被動式超低能耗建筑外窗技術在寒冷地區(qū)的應用研究

王 羽

中鐵建工集團有限公司 北京 100070

推動綠色建筑高質(zhì)量發(fā)展已成為趨勢，被動式超低能耗建筑作為綠色建筑的代表，具有順應自然、超低能耗、高舒適性等優(yōu)勢，在嚴寒和寒冷地區(qū)，建筑節(jié)能率可達到90%以上，是我國建筑節(jié)能發(fā)展的重要趨勢。

被動式超低能耗建筑與傳統(tǒng)建筑做法相比有很大的差異，其施工工藝更加復雜，對施工程序和質(zhì)量的要求也更加嚴格。外窗作為影響超低能耗建筑節(jié)能效果的關鍵部位，其熱損失可高達建筑外圍護結構整體熱損失的50%[1-2]。因此，研究外窗在寒冷地區(qū)的設計和安裝技術，通過降低窗戶的熱損失、提高窗戶的得熱量，對降低能耗具有重要意義。

1 外窗設計要點

1.1 參數(shù)設計

整窗的傳熱系數(shù)（K）和氣密性直接決定了建筑外窗的保溫性能，通過建筑物外門窗冷風滲透是寒冷地區(qū)冬季熱損失的一個重要渠道，外窗氣密性的好壞直接影響著建筑整體的保溫性能；太陽得熱系數(shù)（SHGC）則體現(xiàn)了建筑外窗的隔熱性能，寒冷地區(qū)的建筑外窗以冬季獲得太陽輻射為主，因此SHGC值應盡量選上限，同時兼顧夏季隔熱的需求。

以上影響建筑能耗的主要參數(shù)，應通過性能化方法進行優(yōu)化設計和選擇。一般情況下，寒冷地區(qū)外窗的傳熱系數(shù)K可取0.80～1.50 W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)SHGC值冬季≥0.45，夏季≤0.30。

1.2 關鍵材料及產(chǎn)品設計

目前北京、天津等地區(qū)執(zhí)行節(jié)能75%的標準，傳熱系數(shù)K≤2.0 W/（m2·K），遠高于被動式建筑對門窗傳熱系數(shù)的要求。被動式超低能耗建筑對外窗的構造及材料的選擇有著更高的要求。

外窗的玻璃配置應考慮玻璃層數(shù)、Low-E膜層、真空層、惰性氣體和邊部密封構造等加強玻璃保溫隔熱性能的措施。寒冷地區(qū)采用3層Low-E玻璃，中空部分填充超過85%的稀有氣體（一般為氬氣），有效平衡窗戶的得熱與熱損失，與普通中空玻璃相比，Low-E中空真空玻璃的傳熱系數(shù)可降低約2.0 W/（m2·K）。

除玻璃外，外窗框的保溫性能也非常重要，外窗型材主要采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材、隔熱鋁合金型材等保溫性能較好的材料，通過增加腔體數(shù)量、增加型材厚度、填充保溫材料等來提高保溫性能，常規(guī)窗框的傳熱系數(shù)是典型的3層玻璃保溫窗的2倍多；與傳統(tǒng)鋁合金間隔條相比，中空玻璃采用暖邊間隔條，有效減少了窗體自身熱橋的產(chǎn)生。普通雙層玻璃鋁合金外窗如圖1所示，3層玻璃節(jié)能保溫窗如圖2所示。

圖1 普通雙層玻璃鋁合金外窗

圖2 3層玻璃節(jié)能保溫窗

2 外窗節(jié)點連接形式

被動式超低能耗建筑的外窗連接方式包括外掛、半外掛、內(nèi)嵌這3種形式。其中外掛式節(jié)點安裝形式是安裝角鋼一側與窗洞口外側墻面固定，另一側與成品窗框連接，窗底部通過隔熱墊木支承的一種連接方式，窗框內(nèi)表面與結構外表面齊平，具有安裝方便、窗戶大部分包裹在保溫層內(nèi)、熱工性能好等特點，應用廣泛。但外掛式節(jié)點安裝方式也存在一些問題，例如工人需在室外安裝、洞口安裝連接件工作量較大、有些情況洞口位置不適宜安裝連接角鋼等。

