PHI被動房的窗戶設計

    為了滿足被動房對于窗戶熱舒適度的要求，當窗戶附近沒有散熱器時，就必須使用三層保溫玻璃和隔熱窗框。
   被動房設計師不一定必須了解任何一種新產(chǎn)品。但是他應該了解玻璃和窗框的基本性能，才能審核廠家提供給他的產(chǎn)品。由于被動房上的窗戶和其他建筑構件相比還比較貴，居民在日常使用中也把窗戶作為特別“貴重”的建筑構件對待，所以預防可能存在的缺陷就特別重要。

一、細化PHPP中的能量平衡計算
   最遲在詳細設計時必須在PHPP中錄入完整的窗戶正確數(shù)據(jù)，因為此時窗戶面積已經(jīng)確定，安裝細部節(jié)點已經(jīng)或將要繪制，不同的產(chǎn)品現(xiàn)在也必須進行相互比較（窗框傳熱系數(shù)U_f和熱橋系數(shù)Ψ，玻璃傳熱系數(shù)U_g和g值，窗戶安裝后的熱橋系數(shù)Ψ)。下文將對玻璃和保溫窗框的基本性能和質量標準給予詳細介紹，為設計師提供重要的決策依據(jù)。

二、保溫玻璃
   根據(jù)充填氣體的品種、玻璃間距和涂層品種，三層保溫玻璃的傳熱系數(shù)目前可以做到U_g＝0.5-0.8W/（m²?K）。這是未受任何干擾的玻璃的傳熱系數(shù)，即近似于在玻璃中間位置能達到的傳熱系數(shù)！玻璃邊緣間隔條的熱損失要大得多，后面將和窗框一起做詳細介紹。三層保溫玻璃的太陽得熱系數(shù)g與涂層有關，在40%-60%之間。在中歐氣候條件下，三層玻璃的能量平衡結果始終比雙層玻璃的有利：這一點同樣適用于南向窗戶。
   被動房對玻璃的能源準則為，不允許為了窗戶的傳熱系數(shù)，而把g值降得太低。對此適用以下公式：
g?1.6W/（m²?K）≥U_g
   利用產(chǎn)品認證數(shù)據(jù)（ü-標記）很容易檢驗上述條件。如果滿足條件，那么使用這種玻璃在整個嚴冬可以獲得凈太陽能得熱，只要窗戶不被遮擋或不是朝向不好的話。所以這里仍然要求：請審核錄入PHPP的數(shù)據(jù)。
   高級保溫玻璃由三層玻璃組成，一般有兩層玻璃鍍膜。這種選擇性“低輻射率”或 “l(fā)ow-e”鍍層就像一面鏡子，只反射熱輻射，即紅外光譜，所以熱量就很難輻射出去。當這種低輻射玻璃被加熱時，在鍍層一側的熱量不容易“散失”。為了減少相對兩塊玻璃的熱輻射，每個間隔有一個鍍膜就夠了，一般在第2和第5個玻璃面上鍍膜（從外往里數(shù)），見圖1。

圖1：保溫玻璃的鍍膜順序和間隔條。采用鋁合金間隔條的雙玻保溫窗不適合用于被動房。三玻保溫窗的“l(fā)ow-e”鍍膜一般在第2和第5個面上。在第3和第5個面上鍍膜雖然可以得到更好的g 值，但是在太陽入射和陰影投射下，會增加中間一層玻璃的破碎危險。為此必須使用鋼化玻璃。利用簡單的測試方法可以確定鍍層的位置：火焰投射到鍍膜層的鏡像顏色和沒有鍍膜的不一樣。不同產(chǎn)品顏色可能不同
給出的玻璃傳熱系數(shù)U_g是指玻璃中間的數(shù)值。玻璃邊緣間隔條的熱損失必須單獨計算（玻璃熱橋系數(shù)Ψ_g）

