鋁包木窗在被動式超低能耗建筑中的應用分析

王 勇 李 珂/ WANG Yong, LI Ke

EINSATZ VON HOLZ-ALUMINIUMFENSTERN IM PASSIVHAUS-BEREICH

THE APPLICATION ON WOOD-ALUMINUM WINDOWS IN PASSIVE ULTRA-LOW ENERGY BUILDINGS

2009年哥本哈根氣候大會，我國政府承諾，爭取到2020年中國單位GDP的CO2排放將比2005年下降40%～45%。2015年巴黎氣候大會，中國提出將于2030年左右使CO2排放達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)，2030年單位GDP的CO2排放比2005年下降60%～65%。來自世界可持續(xù)發(fā)展委員會的調研數(shù)據顯示：在人類建筑、工業(yè)、交通三大能耗中，建筑能耗占比40%，其中門窗產生的相關能耗占建筑總能耗的30%～50%，由此可知：窗能耗占社會總能耗的10%～20%。目前我國北方地區(qū)墻體外圍護結構的平均K值可以達到1.0W/（m2·K），在部分節(jié)能小區(qū)可達到0.4W/（m2·K）。我國建筑設計在外墻節(jié)能技術應用方面完全可以與先進國家相媲美，但對于建筑門窗的節(jié)能性能，大多數(shù)僅僅提出使用雙?；蛉汕恢锌盏雀拍钚缘闹笜?，雖然一些節(jié)能規(guī)范中也已經強調各地區(qū)必須達到的窗節(jié)能性能指標，但實際上多數(shù)整體門窗的K值＞2.5W/（m2·K），甚至＞3.0W/（m2· K）。隨著外墻的節(jié)能性能逐步提升，門窗的“熱洞效應”將越來越突出，門窗的能耗問題也越來越凸顯。建筑的外窗是自然采光和通風的重要結構，但也是建筑物外圍護結構中熱工性能最為薄弱的環(huán)節(jié)，其好壞直接影響到建筑節(jié)能和人們的生活水平。

1 中外建筑節(jié)能標準的門窗性能參數(shù)對比

整窗的傳熱系數(shù)UW值是門窗最主要的節(jié)能指標，UW值越大，單位時間內熱量傳遞越多，門窗的熱工性能就越差。反之，UW值越小其熱工性能就越好。由于各國的氣候條件、建筑形式、發(fā)達程度等國情存在差異，各國建筑節(jié)能標準對窗的傳熱系數(shù)要求有所不同。特別是2013年哥本哈根氣候大會后，各國制定了新的標準：美國規(guī)定在2015年前，將不達標門窗全部更換掉，并由國家補貼35美元/m2；德國將門窗標準K值由1.3W/（m2·K）降至1.0W/（m2·K）；瑞士則將門窗標準由1.3W/（m2·K）調至0.7W/（m2·K）；法國要求在2017年將不達標門窗全部更換，到2020年，實現(xiàn)建筑零能耗。

1.1 中國

從我國30%的一步節(jié)能、50%的二步節(jié)能、65%的三步節(jié)能、75%的四步節(jié)能政策上看也非常重視窗的節(jié)能，UW值在不斷降低。以北京為例，1998年實施的50%二步節(jié)能對窗戶要求很低，UW值達到2.5～4.0W/（m2·K）即可，2007年實施65%二步節(jié)能對窗戶要求小于2.8W/（m2·K），2013年實施75%三步節(jié)能大幅度降低至1.5～2.0W/（m2·K）。在北京的帶動下，天津、河北、山東、吉林、新疆也相繼進入了節(jié)能75%的行列，其余大部分省市仍在執(zhí)行節(jié)能65%的標準。被動式低能耗建筑（簡稱“被動房”）的推出有利于進一步加快節(jié)能產業(yè)升級，推動節(jié)能建筑得以快速發(fā)展。河北省住房和城鄉(xiāng)建設廳于2015年2月27日下發(fā)了“河北省住房和城鄉(xiāng)建設廳關于發(fā)布《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》的通知”。山東省和黑龍江省地方標準《被動式低能耗居住建筑設計標準》也相繼推出。河北省被動房標準中對門窗的要求是整窗傳熱系數(shù)KW值≤1.0W/（m2·K），玻璃遮陽系數(shù)SC＞0.4（即希望得到更多的太陽熱能，相當于得熱系數(shù)＞0.35）。由于檢測條件的差異，中國KW值為1.0W/（m2·K）幾乎相當于歐洲UW值為0.8W/（m2·K）的標準（表1）。

