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摘要：在“碳达峰、碳中和”的背景下，超低能耗忙门窗系统在我国应越来越广泛。本文介绍被动式超低能耗门窗幕墙的主流产品和在我国的应用背景。重点阐述了郑州市骨科医院中采用的幕墙门窗系统的构造做法和注意事项。旨在探索适合我国国情的超低能耗幕墙门窗做法。
关键词：符合中国的被动式 ; 超低能耗幕墙门窗系统
1.被动式的超低能耗建筑的应用背景
2021年9月22日，中共中央发布36号文件，要求全面落实贯彻新发展理念，做好碳达峰、碳中和工作意见，对于建筑行业提出在城乡规划建设管理各环节全面落实绿色低碳要求。自2007年以来住房城乡建设部科技发展促进中心与德国能源署在建筑节能领域开展技术交流、培训和合作，引进德国先进建筑节能技术，以被动式超低能耗建筑技术为要点，建设了河北秦皇岛在水一方、黑龙江哈尔滨溪树庭院等被动式超低能耗绿色建筑示范工程以来，各省市不断出台相关超低能耗的专项规划、长期发展规划、技术导则、建筑节能规范、技术标（词条“技术标”由行业大百科提供）准征求意见稿等。根据中国建筑科学研究院的数据建筑运行碳排放占据国家总排放量近40%，而幕墙门窗的能量损失又占据整个建筑能耗的比例超过40%。被动式超低能耗幕墙和门窗对于双碳目标的意义重大。
2.被动式的超低能耗建筑的理论
被动式建筑不需要通过主动加热，基本依靠被动收集来的热量使房屋本身保持一个舒适的温度。它使用太阳、人体、家电及热回收装置等带来的热能，不需要主动热源的供给。被动式建筑主要通过：高效的热回收和新风系统、良好的热围护结构、建筑的架构无热桥、良好的气密性、能源的充分利用等来实现其功能。其中建筑的外围护结构作为整体建筑的气密和保温成为被动式建筑一切功能的基础。
“被动式”建筑的研究和实践始于德国，1996 年，沃尔夫冈·法伊斯特博士(WolfgangFeist)创建了德国被动房研究所(Passive House Institute PHI)，该研究所是被动房研究和认证的权威机构，为世界首栋被动式住宅建筑、办公建筑、学校建筑、体育建筑、工业建筑（词条“工业建筑”由行业大百科提供）、既有建筑被动式改造等提供了设计咨询、技术支持及后续认证。目前，已经有 6 万多栋的房屋按照被动房标准建造，其中有约 3 万栋建筑获得了被动房的认证。
PHI 出版了被动房设计手册(PHPP)、被动房计算软件、被动房评价认证标准、被动房部品认证标准，对达到被动房标准的建筑、建筑部品(门窗、保温系统、空调、新风设备等)、建筑设备、认证工程师、设计单位、施工单位进行认证。PHI 体系作为被动房超低能耗建筑标准体系中最为成熟的一员，受到很多国家的学习和借鉴。目前，我国各个地区在建造被动房建筑时，基本上也参照 PHI 标准进行设计。
在中国，被动式超低能耗建筑技术正逐渐成为建筑领域的重要发展方向。这种技术通过提高外围护性能、采光、通风等被动式技术和光伏建筑一体化等主动化技术，与建筑其他专业结合，实现整体建筑超低能耗的目标。欧美主要国家已经或正在制定适应本国国情的被动式超低能耗建筑技术体系。在中国，住房城乡建设部于2015年制定的《被动式超低能耗绿色建筑技术体系》标志着对这一技术的官方认可。被动式超低能耗建筑在门窗方面的具体应用也备受关注。中国气候区域复杂，设计策略上的创新和适用性至关重要。