   玻璃外側或內側鍍膜只能略微改善玻璃的傳熱系數(shù)U_g。前面介紹的金屬鍍膜不耐磨 (軟鍍層），熱解鍍膜耐磨（硬鍍膜），所以也適用于玻璃外側鍍膜。在外側玻璃外表面鍍膜，可以在明朗的冬夜避免在玻璃外側形成露水或結冰。這個問題一直困擾著人們，特別是對于屋頂上的窗戶，所幸現(xiàn)在市場上已經(jīng)可以買到貼在窗玻璃外表面的熱解鍍膜。
   “選擇性反射”是說，可見光可以很好地透過這些涂層。所以眼睛看上去玻璃是透明的?？梢姽夥秶耐该鞫龋é覸is)和太陽得熱系數(shù)值（g值）受到涂層影響會有所降低，即需要在良好的保溫和太陽得熱之間找到一個折中。
所謂的“太陽鏡”它故意降低g值，所以對被動房不是一種好的解決方案。獨立遮陽措施（挑出檐口或卷簾等）對于夏季遮陽效果更好，在冬季屋子需要太陽時可以把它們打開。
   注意：改變涂層順序有玻璃破碎的危險
   為了優(yōu)化g值，理想的做法是在第3和第5個面上鍍膜，而不是在第2和第5個面上，見圖1。然而，假如在三層玻璃的中間一層的某個表面鍍膜，在夏季髙熱輻射條件下會被不均勻地加熱，以致破碎。所以，只有在使用鋼化玻璃時才推薦在第3個面上鍍膜。而這種做法由于造價原因只有在特殊情況下才能實現(xiàn)。


圖2:由兩膛常規(guī)雙層玻璃窗組成的雙膛窗，它們均采用暖邊間隔條
U_g(全部玻璃）＝0.62W/（m²?K），窗框U_f＝0.65W/( m²?K)，整窗U_w＝0.68冒(m²?K)
全部玻璃的g值：0.47。在兩窗之間大的空間可以安裝遮陽裝置起到很好的防風保護作用

   在此，還要介紹一下檢查這類玻璃的簡單方法。從燭光反射圖像的顏色可以分辨涂層。6個面的鏡像圖中，低輻射鍍膜的顏色與無鍍膜表面的4個鏡像顏色不同。用這種快速檢查方法可以很容易地分辨哪個玻璃表面有鍍膜，鍍膜是否在正確的位置，或者說究竟有沒有鍍膜。但是要注意，顏色中性的鍍膜在鏡像圖中色差比圖1的要小。
   高級雙玻保溫窗的構造與三玻保溫窗相似，但只有4個面中的1個面有涂層（從外數(shù)第3個面)。目前能買到的最好的雙玻保溫窗的傳熱系數(shù)可以達到U_g＝0.9W/（m²?K）；只有充填氙氣才可以得到更好的性能。可惜氙氣很稀少所以很貴。
   對于中歐氣候條件，被動房玻璃的傳熱系數(shù)應該為U_g≤0.8W/（m²?K）。用幾個雙層玻璃的組合（2+2或2+1)完全可以達到該指標，經(jīng)常采用的有雙膛窗或組合窗，見圖2。所以，原則上是可以滿足能源準則的。當然需要檢驗任何一種玻璃和鍍膜組合的能源準則，因為第4層玻璃經(jīng)常會顯著降低g值。近來，市場上已經(jīng)可以買到適合用于被動房的雙膛窗和組合窗。這種組合的窗戶隔聲效果很好。在多風的沿海地區(qū)，兩膛窗戶之間安裝遮陽裝置是這種組合的又一大優(yōu)點。

三、有保溫的窗框
   除了玻璃的熱損失外，無保溫窗框的熱損失很大。常規(guī)窗框[U_f＝1.5-2W/（m²?K）]的傳熱系數(shù)是典型三玻保溫窗[U_g＝0.7W/（m²?K）]的兩倍多。所以，髙級玻璃必須搭配良好保溫的窗框，因為窗框比例占到30%?40%，在典型窗戶尺寸中是比較髙的。



圖3:有保溫的窗框：增加窗框厚度(120mm），增加玻璃在框內的深度，采用暖邊間隔條。本圖例以一種虛構的勻質材料為基本條件λ＝0.085W/（m?K），窗框傳熱系數(shù)U_f＝0.75W/（m²?K），玻璃熱橋系數(shù)Ψ_g＝0.028W/（m?K），玻璃在框 內的深度27mm，窗戶傳熱系U_w＝0.78W/（m²?K），窗戶內表面最低溫度13度，相當于f_Rsi＝0.77

