如何满足被动式低能耗建筑外窗需求——胜达TOP-BEST 88MD 门窗系统

1 前言

伴随我国城镇化进程步伐的加快，新建建筑数量呈几何式增长，但达到绿色节能要求的建筑不多，造成国内的建筑能耗总量逐年上升。在社会三大能耗（建筑能耗、工业能耗和交通能耗）中，建筑能耗约占全社会总能耗的35% 以上。因此，有效控制建筑能耗是当前降低社会总能耗、减少雾霾、改善空气质量的关键环节。在国家政策层面，住建部组织编制并印发《建筑业发展“十三五”规划》提出，深化建筑业体制机制改革、推动建筑产业现代化、推进建筑节能与绿色建筑发展等主要任务。为了进一步降低建筑能耗，国家四次调整节能政策，进一步削减建筑耗能指标。建筑能耗由原来1980 年采暖燃煤指标25kg 标准煤/（m²∙ 年），减少到2014 年采暖燃煤指标6.25 kg 标准煤/（m²∙ 年）（表1中国建筑节能发展路线）。京津冀、山东、新疆等地区率先进入建筑节能75% 行列（即采暖燃煤指标6.25 kg标准煤/（m²∙ 年））。与此同时，在我国一种更加节能环保的被动式低能耗居住建筑近几年得以发展迅速。

表１中国建筑节能发展路线

2　被动式低能耗建筑

“被动式低能耗居住建筑”包括五大技术系统：厚大的保温系统、超级节能的被动式门窗系统、高效的新风热回收系统、完整的气密层系统以及建筑无热桥设计（图1 被动式建筑五大系统）。

图１被动式建筑五大系统

德国被动房研究所PHI 的被动建筑性能（表2）

由表2 可见，德国的被动式建筑性能指标优异，建筑能耗小，运行能源消耗低，居住环境舒适。一栋建筑，其能源消耗主要表现在如下的外围护结构中：窗户、外墙、地板、屋面等（表3 建筑外围护结构能耗限值）。对外围护结构的外墙、屋面、地板简单来说增加保温厚度、杜绝“冷桥”产生，就能控制其能耗。作为外围护结构的门窗系统，根据权威机构分析虽然仅仅占外维护结构的10%，但是热量损失却达到整栋建筑损失的44%（如图2 所示）。所以，大力提高建筑外围护结构门窗系统节能，是降低建筑能耗最重要的途径。

表2 德国被动式低能耗建筑性能指标（PHI）

表3 建筑外围护结构能耗限值

图2 建筑物能量传递表

表4 德国规范对外窗保温性能的限值[W/（m²·K）]

表5 北京市节能标准对外窗保温性能的限值 [W/（m²·K）]

上面关于节能门窗发展的一组数据（见表4、表5），我国建筑门窗传热系数大部分在1.5 ～ 3.5 W/（m²∙K）之间，广大农村地区门窗传热系数更高达到3.5-6.0W/（m²·K）。在欧洲发达国家2012 年门窗传热系数已经达到1.1 W/（m²·K），计划2020 年实现门窗传热系数为0.8 W/（m²·K），所有新建建筑按照超低能耗被动房屋建造。对比显示，我国节能门窗发展与发达国家低能耗门窗应用存在着显著的差距。为了赶上发达国家建筑节能步伐，大幅度降低居住建筑的采暖和制冷能耗以及建筑物的总能耗，需显著改善居住建筑室内环境，节约资源和能源，保护环境。早在2007 年住房城乡建设部与德国能源署双方确定在我国推动被动式低能耗建筑的发展作为合作内容。经过近几年推广，河北、新疆、山东、浙江等地区被动式建筑越来越多。被动式建筑的优越性能渐渐被人们熟知。特别是由住房城乡建设部科技与产业化发展中心与河北省建筑科学研究院会同有关单位编制的我国首部被动房标准——《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB 13(J)/T177-2015，于2015年5 月1 日起实施。此标准的实施标志着我国被动式建筑的发展趋于规范化、标准化，是我国被动式房屋发展过程中的里程碑。它的颁布实施无疑对被动式房屋的发展和推广产生了巨大的作用。

