passivehouse.kcpc.com.cn 主办：住房和城乡建设部科技与产业化发展中心
1 引言
2014年2月至2016年1月已有20余项省市级政策相继发布实施，鼓励发展被动式超低能耗绿色建筑（以下简称超低能耗建筑）。2016年2月，中共中央国务院发布的《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中明确“发展被动式房屋建筑绿色节能建筑。”国家发展改革委和住房城乡建设部发布的《城市适应气候变化行动方案》中提出“积极发展超低能耗建筑。”由此可见，提升建筑品质发展超低能耗建筑已成为我国政策引领的焦点，同时从侧面反映超低能耗建筑已是我国建筑节能技术的重要方向。
超低能耗建筑主要特征为大幅度提升围护结构热工性能和气密性，同时充分利用可再生能源。建筑用外窗是保证建筑围护结构保温隔热、采光得热及气密性的重要构件，高质量的外窗是实现超低能耗建筑的先决条件[1]，因此超低能耗建筑外窗的研发与生产至关重要。
笔者经过大量的超低能耗建筑外窗试验测试，发现一些产品不能完全满足要求，常出现顾此失彼的现象。
为此，本文通过实践测试，对实际测试中常见性能不满足要求及不兼顾问题展开探讨与研究，并提出相应措施和建议，为超低能耗建筑外窗的优化设计和有效生产提供参考。
2 超低能耗建筑外窗性能要求
为引导超低能耗建筑较好且较快地发展，2015年住房和城乡建设部科技与产业化发展中心发布了《被动式低能耗建筑产品选用目录》( 以下简称“目录”)，“目录”将外窗部分放在首位且对超低能耗建筑外窗用的型材、玻璃、玻璃间隔条及整窗的性能提出了明确要求。以寒冷地区为例，具体见表1所示，其中d为玻璃间隔条材料的厚度，m；λ 为玻璃间隔条材料的导热系数，W/(m·K)。玻璃的外观质量、尺寸偏差、露点、初始气体含量、耐紫外线辐照性能、水气密封耐久性、气体密封耐久性按现行《中空玻璃》GB/T 11944-2012[2] 要求执行。
此外，在通常室内空气湿度下，为防止结露发霉现象，外窗内表面任意位置（包括玻璃边缘）温度不应低于13℃；为避免室内临近外窗区域出现冷辐射现象，保证临近外窗区域的舒适度，在设计条件下外窗内表面平均温度宜高于17℃。
表1 中，标准HB 002-2014、HBZ/T 003-2016 和GB/T 2680-94 为笔者检索的相关标准，并非目录性能要求明确规定标准，仅供参考。
表1 外窗、型材与玻璃间隔条性能要求
| 部品 | 性能指标 | 指标要求 | 相关标准 |
| 整窗 | 传热系数 | K≤1.0W/(m2•K) | GB/T 8484-2008 |
| 气密性能 | 8级 | GB/T 7106-2008 | |
| 水密性能 | 4级 | ||
| 抗风压性能 | 按GB 50009计算 | ||
| 玻璃 | 传热系数 | K≤0.8W/(m2•K) | GB/T 22476 |
| 太阳能总透射比 | g≥0.35 | JGJ/T 151-2008 GB/T 2680-94 HB 002—2014 | |
| 玻璃可见光透射比 | τv≥0.55 | ||
| 光热比 | LSG=τv /g ≥1.25 | ||
| 型材 | 传热系数 | K≤1.3W/(m2•K) | GB/T 8484-2008 |
| 玻璃间隔条 | 导热因子 | ∑(d×λ)≤0.007W/K | HBZ/T003-2016 |
3 整窗性能问题及其措施
据目前测试统计，多数超低能耗建筑外窗在进行传热系数、气密性能、水密性能、抗风压性能测试时，传热系数和气密性能基本能满足要求；抗风压性能失败较少，通常抗风压性能失败原因是由于受力杆件过长、窗型分格设计及未做抗风压强度计算的缘故；水密性能问题较为突出，常见水密性能失败现象主要有：（1）开启缝漏水；（2）玻璃压条漏水；（3）型材拼缝处漏水，如图1（a、b、c）所示，具体分析如下。
a.开启缝漏水
b.玻璃压条漏水
c.型材拼缝处漏水
图1 常见3 种水密性能失败现象
针对以上3 种常见水密性能失败现象，对应的常见问题汇总如下：
（1）外窗排水系统问题，例如未打排水孔，或是玻璃四周填充保温材料导致排水通道堵塞如图2 所示。
a.错误做法