   窗框和玻璃的面積比通常取決于窗洞口的土建尺寸，與保溫覆蓋窗框多少沒有關系。典型的外框寬度在120mm(兩側和上框）?140mm(胸墻處）。經(jīng)過優(yōu)化的有保溫的窗框和標準窗框都是這個尺寸，厚度為68mm(Ⅳ68)。當平均窗戶尺寸為1.23m×1.48m時，窗框比例為34%，陽臺門（l.lm×2.2m)的窗框比例為31%，小窗的窗框比例可能會超過40%。
   首先是加大窗框的安裝深度，以便能夠安裝保溫層。68mm窗框厚度對于被動房來說太小了，即使對于今天可用的熱工性能優(yōu)化的導熱系數(shù)很低的材料也顯得太小。增加玻璃在窗框的安裝深度并采用暖邊間隔條也可以為減少熱損失作很大貢獻，目前在被動房上已經(jīng)被視為窗戶的“常規(guī)技術”，見圖3。
   目前，市場上可以獲得許多品種的保溫良好的窗框：厚度為110mm的木-高強度聚氨酯-聚氨酯-高強度聚氨酯-木的三明治框；另一種類似構造是木-軟木-木-軟木-木結構。
   一些加工窗框的生產(chǎn)商，在木框外用軟木、聚氨酯、聚苯材料或其他保溫材料包覆保溫護罩，它們不是粘在木框上，而是用螺栓固定或插接方式安裝，便于回收利用。在很多情況下還采用鋁包木的結構。由聚氨酯發(fā)泡做成的保溫罩現(xiàn)在也用在既有建筑現(xiàn)代化改造上。塑料窗框型材要有更大的腔室以便填充保溫材料。型材框內塞保溫條的方式用得很普遍，由保溫板裁剪成合適的尺寸。型材腔內做聚氨酯發(fā)泡保溫時，一定要求供貨商提供這種材料的原始密度，因為它們對導熱系數(shù)影響很大。雙膛窗或組合窗即使采用全木結構也同樣能夠滿足保溫要求，這是因為它們有很大的安裝深度。塑料型材無論如何必須在腔室內填充保溫材料。
   按照以下原則評價保溫窗框：無論采用什么材料，必須注意保溫層應盡可能無中斷并且“直線”蓋住窗框。一小塊一小塊拼接的保溫材料效果很小?？匆幌麓翱虻牡葴鼐€圖3,就會明白，保溫層應盡量“短”，也就是沿著型材走直線，因為每個拐彎都會加大從內向外熱交換的有效面積。
   除了上述良好保溫窗框的熱工性能，窗框四周的氣密性構造當然也非常重要。目前通常采用三道密封，防雨和功能安全對于窗戶的壽命也非常重要。其實，上述性能在常規(guī)窗戶上也是必須檢測的。所以根據(jù)經(jīng)驗，對供貨商和加工廠商提出上述要求是不會有爭議的。

四、暖邊間隔條，增加玻璃在框內的安裝深度
   標準窗框的玻璃安裝深度只有15mm。此外，在標準保溫窗上使用的鋁合金間隔條會形成很大的熱橋。
   去除玻璃邊框熱橋有兩種辦法。第一種是加大玻璃在框內的安裝深度。根據(jù)最近的研究，做到25?30mm是沒有問題的；除此以外，還可以使用由薄壁不銹鋼板（壁厚≤0.2mm)或塑料做成的熱斷橋間隔條（暖邊)。在窗框型材幾何尺寸不變的情況下，窗戶的熱損失最多可以減少8%。另一個好處是，由于減少了熱橋效應，玻璃邊上幾乎不會再結露。