3. 门窗幕墙超低能耗分析及在郑州市骨科医院中的应用
郑州市骨科医院东院区新建综合病房楼建设项目是“中原第一、中部领先、全国一流”区域性骨科医院。该项目位于郑州市二七区陇海中路与勤劳街交叉口西北角郑州市骨科医院内。地下三层，地上二十二层。根据本工程建筑节能设计表的要求：外窗传热系数K≦1.0 分级指标K应为10级。
本项目设计范围包含窗墙系统、铝板幕墙、石材幕墙、雨篷、铝合金外门窗、屋顶玻璃栏板、外立面金属格栅等，如下图为本项目东南东北侧效果图，其中超低能耗条形窗墙系统主要分布在南东西侧，且南侧条形窗集成了隐藏式电动外遮阳卷帘。此窗墙系统采用65/100系列隔热型材,合金（词条“合金”由行业大百科提供）牌号及状态号为6063-T6。型材（词条“型材”由行业大百科提供）室外外露可视部位采用氟碳喷漆处理，室内外露可视部位分采用喷粉处理，主型材截面主要受力部位基材最小实测壁厚不小于2.5mm;面板规格采用6(Low-E)+16Ar+6+16Ar+6钢化中空玻璃和8(Low-E)+16Ar+8+16Ar+8钢化中空玻璃。
建筑南立面的全部外窗采用电动可调卷包式遮阳卷帘，可调节光线角度和入射通光量，抗风性不低于8级，外遮阳与外墙保温层连接处采用隔热垫片和预压（词条“预压”由行业大百科提供）膨胀密封带减低传热损失。北侧聚氨酯（词条“聚氨酯”由行业大百科提供）断桥超低能耗门窗系统。95系列隔热型材,合金牌号及状态号为6063-T6。型材室外外露可视部位采用氟碳喷漆处理，室内外露可视部位采用喷粉处理，主型材截面主要受力部位基材最小实测壁厚不小于2.0mm。面板规格采用6(Low-E)+16Ar+6+16Ar+6钢化中空玻璃和8(Low-E)+16Ar+8+16Ar+8钢化中空玻璃。
其余部分为石材幕墙系统和铝板（词条“铝板”由行业大百科提供）幕墙系统，其做法与传统幕墙也均不相同。
3.1常见的被动式玻璃幕墙系统按照产品材质划分
被动式低能耗玻璃幕墙(幕墙窗)、门窗集成了其配套的独特的安装方式、专用新型节能副框系统、预压膨胀棉、防水隔汽膜、防水透汽膜、窗台板等。这需根据项目实际情况进行科学配置，以达到相应的技术指标。常见的被动式门窗幕墙系统按照产品材质划分一共有四大类。他们的共同特征是较低的K值，四类产品各具特点，需要根据不同的工程情况来选择合适产品。
第一类是断桥铝幕墙、断桥铝门窗（词条“断桥铝门窗”由行业大百科提供）、窗墙系统。代表品牌WICONA为主的德系工装产品。如下图所示分别为幕墙系统(窗墙系统)、门窗系统、门窗系统(集成遮阳)。本类产品的优点是适合大型公建项目，铝材（词条“铝材”由行业大百科提供）造型工艺成熟，耐久性好，适合不同的建筑形式，比如医院类超长条形窗，可
以采用窗墙系统，结构简约美观，没有拼接材料，可以达到玻璃幕墙的效果，又能规避住建部38号文对玻璃幕墙对医院的使用 限制。 且项目后期方便维护清洁。此类进口品牌如WICONA、旭格等，价格昂贵。本类产品中幕墙不能应用于医院项目，门窗系统在视觉效果上不如窗墙系统，窗墙系统最为适宜，但价格稍高于断桥门窗系统，且此类项目需要满足较低的K值，隔热条需要使用进口产品。
