中国被动式铝合金用窗研发

李进+刘军+刘永亮

1前言

被动式房屋（Passive House）是欧洲倡导的一种新型节能建筑，在欧洲尤其是德国的发展较为迅速，这正是得益于德国政府重视节能。德国的门窗节能规范要求高，目前北京执行的75%节能标准规定为整窗值小于2.0 W/（m2·K），落后德国整整20年。在中国大力推行建筑节能工作的时候，被动房成为一个很重要的平台。被动房的研发和推广对我国建筑节能政策的推进和门窗节能技术的提升有着非常重要的意义。

2被动式铝合金用窗的研发

2.1 Rocky110+的研发

作为门窗幕墙行业的节能先锋，泰诺风公司很早就开始关注被动式铝合金用窗的研发和应用，并在欧洲参与了众多企业的开发研究等设计工作，积累了大量的工作经验。2015年泰诺风联合德国诺托配合青岛乐克来新型门窗有限公司共同开发了中国第一款通过德国被动房研究所认证的被动式铝合金用窗，实现了中国被动式铝合金用窗零的突破。

青岛中德生态园是由中德两国政府建设的首个可持续发展示范合作项目，其中被动房项目意在建设被动房中国技术中心，建立相关产业联盟和产业基地。为此，泰诺风和乐克来开始了Rocky110+的研发之路。

开始阶段设计方案使用了=0.5W/（m2·K）的中空玻璃，并搭配使用暖边间隔条，型材复合了54mm的隔热条，模拟计算后得到了整窗值小于0.8 W/（m2·K）的结果。但是后期和PHI沟通中却得知：PHI把全球划分成了7个气候区，每个气候区都有规定的值，青岛对应的气候区只能采用=0.7 W/（m2·K）配置的玻璃。所以想要值小于0.8 W/（m2·K），值也应该小于0.8 W/（m2·K）才能达到PHI的认证要求。

并且，PHI提出了一个新的概念：“值”—不透明部分的线传热系数，计算公式为：

表1 PHI节能评级标准

不透明部分的线传热系数

W/（m·K） 被动房节能等级

≤0.110 PhA

≤0.155 phB

≤0.220 phC

整窗值达标的被动窗是依据通过不透明部分的热量流失进行评级的，其性能等级的影响因素有型材的值、型材可视面积、玻璃边部的线传热系数和玻璃边部周长。根据PHI的节能评级标准，当≤0.110 W/（m·K）时，节能等级评定为A；当≤0.155 W/（m·K）时，节能等级评定为B；当≤0.220 W/（m·K）时，节能等级评定为C。按照这种评级方法，在被动窗开发过程中，仅仅考虑值是不全面的。因为依靠高性能中空玻璃甚至真空玻璃来降低值，以实现值小于0.8 W/（m2·K）的设计，会因为不透明部分线传热系数值超标而降级甚至无法通过认证。所以型材值和玻璃值应该同步提升，共同完成被动窗的设计优化。换言之，被动房用窗追求的是同时兼顾使用优质的型材、玻璃和间隔条，而不是仅仅通过取长补短来实现值达标。

根据计算公式可知，值选用暖边间隔条后，已经无法再大幅降低，且影响比例不足10%。所以要想通过认证必须在值上有所突破，所以笔者就开始了为期半年的研发之路。

为了降低值，最初尝试了增加隔热条的宽度，但是简单的把隔热条从54mm加大到64mm，的改善量不足0.3 W/（m2·K）。中期我们对密封胶条和泡沫填充进行了优化，但是值还是只达到1.0W/（m2·K）左右。后期，我们对型材结构和密封胶条进行了大幅升级调整，并且使用了导热系数更低的发泡进行填充，使值达到了0.888W/（m2·K）。

最后，笔者研究了可视面高度的变化对值的影响，135～168mm部分结果如下表：

表2 可视面高度的变化对值得影响

可视面高度 Uf Uw

135 0.888 0.81 0.153

145 0.854 0.8 0.159

155 0.826 0.79 0.165

168 0.797 0.78 0.174

由表2可知：随着可视面高度的增大，值随之下降。结果和我们传统认知是相反的。通过热工模拟和对整窗计算公式的分析，笔者认为主要是因为在传统认知中，玻璃的值一般比值低很多，降低可视面高度可以增大玻璃可视面积占比，有利于降低值。但是被动房用窗值一般会达到0.8 W/（m2·K）左右，和=0.7 W/（m2·K）几乎相差无几，所以“玻璃可视面积占比增加”带来的改善并不大。

为此笔者进行了模拟，通过对比两份热工计算书的数据我们可以发现，可视面高度从135mm提高到168mm后，的计算结果增大了0.0507 W/K，的计算结果减小了0.0972 W/K，减小了0.0047 W/K，结果减小了0.0513 W/K。带入公式计算，

值减小了0.0282 W/（m2·K）。

最终，我们选用了168mm的可视面高度。它的值达到了0.797 W/（m2·K），整窗值达到了0.78 W/（m2·K），满足德国被动房研究所的要求。

注：图片来自德国被动方研究所（PHI）

图1 德国被动房部件认证书截图

2.2 被动房用窗标准

我国还没有全国或气候区性的被动房窗标准可以执行，仅有河北省制定了被动房地方标准。而我国有严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和5个气候区域，每个气候区的温度、湿度、风速、日照等因素存在较大差异。被动窗的标准应因地制宜，参考现行的中国节能设计标准，进行分区域制定。

笔者研究了德国被动房研究所给出的气候分区，PHI主要把中国分成了三大气候区：

严寒地区：黑龙江、吉林、内蒙古、宁夏、青海

寒冷地区：北京、天津、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、新疆、西藏

温暖地区：山东、河南、江苏、安徽、浙江、江西、湖南、湖北、四川、贵州、广西

注：图片来自德国被动方研究所（PHI）

图2 被动房的气候分区

对应的气候区整樘窗的值、安装后传热系数值和玻璃的值要求如下表所示：

表5 被动房性能要求

Arctic 0.4 0.45 0.35

Cold 0.6 0.65 0.52

Cool， temperate 0.8 0.85 0.7

Warm 1.0 1.05 0.9

根据表5可知：按照PHI的划分，我国除东北三省、内蒙古和青海，我国主要被动房使用的是值为0.8 W/（m2·K）和1.0 W/（m2·K）这两种配置的被动窗，前文主要讨论了0.8 W/（m2·K）配置的被动窗，下文笔者简述1.0 W/（m2·K）配置的被动窗。

2.3 Rocky110系列的开发

适用在寒冷地区的值为0.8 W/（m2·K）的被动窗通过PHI认证后，青岛乐克来新型门窗有限公司又提出了开发适用在温暖地区的值为1.0 W/（m2·K）的被动窗。我们试用前文提及的135mm 可视面高度的方案。它的值达到了0.888 W/（m2·K），配上值为0.9 W/（m2·K）的玻璃，整窗值达到了0.94 W/（m2·K），轻松地满足德国被动房研究所的要求，并且达到了phB级别的节能评级认证。

注：图片来自德国被动方研究所（PHI）

图3 德国被动房部件认证书截图

3结束语

目前我国的节能建筑发展蒸蒸日上，但是在技术标准和产品性能方面和被动房还存在很大差距。随着被动房在中国的迅速普及和大力推广，被动窗的研发和推广也势在必行。Rocky110+被动用窗的研发打破了国产铝合金窗无法满足被动房需求的言论，减少房建项目碳排放，开创了节能建筑事业的新篇章。

【中图分类号】TU228

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2016）04-0054-03