魏賀東等[3]研究了一種半外掛式的安裝方式，將窗的主要受力部位置于結構洞口內(nèi)，將主要起保溫的部位或冷腔置于保溫層中，該方式可減少室外作業(yè)和埋件的安裝等，但其節(jié)能效果略低于外掛式連接方式。對于外墻采用輕質(zhì)保溫材料、不宜安裝固定五金件、不宜承受懸挑荷載等的情況，同樣可以采用內(nèi)嵌式的安裝方法，但該方法熱工性能較差，熱工計算必須滿足設計要求。目前其他2種安裝技術應用較少，兼顧外窗安裝與節(jié)能的最佳方案，有待進一步研究。

3 外窗安裝常見問題及解決措施

3.1 外窗自身質(zhì)量問題

存在問題：隨著人們對綠色建筑與節(jié)能減排的重視，被動式超低能耗建筑的不斷發(fā)展，被動式外窗的市場逐漸增大，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。

解決措施：嚴格把控門窗質(zhì)量，對供應商進行考察與篩選，建立合格供應商名錄，嚴禁采購資質(zhì)不明、工藝不成熟的產(chǎn)品；進場時除了檢查質(zhì)量證明文件外，還應對其各項指標進行復驗，滿足相關標準及設計要求后才可以使用。

3.2 施工誤差大影響節(jié)能效果

存在問題：主體結構施工誤差大、平整度差，導致外窗安裝過程中，窗框與主體結構之間產(chǎn)生較大縫隙，若現(xiàn)場管控不嚴格，對縫隙不做任何處理或處理不當，極易產(chǎn)生熱橋，導致窗連接處氣密性不佳，成為保溫薄弱環(huán)節(jié)，影響建筑節(jié)能效果。

解決措施：在窗框與結構墻間的縫隙處裝填預壓膨脹密封帶，若縫隙過大，先用砂漿對洞口誤差進行調(diào)整與找平；提高建筑施工的精確度，加強過程管控，加強施工現(xiàn)場的精細化管理，從源頭避免過大施工誤差的產(chǎn)生；采用工業(yè)化建造方式，使工廠化生產(chǎn)取代現(xiàn)場作業(yè)，更容易控制預制構件的精度，誤差可由厘米級降至毫米級，有效避免窗施工誤差對建筑產(chǎn)生的影響。

4 工程應用

4.1 工程概況

本項目位于河北省石家莊市，總建筑面積10 819.35 m2，被動區(qū)建筑面積6 964.68 m2，為混凝土框架結構。外墻采用厚200 mm加氣混凝土砌塊＋厚200/300 mm石墨聚苯板；外門窗采用保溫節(jié)能門窗；熱回收新風系統(tǒng)熱回收效率為75%，設計全年總能耗節(jié)能率為65.69%。

4.2 外窗節(jié)點設計

本項目外窗采用三玻鋁包木窗，外窗玻璃配置為5Low-E＋16Ar暖邊＋5Low-E＋16Ar暖邊＋5C；外窗采用外掛式安裝方式，外窗與結構之間室內(nèi)側設置防水隔汽膜，阻斷濕氣進入墻體，避免結露。室外側設置防水透汽膜，在避免外窗和墻體結構連接處受到外界環(huán)境影響的同時，便于結構內(nèi)的水蒸氣排出，避免五金件產(chǎn)生銹蝕，最終形成完整的密封連接系統(tǒng)；為防止雨水侵蝕破壞保溫層，室外側設置厚2 mm的鋁窗臺板，窗臺板下采用耐候密封膠密封。

4.3 安裝工藝流程

外窗安裝工藝流程為：施工準備→測量定位、打孔→固定安裝角鋼及墊木→窗框室內(nèi)側粘貼防水隔汽膜→成品窗吊裝、安裝→室外側粘貼防水透汽膜→安裝窗臺板→室內(nèi)側粘貼防水隔汽膜→外保溫粘貼。

4.4 外窗安裝操作要點

外窗安裝的施工方法和施工質(zhì)量直接影響著被動式超低能耗建筑的節(jié)能性能，如果施工質(zhì)量不夠高、施工過程中產(chǎn)生安裝熱橋、氣密性保障措施不完善，很容易造成額外的熱損失。本項目對施工組織、施工過程嚴格把控、精細化施工。

1）施工準備。施工前期，根據(jù)施工總平面布置圖，合理布置外窗存放場地，以方便吊運；外窗進場時，首先檢查質(zhì)量合格證明文件，進行質(zhì)量檢查與驗收；外窗安裝前，對窗洞口進行水平和豎直方向校核，檢查安裝洞口平整度，保證其滿足安裝要求。

