被动式建筑外窗副框安装方式探究

北京康居认证中心有限公司

郝生鑫、陈旭、王祺、曹恒瑞

2010年至2021年，被动式理念的建筑进入中国的十年中，中国的被动式建筑已经由最初的蹒跚学步，发展到现在年建设量以百万计的建设规模。被动式理念进一步得到认可，中国的建设者开始逐步探索更加适用于中国国情的节点构造、材料、工艺来满足被动式建筑的要求。

在被动式建筑节点当中，外窗的安装一直以来都受到广泛的讨论，在此之前，国内的新建建筑外窗安装全部采用洞口内的安装方式进行安装，而被动式低能耗建筑从开始便采用了固定件外挂的安装方式，随着越来越多的国产被动式门窗的问世，不同的门窗厂商及施工单位不断地探索更为安全，更为经济，施工简便的安装方式。然而，对于追求外围护结构极致热工性能的被动式建筑来说，安装方式的不同，所产生的安装热桥存在很大的不同。

本文选取金属角钢固定外窗的安装方式与外窗副框洞口内、外窗副框洞口外两种安装方式，利用有限元模拟软件THERM进行辅助计算，通过安装热桥的定量对比及定性分析，希望对被动式低能耗建筑中外窗安装节点的选择提供借鉴意义。

1热桥

建筑围护结构热工计算中，由于厚度方向的温度势远大于高度和宽度方向，因此通过围护结构的传热常按一维传热计算。但不可避免存在二维、三维传热，形成热桥。热桥定义为围护结构中热流强度显著增大的部位。

欧盟标准ENISO10211-1中关于建筑热桥定义如下：建筑围护结构热桥是由不同导热性能的材料贯穿或者结构厚度变化或者内外面积的不同(如墙、天花板和地板连接处)而引起的。热桥可以分为线热桥和点热桥，线热桥为沿一个方向具有相同截面的热桥，点热桥为可用一个点热桥系数表示的局部热桥。热桥的存在，增加了单元墙体的平均传热系数，导致热流增大，能耗增加。甚至会导致冬季热桥处内表面温度较低，引起墙体内侧结露甚至发霉，影响室内卫生状况。

2模拟计算依据及模型设定

2.1计算依据

本文依据《民用热工建筑设计规范》GB50176-2016中附录C规定，热桥值采用二维稳态传热计算软件进行计算。热桥线传热系数的计算方法如下：

2.2模型设定

本文模拟用外墙高1.01m，外窗整体高度0.4m，采用常见的200mm厚钢筋混凝土外墙，240mm厚模塑聚苯板作为外保温材料，具体构造做法见表1；模型中其他材料的导热系数以《民用热工建筑设计规范》GB50176-2016为参照，室外环境参数如下：室外计算温度-10℃，墙体外表面对流换热系数为23W/(m²K)；室内计算温度为20℃，墙体内表面对流换热系数为8.7W/(m²K)。

表1外墙构造做法

3外窗安装节点

外窗安装中，上口与侧口的安装方式基本一致，下口的安装节点属于外窗安装中的薄弱点，因此本文选取不同外窗安装方案的上口和下口两个节点进行平行对比。

3.1外窗上口安装节点

图1方案一图2方案二图3方案三

3.1.1方案一：金属角钢洞口外安装(详见图1)

被动窗采用金属角钢+10mm高密度EPS隔热垫片的安装方式进行固定，外保温压被动窗框，窗框外露15mm。

3.1.2方案二：副框洞口内安装(详见图2)

被动窗整体嵌入窗洞口内，窗框外表面与墙体外表面平齐，被动窗与洞口间增设高密度EPS副框固定外窗，副框呈L形，副框覆盖被动窗窗框，窗框外露15mm，外墙外保温覆盖全部副框。

3.1.3方案三：副框洞口外安装(详见图3)

被动窗洞口外安装，采用高密度EPS副框进行固定，副框呈L形，副框覆盖被动窗窗框，窗框外露15mm，外墙外保温覆盖全部副框。

3.2外窗下口安装节点

3.2.1方案一：隔热垫块洞口外安装(详见图4)被动窗洞口外安装，用高密度EPS隔热垫块（垫块厚度50mm）进行固定，外保温压窗框15mm。

3.2.2方案二：副框洞口内安装(详见图5)被动窗整体嵌入窗洞口内，窗框外表面与墙体外表面平齐，被动窗与洞口间增设高密度EPS副框固定外窗，副框呈L形，副框覆盖被动窗窗框15mm，外墙外保温覆盖全部副框。

3.2.3方案三：副框洞口外安装(详见图6)被动窗洞口外安装，采用高密度EPS副框进行固定，副框呈L形，副框覆盖被动窗窗框15mm，外墙外保温覆盖全部副框。

图4方案一图5方案二图6方案三

4安装线传热系数对比分析

应用THERM热工分析软件对三种方案六类节点进行热工模拟分析，分别计算得出六类节点的安装线传热系数进行比较。

4.1窗上口安装节点

在窗上口安装节点中，方案一采用角钢+高密度EPS隔热垫片的固定方式，方案二和方案三采用了高密度EPS型材作副框,副框呈L形包覆至窗框外露15mm（见图1-图3）。