1.2 德國

歐洲門窗節(jié)能的典型代表是德國。德國門窗節(jié)能標準變化是中國門窗節(jié)能未來的發(fā)展方向。德國的傳熱系數(shù)在1995年以前用K值（與中國現(xiàn)行標準一致），后改為U值。1977年德國要求型材傳熱系數(shù)Kf值≤3.5W/（m2·K），1995年降低為1.8W/（m2·K），降幅接近50%；到2002年要求整窗UW值≤1.7W/（m2·K），2009年則降低至1.3W/（m2·K）。在32年的時間里，德國門窗傳熱系數(shù)減低了63%，亦即門窗能耗減少了63%。2010年，德國更是將UW值的標準降低到了1.0W/（m2·K），并要求2020年將降低到0.8W/（m2·K）左右，門窗的傳熱系數(shù)要求向墻體靠近（張君，2011）。

以上對比可以看出，我國建筑節(jié)能標準中的窗性能參數(shù)較德國仍有一定差距，主要表現(xiàn)在以下幾點。（1）均為政府通過節(jié)能政策引導，不斷提高對門窗保溫隔熱性能的要求，德國雖然地處緯度較高，但由于受到暖濕洋流的影響，冬季溫度要遠遠高于我國同樣緯度的哈爾濱，相當于北京的冬季溫度。然而與德國對比，即便是中國最發(fā)達的城市之一北京，對門窗的節(jié)能標準還是有較大的差距。（2）相對于德國城鄉(xiāng)幾乎沒有差異，地緣差異小的特點，我國城鄉(xiāng)之間、城市與城市之間、東西部地區(qū)之間對門窗節(jié)能的要求極不平衡。即使在中國最北端的北極村，冬季溫度可以低至-60℃，新建房屋的窗戶也只能達到2.0W/（m2·K）。（3）僅就門窗節(jié)能指標方面中德兩國的差距，如果通過極端的政策調整在短期內就可以趕上，但更大的差距還在于門窗生產加工企業(yè)的整體工業(yè)水平上。德國門窗企業(yè)很多都邁向了“工業(yè)4.0”，自動化CNC（Computer Numerical Control，計算機數(shù)字控制機床）加工設備比比皆是，而我國大量的門窗企業(yè)還停留在“手工作坊”的生產模式。究其原因，我國長期以來門窗行業(yè)主要面向以開發(fā)商為主體的工程用戶。在房地產市場過熱的情況下，開發(fā)商以滿足最低標準的成本最小化為目標，往往對房屋產品的質量關注不夠。因此，大量門窗企業(yè)的生產能力也僅能滿足市場的最低需求，門窗企業(yè)很難形成政府節(jié)能指標調整的策動力和推動力。近年來，隨著建筑節(jié)能、綠色建筑發(fā)展，以及國家工業(yè)生產力水平的迅速提高，我國有條件也有必要提高門窗的性能指標，從供給側入手滿足人民對美好生活品質的向往。

2 不同類型窗的建筑節(jié)能作用比較

整窗的傳熱系數(shù)UW與3個因素有關，分別是中空玻璃的傳熱系數(shù)Ug值、框體的傳熱系數(shù)Uf值以及邊部導熱系數(shù)Ψg值。如果鋁合金窗、塑鋼窗、鋁包木窗采用同樣參數(shù)的中空玻璃，那么UW差異主要來自于框體的傳熱系數(shù)Uf值（表2）。因為各種材料的窗體都有高性能與低性能的產品差異，所以下文以市場上常見的窗戶類型進行節(jié)能效果比較，中空玻璃的傳熱系數(shù)Ug值均設定為1.7W/（m2·K）。

3 鋁包木窗對我國建筑節(jié)能的作用

1990年代初，歐洲出現(xiàn)了鋁包木窗，是在現(xiàn)代純木窗的基礎上演變而來的，在純木窗的外側罩上一層鋁外衣，能夠使純木窗更耐風吹雨淋。而我國鋁包木窗類產品占比遠遠低于歐洲的25%，只有不到3%。近年來隨著供給側改革的深入，為了滿足人民對居住環(huán)境改善的需求，鋁包木窗的占比有快速上升的趨勢。由國家政策引導，市場形成了自發(fā)的導向機制，為我國建筑節(jié)能事業(yè)提供了有力的支撐。

