被动式超低能耗建筑门窗安装墙体洞口热桥分析

1 引言

随着被动式超低能耗建筑的兴起，被动式超低能耗建筑用窗在市场上也得到了大量开发和应用，被动窗的市场大有万花齐放、百家争鸣的景象，对我国被动式超低能耗建筑的发展起到了良好的推动作用。

透明部分外围护结构作为被动式超低能耗建筑中最主要部件之一，其面积在整个建筑中占维护结构面积的12%，但是在建筑外围护结构的热损失中，门窗的热损失却占整体热损失的50%，被行业称为“建筑能量流失的黑洞”。如果被动式超低能耗建筑门窗安装选择位置不当，就会完全抵消掉设计师对提高门窗本身的保温性能所做的研究设计。基于上述情况，本文对门窗安装位置的热桥进行了分析研究，力求门窗在不同墙体结构上安装的位置选择中热损失最小。

2 门窗安装现状

被动式超低能耗建筑经过近30年的发展，相关技术已经成熟。国内近年来新建建筑和既有建筑改造按照被动式超低能耗标准建设的数量有所增加，但是体量占比依然很小。据不完全统计，已建成项目和在建项目有160个，占国内总建筑项目的数量不足0.1%，相关标准也不够完善，已入住的被动式住宅项目数量更是稀少，被动式超低能耗建筑在中国还处于起步阶段，有很长的路要走。在中国建筑中一步节能到四步节能的建筑体量是巨大的，包括农村自建房、老旧项目改造、窗户的安装位置也基本没有统一的要求，大多依据结构或者室内窗台的大小，选择安装门窗的位置，并没有完全考虑门窗安装的位置对于门窗整体性能的影响。因为门窗作为透明外围护结构既要起到保温的作用，同时还要保证采光、隔声等基本使用需求。

基于上述情况，为了保证门窗性能，进行一系列研究，产生了门窗安装位置的选择变化。门窗安装位置的变化和墙体厚度，墙体结构及保温的应用息息相关。本文从砖结构、钢筋混凝土结构、木结构、三种墙体，分别对门窗安装位置进行热工性能分析，通过对比窗户安装洞口的线传热系数，得出在不同墙体结构中门窗安装性能最佳、能耗相对较低的位置。

3 研究结构及门窗安装位置的选择

为了保证研究数据多样性和可对比性，笔者首先对研究的墙体结构进行确定。国内农村现有居住建筑的墙体基本都没有铺设保温，与之相反的是被动式超低能耗建筑的墙体结构要铺设较厚的保温材料，且要达到不同气候区对于墙体保温的要求。因此笔者列出表1中两种较为极端的情况：一种是墙体结构不安装保温，另一种是墙体结构安装保温且传热系数达到被动式超低能耗建筑中寒冷地区对墙体K值的要求。依据表2《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》，寒冷地区围护结构平均传热系数参考值为0.10~0.25，笔者取K≤0.15W/(m²·k)墙体结构进行计算模拟[2]，依据窗户安装位置的调整，引起洞口的线传热系数变化，最终得出不同的墙体结构被动式门窗安装的最佳位置。

根据我国第一部被动式超低能耗建筑设计规范《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》中的规定整窗传热系数K≤1.0W/(m·k)[3]及墙体结构研究方向，确定以目前市场上主流的被动窗（以下简称“被动窗”）：passive130 C，并基于墙体结构是否安装保温材料确定了安装位置以表3中为主的几种被动窗安装位置的研究对象。

表3中门窗安装位置的选择，分为有保温和无保温两大类的墙体洞口，而安装位置也大致分洞口内安装和洞口外安装两种。通过计算模拟表3中门窗的安装位置并绘制曲线对比图，即可得到六种不同墙体结构门窗安装时热损失最小的安装位置。

