铝窗系统在被动式建筑中大量应用的可行性

1 前言

建筑门窗行业目前能够称之为“节能门窗”的类别有三大类：铝窗、木窗、塑窗；能够满足被动式低能耗建筑标准的门窗也不出这三种类型；在欧美市场上，将这三种门窗类别进行市场细分，多层居住建筑多以塑窗为主，高层、公建多以铝窗为主，低层独立屋（别墅）多以木窗为主，我国多数时候沿袭了欧美国家这个习惯，唯一不同的是由于审美习惯和使用习惯的沿袭，我国多层建筑大多也使用铝窗。

铝窗由上世纪 90 年代传入我国发展至今已经经历了将近 20 年的光景，今天我国建筑门窗市场上铝窗的占有率竟高达 55% 以上。随着我国房地产蛮荒式扩张年代的结束，房地产开发行为进入了理性的年代，我们预计未来随着房地产开发行业的走势，与之息息相关的建筑部品行业包括门窗行业，会从过去低门槛的施工为主转变为研发生产为主，从而带动产业升级。

在全面推广被动式建筑的呼声下，铝窗由于其材质导热性能的牵绊，在门窗领域的市场占比会有下降的可能，但基于我国门窗行业与业主的使用习惯，铝窗依旧会在这三种门窗类别中占有绝大部分比例。那么，铝窗究竟是否能够满足被动式建筑的要求呢？

2 德国被动房研究院（PHI）的要求

德国被动房研究院（PHI）对于满足被动式建筑用窗有着很简单的要求，仅对整窗的 U 值（准确地说是针对窗框的 U 值）进行计算，针对产品所处的气候带。进行甄别；对于气候带的分布，在我国却有着易于其他国家的问题，由于我国南北东西跨度较大，气候带在PHI 的原则中被分为七类（见图 1），我国独占六类，气候带分步较为复杂：在我国北方地区，就分布着两个气候带，黑龙江、吉林两省与内蒙古、青海、宁夏以及西藏北部和新疆西部与北部被共同分入严寒气候带，东三省的辽宁、河北省（含京津）、山西省、陕西省和甘肃省被共同分入寒冷地区气候带；北至山东南到闽北，西至川西，被分入亚温带地区气候带；云南独立为温带地区气候带；广西南部、广东、海南以及闽南地区被分入亚热带气候带；台湾省被列为热带气候带。面对如此复杂的气候带分步，铝窗究其材质而言，对于其他两种材料有着应对多种复杂气候环境的优势。今天，主要讨论在寒冷地区气候带环境中，被动式建筑对门窗的要求以及铝窗是否能够满足这个要求。

在寒冷地区气候带中覆盖着华北平原上的大部分地区，按照 PHI 的要求，这个地区的门窗计算值要满足U 值 ≤0.8，而我国第一部被动式低能耗建筑标准（被动式低能耗居住建筑节能设计标准 DB13J/T177-2015）中对窗的要求是实测数据满足 K 值 ≤1.0、气密性 ≥8 级、水密性 ≥4 级，基于实测数据略低于计算数据的常识以及 K 值本身低于 U 值的原则，再加上我国实验室检测条件要远远比欧美国家实验室检测条件苛刻，较之 PHI偏重理论的计算要求而言，这个标准并非降低了而是在一定程度上有所提高，充分诠释了我国建筑行业标准制定工作践行“实践是检验真理的唯一标准”这一宗旨的工作原则。

图 1 气候带

3 使用铝窗系统在被动式建筑标准下的优势及劣势

首先铝窗系统完全能够满足被动式建筑的各项要求：其一，铝合金材料的热膨胀系数远低于木材与 PVC 材料，这有利于材料的南北运输；其二，铝合金材料材质及表面处理后的抗腐蚀能力远高于木材；其三，铝合金材料的抗弯强度，抗疲劳强度远高于 PVC 材料；其四，铝合金材料加工难度较低，成材率高，饰面多样加工设备成本低，易于推广。但铝合金窗系统的问题也是致命的，就是铝合金材料的导热性能高，大部分情况下窗框传导只能靠断桥来解决，隔热断桥的长度直接影响着铝窗框的隔热性能，而隔热断桥的品质就直接成为了铝合金窗系统的核心问题，但这在铝合金窗系统的材料环节是可以解决的，毕竟有如泰诺风等德国企业生产的PA66 材料能够在一定环境、时间条件下满足整窗安全要求。

