被動(dòng)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(dòng)式超低能耗建筑的興起，被動(dòng)式超低能耗建筑用窗在市場(chǎng)上也得到了大量開發(fā)和應(yīng)用，被動(dòng)窗的市場(chǎng)大有萬(wàn)花齊放、百家爭(zhēng)鳴的景象，對(duì)我國(guó)被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。

透明部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為被動(dòng)式超低能耗建筑中最主要部件之一，其面積在整個(gè)建筑中占維護(hù)結(jié)構(gòu)面積的12%，但是在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(dòng)式超低能耗建筑門窗安裝選擇位置不當(dāng)，就會(huì)完全抵消掉設(shè)計(jì)師對(duì)提高門窗本身的保溫性能所做的研究設(shè)計(jì)?；谏鲜銮闆r，本文對(duì)門窗安裝位置的熱橋進(jìn)行了分析研究，力求門窗在不同墻體結(jié)構(gòu)上安裝的位置選擇中熱損失最小。

2 門窗安裝現(xiàn)狀

被動(dòng)式超低能耗建筑經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟。國(guó)內(nèi)近年來(lái)新建建筑和既有建筑改造按照被動(dòng)式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)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(jì)，已建成項(xiàng)目和在建項(xiàng)目有160個(gè)，占國(guó)內(nèi)總建筑項(xiàng)目的數(shù)量不足0.1%，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，已入住的被動(dòng)式住宅項(xiàng)目數(shù)量更是稀少，被動(dòng)式超低能耗建筑在中國(guó)還處于起步階段，有很長(zhǎng)的路要走。在中國(guó)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(xiàng)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(jié)構(gòu)或者室內(nèi)窗臺(tái)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(duì)于門窗整體性能的影響。因?yàn)殚T窗作為透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)既要起到保溫的作用，同時(shí)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(jìn)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(jié)構(gòu)及保溫的應(yīng)用息息相關(guān)。本文從磚結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、三種墻體，分別對(duì)門窗安裝位置進(jìn)行熱工性能分析，通過(guò)對(duì)比窗戶安裝洞口的線傳熱系數(shù)，得出在不同墻體結(jié)構(gòu)中門窗安裝性能最佳、能耗相對(duì)較低的位置。

3 研究結(jié)構(gòu)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(duì)比性，筆者首先對(duì)研究的墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。國(guó)內(nèi)農(nóng)村現(xiàn)有居住建筑的墻體基本都沒有鋪設(shè)保溫，與之相反的是被動(dòng)式超低能耗建筑的墻體結(jié)構(gòu)要鋪設(shè)較厚的保溫材料，且要達(dá)到不同氣候區(qū)對(duì)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(jié)構(gòu)不安裝保溫，另一種是墻體結(jié)構(gòu)安裝保溫且傳熱系數(shù)達(dá)到被動(dòng)式超低能耗建筑中寒冷地區(qū)對(duì)墻體K值的要求。依據(jù)表2《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》，寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模擬[2]，依據(jù)窗戶安裝位置的調(diào)整，引起洞口的線傳熱系數(shù)變化，最終得出不同的墻體結(jié)構(gòu)被動(dòng)式門窗安裝的最佳位置。

根據(jù)我國(guó)第一部被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)規(guī)范《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定整窗傳熱系數(shù)K≤1.0W/(m·k)[3]及墻體結(jié)構(gòu)研究方向，確定以目前市場(chǎng)上主流的被動(dòng)窗（以下簡(jiǎn)稱“被動(dòng)窗”）：passive130 C，并基于墻體結(jié)構(gòu)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(dòng)窗安裝位置的研究對(duì)象。

表3中門窗安裝位置的選擇，分為有保溫和無(wú)保溫兩大類的墻體洞口，而安裝位置也大致分洞口內(nèi)安裝和洞口外安裝兩種。通過(guò)計(jì)算模擬表3中門窗的安裝位置并繪制曲線對(duì)比圖，即可得到六種不同墻體結(jié)構(gòu)門窗安裝時(shí)熱損失最小的安裝位置。

