铝包木窗在被动式超低能耗建筑中的应用分析

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年哥本哈根气候大会，我国政府承诺，争取到2020年中国单位GDP的CO2排放将比2005年下降40%～45%。2015年巴黎气候大会，中国提出将于2030年左右使CO2排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位GDP的CO2排放比2005年下降60%～65%。来自世界可持续发展委员会的调研数据显示：在人类建筑、工业、交通三大能耗中，建筑能耗占比40%，其中门窗产生的相关能耗占建筑总能耗的30%～50%，由此可知：窗能耗占社会总能耗的10%～20%。目前我国北方地区墙体外围护结构的平均K值可以达到1.0W/（m2·K），在部分节能小区可达到0.4W/（m2·K）。我国建筑设计在外墙节能技术应用方面完全可以与先进国家相媲美，但对于建筑门窗的节能性能，大多数仅仅提出使用双玻或三玻两腔中空等概念性的指标，虽然一些节能规范中也已经强调各地区必须达到的窗节能性能指标，但实际上多数整体门窗的K值＞2.5W/（m2·K），甚至＞3.0W/（m2· K）。随着外墙的节能性能逐步提升，门窗的“热洞效应”将越来越突出，门窗的能耗问题也越来越凸显。建筑的外窗是自然采光和通风的重要结构，但也是建筑物外围护结构中热工性能最为薄弱的环节，其好坏直接影响到建筑节能和人们的生活水平。

1 中外建筑节能标准的门窗性能参数对比

整窗的传热系数UW值是门窗最主要的节能指标，UW值越大，单位时间内热量传递越多，门窗的热工性能就越差。反之，UW值越小其热工性能就越好。由于各国的气候条件、建筑形式、发达程度等国情存在差异，各国建筑节能标准对窗的传热系数要求有所不同。特别是2013年哥本哈根气候大会后，各国制定了新的标准：美国规定在2015年前，将不达标门窗全部更换掉，并由国家补贴35美元/m2；德国将门窗标准K值由1.3W/（m2·K）降至1.0W/（m2·K）；瑞士则将门窗标准由1.3W/（m2·K）调至0.7W/（m2·K）；法国要求在2017年将不达标门窗全部更换，到2020年，实现建筑零能耗。

1.1 中国

从我国30%的一步节能、50%的二步节能、65%的三步节能、75%的四步节能政策上看也非常重视窗的节能，UW值在不断降低。以北京为例，1998年实施的50%二步节能对窗户要求很低，UW值达到2.5～4.0W/（m2·K）即可，2007年实施65%二步节能对窗户要求小于2.8W/（m2·K），2013年实施75%三步节能大幅度降低至1.5～2.0W/（m2·K）。在北京的带动下，天津、河北、山东、吉林、新疆也相继进入了节能75%的行列，其余大部分省市仍在执行节能65%的标准。被动式低能耗建筑（简称“被动房”）的推出有利于进一步加快节能产业升级，推动节能建筑得以快速发展。河北省住房和城乡建设厅于2015年2月27日下发了“河北省住房和城乡建设厅关于发布《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》的通知”。山东省和黑龙江省地方标准《被动式低能耗居住建筑设计标准》也相继推出。河北省被动房标准中对门窗的要求是整窗传热系数KW值≤1.0W/（m2·K），玻璃遮阳系数SC＞0.4（即希望得到更多的太阳热能，相当于得热系数＞0.35）。由于检测条件的差异，中国KW值为1.0W/（m2·K）几乎相当于欧洲UW值为0.8W/（m2·K）的标准（表1）。

1.2 德国

欧洲门窗节能的典型代表是德国。德国门窗节能标准变化是中国门窗节能未来的发展方向。德国的传热系数在1995年以前用K值（与中国现行标准一致），后改为U值。1977年德国要求型材传热系数Kf值≤3.5W/（m2·K），1995年降低为1.8W/（m2·K），降幅接近50%；到2002年要求整窗UW值≤1.7W/（m2·K），2009年则降低至1.3W/（m2·K）。在32年的时间里，德国门窗传热系数减低了63%，亦即门窗能耗减少了63%。2010年，德国更是将UW值的标准降低到了1.0W/（m2·K），并要求2020年将降低到0.8W/（m2·K）左右，门窗的传热系数要求向墙体靠近（张君，2011）。

