铝窗系统在被动式建筑中大量应用的可行性

1 引言

建筑门窗行业目前能够称为“节能门窗”的有三大类：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外乎这三大类。在欧美市场上，将这三种门窗进行细分，多层住宅建筑多以塑窗为主，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和地区的做法，唯一不同的是由于传统审美和使用习惯的沿袭，我国多层建筑大多也使用铝窗。

铝窗自20 世纪90 年代传入我国，发展至今已经经历了将近20 年，如今在我国建筑门窗市场上的占有率高达55% 以上。随着我国房地产迅猛发展年代的结束，房地产开发行为进入了理性的年代，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不足，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，铝窗依旧会在这三类门窗中占有绝大部分比例。那么，铝窗究竟能否满足被动式建筑的要求呢？

2 德国被动房研究院（PHI）的要求

我们知道，德国被动房研究院（PHI）对于满足被动式建筑的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。根据PHI 原则，气候带被分为7 类（见图1）。我国气候带的分布却有着异于其他国家的问题，由于我国南北东西跨度较大，占了6 类分布带，而且气候带分布较为复杂：在北方地区，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（Cold），东北三省的辽宁、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（Cool，temperate）；北至山东南到闽北，西至川西，被分入亚温带地区气候带（Warm，temperate）；云南单独被划入温带地区气候带（Warm）；广西南部、广东、海南以及闽南地区被分入亚热带气候带（Hot）；台湾省被列为热带气候带（Very hot）。面对如此复杂的气候带分布，我们认为铝窗就其材质而言，相对于其他两种材料有着应对多种复杂气候环境的优势。本文主要讨论在寒冷地区气候带（Cool，temperate）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。

寒冷地区气候带（Cool，Temperate）覆盖了我国华北平原的大部分地区。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）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，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 全球气候带分布图

3 使用铝窗系统在被动式建筑标准下的优势及劣势

第一，我们认为铝窗系统完全能够满足被动式建筑的各项要求；第二，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；第三，铝合金材料材质及表面处理后的抗腐蚀能力远高于木材；第四，铝合金材料的抗弯强度、抗疲劳强度远高于PVC 材料；第五，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，因而隔热断桥的品质就直接成为铝合金窗系统的核心问题。但这在铝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

图2 使用250mm 外墙保温系统的铝合金窗系统安装节点

图3 使用180mm 外墙保温系统的铝合金窗系统安装节点

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是否会出现变化，大断桥在使用过程中受力出现衰减是否会对整窗的密闭性能产生影响，对于这些问题我们还没有系统的研究数据。这尚且是在整窗环节，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的安装节点，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，但是这违背了PHI 对于整窗安装优化的等温线理论的诠释。

5 GM-100Passiv 铝窗系统的解决方案

我们认为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 隔热断桥无法满足被动式建筑对整窗传热系数的要求。所以，我们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的共同作用，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PA66 断桥材料本身的衰减性对整窗强度的影响，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

我们采用39mm泰诺风隔条，结合外保温型材设计，将整窗传热系数控制在K=0.83W/（m²·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（如图5、图6 所示），我们总结出了一整套完善的、满足被动式建筑要求的铝合金门窗系统解决方案。铝合金窗系统检测数据如表1。

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1

图6 被动式建筑门窗墙体施工节点2

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，我们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 系统在安装的时候，将德国安所化工（ISO Chimie）出品的ISO-Top Winframer System Bracket 80/80 防潮垫木用作窗下口安装（如图7 所示），室内和室外对所有不同材料的接口部位使用ISO-Connect Inside FD 和 ISO-Connect outside FD防水雨布进行粘贴裹附（如图8、图9 所示）。

图7 德国安所化工的防潮垫木

图8 ISO-Connect Inside FD 防水雨布

图9 ISO-Connect outside FD 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，我们用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，它却是持续上升的（图11）。

图10 建筑部品的发展曲线

图11 建筑部品发展曲线2

所以在我们看来，铝窗系统绝不会随着时代的脚步而被埋入坟墓；相反，随着技术的革新，产业的升级，更多优质的铝合金窗系统会如雨后春笋般地涌现，在被动式建筑领域得到大量的推广和应用是绝对可行和必行的。

作者

天津市格瑞德曼建筑装饰工程有限公司  沈乐维