3.1 “木”材料的環(huán)境意義

木材，自然的生命體，是可循環(huán)的資源。地下資源毀壞環(huán)境，終將枯竭，而森林只要實施可持續(xù)化管理就將取之不盡用之不竭。而且森林是人類的朋友，在生長的過程中像孩子一樣貪吃，貪婪地吸收CO2，大量地釋放著O2，這是最好的碳吸收和碳儲存。年老枯朽的木材如果不及時砍伐，不僅容易引起林火還會腐爛，終將還碳于自然，對人類是有害處的。所以使用FSC（Forest Stewardship Council，森林管理委員會）認證的木材是符合被動房可持續(xù)發(fā)展的理念的。

表1 我國各主要城市建筑節(jié)能標準中窗的傳熱系數(shù)要求比較

表2 不同類型窗的性能參數(shù)和節(jié)能效果比較［單位：W/（m2·K）］

表3 不同系列、不同材種鋁包木窗Uf值對比表[單位：W/（m2·K）]

3.2 鋁包木窗的節(jié)能性能

木材是天然的保溫材料，木材框體保溫性能遠遠超過斷熱鋁合金框體，和塑鋼窗框體不分上下。表3以市場上IV68、IV78、IV92系列的純木窗為例可知，純木窗的框體Uf值隨著木材框體厚度的增加而不斷降低，另外在木材框體厚度不變的情況下，隨著木材導熱系數(shù)的不斷增加，框體的Uf值也在不斷增加。因此可知，框體厚度越厚、木材導熱系數(shù)越低，保溫效果就越好。

表4列舉了基于IV68系列產品的鋁包木窗的UW值。縱軸為中空玻璃的傳熱系數(shù)（Ug-Wert），分為兩玻單腔（2fach-Verglasung）和三玻兩腔（3fach-Verglasung）兩個部分。橫軸為軟硬3種木材，木材密度（Holz-Rohdichte）分別為450kg/m3、500kg/m3和700kg/m3，同時又增加了4款中空玻璃間隔條（Glasabstandhalter）的維度。窗型樣式設定為框體寬度1.23m、高度1.48m的單框單扇窗（Dlese Werte Dlenen der Orlentlerung fur elne Fenstergrosse）?？梢钥闯?，隨著中空玻璃的傳熱系數(shù)降低、暖邊間隔條的采用都可以降低整窗的傳熱系數(shù)。當采用0.70W/（m2·K）的中空玻璃時，UW值最低可達0.98W/（m2·K）。如果采用0.50W/（m2·K）的中空玻璃，UW值最低可達到0.84W/（m2·K）。德國被動窗認證中規(guī)定UW＜0.80W/（m2·K），理論上配置傳熱系數(shù)更低的中空玻璃是可以使UW值降低到0.80W/（m2·K）以下的，但同時被動窗認證中又同時規(guī)定了Ψopaq值 的要求，所以單純降低中空玻璃的Ug值，還不能達到被動窗認證的整體要求。

從圖1可以看出，鋁包木窗基本是在純木窗的基礎上，在外側增加保溫隔熱或在木材框體內增加保溫層或孔洞，即俗稱三明治木材、蜂窩木等。表5統(tǒng)計了在PHI（Passive House Institute，德國被動房研究所）官方網站上認證的被動窗，鋁合金占比最少12%，其次是PVC窗占比18%，包含純木、鋁包木、塑包木等的木窗類占比62%，以絕對優(yōu)勢勝出。可見鋁包木窗產品的開發(fā)在被動房領域是非?；钴S的。

表4 IV68鋁包木窗整窗傳熱系數(shù)一覽表

表5 各種類型窗產品在PHI認證的數(shù)量

表6 選定中空玻璃參數(shù)表

圖1 獲得PHI認證的各種鋁包木窗斷面示意

圖2 被動房氣候區(qū)劃示意

3.3 鋁包木窗在我國典型氣候區(qū)的適用性

我國地緣遼闊，在氣候分區(qū)上分為5大區(qū)，分別為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)。鋁包木窗在這5個氣候區(qū)均有10年以上的應用案例，從目前的實踐可見，鋁包木窗適用于我國大部分地區(qū)。