b.正确做法
图2 玻璃四周填充保温材料
（2） 五金件调试不当，密封胶条弹性不足、压缩量小、等压胶条的搭接量不足和胶条组角未作焊接或密封处理。
（3）未做等压平衡孔，导致进入第一道腔体（靠近室外侧腔体）内的水难以排出。
（4）室外侧采用干法密封时，密封胶条的选型不当，导致水从玻璃四周的胶条位置进入。
（5）型材组角处密封处理措施不当。以上常见问题可归结为设计和工艺生产，因此应从设计和工艺两方面入手改善水密性能。设计方面，外窗应设计良好的排水系统，且其他组件不应与其产生干涉，并综合考虑排水孔的位置、数量、高度、开孔形式和有无扣盖等；根据等压平衡原理，设计大小合适的等压平
衡孔，以确保进入第一道腔体的水通过自身重力由排水孔排除；选择弹性和耐久性良好的密封胶条。工艺方面，等压胶条组角须焊接或密封良好，玻璃密封胶条拐角须接近90°直角并将玻璃和型材紧密贴合；型材组角必须进行密封处理，组装时可采用拼缝注胶等方式进行密封；必要时对不同截面型材拼接缝用密封胶进行密封处理。
4 玻璃K、τv 与g 兼顾问题及其措施
外窗对超低能耗建筑来说不仅要起到保温隔热的作用，还要起到采光、得热的作用。保温隔热主要由传热系数K 衡量，采光由可见光透射比τv 衡量，得热由太阳能总透射比g 衡量。影响外窗K、τv 和g 的主要因素有玻璃层数、Low-E 膜层、填充气体、型材材质、框窗比（框面积/ 整窗面积）、截面设计及开启方式等。
玻璃作为外窗重要的组成部分，是外窗传热系数K、可见光透射比τv 及太阳能总透射比g 的决定性因素。如果要保证玻璃传热系数K ≤ 0.8W/(m2·K)，那么玻璃应选用三玻两腔Low-E 中空玻璃或是真空Low-E 玻璃，且中空层需填充惰性气体（一般填充Ar），填充比例应至少85%，填充比例高低与K 值成正比。对于三玻两腔Low-E 中空玻璃，通常需有两面镀双银Low-E 膜才能满足K 值要求。玻璃的τv 和g 主要由玻璃原片、颜色及Low-E 膜有关。
测试发现，多数企业在采用Low-E 玻璃时，并未考虑K、τv 和g 三者的兼顾，而是仅考虑K 值。为了降低K 值，使用多层Low-E 膜，而膜层数越多K 值越低，但同时g 值和τv 值也在降低。事实上，严寒和寒冷地区应以冬季获得太阳辐射量为主，g 值应尽量选上限，同时兼顾夏季隔热。
为综合考虑玻璃K、τv 和g 值，充分利用自然光照，保证3 种参数满足寒冷地区要求，应采取以下措施：（1）Low-E 中空玻璃采用三玻两腔，膜层数宜为2层，膜层应在第2 面和第5 面（从室外向室内数），如图3a 所示，或第3 面和第5 面，如图3b 所示。其中在第3 面和第5 面时可获得较好的g 值（应对玻璃进行钢化处理，以减少中间层玻璃的破碎危险）；采用真空玻璃需将真空侧朝向室内侧安装以达到保温隔热的目的，应在第4 面镀Low-E 膜，即在真空层内侧。（2）为提升τv 和g 值，普通白玻宜用超白玻，Low-E 玻璃宜使用高透Low-E 玻璃。
图3 三玻两腔中空玻璃示意图
5 外窗舒适度问题及解决措施
被动房室内环境全年处于舒适状态，并规定：（1）室内温度宜为20℃～ 26℃，超出该温度范围的频率不宜大于10%；（2）室内相对湿度宜为35% ～ 65%；（3）围护结构非透明部分内表面温差不得超过3℃，围护结构内表面温度不得低于室内温度3℃；（4）门窗的室内侧不得出现结露现象（当室内温度低于13℃时，可能引发结露现象）。
测试时，当设置室内温度为20℃、室外侧为-20℃、湿度为40% ～ 50% 时，外窗室内侧玻璃四周密封胶或是密封胶条处经常出现严重的结露现象，且温度较低，越靠接边缘温度越低，密封胶或密封胶条处温度最低，最低温度仅为5.6℃，测试中采集的红外摄像仪拍摄照片如图4。
图4 测试中外窗室内侧温度分布
温度低是由于玻璃边框有热桥而导致玻璃边框热量大量散失，温度降低。为减少热桥效应，可采取以下措施：（1）增加玻璃在框内的安装深度；（2）应采用暖边间隔条，减少热桥效应。
本文利用MQMC- 标识版软件，采用冬季标准计算条件，以65 系列内平开塑料窗上左边框节点为例对玻璃在框内不同的安装深度及相同安装深度时分别采用暖边和冷边玻璃间隔条进行了模拟计算，结果如图5 所示.