模拟可得方案线热流密度，可计算得出窗上口安装线传热系数（详见表2），图7-图9为THERM热工分析软件所得热流密度图，结合线传热系数表（表2）可知，方案一固定角钢处热流密度较高，但固定角钢整体包覆在外保温内部，其整体线热流密度略小于方案二

和方案三，安装线传热系数最小；方案二副框与外墙交接部位存在一定的热流密度，副框占据了导热系数较高的钢筋混凝土的厚度，其外侧保温厚度基本未受到影响，安装线传热系数较方案一升高19%；方案三热流密度图中热损失主要存在于窗框边沿，但由于副框导热系数较高并占据了外保温空间，同时副框外侧保温厚度减小，其安装线传热系数略高于方案二。

图7方案一图8方案二图9方案三

表 2 窗上口安装线传热系数

4.2窗下口安装节点

窗下口需安装室外侧排水板，窗下口外保温压框宽度较小甚至无法压框，因此窗下口往往成为外窗四周热工性能薄弱位置，本文窗下口方案一采用高密度EPS隔热垫块，外保温压框15mm,方案二、方案三L形高密度EPS副框包覆15mm窗框，外保温覆盖副框（见图4-图6）。

图10方案一图11方案二图12方案三

模拟得方案线热流密度，可计算出窗下口安装线传热系数，由表3可知，方案一线热流密度及安装线传热系数最小，方案三较方案一升高5%，而方案二较方案一，其安装线传热系数升高150%。由THERM热工分析软件所得热流密度图（图10-图12），可以看出，除去外窗本身，方案一和方案三热损失主要出现在窗框底端，而方案二底部热损失的范围要远高于方案一和方案三，同时在副框与外墙交接位置同样出现了比较明显的热流密度，由此可以得出，相同条件下，外窗下口洞口内安装方式的安装线传热系数要远大于洞口外安装。

表3窗下口安装线传热系数

4.3外窗安装方式分析

由以上结果可知，方案一从热工性能上应为最优的安装方式。当采用副框安装时，同样应采用洞口外安装的方式，洞口内安装将会显著提升外窗安装线传热系数。在实际操作过程中，方案一往往会存在一些问题，最突出的问题在于外窗的安装与外墙外保温之间存在衔接与工序问题，一方面影响了工期，另一方面施工现场无法对外窗做到有效地保护，外窗损坏的情况屡见不鲜；同时外窗整体被保温覆盖，后期无法对外窗进行更换。

副框的设置，可以很好地解决这样的问题，在保温施工前仅需完成副框的安装即可，外保温与外窗安装不再冲突，也为后期更换外窗提供了条件。但是副框的安装方式同样存在一些问题，由上述分析可知，副框安装方式，其安装线传热系数要高于方案一；在实际项目中，外墙窗洞口与外窗尺寸应严格匹配，对施工精度及外窗的加工精度有较高要求，副框的安装精度极大地影响后期外窗的安装，需要控制副框施工质量，避免施工的偏差造成外窗无法安装。此外，副框的整体造价也会略高于方案一的安装方式。

5结论

结合本文，可以得出不同的安装方式产生的安装线传热系数存在较大不同，进而影响到外围护结构整体的传热量。被动式低能耗建筑的外围护结构具有优良的热工性能，因此被动式低能耗建筑中外窗安装方式的热桥分析尤为重要，本文仅选取了目前较为典型的三种安装方式进行了模拟计算。在实际项目当中应结合项目的能效分析情况，并综合考虑工期，造价等各方面因素进行比对分析，来确定最优的解决方案。

鉴于此，本研究结论如下：

（1）方案一从安装热桥来看，为最优方案，对保证外围护结构整体的热工性能有积极意义。

（2）洞口外副框的安装方式从施工工序及后期维护方面具有一定的积极意义，但受限于材料问题，满足副框要求的材料导热系数一般大于外墙外保温材料的导热系数，其安装线传热系数会高于方案一，在选择该安装方式时应综合分析比对，选用合适的副框材料进行安装。

（3）洞口内副框安装的方式将对外围护结构整体的热工性能产生较大影响，在实际工程中应当谨慎使用。随着我国节能减排力度的加大，建筑节能势必会越来越受到各方重视，被动式的建筑理念越来越被接受和认可，建筑外围护结构的精细化设计及热工分析需要更多更广泛的推广，以使建筑外围护结构的热工性能达到节能减排的条件。

参考文献

[1]马伊硕,郝生鑫,曹恒瑞.中国被动式低能耗建筑的发展模式和发展趋势[J].建设科技,2020(19):8-12.

[2]中华人民共和国国家标准 民用热工建筑设计规范GB 50176 2016[S].