4 青島中德生態(tài)園被動房技術中心項目應用分析

青島中德生態(tài)園（Sino-German Ecopark）被動房技術中心位于山東省青島市黃島區(qū)中德生態(tài)園內，建筑地上5層，地下2層，層高22.15m，面積13 768.60m2。

根據PHI氣候分區(qū)（圖2）中德生態(tài)園屬暖溫帶（warm temperate）氣候區(qū)，相當于中國建筑氣候區(qū)劃的IIA寒冷地區(qū)。

被動房技術中心項目需要通過德國PHI認證，根據不同的功能需求，該項目采用了3款被動式門窗、幕墻產品：Scw60鋁包木幕墻（1694m2）、Scw60鋁包木采光頂（143m2）、P120鋁包木內開窗（119m2）。

該項目所采用的被動式門窗、幕墻產品均通過了PHI建筑組件認證。從產品認證信息（圖3、4）可知，門窗、幕墻產品的U-glazing、U-value frames、Ψpaneledge、Ψinstallation值直接影響了PHPP（Passive House Planning Package，被動房規(guī)劃軟件設計包）的計算結果。

建筑能耗不僅取決于外圍護結構的U值，g值（總太陽能透射率，是可供室內使用的太陽能總量）也同樣起著非常重要的作用。在中德生態(tài)園被動房技術中心項目中，根據不同位置和功能需求采用不同的玻璃配置方案（表6）。

為保證建筑立面弧形玻璃的熱工及工藝性能，選用了熱彎加工性能較好的高透型S1.16Low-E膜，三玻二腔中空結構，膜層位于2#、4#面，既滿足熱彎加工質量要求，也可以保證建筑整體玻璃顏色的一致性。立面玻璃采用三玻雙Low-E中空玻璃和真空復合中空玻璃2種方案，三玻雙Low-E中空玻璃可以滿足立面大板塊分格設計的要求，真空復合中空玻璃有較高的保溫性能。

從圖5分析可知，中空玻璃安裝角度對Ug值有較大的影響。圖中數(shù)值是采用《建筑門窗玻璃幕墻熱工性能計算規(guī)程（JGJ/T151－2008）》熱工性能計算軟件（粵建科MQMC），按青島工程設計邊界條件的計算結果，當中空玻璃的安裝角度從90°到0°時，Ug值從0.6W/（m2·K）上升到0.939W/（m2·K），提高了56.5%。

鑒于上述原因，采光頂玻璃采用真空復合夾膠結構（5LOW-E鋼化+14Ar暖邊+5LOW-E半鋼+0.15V（真空）+5半鋼+1.52PVB+5半鋼），Ug≤0.65W/m2·K。真空部分作為整套方案的核心，具有優(yōu)良的絕熱性，然而室內外巨大溫差將使真空玻璃產生較大的表面熱應力差，發(fā)生玻璃形變與漲縮，增加了真空部分的破裂幾率。為避免該問題發(fā)生，該項目采用將真空玻璃與單片白玻先組成真空復合夾膠配置后，外側再中空合片的方案，大大降低了隱患的發(fā)生。

PHPP計算結果顯示，該項目所采用的被動式鋁包木門窗、幕墻產品，很好地滿足了青島中德生態(tài)園被動房技術中心項目的熱工性能要求。

表7 被動房技術體驗中心主樓窗戶PHPP計算表

圖3 PHI產品認證信息：Scw60

圖4 PHI產品認證信息：P120

圖5 中空玻璃立裝和平裝傳熱系數(shù)對比

5 小結

因其優(yōu)異的保溫節(jié)能性能，市場對鋁包木窗的接受度日趨提高，并呈現(xiàn)出井噴式的增長。相對于政府部門單方面推動建筑節(jié)能指標的發(fā)展，由市場驅動建筑節(jié)能產業(yè)的發(fā)展則更具有積極主動的活力和創(chuàng)造力。因此，應充分利用市場的無形之手，結合政府相關政策的引導，鼓勵鋁包木窗事業(yè)的發(fā)展，最終更新人們的建筑節(jié)能意識、提升節(jié)能門窗行業(yè)的重要性和對企業(yè)的關注度，從而實現(xiàn)我國建筑節(jié)能產業(yè)的高速發(fā)展。