第二类是木索系统、铝木复合门窗产品。其代表品牌为墨瑟、森鹰等国内家装系统品牌。木索幕墙系统立柱（词条“立柱”由行业大百科提供）横梁为全实木构造，铝木复合门（词条“复合门”由行业大百科提供）窗分两类，一类是实木较多，一类是木板为装饰板。前两者价格昂贵，后期不方便打理，木质构件适合家装，不适宜公建项目，且有发霉变形隐患。且铝包木难以达到较高的节能要求。木系统价格比断桥类价格昂贵，断桥类价格比塑钢类价格昂贵。
第三类是(增强型树脂材料)塑钢门窗、(PVC类)塑钢门窗，代表品牌。此类产品的隔热性能仅次于同档次的玻璃纤维复合增强门窗，传统的塑钢门窗材料落后，北方项目较多采用塑钢类产品，其缺点是抗紫外线能力差，民众接受度低。塑料材质容易产生划痕，强度不高，超过3.5米高度或者外挂门窗安装容易产生安全隐患。此类产品中也有工艺较为复杂的产品，以为例，其塑钢型材外部集成铝合金材质，能够克服外部恶劣环境，内部增加了PVC覆膜（词条“覆膜”由行业大百科提供）工艺，可以实现耐久性和美观。又具备塑钢卓越的保温性能。兼具了三种材料的优点。但工艺复杂，需要较高的加工精度（词条“加工精度”由行业大百科提供）和设备。
第四类是玻璃纤维复合增强门窗(聚氨酯+玻璃纤维)，其代表品牌为此类材料做法又分为两大类。一类是整体做玻纤复合型材，保温性能最为卓越，另一类是断桥+玻纤复合材料。玻纤复合增强材质一般应用于高酸碱石油化工行业，强度较高可以作为地铁支架，石油钻井平台支架。
3.2被动式超低能耗做法对比
门窗是外围护结构的重要组成部分，以普通住宅为例，门窗面积只占围护结构面积的12%左右，但在建筑外围结构的热损失中，门窗的热损失缺占到整体热损失的50%。
门窗安装根据其具体的安装位置可以有不同的安装方法，目前国际主流的超低能耗门窗安装为下图中最后一种外挂式安装方法，其典型优点是13度等温线与结构不产生干涉，无冷凝霉变风险。
国内项目需要经过PHI体系认证的也多采用此方式安装，但是由于外挂安装对结构洞口精度（词条“精度”由行业大百科提供）要求高，对防水要求高，不达标则容易造成漏水隐患。因此也采用下图三中的齐平洞口安装，此安装成本低，对各方面要求相对较低，无漏水隐患，13度等温线基本不与结构干涉，无霉变风险，适合医院应用环境的卫生要求，本项目拟采用次安装方式。
图示为窗安装的不同位置与建筑外保温的配合关系A、B、C、D。A窗安装在结构洞口的居中位置，保温没有对窗框体进行覆盖;B窗安装在结构洞口居中位置，保温对窗框体进行覆盖;C窗安装在结构洞口内靠外侧，保温对窗框体进行覆盖;D窗安装在结构洞口外侧，保温材料对其进行覆盖。
A方案：所示的安装位置关系为是目前较为普遍的安装方式，此种安装便于窗的快速定位和安装，便于保温的施工，作为建筑维护结构的最薄弱环节，保温没有进行有效地覆盖，不仅会造成很大的热损失，也会在洞口的位置存在较大的结露（词条“结露”由行业大百科提供）风险，同时影响整个外维护结构的热工性能，由于窗过于靠近室内，虽然有利于防水，不利于室内的采光，影响建筑得热。
B方案：同样是居中安装，由于保温对窗框体进行了覆盖，对门窗的保温性能有了一定的提高，有效地提高了窗室内的表面温度，对窗的抗结露性能有了一定的作用，但是由于窗的安装位置太靠近室内，窗与结构之间结露发霉的问题已然没有有效解决，13℃等温线依然穿过结构。13℃等温线在结构上穿过，就会产生如下问题.
