被动式超低能耗建筑外窗技术在寒冷地区的应用研究

王 羽

中铁建工集团有限公司 北京 100070

推动绿色建筑高质量发展已成为趋势，被动式超低能耗建筑作为绿色建筑的代表，具有顺应自然、超低能耗、高舒适性等优势，在严寒和寒冷地区，建筑节能率可达到90%以上，是我国建筑节能发展的重要趋势。

被动式超低能耗建筑与传统建筑做法相比有很大的差异，其施工工艺更加复杂，对施工程序和质量的要求也更加严格。外窗作为影响超低能耗建筑节能效果的关键部位，其热损失可高达建筑外围护结构整体热损失的50%[1-2]。因此，研究外窗在寒冷地区的设计和安装技术，通过降低窗户的热损失、提高窗户的得热量，对降低能耗具有重要意义。

1 外窗设计要点

1.1 参数设计

整窗的传热系数（K）和气密性直接决定了建筑外窗的保温性能，通过建筑物外门窗冷风渗透是寒冷地区冬季热损失的一个重要渠道，外窗气密性的好坏直接影响着建筑整体的保温性能；太阳得热系数（SHGC）则体现了建筑外窗的隔热性能，寒冷地区的建筑外窗以冬季获得太阳辐射为主，因此SHGC值应尽量选上限，同时兼顾夏季隔热的需求。

以上影响建筑能耗的主要参数，应通过性能化方法进行优化设计和选择。一般情况下，寒冷地区外窗的传热系数K可取0.80～1.50 W/（m2·K），太阳得热系数SHGC值冬季≥0.45，夏季≤0.30。

1.2 关键材料及产品设计

目前北京、天津等地区执行节能75%的标准，传热系数K≤2.0 W/（m2·K），远高于被动式建筑对门窗传热系数的要求。被动式超低能耗建筑对外窗的构造及材料的选择有着更高的要求。

外窗的玻璃配置应考虑玻璃层数、Low-E膜层、真空层、惰性气体和边部密封构造等加强玻璃保温隔热性能的措施。寒冷地区采用3层Low-E玻璃，中空部分填充超过85%的稀有气体（一般为氩气），有效平衡窗户的得热与热损失，与普通中空玻璃相比，Low-E中空真空玻璃的传热系数可降低约2.0 W/（m2·K）。

除玻璃外，外窗框的保温性能也非常重要，外窗型材主要采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材、隔热铝合金型材等保温性能较好的材料，通过增加腔体数量、增加型材厚度、填充保温材料等来提高保温性能，常规窗框的传热系数是典型的3层玻璃保温窗的2倍多；与传统铝合金间隔条相比，中空玻璃采用暖边间隔条，有效减少了窗体自身热桥的产生。普通双层玻璃铝合金外窗如图1所示，3层玻璃节能保温窗如图2所示。

图1 普通双层玻璃铝合金外窗

图2 3层玻璃节能保温窗

2 外窗节点连接形式

被动式超低能耗建筑的外窗连接方式包括外挂、半外挂、内嵌这3种形式。其中外挂式节点安装形式是安装角钢一侧与窗洞口外侧墙面固定，另一侧与成品窗框连接，窗底部通过隔热垫木支承的一种连接方式，窗框内表面与结构外表面齐平，具有安装方便、窗户大部分包裹在保温层内、热工性能好等特点，应用广泛。但外挂式节点安装方式也存在一些问题，例如工人需在室外安装、洞口安装连接件工作量较大、有些情况洞口位置不适宜安装连接角钢等。

魏贺东等[3]研究了一种半外挂式的安装方式，将窗的主要受力部位置于结构洞口内，将主要起保温的部位或冷腔置于保温层中，该方式可减少室外作业和埋件的安装等，但其节能效果略低于外挂式连接方式。对于外墙采用轻质保温材料、不宜安装固定五金件、不宜承受悬挑荷载等的情况，同样可以采用内嵌式的安装方法，但该方法热工性能较差，热工计算必须满足设计要求。目前其他2种安装技术应用较少，兼顾外窗安装与节能的最佳方案，有待进一步研究。

3 外窗安装常见问题及解决措施

3.1 外窗自身质量问题

存在问题：随着人们对绿色建筑与节能减排的重视，被动式超低能耗建筑的不断发展，被动式外窗的市场逐渐增大，产品质量良莠不齐。

解决措施：严格把控门窗质量，对供应商进行考察与筛选，建立合格供应商名录，严禁采购资质不明、工艺不成熟的产品；进场时除了检查质量证明文件外，还应对其各项指标进行复验，满足相关标准及设计要求后才可以使用。

3.2 施工误差大影响节能效果

存在问题：主体结构施工误差大、平整度差，导致外窗安装过程中，窗框与主体结构之间产生较大缝隙，若现场管控不严格，对缝隙不做任何处理或处理不当，极易产生热桥，导致窗连接处气密性不佳，成为保温薄弱环节，影响建筑节能效果。

解决措施：在窗框与结构墙间的缝隙处装填预压膨胀密封带，若缝隙过大，先用砂浆对洞口误差进行调整与找平；提高建筑施工的精确度，加强过程管控，加强施工现场的精细化管理，从源头避免过大施工误差的产生；采用工业化建造方式，使工厂化生产取代现场作业，更容易控制预制构件的精度，误差可由厘米级降至毫米级，有效避免窗施工误差对建筑产生的影响。