2）固定件安裝。固定件安裝如圖3所示，窗口兩側及上部通過角鋼進行連接，被動窗下側通過防腐隔熱墊木支撐。按照窗體邊線，測量確定并標記出窗體所需鍍鋅角鋼、墊木的安裝位置，采用沖擊鉆進行預打孔，孔深需滿足膨脹螺栓的安裝要求（深度需≥100 mm）；鍍鋅角鋼分布間距不大于500 mm且距離窗腳的距離不大于150 mm，鍍鋅角鋼與墻體間需加橡膠隔熱墊片以阻斷熱橋的產(chǎn)生，通過膨脹螺栓固定。防腐墊木直接與墻體接觸，通過膨脹螺栓固定。

圖3 固定件安裝

3）被動窗吊裝、安裝。拆去被動窗包裝，按圖紙核對型號、規(guī)格等，確定安裝位置，確定被動窗無損壞后，方可進行安裝。被動窗吊裝前，需先進行室內(nèi)側防水隔汽膜的粘貼。將被動窗成品框體四周清理干凈，室內(nèi)側防水隔汽膜自粘膠帶一側與窗體四周進行緊密粘貼，角部留有足夠的轉(zhuǎn)角空間，對接處疊加量≥30 mm，通過專用工具將膠帶處滾壓嚴密。成品窗的吊裝需采用專用吊裝工具，將其吊至窗口，調(diào)整水平、垂直位置，確保安裝位置準確無誤后，用木螺絲將窗體與固定的鍍鋅角鋼進行緊密連接固定。

4）防水透汽膜粘貼。已安裝固定完成的窗體外側框體與相鄰墻面采用毛刷進行清掃，保證粘貼面干凈、無浮灰等雜質(zhì)。將自帶膠層一側的防水透汽膜粘貼在窗框四周的木材框體上，另一端通過專用黏結劑將其與墻體粘貼密實、牢固，不得有斷點產(chǎn)生。固定角鋼、隔熱墊木等固定件與墻體連接的部位采用專用黏結劑和防水透汽膜將其密封包裹在墻體上，防止其遇水銹蝕。

5）窗臺板安裝。將窗臺板插入窗下框與防腐墊木之間，窗臺板與鋁框部分填充專用密封膠，與窗框木材框體通過螺釘進行連接。

6）外窗處保溫板粘貼。沿外窗主框外側左、右、上三面粘貼門窗連接條，保障窗框裸露部分寬度為15 mm，窗口上檐及左右側拼接處門窗連接條應裁剪45°斜角。門窗連接條下側為雙面膠帶，邊撕邊按壓，保證與窗框黏結牢固。門窗連接條要與窗臺板凹槽平直。窗臺板下方粘貼預壓膨脹密封帶，以減少窗臺板部分的熱橋產(chǎn)生。根據(jù)排版圖粘貼保溫板，保溫板采用點框法粘貼，雙層錯縫敷設，保溫板壓住門窗連接條與窗框粘貼部位，以最大限度減少窗框的熱橋損失。

7）防水隔汽膜粘貼。室內(nèi)側防水隔汽膜采用密封膠與洞口內(nèi)側墻體粘貼密實。

5 結語

被動式超低能耗建筑符合建筑節(jié)能與綠色建筑的發(fā)展理念，是建筑業(yè)發(fā)展的大方向，而門窗技術是實現(xiàn)建筑節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)，針對目前外窗應用存在的問題，提出以下建議：

1）雖然目前外掛式節(jié)點連接方式應用廣泛，但仍然存在外窗更換困難、室外作業(yè)量大等問題，有待進一步研發(fā)一種兼顧節(jié)能與施工便捷、安全可靠的節(jié)點連接方式，促進建筑業(yè)高品質(zhì)發(fā)展。

2）被動式超低能耗建筑技術與工業(yè)化建造方式的有機結合，將外門窗安裝各項工序在工廠內(nèi)完成，形成結構、保溫、裝飾一體化外墻技術，是最大限度控制人為誤差，減少室外人工高處作業(yè)行之有效的方法。

3）結合EPC管理模式，加強各環(huán)節(jié)聯(lián)動，裝修、門窗、保溫、幕墻等各專業(yè)單位在設計階段就介入，充分考慮各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性和完整性，從源頭避免各專業(yè)交界處質(zhì)量問題的產(chǎn)生。