表1 墻體結(jié)構(gòu)

表2 《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jì)算

本文應(yīng)用flixo pro8熱工分析軟件（以下簡(jiǎn)稱“分析軟件”）進(jìn)行熱工模擬（見圖1），采用有限元的方法進(jìn)行熱工分析。依據(jù)《民用熱工建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016、EN ISO 10077-2、EN ISO 10211-1等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)編輯[4-5]。依據(jù)表1及表3中確定的墻體結(jié)構(gòu)及被動(dòng)窗passive 130 C，分別模擬計(jì)算洞口熱損失并生成計(jì)算結(jié)果。環(huán)境參數(shù)見表2。

圖1 模擬計(jì)算模型示意

5 被動(dòng)式超低能耗建筑門窗安裝位置變化模擬分析

5.1 無(wú)保溫墻體結(jié)構(gòu)被動(dòng)窗安裝位置模擬分析

以表1中墻體結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型，被動(dòng)窗passive 130 C的安裝位置依據(jù)表3中無(wú)保溫墻體結(jié)構(gòu)按照室內(nèi)側(cè)、居中、室外側(cè)安裝位置，依次建模并計(jì)算模1擬洞口位置線傳熱系數(shù)，將得出研究所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制為方便對(duì)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(diǎn)展示

圖3 無(wú)保溫墻體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)墻體（以下簡(jiǎn)稱“磚墻”）在室外沒有粘貼保溫時(shí)，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(cè)安裝洞口線傳熱系數(shù)是最高的，為0.21w/(m·k)。

混凝土結(jié)構(gòu)墻體（以下簡(jiǎn)稱“混凝土墻”）在無(wú)保溫的情況下，門窗靠近室內(nèi)側(cè)安裝洞口線傳熱系數(shù)最低為0.12w/(m·k)，室外側(cè)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(nèi)向室外移動(dòng)，其洞口線傳熱系數(shù)會(huì)逐漸增大，熱損失也越大。在混凝土墻沒有保溫時(shí)，窗戶安裝應(yīng)盡可能靠近室內(nèi)側(cè)安裝。

木結(jié)構(gòu)墻體（以下簡(jiǎn)稱“木墻”）在沒有增加保溫或者防火措施時(shí)，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(nèi)側(cè)安裝0.031w/(m·k)。

5.2 有保溫墻體結(jié)構(gòu)被動(dòng)窗安裝位置模擬分析

以表1中墻體結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型，被動(dòng)窗passive 130 C的安裝位置依據(jù)表3中有保溫墻體結(jié)構(gòu)，按照室內(nèi)側(cè)、居中、室外側(cè)、外掛式及保溫覆蓋窗框安裝位置，依次建模并計(jì)算模擬洞口位置線傳熱系數(shù)，將得出研究所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制為折線圖，見圖4。

圖4 有保溫墻體結(jié)構(gòu)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(shí)，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.015w/(m·k)；而窗戶靠近室內(nèi)側(cè)安裝時(shí)，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(shí)，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.016w/(m·k)；而窗戶靠近室內(nèi)側(cè)安裝時(shí)，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(shí)，其洞口線傳熱系數(shù)最低為0.043w/(m·k)；而窗戶靠近室內(nèi)側(cè)安裝時(shí)，其洞口線傳熱系數(shù)最高為0.055w/(m·k)。

表5 被動(dòng)窗安裝在不同墻體不同位置洞口線傳熱系數(shù)表

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析，筆者認(rèn)為對(duì)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(shí)，在墻體安裝有保溫材料時(shí)，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(wú)保溫材料安裝門窗的位置時(shí)：磚結(jié)構(gòu)洞口門窗居中安裝最優(yōu)；混凝土結(jié)構(gòu)洞口門窗靠近室內(nèi)側(cè)安裝最好；木結(jié)構(gòu)洞口門窗安裝居中最好。

參考文獻(xiàn)

[1] 貝特霍爾德·考夫曼，沃爾夫?qū)し扑固?著.徐智勇譯.《德國(guó)被動(dòng)房設(shè)計(jì)和施工指南》北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

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