什么样的门窗能满足被动式建筑需要呢，它与普通门窗设计区别在哪里？德国有成套被动门窗认证机构，这里只介绍德国的两大被动式门窗认证机构及河北省被动门窗标准（表6）。

达到如上性能的门窗系统（表6），才能称为“被动式低能耗门窗”。河北胜达智通新型建材有限公司为了满足被动建筑需求，更好地服务于建筑节能，设计开发了高性能被动式塑钢门窗系统——胜达TOP-BEST-88MD 被动式门窗系统。该门窗系统是德国被动门窗研究所（PHI）认证产品。认证ID 编号0968Wi03，PHB 级。

3 被动式建筑门窗特点及性能介绍

以下从几个方面表述被动式门窗：

首先设计节能门窗，必须充分了解窗户的传热系数K 值：

通过上面公式知道：门窗传热系数由选用窗框型材材质性能、选配玻璃性能及玻璃边缘线传热三部分组成。通过（表5）可以将被动式门窗玻璃传热系数设定为一个定值。例如：河北省标准要求玻璃传热系数≤ 0.8 W/(m²•K)；德国被动房研究所判定门窗等级的玻璃传热系数≤ 0.7 W/(m²•K)；罗森海姆门窗研究所判定门窗等级的玻璃传热系数≤ 0.6 W/(m²•K)。根据门窗传热系数公式可知，玻璃性能给定后，影响门窗传热性能的指标为门窗型材传热与玻璃边缘线传热。对于玻璃边缘的线传热，使用非金属材质的暖边条，改变胶条构造形状等可以实现。真正需精雕细琢的是门窗型材高性能材料选择系统：包括型材本身的腔室断面结构设计、满腔钢衬替代系统、内部填充保温材料、胶条系统应用、五金系统配套、门窗外遮阳系统等。

表6 被动式门窗认证机构及标准

节能门窗材料分类：塑料门窗、断桥铝合金门窗、木门窗（铝包木门窗）、聚氨酯门窗。对比不同材料导热系数，首先发现PVC 材料导热系数为0.17w/m•k，优于其他门窗型材选用材料（见塑钢型材的优势( 表7)）。其次，不同窗框型材传热系数Uf 值，塑料型材优势明显，塑料型材大断面多腔室传热系数可以做到小于1.0W/(m²•K)；断热铝合金中间隔条为37.5mm 情况下，其型材传热系数Uf 值只有1.7W/(m²•K)；木门窗在附合其他高保温材料后才能达到被动门窗需要，其价格昂贵。在同等保温性能要求下，塑料材质的被动式门窗，性价比最好。在如今推动绿色节能环保的时代背景下，开发节能高效塑料被动窗，成为建筑节能首选。

表7 不同材料导热系数及传热系数对比

下面从胜达TOP-BEST 88MD被动式塑钢窗系统，解析被动式窗构成体系（图3）。

图3 胜达TOP-BEST 88MD 型材断面

（1）以胜达TOP-BEST 88MD 被动门窗系统的型材断面为例：

① 超宽断面设计，基本宽度88mm，完全满足被动门窗传热系数≤ 0.8 W/(m²•K) 的要求。

② 全部外壁厚为3.0mm，超越国标A 类设计，型材自身刚度更高。

③ 型材为7 腔结构，3 道密封设计，提供无以伦比的保温隔声及水密性能。

④ 安装玻璃厚度最大可实现50mm，玻璃嵌入深度增大，实现更低的玻璃边缘线传热系数。

⑤ 环保不含铅钡配方，使建筑更加绿色环保。

⑥ 表面彩色化处理：即可采用高耐候性、高仿真膜体，又可采用外扣铝结构，形成丰富的型材表面色彩，为建筑物增添一抹亮丽。

⑦ 拼接型材自带密封结构，提高拼接整窗气密性。

⑧ 高保温高强度复合材料，代替钢衬系统，抗风压及保温性能卓越。

（2）高保温高强度内衬

若满足德国被动房研究所被动式门窗整窗传热系数≤ 0.8 W/(m²•K) 的要求，塑料型材内腔不能穿装整体钢衬( 特殊设计除外)；断桥铝合金型材，断热部分保温结构复杂；木窗系统必须附合使用高保温材料。选用新材料——高保温高强度增强衬（图4），代替普通钢衬。经德国被动房研究所严格的论证，满足被动式建筑节能使用要求。该新材料产品为满足抗风压需求，经巴斯夫公司严格的力学模型计算（图5）并经过国内权威检测机构材料测试，完全满足被动式建筑的抗风压性能需求。

