量，這種現象我們稱之為“冷風滲透”。當外窗受到正風壓的作用。冷空氣通過門窗縫隙滲進室內，而外窗被風面受到負壓的作用，室內的熱空氣又從門窗縫隙滲向室外。這樣，室內相對靜止的空氣加快了流速。有人說：“針尖大的孔，斗大的風”指的就是這種現象。為了維持舒適的室內環境，寒冷地區要冬季采暖，炎熱地區要夏季制冷。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存在壓力差時才會產生空氣滲透現象。形成壓力差的動力為風力和空氣浮升力，它們分別構成風壓和熱壓。由于風的隨機性強，室內的熱壓相對穩定，但被動窗的風壓處于非穩定狀態，根據建筑門窗環境工學的理論，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，平衡被動窗內外側的氣壓。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。在采取減少被動窗兩側的壓力差的前提下，必須提高空氣滲透進室內腔室的空氣阻力。空氣進入腔體后，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，而形狀阻力當腔室由小變大和由大變小時，都會形成壓力損失。一般結論是，空氣流入和流出腔體時，縫隙越窄滲透阻力越大。由此，我們根據上述原理，設計密封腔室如(圖一)氣密腔區域部分。氣體滲透流動方向設計階段基本為“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，氣體轉向數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到最低。值得一提的是，增加密封層次和數量，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格尺寸和裝配的精度。目的是保證框扇之間的應有搭接量，減少框扇縫隙，提高被動窗的密封性。
2、 改進被動窗的型材斷面的幾何形狀。以適當增加框、扇搭接量。
3、 加設合理的密封膠條。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性，形成環形的密封結構。
4、 框扇桿件拼接部位和五金裝配部位，應采用密封材料進行妥善的密封處理。
2.2保溫性能
被動窗除了密封性能為重要的指標外，保溫性能更是衡量被動窗非常重要的指標。根據德國被動房研究所(PHI)對中國氣候區域的劃分，被動窗K值的要求基本分為兩個標準，一個是寒冷地區的K值不大于0.8W/ W/(m²·K)，一個是溫暖地區的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計要點和保溫措施更為重要。
衡量被動窗節能的三個要素，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射，鋁合金被動窗的技能技術也是從上述三個要素入手。根據《建筑門窗幕墻熱工計算規程》(JGJ/T 151-2008)進行模擬計算公式(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[W/(m2·K)]
At -窗面積(m2)
Uf -窗框的傳熱系數[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[W/(m2·K)]
A g-窗玻璃(或者其他鑲嵌板)面積(m2)
lψ-玻璃區域(或者其他鑲嵌板區域)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[W/(m·K)]
根據以上兩個概念，我們鋁合金被動窗的設計要點為以下幾點：
1、 對框體結構進行優化設計，減小框體傳熱面積，降低熱量的傳導、對流和輻射，降低Uf;
首先，噴涂鋁型材的傳熱系數約為160 W/(m·K)，而隔熱條材質采用尼龍66+25%玻璃纖維，傳熱系數僅為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的最有效的方法。
再次，根據熱量傳遞的對流特性，在型材結構中較大的腔體內易形成對流從而造成熱量的流失。因此在各個大的腔室內應當填充相應的填充材料以保證在該區域內不會造成熱量損失。參見圖一熱對流區域。一般根據需要分別填充三元乙丙發泡材料或聚氨酯發泡材料。
此外，應當著重在型材結構設計中應當保證無熱橋，并且應當保證玻璃、隔熱條等氣溫線順直。參見圖四。在設計階段應當著重分析14℃溫度線，務必保證內側玻璃邊緣部分最低的溫度應>14℃，否則被動窗就會出現結露霉變的危險。
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范圍應當為0.45~0.7之間。不允許為了降低整窗的傳熱系數而將玻璃的傳熱系數降得太低。主要是為了避免玻璃內外側溫差過大造成結露現象等。本文不做詳細論述。
3、 優化玻璃鑲嵌槽口的結構、采用暖邊技術提高玻璃鑲嵌區域的線傳熱系數。被動窗認證中，根據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，計算公式為Ψopaque=Ψg+Uf·Af/Lg ，被動窗Uw值達標的被動窗是依據通過不透明部分的熱量流失進行評級的。根據公式，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值的設計，會導致不透明部分線傳熱系數Ψopaque值超標而降級甚至無法通過認證。換言之，被動房用窗必須同時兼顧使用優秀的型材設計、玻璃和間隔條而完成。
4、 盡量減小窗戶的安裝熱橋裝狀態Uw，安裝狀態≤0.85W/(m2•K)，應當盡早明確細部節點。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、外層保溫層和內側的密封層。我們安裝的技術要點就是根據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。合理運用防水透氣膜，預壓膨脹密封帶，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軌、支架能可能導致熱橋的部件。必須使用時，在外墻上預埋斷熱橋的錨固件，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;室內密封層應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。之間應有結構性連接，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新興的產品，對型材、附件、玻璃等各個要求比較嚴格，因此，在推廣中價格為限制發展的關鍵因素。
4、結束語
被動房節能建筑的迅猛發展既是人們對于更舒適更健康的居住環境的追求的自然產物，更是在能源價格逐年上漲、環保問題日益凸顯的大環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，而是基于對環境、經濟、人居需求的平衡而采取的一種建筑策略，通過對建筑細部精細的設計、輔助專業軟件的精準計算，對施工質量的嚴格把控，用戶體驗的回訪，將被動房理念從一種指標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可及推廣。目前我國的節能建筑發展迎來新契機，但是在技術標準和產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，被動窗的研發和推廣也勢在必行。
