被動式超低能耗建筑門窗安裝墻體洞口熱橋分析

1 引言

隨著被動式超低能耗建筑的興起，被動式超低能耗建筑用窗在市場上也得到了大量開發(fā)和應用，被動窗的市場大有萬花齊放、百家爭鳴的景象，對我國被動式超低能耗建筑的發(fā)展起到了良好的推動作用。

透明部分外圍護結構作為被動式超低能耗建筑中最主要部件之一，其面積在整個建筑中占維護結構面積的12%，但是在建筑外圍護結構的熱損失中，門窗的熱損失卻占整體熱損失的50%，被行業(yè)稱為“建筑能量流失的黑洞”。如果被動式超低能耗建筑門窗安裝選擇位置不當，就會完全抵消掉設計師對提高門窗本身的保溫性能所做的研究設計。基于上述情況，本文對門窗安裝位置的熱橋進行了分析研究，力求門窗在不同墻體結構上安裝的位置選擇中熱損失最小。

2 門窗安裝現(xiàn)狀

被動式超低能耗建筑經(jīng)過近30年的發(fā)展，相關技術已經(jīng)成熟。國內近年來新建建筑和既有建筑改造按照被動式超低能耗標準建設的數(shù)量有所增加，但是體量占比依然很小。據(jù)不完全統(tǒng)計，已建成項目和在建項目有160個，占國內總建筑項目的數(shù)量不足0.1%，相關標準也不夠完善，已入住的被動式住宅項目數(shù)量更是稀少，被動式超低能耗建筑在中國還處于起步階段，有很長的路要走。在中國建筑中一步節(jié)能到四步節(jié)能的建筑體量是巨大的，包括農(nóng)村自建房、老舊項目改造、窗戶的安裝位置也基本沒有統(tǒng)一的要求，大多依據(jù)結構或者室內窗臺的大小，選擇安裝門窗的位置，并沒有完全考慮門窗安裝的位置對于門窗整體性能的影響。因為門窗作為透明外圍護結構既要起到保溫的作用，同時還要保證采光、隔聲等基本使用需求。

基于上述情況，為了保證門窗性能，進行一系列研究，產(chǎn)生了門窗安裝位置的選擇變化。門窗安裝位置的變化和墻體厚度，墻體結構及保溫的應用息息相關。本文從磚結構、鋼筋混凝土結構、木結構、三種墻體，分別對門窗安裝位置進行熱工性能分析，通過對比窗戶安裝洞口的線傳熱系數(shù)，得出在不同墻體結構中門窗安裝性能最佳、能耗相對較低的位置。

3 研究結構及門窗安裝位置的選擇

為了保證研究數(shù)據(jù)多樣性和可對比性，筆者首先對研究的墻體結構進行確定。國內農(nóng)村現(xiàn)有居住建筑的墻體基本都沒有鋪設保溫，與之相反的是被動式超低能耗建筑的墻體結構要鋪設較厚的保溫材料，且要達到不同氣候區(qū)對于墻體保溫的要求。因此筆者列出表1中兩種較為極端的情況：一種是墻體結構不安裝保溫，另一種是墻體結構安裝保溫且傳熱系數(shù)達到被動式超低能耗建筑中寒冷地區(qū)對墻體K值的要求。依據(jù)表2《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》，寒冷地區(qū)圍護結構平均傳熱系數(shù)參考值為0.10~0.25，筆者取K≤0.15W/(m2·k)墻體結構進行計算模擬[2]，依據(jù)窗戶安裝位置的調整，引起洞口的線傳熱系數(shù)變化，最終得出不同的墻體結構被動式門窗安裝的最佳位置。

根據(jù)我國第一部被動式超低能耗建筑設計規(guī)范《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》中的規(guī)定整窗傳熱系數(shù)K≤1.0W/(m·k)[3]及墻體結構研究方向，確定以目前市場上主流的被動窗（以下簡稱“被動窗”）：passive130 C，并基于墻體結構是否安裝保溫材料確定了安裝位置以表3中為主的幾種被動窗安裝位置的研究對象。

表3中門窗安裝位置的選擇，分為有保溫和無保溫兩大類的墻體洞口，而安裝位置也大致分洞口內安裝和洞口外安裝兩種。通過計算模擬表3中門窗的安裝位置并繪制曲線對比圖，即可得到六種不同墻體結構門窗安裝時熱損失最小的安裝位置。