表1 墙体结构

表2 《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》围护结构平均传热系数（K）参考值

表3 安装位置

4 门窗洞口热损失计算

本文应用flixo pro8热工分析软件（以下简称“分析软件”）进行热工模拟（见图1），采用有限元的方法进行热工分析。依据《民用热工建筑设计规范》GB50176-2016、EN ISO 10077-2、EN ISO 10211-1等标准进行参数编辑[4-5]。依据表1及表3中确定的墙体结构及被动窗passive 130 C，分别模拟计算洞口热损失并生成计算结果。环境参数见表2。

图1 模拟计算模型示意

5 被动式超低能耗建筑门窗安装位置变化模拟分析

5.1 无保温墙体结构被动窗安装位置模拟分析

以表1中墙体结构为计算模型，被动窗passive 130 C的安装位置依据表3中无保温墙体结构按照室内侧、居中、室外侧安装位置，依次建模并计算模1拟洞口位置线传热系数，将得出研究所需的实验数据绘制为方便对折线图。见表4，以及图2和图3。

图2 模拟安装位置模型节点展示

图3 无保温墙体结构窗户安装位置变化洞口线传热系数变化折线图

表4 模拟环境参数

由图3中所示，砖结构墙体（以下简称“砖墙”）在室外没有粘贴保温时，门窗居中安装洞口线传热系数是最低的，为0.126w/(m·k)；靠近室外侧安装洞口线传热系数是最高的，为0.21w/(m·k)。

混凝土结构墙体（以下简称“混凝土墙”）在无保温的情况下，门窗靠近室内侧安装洞口线传热系数最低为0.12w/(m·k)，室外侧安装洞口线传热系数最高为0.176。在混凝土墙体安装窗户位置，从图2可看出，安装位置从室内向室外移动，其洞口线传热系数会逐渐增大，热损失也越大。在混凝土墙没有保温时，窗户安装应尽可能靠近室内侧安装。

木结构墙体（以下简称“木墙”）在没有增加保温或者防火措施时，窗户安装洞口线传热系数最小为居中安装0.018w/(m·k)，洞口线传热系数最大为室内侧安装0.031w/(m·k)。

5.2 有保温墙体结构被动窗安装位置模拟分析

以表1中墙体结构为计算模型，被动窗passive 130 C的安装位置依据表3中有保温墙体结构，按照室内侧、居中、室外侧、外挂式及保温覆盖窗框安装位置，依次建模并计算模拟洞口位置线传热系数，将得出研究所需的实验数据绘制为折线图，见图4。

图4 有保温墙体结构窗户安装位置变化洞口线传热系数变化折线图

由图4可见，砖墙室外粘贴保温后窗户安装方式采用外挂式安装且保温覆盖窗框时，其洞口线传热系数最低为0.015w/(m·k)；而窗户靠近室内侧安装时，其洞口线传热系数最高为0.644w/(m·k)是前者线传热系数的43倍。

混凝土墙在粘贴保温后，窗户采用外挂式安装且保温覆盖窗框时，其洞口线传热系数最低为0.016w/(m·k)；而窗户靠近室内侧安装时，其洞口线传热系数最高为0.722w/(m·k)，是前者线传热系数的45倍。

木墙在增加防火保温材料后窗户居中安装时，其洞口线传热系数最低为0.043w/(m·k)；而窗户靠近室内侧安装时，其洞口线传热系数最高为0.055w/(m·k)。

表5 被动窗安装在不同墙体不同位置洞口线传热系数表

6 结论

通过以上分析，笔者认为对门窗洞口的线传热系数影响起决定性作用的有三种因素：门窗的安装位置、墙体材料、墙体是否采取保温措施。同时，在墙体安装有保温材料时，窗框尽可能安装到保温层中有利于降低门窗洞口线传热系数及热损失。在墙体无保温材料安装门窗的位置时：砖结构洞口门窗居中安装最优；混凝土结构洞口门窗靠近室内侧安装最好；木结构洞口门窗安装居中最好。

参考文献

[1] 贝特霍尔德·考夫曼，沃尔夫冈·菲斯特 著.徐智勇译.《德国被动房设计和施工指南》北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2] 《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》[Z].

[3] DB13（J）/T273-2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》[Z].

[4] GB 50176-2016《民用热工建筑设计规范》[Z].

[5] JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》[Z].