以上对比可以看出，我国建筑节能标准中的窗性能参数较德国仍有一定差距，主要表现在以下几点。（1）均为政府通过节能政策引导，不断提高对门窗保温隔热性能的要求，德国虽然地处纬度较高，但由于受到暖湿洋流的影响，冬季温度要远远高于我国同样纬度的哈尔滨，相当于北京的冬季温度。然而与德国对比，即便是中国最发达的城市之一北京，对门窗的节能标准还是有较大的差距。（2）相对于德国城乡几乎没有差异，地缘差异小的特点，我国城乡之间、城市与城市之间、东西部地区之间对门窗节能的要求极不平衡。即使在中国最北端的北极村，冬季温度可以低至-60℃，新建房屋的窗户也只能达到2.0W/（m2·K）。（3）仅就门窗节能指标方面中德两国的差距，如果通过极端的政策调整在短期内就可以赶上，但更大的差距还在于门窗生产加工企业的整体工业水平上。德国门窗企业很多都迈向了“工业4.0”，自动化CNC（Computer Numerical Control，计算机数字控制机床）加工设备比比皆是，而我国大量的门窗企业还停留在“手工作坊”的生产模式。究其原因，我国长期以来门窗行业主要面向以开发商为主体的工程用户。在房地产市场过热的情况下，开发商以满足最低标准的成本最小化为目标，往往对房屋产品的质量关注不够。因此，大量门窗企业的生产能力也仅能满足市场的最低需求，门窗企业很难形成政府节能指标调整的策动力和推动力。近年来，随着建筑节能、绿色建筑发展，以及国家工业生产力水平的迅速提高，我国有条件也有必要提高门窗的性能指标，从供给侧入手满足人民对美好生活品质的向往。

2 不同类型窗的建筑节能作用比较

整窗的传热系数UW与3个因素有关，分别是中空玻璃的传热系数Ug值、框体的传热系数Uf值以及边部导热系数Ψg值。如果铝合金窗、塑钢窗、铝包木窗采用同样参数的中空玻璃，那么UW差异主要来自于框体的传热系数Uf值（表2）。因为各种材料的窗体都有高性能与低性能的产品差异，所以下文以市场上常见的窗户类型进行节能效果比较，中空玻璃的传热系数Ug值均设定为1.7W/（m2·K）。

3 铝包木窗对我国建筑节能的作用

1990年代初，欧洲出现了铝包木窗，是在现代纯木窗的基础上演变而来的，在纯木窗的外侧罩上一层铝外衣，能够使纯木窗更耐风吹雨淋。而我国铝包木窗类产品占比远远低于欧洲的25%，只有不到3%。近年来随着供给侧改革的深入，为了满足人民对居住环境改善的需求，铝包木窗的占比有快速上升的趋势。由国家政策引导，市场形成了自发的导向机制，为我国建筑节能事业提供了有力的支撑。

3.1 “木”材料的环境意义

木材，自然的生命体，是可循环的资源。地下资源毁坏环境，终将枯竭，而森林只要实施可持续化管理就将取之不尽用之不竭。而且森林是人类的朋友，在生长的过程中像孩子一样贪吃，贪婪地吸收CO2，大量地释放着O2，这是最好的碳吸收和碳储存。年老枯朽的木材如果不及时砍伐，不仅容易引起林火还会腐烂，终将还碳于自然，对人类是有害处的。所以使用FSC（Forest Stewardship Council，森林管理委员会）认证的木材是符合被动房可持续发展的理念的。

表1 我国各主要城市建筑节能标准中窗的传热系数要求比较

表2 不同类型窗的性能参数和节能效果比较［单位：W/（m2·K）］

表3 不同系列、不同材种铝包木窗Uf值对比表[单位：W/（m2·K）]

3.2 铝包木窗的节能性能

木材是天然的保温材料，木材框体保温性能远远超过断热铝合金框体，和塑钢窗框体不分上下。表3以市场上IV68、IV78、IV92系列的纯木窗为例可知，纯木窗的框体Uf值随着木材框体厚度的增加而不断降低，另外在木材框体厚度不变的情况下，随着木材导热系数的不断增加，框体的Uf值也在不断增加。因此可知，框体厚度越厚、木材导热系数越低，保温效果就越好。

表4列举了基于IV68系列产品的铝包木窗的UW值。纵轴为中空玻璃的传热系数（Ug-Wert），分为两玻单腔（2fach-Verglasung）和三玻两腔（3fach-Verglasung）两个部分。横轴为软硬3种木材，木材密度（Holz-Rohdichte）分别为450kg/m3、500kg/m3和700kg/m3，同时又增加了4款中空玻璃间隔条（Glasabstandhalter）的维度。窗型样式设定为框体宽度1.23m、高度1.48m的单框单扇窗（Dlese Werte Dlenen der Orlentlerung fur elne Fenstergrosse）。可以看出，随着中空玻璃的传热系数降低、暖边间隔条的采用都可以降低整窗的传热系数。当采用0.70W/（m2·K）的中空玻璃时，UW值最低可达0.98W/（m2·K）。如果采用0.50W/（m2·K）的中空玻璃，UW值最低可达到0.84W/（m2·K）。德国被动窗认证中规定UW＜0.80W/（m2·K），理论上配置传热系数更低的中空玻璃是可以使UW值降低到0.80W/（m2·K）以下的，但同时被动窗认证中又同时规定了Ψopaq值 的要求，所以单纯降低中空玻璃的Ug值，还不能达到被动窗认证的整体要求。