表1 墻體結構

表2 《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》圍護結構平均傳熱系數(shù)（K）參考值

表3 安裝位置

4 門窗洞口熱損失計算

本文應用flixo pro8熱工分析軟件（以下簡稱“分析軟件”）進行熱工模擬（見圖1），采用有限元的方法進行熱工分析。依據(jù)《民用熱工建筑設計規(guī)范》GB50176-2016、EN ISO 10077-2、EN ISO 10211-1等標準進行參數(shù)編輯[4-5]。依據(jù)表1及表3中確定的墻體結構及被動窗passive 130 C，分別模擬計算洞口熱損失并生成計算結果。環(huán)境參數(shù)見表2。

圖1 模擬計算模型示意

5 被動式超低能耗建筑門窗安裝位置變化模擬分析

5.1 無保溫墻體結構被動窗安裝位置模擬分析

以表1中墻體結構為計算模型，被動窗passive 130 C的安裝位置依據(jù)表3中無保溫墻體結構按照室內側、居中、室外側安裝位置，依次建模并計算模1擬洞口位置線傳熱系數(shù)，將得出研究所需的實驗數(shù)據(jù)繪制為方便對折線圖。見表4，以及圖2和圖3。

圖2 模擬安裝位置模型節(jié)點展示

圖3 無保溫墻體結構窗戶安裝位置變化洞口線傳熱系數(shù)變化折線圖

表4 模擬環(huán)境參數(shù)

由圖3中所示，磚結構墻體（以下簡稱“磚墻”）在室外沒有粘貼保溫時，門窗居中安裝洞口線傳熱系數(shù)是最低的，為0.126w/(m·k)；靠近室外側安裝洞口線傳熱系數(shù)是最高的，為0.21w/(m·k)。

混凝土結構墻體（以下簡稱“混凝土墻”）在無保溫的情況下，門窗靠近室內側安裝洞口線傳熱系數(shù)最低為0.12w/(m·k)，室外側安裝洞口線傳熱系數(shù)最高為0.176。在混凝土墻體安裝窗戶位置，從圖2可看出，安裝位置從室內向室外移動，其洞口線傳熱系數(shù)會逐漸增大，熱損失也越大。在混凝土墻沒有保溫時，窗戶安裝應盡可能靠近室內側安裝。

木結構墻體（以下簡稱“木墻”）在沒有增加保溫或者防火措施時，窗戶安裝洞口線傳熱系數(shù)最小為居中安裝0.018w/(m·k)，洞口線傳熱系數(shù)最大為室內側安裝0.031w/(m·k)。

5.2 有保溫墻體結構被動窗安裝位置模擬分析

以表1中墻體結構為計算模型，被動窗passive 130 C的安裝位置依據(jù)表3中有保溫墻體結構，按照室內側、居中、室外側、外掛式及保溫覆蓋窗框安裝位置，依次建模并計算模擬洞口位置線傳熱系數(shù)，將得出研究所需的實驗數(shù)據(jù)繪制為折線圖，見圖4。

圖4 有保溫墻體結構窗戶安裝位置變化洞口線傳熱系數(shù)變化折線圖

由圖4可見，磚墻室外粘貼保溫后窗戶安裝方式采用外掛式安裝且保溫覆蓋窗框時，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.015w/(m·k)；而窗戶靠近室內側安裝時，其洞口線傳熱系數(shù)最高為0.644w/(m·k)是前者線傳熱系數(shù)的43倍。

混凝土墻在粘貼保溫后，窗戶采用外掛式安裝且保溫覆蓋窗框時，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.016w/(m·k)；而窗戶靠近室內側安裝時，其洞口線傳熱系數(shù)最高為0.722w/(m·k)，是前者線傳熱系數(shù)的45倍。

木墻在增加防火保溫材料后窗戶居中安裝時，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.043w/(m·k)；而窗戶靠近室內側安裝時，其洞口線傳熱系數(shù)最高為0.055w/(m·k)。

表5 被動窗安裝在不同墻體不同位置洞口線傳熱系數(shù)表

6 結論

通過以上分析，筆者認為對門窗洞口的線傳熱系數(shù)影響起決定性作用的有三種因素：門窗的安裝位置、墻體材料、墻體是否采取保溫措施。同時，在墻體安裝有保溫材料時，窗框盡可能安裝到保溫層中有利于降低門窗洞口線傳熱系數(shù)及熱損失。在墻體無保溫材料安裝門窗的位置時：磚結構洞口門窗居中安裝最優(yōu)；混凝土結構洞口門窗靠近室內側安裝最好；木結構洞口門窗安裝居中最好。

參考文獻

[1] 貝特霍爾德·考夫曼，沃爾夫岡·菲斯特 著.徐智勇譯.《德國被動房設計和施工指南》北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2] 《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》[Z].

[3] DB13（J）/T273-2018《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》[Z].

[4] GB 50176-2016《民用熱工建筑設計規(guī)范》[Z].

[5] JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》[Z].