图4 高保温高强度的增强衬

图5 高保温高强度的增强衬力学计算

（3）内部填充保温材

对于被动式型材，若达到整窗0.8 W/(m²•K)，型材内部需进行保温材料填充。由于型材腔室形状不同，需制作不同形状的保温材料（见图6）。

图6 型材内部填充保温材料

（4）独特三密封胶条构造

被动式门窗除型材本身的高保温性能，其整窗的气密性设计非常关键。为满足不同用户及不同环境需求，设计了两套胶条体系（图7）。体系一，采用软硬一体TPV 可焊接胶条，胶条实现在线穿装，组装成窗时整体焊接，节省人工成本，提高整窗水气密性能。体系二，采用EPDM 表面微发泡三元乙丙胶条，特别是中间大胶条设计，是满足被动门窗节能0.8 W/( ㎡ •K) 首选。该胶条体系拐角处采用整体焊接技术，胶条安装无断点，使水气密性能进一步提高。

图7 独特三密封胶条构造

（5）高气密性辅材设计

被动式建筑气密性要求高，设计门窗拼接结构时，必须保证整体门窗气密效果。拼接材料的气密结构设计（图8）非常关键。在拼接组合门窗时，高弹性共挤材料完全能够抵御由于外界环境温度变化引起门窗伸缩变形产生的缝隙，保证拼接窗气密性能。

图8 高气密拼接型材

（6）五金系统配套开发与选用

高质量的门窗系统离不开优质五金系统配套开发，型材标准槽口设计与特殊使用部位需与配套五金厂家合作开发。被动式门窗一般采用五金全包结构、防盗五金系统（见图9），提高整窗密封性能的同时门窗安全性能大大增加。

图9 全包结构五金及防盗五金系统

（7）辅配系统开发

配套专用附件（见图10）：中梃插接件（外置或内置）及密封垫片、玻璃槽板（框用、扇用）及玻璃垫板、防尘密封条等。插接部位密封性能完整。

图10 辅配系统

（8）门窗的整窗保温性能

图11 安装使用钢衬计算结果

图12 高保温高强度材料代替钢衬计算结果

图13 高保温增强材料+ 内腔填充保温材料计算结果

采用粤建科门窗热工分析软件计算，计算条件如下：

① 型材厚度88mm，框扇型材叠高122mm，七腔结构，三元乙丙胶条。② 内外空气温度：室内20℃，室外-20℃。

通过热工分析，腔室内填充不同增强衬及保温材料，型材节点传热系数计算结果相差较大（见图11、图12、图13），其节点对应的成窗性能实际结果也不相同。

① 对内腔使用钢衬的节点，节点传热系数为1.15W/( ㎡ •K)（图11），配置传热系数0.7W/( ㎡ •K) 玻璃，能够满足整窗UW ≤ 1.0 W/( ㎡ •K) 要求。② 对内腔只使用高保温高增强材料的节点传热系数为0.95W/( ㎡ •K)（图12），其结果与河北胜达智通新型建材有限公司型材（型材腔室内未添加保温材料）实测数值传热系数为0.92 W/( ㎡ •K)，极其接近。本结构配置传热系数0.7W/( ㎡ •K) 玻璃，其整窗性能为0.9W/( ㎡ •K)，仍不能满足德国被动房研究所被动门窗要求。③ 对于内腔使用高强度高保温增强材料并在增强衬及其他腔室内填充保温材料的节点传热系数为0.78W/( ㎡ •K)（图13），配置传热系数0.7W/( ㎡ •K) 玻璃，其整窗性能为UW ≤ 0.8 W/( ㎡ •K)（完全满足德国被动门窗研究所PHI 被动门窗要求）。本系统产品在配置传热系数为0.52W/( ㎡ •K) 的玻璃，整窗传热系数能够做到0.68W/( ㎡ •K)。笔者认为，通过配置性能更优越的玻璃，而不使用高效保温的型材系统，满足被动式门窗需求，不足取。