4 工程应用

4.1 工程概况

本项目位于河北省石家庄市，总建筑面积10 819.35 m2，被动区建筑面积6 964.68 m2，为混凝土框架结构。外墙采用厚200 mm加气混凝土砌块＋厚200/300 mm石墨聚苯板；外门窗采用保温节能门窗；热回收新风系统热回收效率为75%，设计全年总能耗节能率为65.69%。

4.2 外窗节点设计

本项目外窗采用三玻铝包木窗，外窗玻璃配置为5Low-E＋16Ar暖边＋5Low-E＋16Ar暖边＋5C；外窗采用外挂式安装方式，外窗与结构之间室内侧设置防水隔汽膜，阻断湿气进入墙体，避免结露。室外侧设置防水透汽膜，在避免外窗和墙体结构连接处受到外界环境影响的同时，便于结构内的水蒸气排出，避免五金件产生锈蚀，最终形成完整的密封连接系统；为防止雨水侵蚀破坏保温层，室外侧设置厚2 mm的铝窗台板，窗台板下采用耐候密封胶密封。

4.3 安装工艺流程

外窗安装工艺流程为：施工准备→测量定位、打孔→固定安装角钢及垫木→窗框室内侧粘贴防水隔汽膜→成品窗吊装、安装→室外侧粘贴防水透汽膜→安装窗台板→室内侧粘贴防水隔汽膜→外保温粘贴。

4.4 外窗安装操作要点

外窗安装的施工方法和施工质量直接影响着被动式超低能耗建筑的节能性能，如果施工质量不够高、施工过程中产生安装热桥、气密性保障措施不完善，很容易造成额外的热损失。本项目对施工组织、施工过程严格把控、精细化施工。

1）施工准备。施工前期，根据施工总平面布置图，合理布置外窗存放场地，以方便吊运；外窗进场时，首先检查质量合格证明文件，进行质量检查与验收；外窗安装前，对窗洞口进行水平和竖直方向校核，检查安装洞口平整度，保证其满足安装要求。

2）固定件安装。固定件安装如图3所示，窗口两侧及上部通过角钢进行连接，被动窗下侧通过防腐隔热垫木支撑。按照窗体边线，测量确定并标记出窗体所需镀锌角钢、垫木的安装位置，采用冲击钻进行预打孔，孔深需满足膨胀螺栓的安装要求（深度需≥100 mm）；镀锌角钢分布间距不大于500 mm且距离窗脚的距离不大于150 mm，镀锌角钢与墙体间需加橡胶隔热垫片以阻断热桥的产生，通过膨胀螺栓固定。防腐垫木直接与墙体接触，通过膨胀螺栓固定。

图3 固定件安装

3）被动窗吊装、安装。拆去被动窗包装，按图纸核对型号、规格等，确定安装位置，确定被动窗无损坏后，方可进行安装。被动窗吊装前，需先进行室内侧防水隔汽膜的粘贴。将被动窗成品框体四周清理干净，室内侧防水隔汽膜自粘胶带一侧与窗体四周进行紧密粘贴，角部留有足够的转角空间，对接处叠加量≥30 mm，通过专用工具将胶带处滚压严密。成品窗的吊装需采用专用吊装工具，将其吊至窗口，调整水平、垂直位置，确保安装位置准确无误后，用木螺丝将窗体与固定的镀锌角钢进行紧密连接固定。

4）防水透汽膜粘贴。已安装固定完成的窗体外侧框体与相邻墙面采用毛刷进行清扫，保证粘贴面干净、无浮灰等杂质。将自带胶层一侧的防水透汽膜粘贴在窗框四周的木材框体上，另一端通过专用黏结剂将其与墙体粘贴密实、牢固，不得有断点产生。固定角钢、隔热垫木等固定件与墙体连接的部位采用专用黏结剂和防水透汽膜将其密封包裹在墙体上，防止其遇水锈蚀。

5）窗台板安装。将窗台板插入窗下框与防腐垫木之间，窗台板与铝框部分填充专用密封胶，与窗框木材框体通过螺钉进行连接。

6）外窗处保温板粘贴。沿外窗主框外侧左、右、上三面粘贴门窗连接条，保障窗框裸露部分宽度为15 mm，窗口上檐及左右侧拼接处门窗连接条应裁剪45°斜角。门窗连接条下侧为双面胶带，边撕边按压，保证与窗框黏结牢固。门窗连接条要与窗台板凹槽平直。窗台板下方粘贴预压膨胀密封带，以减少窗台板部分的热桥产生。根据排版图粘贴保温板，保温板采用点框法粘贴，双层错缝敷设，保温板压住门窗连接条与窗框粘贴部位，以最大限度减少窗框的热桥损失。

7）防水隔汽膜粘贴。室内侧防水隔汽膜采用密封胶与洞口内侧墙体粘贴密实。

5 结语

被动式超低能耗建筑符合建筑节能与绿色建筑的发展理念，是建筑业发展的大方向，而门窗技术是实现建筑节能的关键环节，针对目前外窗应用存在的问题，提出以下建议：

1）虽然目前外挂式节点连接方式应用广泛，但仍然存在外窗更换困难、室外作业量大等问题，有待进一步研发一种兼顾节能与施工便捷、安全可靠的节点连接方式，促进建筑业高品质发展。

2）被动式超低能耗建筑技术与工业化建造方式的有机结合，将外门窗安装各项工序在工厂内完成，形成结构、保温、装饰一体化外墙技术，是最大限度控制人为误差，减少室外人工高处作业行之有效的方法。

3）结合EPC管理模式，加强各环节联动，装修、门窗、保温、幕墙等各专业单位在设计阶段就介入，充分考虑各环节的系统性和完整性，从源头避免各专业交界处质量问题的产生。