C方案：将窗的安装位置更靠近室外侧，首先有利于采光，可提高建筑得热;可根据洞口结构的改变提高防水性能，根据热工计算可以看出，其温度梯度进一步减小，有效地将其等温线移向室外侧，很大程度改善室内热环境，同时避免了结构产生霉菌的可能。C方案的13℃等温线恰好与结构边缘掠过，即能够有效地避免霉菌的产生,从而避免一系列的问题。
D方案：经典的外挂式安装体系，这种安装方法是把窗整体移向建筑结构外侧，并使用外墙保温材料对门窗框进行覆盖，可有效提高窗与结构之间的保温性能，避免窗框及洞口周边结露现象的产生，其等温线分布均匀，可有效避免门窗结构位置的结露发霉等问题。工艺要求高。
13℃等温线已经不在建筑结构上，即表明上图安装位置较为合理，建筑结构和窗之间不会有发霉的现象产生。此种安装方法是将窗依靠“型材”/连接件形成支撑结构，把窗“挂”在建筑结构的外侧，被广泛称为外挂式安装(图7)。所示的安装方式有利于窗的保温，并有效的防止窗安装位置的结露和霉菌的产生，是一种较为稳妥的安装方法，但是这种安装方法需要较厚的保温，目前75%节能建筑的保温厚度为10cm，如果是“外挂”安装需要至少15cm。此种安装多用与被动式建筑。容易造成漏水隐患。
3.3郑州骨科医院超低能耗项目做法
超低能耗项目气密性要求较高，如下表本项目气密性要求8级，常规的上悬，外开等形式无法满足气密性要求。本项目采用内开内倒开启。
如下图分别为超低能耗窗墙和聚氨酯门窗的基本构造做法。本窗墙系统隔热条长度达49mm，隔热条和玻璃之间腔体通过填充聚氨酯隔热块来降低热量的传递和对流。本项目的北侧洞口门窗采用95系列聚氨酯断桥门窗，其配置如下图，其聚氨酯尼龙共挤门窗的断桥部分长度达60mm，腔体全部用聚氨酯材质填充。
低能耗项目需要考虑建筑使用年限，建议选择可以达到50年使用要求的保温和防火材料。防止20年后保温达到质保期，保温时效，增加低能耗项目的维护费用。且岩棉类材料在住建部淘汰材料名单，部分城市已经禁止使用。可以考虑下图复合珍珠岩棉板作为保温和节能材料，请参考相应的国标和地标要求。
其他构造措施需要满足被动房超低能耗项目的要求。如埋板部位设置50mm厚防腐木垫块或者聚氨酯块，门窗洞口安装方式自内而外严格按照防水隔气膜+预压膨胀棉+防水透气膜的安装方式。采用洞口齐平安装，避免结露霉变等。南侧隐藏式这样卷帘设置如下图等。
上图中的预压膨胀棉可以实现最大40mm的尺寸形变，结合防水透气膜和防水隔汽膜，有效实现气密性，同时避免结露。绝热垫块有效的杜绝幕墙系统通过龙骨进行的热量的传递。聚氨酯块和聚氨酯发泡有效的杜绝热量的对流和辐射。同时避免使用较为昂贵的超低能耗材料如真空板等。
本项目的做法综合考虑河南省省情和施工实际情况，选用成本低的洞口齐平安装方法，选用低成本的防腐木垫块等，为更多超低能耗项目在河南以较低成本的建设落地提供示范作用。
建筑节能是建筑领域减碳的必要途径，门窗幕墙系统在建筑的节能中尤为重要，被动式低能耗门窗系统不仅是建筑的未来发展趋势，也是推进碳达峰碳中和的重要方式之一。 针对中国地域广阔的特点，选择施工地域的产异化被动式门窗幕墙系统产品和安装方式。
相关主管部门、设计研究院所、施工企业需要综合考虑我国的国情，气候特点，综合成本效益，改造成本，制定合适设计标准和施工质量控制标准，为双碳目标早日达成贡献力量。
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作者单位：浙江中南建设集团建筑幕墙设计研究院