a.玻璃在框内安装为 17mm
b.玻璃在框内安装为19mm
c.玻璃在框内安装为21mm
d.玻璃在框内安装为17mm，采用TGI 暖边玻璃间隔条
图5 不同条件下框节点模拟图
如图5a ～图5d 分别设置安装深度分别为17mm、19mm、21mm、17mm，通过等温线可判断各对应胶条处温度分别约为5℃、6℃、7℃、8℃。
由上述可知，随着玻璃在框内安装深度的增加，玻璃四周胶条处的温度呈上升趋势；采用玻璃暖边间隔条时可明显提升玻璃四周温度，单节点提升约为3℃。
由此可见，增加玻璃在框内安装深度和使用暖边间隔条可有效减少玻璃边框热桥效应，提升玻璃四周温度。
对于型材及玻璃间隔条，在寒冷地区超低能耗建筑窗用型材传热系数K ≤ 1.3W/(m2·K)，对于隔热铝合金型材一般较难达到要求（通常隔热条高度要达到54mm才能满足要求），宜采用未增塑聚氯乙烯、木材、复合材料等保温性能较好的材料，对于未增塑聚氯乙烯塑料型材通常需在6 腔以上；木质型材或铝包木型材，实木厚度通常不低于78mm。玻璃间隔条，一般采用暖边间隔条可使其导热因子不高于0.007 W/K。
6 结论
本文以寒冷地区为例，系统介绍了超低能耗建筑外窗的性能要求，结合测试经验对超低能耗建筑外窗主控性能进行了探讨，现得出以下结论：
(1) 超低能耗建筑外窗传热系数、气密性能及抗风压性能已基本能满足要求，但水密性能问题较突出。本文从设计方面和工艺方面入手，对水密性能常见问题及相应改进措施做了详细介绍，所提改进措施已在实践中得到良好的应用。
(2) 玻璃传热系数K、可见光透射比τv 与太阳能总透射比g 各单项性能要求已不是问题，但三者的兼顾仍旧困扰企业。本文提出选用Low-E 玻璃时选用高透Low-E 玻璃，且白玻玻璃选用超白玻璃，可使三者的兼顾问题得到很好地解决。
(3) 超低能耗建筑临近外窗区域冷辐射及外窗玻璃四周结露现象较为常见，直接影响超低能耗建筑的舒适度，究其原因是玻璃边框有热桥。本文借鉴国外经验，提出增加玻璃在框内的安装深度和采用暖边间隔条，以提高玻璃边缘温度。
通过测试发现我国技术标准及外窗产品性能和超低能耗建筑还存在一定的差距，现将发现的问题总结如下：
(1) 室内在适宜的相对湿度下，被动式超低能耗建筑外窗室内侧玻璃四周抗结露性能缺乏明确且完整的标
准进行考量，是否可借鉴《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484-2008[3] 中抗结露因子测试方法对外窗抗结露性能进行评价。
(2) 依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008[4]，玻璃和窗框是影响外窗太阳能总透射比的两个关键因素。为准确获取超低能耗建筑透过外窗的得热量，太阳能总透射比应考量外窗整体，而非仅考虑外窗透明部分。
(3) 型材传热系数测试方法规定采用GB/T 8484-2008 附录F，而附录F 为资料性附录，其测试的准确性和不确定度有待研究。
(4) 玻璃暖边间隔条多样化，暖边间隔条导热因子的符合性急需验证。此外，测试需采用或参照的标准及方法应给出明确要求。
(5) 被动式建筑室内外温差较大，严寒和寒冷地区尤其突出。
在采用木质入户门时，因室内外两侧温差较大，势必产生不同程度的变形，影响建筑整体的气密性，故应增加门两侧在不同气候下的变形指标进行考量。
(6) 德国超低能耗建筑外窗采用模拟计算的认证模式，国内是否可在测试的基础上增加模拟计算，双向把控外窗质量。
(7) 国内相关标准或是规范缺少对外窗安装时的传热系数数值变化的要求。
参考文献：
[1] 贝特霍尔德•考夫曼, 沃尔夫冈•费斯特. 德国被动房设计和施工指南[M]. 中国建筑工业出版社, 2015.
[2] GB/T 11944-2012 《中空玻璃》[S].
[3] GB/T 8484-2008 《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》[S].
[4] JGJ/T 151-2008 《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》[S].
作者：
北京建筑材料检验研究院有限公司 茜彦辉、谷秀志、王东旭、贾振胜、马涛
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