4 隔热断桥的大小和强度对整窗各项性能的影响

一般来说，通过 PHI 认证的断桥铝合金窗系统，隔热断桥大都在 60mm 以上，很少有小于 50mm 的断桥铝窗系统通过认证。那么，如果使用这么大的断桥，整窗的其他物理性能会否出现变化，大断桥在使用过程中受力出现衰减会否对整窗的密闭性能产生影响，这个问题还没有系统的研究数据，这还是停留在整窗环节，如果按照被动式建筑要求的方法进行整窗安装，安装后整窗的物理性能（抗形变能力）有可能会再被衰减。图 2 所示是德国某通过PHI 认证的在使用 250mm 外墙保温系统的情况下铝合金窗系统安装节点，红色圈中所示是该系统安装时使用的预埋钢件，为了躲避断桥，窗框与结构预埋件接触的尺寸只有不到整体尺寸的 1/3，而大部分窗框悬挑在结构件外侧，仅用外保温材料进行承托，隔热断桥承担了大量的压力甚至剪切力，这样会不会在安装后出现安全问题？图 3 所示，是该系统在使用 180mm 外墙保温系统的情况下的安装节点，虽然将窗框的部分缩进了结构墙里面，但是这又违背了 PHI 对于整窗安装优化的等温线理论的诠释。

图 2 250mm 外墙保温系统下铝合金窗系统安装节点

图 3 180mm 外墙保温系统下铝合金窗系统安装节点

5 GM-100Passiv 铝窗系统的解决方案

原则上铝窗系统完全能够满足被动式建筑的要求，但在选择铝窗系统隔热断桥材料时，不宜选择过大过长的材料，35 ～ 40mm 是一个比较合理的范围，这样可以保障在外悬挑安装的情况下整窗的安全性，但仅靠35 ～ 40mm 隔热断桥却又无法满足被动式建筑对整窗传热系数的要求，GM-100Passiv 采用了与外墙保温原理相同的铝窗框外保温材料，通过隔热断桥与窗框外保温共同作用，在满足整窗 K 值 ≤0.8 的节能要求的前提下，最大程度地削弱了因为 PA66 断桥材料本身的衰减性对整窗强度带来的影响，提高整窗使用年限，同时有效降低铝合金窗系统在被动式建筑领域应用的成本。图4 所示的 GM 外保温铝窗系统通过外保温与隔热断桥的结合，完全满足整窗在被动式建筑领域应用的各项指标。

图 4 GM 外保温铝窗系统

采用 39mm 泰诺风隔条，结合外保温型材设计，就将整窗传热系数控制在了K=0.83W/（㎡·K）的水平（实测值），结合完整的被动式建筑门窗墙体施工节点方案（图 5，图 6 所示），GM-100Passiv 是满足被动式建筑要求的铝合金门窗系统解决方案。GM-100Passiv 铝合金窗系统检测数据见表 1 所示：

表 1 GM-100Passiv 铝合金窗系统检测数据

图 5 被动式建筑门窗墙体施工节点方案

图 6 被动式建筑门窗墙体施工节点方案

6 关于铝窗系统安装的其他问题

在图 5 和图 6 所示的安装节点中使用的系统配件如结构预埋件、防潮垫木、防水透气膜等，都需要一一匹配。

GM-100Passiv 系统在安装时采用的是德国安所化工（ISO Chimie）出品的 ISO-Top Winframer System Bracket 80/80 防潮垫木用作窗下口安装（见图 7 所示），室内和室外对所有不同材料的接口部位使用 ISO-Con[1]nect Inside FD 和 ISO-Connect outside FD 防水雨布进行粘贴裹附（图 8，图 9）。

图 7 防潮垫木

图 8 防水雨布

图 9 防水雨布

7 总结

综上所述，铝窗系统完全可以满足被动式建筑对外窗包括节能性能、物理性能等各项综合性能在内的要求，关键是如何设计和采用何种配件，现在的建筑部品发展理念来回顾我国上世纪 80 年代使用的空腹钢窗，已经完全不能够满足现行的各种关于门窗的规范了，但是冷弯钢型材制作的钢窗系统却不但能够满足我国各项规范，而且完全满足德国 PHI 对门窗的要求；这充分说明了建筑部品的发展曲线是螺旋向上的，在螺旋的顶端看，似乎曲线画了一个圈又回到了原点（图 10），但是在侧面看，他却是持续上升的（图 11）。