4 被动门窗系统需取得的检测报告、认证及荣誉

一款优秀的产品必须是专业的设计，反复的测试，不断改进的产品。胜达88 被动窗TOP-BEST88MD，取得德国被动房研究所(PHI) 认证后，又通过了国内多家检测机构检测，并取得了专业的检测报告及相关认证证书（见图14 ～图18），并入选被动式低能耗建筑产品目录（见图19）。

图14 实用新型专利证书

图15 被动房研究所（PHI）认证

图16 型材检测报告

图17 门窗检测报告

图18 北京康居认证

图19 被动式低能耗建筑产品目录

5 被动门窗安装

门窗安装时广泛流传这样一句话：门窗三分制作，七分安装。被动门窗安装更加复杂与重要。其安装必须经过公式计算并反复验证，考虑墙体材质及安装部位能量损失。根据不同墙体，安装位置不同（见图20），窗户的安装位置直接影响其整体保温性能（见图21）。

（1）被动门窗安装计算( 德国被动房研究所提供)

该计算公式比国内常用计算公式，增加了墙体连接部位的能量损失，其计算结果更加合理。

图20 不同墙体不同的安装形式

图21 门窗安装位置传热性能比较

（2）安装总装图

对于钢筋混凝土墙体，外墙贴覆保温板，被动门窗安装采用外挂式，门窗与建筑物保温层处于同一水平面内。这种安装形式能够有效避免安装部位与建筑物间产生“冷桥”。（见图22）

图22 安装节点

（3）安装连接件

安装连接件需根据型材断面特点专门设计，连接件上预留型材连接孔，其安装螺钉孔位置必须在型材内腔增强衬处，保证连接件与门窗可靠连接，确保安装强度。为减少安装件与墙体产生“冷桥”，设计专门隔热垫片，减少建筑物热量损失。如图23 安装节点，连接件下部需安装隔热垫片。

图23 安装连接件及安装节点

（4）门窗安装膜体的使用

被动门窗使用年限50 年以上，门窗使用过程中受到因温度变化产生的门窗热胀冷缩、墙体不规则沉降等力的作用，造成门窗与墙体之间产生缝隙。被动式门窗为了消除这种缝隙，保障建筑气密性，门窗与墙体安装部位使用专用膜体：室外使用防水透气膜，室内使用防水隔汽膜。（见图24）

图24 室内防水隔气膜

室内防水隔气膜是解决房屋门窗构件与结构连接处的气密性，减少室内潮湿空气渗透入墙体，使墙体部位结露，影响整体建筑物的保温性能。

图25 室外防水透气膜

室外防水透气膜（见图25）作用是防水和透汽，防止安装链接处进水和发霉。安装时与结构有效粘结宽度≥ 30mm，固定连接件处完全包覆，避免热量损失以及水蒸气渗漏腐蚀安装连接件。防水透汽膜与结构粘结要滚压密实，不得有空鼓，黏贴时膜体连接的两构件之间留有余量，防止门窗热胀冷缩或墙体沉降撕裂防水透气膜，影响整窗安装气密性能。

（5）辅框及外置窗台板的安装使用

门窗下部渗水问题，一直困扰门窗制作人与土建承包商。被动式门窗系统，专门在门窗部位的室外侧设计使用铝合金窗台板。该结构让雨水沿着窗台板排出，从而很好地解决了门窗下部漏水问题。被动门窗外置窗台板并不是简单的选择使用，其门窗系统中必须设计专用辅框型材（见图26），满足安装要求。由图27 可见安装使用室外窗台板的建筑墙体外立面干净整洁，没有水渍侵袭。

图26 门窗安装辅框及窗台板

（6）门窗外遮阳系统使用

门窗外遮阳在门窗保温性能中，能够提供15% ～ 20% 的节能效果。现代普通建筑大部分未设计遮阳系统，一般家庭安装内置窗帘满足日常遮阳。对于内置窗帘，其保温隔热性差，占用室内空间。对于被动式建筑选用哪种遮阳，根据不同地区可采用不同结构，并与门窗一体化设计（见图27）。国外建筑遮阳与门窗一体化设计，美观实用，节能效果明显（见图28）。