从图1可以看出，铝包木窗基本是在纯木窗的基础上，在外侧增加保温隔热或在木材框体内增加保温层或孔洞，即俗称三明治木材、蜂窝木等。表5统计了在PHI（Passive House Institute，德国被动房研究所）官方网站上认证的被动窗，铝合金占比最少12%，其次是PVC窗占比18%，包含纯木、铝包木、塑包木等的木窗类占比62%，以绝对优势胜出。可见铝包木窗产品的开发在被动房领域是非常活跃的。

表4 IV68铝包木窗整窗传热系数一览表

表5 各种类型窗产品在PHI认证的数量

表6 选定中空玻璃参数表

图1 获得PHI认证的各种铝包木窗断面示意

图2 被动房气候区划示意

3.3 铝包木窗在我国典型气候区的适用性

我国地缘辽阔，在气候分区上分为5大区，分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。铝包木窗在这5个气候区均有10年以上的应用案例，从目前的实践可见，铝包木窗适用于我国大部分地区。

4 青岛中德生态园被动房技术中心项目应用分析

青岛中德生态园（Sino-German Ecopark）被动房技术中心位于山东省青岛市黄岛区中德生态园内，建筑地上5层，地下2层，层高22.15m，面积13 768.60m2。

根据PHI气候分区（图2）中德生态园属暖温带（warm temperate）气候区，相当于中国建筑气候区划的IIA寒冷地区。

被动房技术中心项目需要通过德国PHI认证，根据不同的功能需求，该项目采用了3款被动式门窗、幕墙产品：Scw60铝包木幕墙（1694m2）、Scw60铝包木采光顶（143m2）、P120铝包木内开窗（119m2）。

该项目所采用的被动式门窗、幕墙产品均通过了PHI建筑组件认证。从产品认证信息（图3、4）可知，门窗、幕墙产品的U-glazing、U-value frames、Ψpaneledge、Ψinstallation值直接影响了PHPP（Passive House Planning Package，被动房规划软件设计包）的计算结果。

建筑能耗不仅取决于外围护结构的U值，g值（总太阳能透射率，是可供室内使用的太阳能总量）也同样起着非常重要的作用。在中德生态园被动房技术中心项目中，根据不同位置和功能需求采用不同的玻璃配置方案（表6）。

为保证建筑立面弧形玻璃的热工及工艺性能，选用了热弯加工性能较好的高透型S1.16Low-E膜，三玻二腔中空结构，膜层位于2#、4#面，既满足热弯加工质量要求，也可以保证建筑整体玻璃颜色的一致性。立面玻璃采用三玻双Low-E中空玻璃和真空复合中空玻璃2种方案，三玻双Low-E中空玻璃可以满足立面大板块分格设计的要求，真空复合中空玻璃有较高的保温性能。

从图5分析可知，中空玻璃安装角度对Ug值有较大的影响。图中数值是采用《建筑门窗玻璃幕墙热工性能计算规程（JGJ/T151－2008）》热工性能计算软件（粤建科MQMC），按青岛工程设计边界条件的计算结果，当中空玻璃的安装角度从90°到0°时，Ug值从0.6W/（m2·K）上升到0.939W/（m2·K），提高了56.5%。

鉴于上述原因，采光顶玻璃采用真空复合夹胶结构（5LOW-E钢化+14Ar暖边+5LOW-E半钢+0.15V（真空）+5半钢+1.52PVB+5半钢），Ug≤0.65W/m2·K。真空部分作为整套方案的核心，具有优良的绝热性，然而室内外巨大温差将使真空玻璃产生较大的表面热应力差，发生玻璃形变与涨缩，增加了真空部分的破裂几率。为避免该问题发生，该项目采用将真空玻璃与单片白玻先组成真空复合夹胶配置后，外侧再中空合片的方案，大大降低了隐患的发生。

PHPP计算结果显示，该项目所采用的被动式铝包木门窗、幕墙产品，很好地满足了青岛中德生态园被动房技术中心项目的热工性能要求。

表7 被动房技术体验中心主楼窗户PHPP计算表

图3 PHI产品认证信息：Scw60

图4 PHI产品认证信息：P120

图5 中空玻璃立装和平装传热系数对比

5 小结

因其优异的保温节能性能，市场对铝包木窗的接受度日趋提高，并呈现出井喷式的增长。相对于政府部门单方面推动建筑节能指标的发展，由市场驱动建筑节能产业的发展则更具有积极主动的活力和创造力。因此，应充分利用市场的无形之手，结合政府相关政策的引导，鼓励铝包木窗事业的发展，最终更新人们的建筑节能意识、提升节能门窗行业的重要性和对企业的关注度，从而实现我国建筑节能产业的高速发展。