五、窗戶的舒適度準則
   安裝完以后整窗的傳熱系數(shù)要求小于0.85W/（m²?K）。這個要求主要出于對建筑物熱舒適性和能量平衡的考慮。如果放棄使用散熱器，那么窗戶內表面平均溫度即使在設計條件下也要高于17度。否則，在地面可能形成冷氣層，呆在窗戶邊上會很不舒服。
   為了防止霉菌生長，在通常室內空氣濕度下，窗戶內表面的任何位置包括玻璃邊緣溫度至少應在13度以上。采用上述暖邊間隔條或加大玻璃在框內的安裝深度就可以毫無困難地實現(xiàn)以上目標。


六、窗戶的安裝熱橋
   在窗戶裝到墻上時，經(jīng)常會產(chǎn)生不可避免的熱橋。按照為被動房優(yōu)化的細部節(jié)點處理辦法，在胸墻區(qū)域典型的熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}＝0.03W/（m?K），因為此處有窗臺板和窗框疏水口，幾乎無法覆蓋保溫板。兩側和上部窗框可以用保溫板覆蓋（圖5)，所以它們的熱橋系數(shù)是負值。這里的熱橋系數(shù)對應于外墻傳熱系數(shù)U_wand≤0.15W/（m²?K），所以可以滿足安裝狀態(tài)窗戶傳熱系數(shù)限值U_{w，安裝狀態(tài)}≤0.85W/（m²?K）的要求。
   然而許多常規(guī)安裝節(jié)點會產(chǎn)生很大的熱橋效應。如果像圖7或圖9那樣將窗戶放在向外遠離墻體中心線的位置，并且固定在通長的木條上或者在有外保溫的實心墻體的砌筑構造上，那么由于不利的安裝條件造成的熱橋損失很大，以致盡管采用了熱工性能優(yōu)化的窗戶U_w≤0.8W/（m²?K），安裝狀態(tài)的傳熱系數(shù)會明顯變差。
   一般而言，窗戶應該盡可能位于保溫層內。也就是說，在安裝了保溫的墻體內，窗戶大約位于窗洞口的中間位置。對于住戶而言，除了墻體相應增厚外，和常規(guī)房子沒有區(qū)別。


圖4：經(jīng)過優(yōu)化的安裝狀態(tài)：裝在輕木結構墻體上的窗戶。窗戶在墻的中間位置。兩側和上部窗框可以盡量用保溫板蓋住。應該注意襯鋼的熱橋效應
安裝狀態(tài)窗戶的熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}≤0.014W/（m²?K）
安裝狀態(tài)窗戶的傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.82W/（m²?K）


圖5：經(jīng)過優(yōu)化的安裝狀態(tài)：在有外墻外保溫的實心墻體上，窗戶固定在木質或再生聚氨酯材料制作的支架上。窗戶裝在墻體外側，并用足夠厚的保溫板覆蓋。兩側和上部窗框被保溫板覆蓋?，F(xiàn)在有些供貨商也提供兩側斜邊的錐形保溫板
安裝狀態(tài)窗戶的熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}≤0.03W/（m²?K）
安裝狀態(tài)窗戶的傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.80W/（m²?K）



圖6：在木纖維板構成的外墻外保溫系統(tǒng)中，窗戶與兩側洞口和胸墻處的節(jié)點

   對于有外保溫系統(tǒng)的實心墻體，必須在安裝外保溫前，把窗戶固定到墻體前面。圖5上使用安裝支座固定。支座可以用木塊或再生聚氨酯制作，它們的導熱系數(shù)相對較小。也可以用不銹鋼角鋼固定,如果角鋼排列不太密的話。應該避免采用整根安裝軌道，否則會造成非常髙的熱損失，以至于在保溫窗框上花的功夫被抵消掉。
   在輕木結構墻體上窗戶可以居中安裝。這種結構上，整個墻體全是保溫層，見圖8。當然此處應該注意，不能讓在洞口安裝的窗戶造成太大的熱橋，如圖7所示。
   在按被動房標準進行窗戶認證時，除了必須檢驗窗戶性能外，也必須審核制造廠提供的針對不同墻體結構的細部節(jié)點。所以，建筑師在使用經(jīng)過認證的窗戶時可以采用這類細部節(jié)點，而不需要自己再去做熱橋試驗。


圖7：錯誤：在輕木結構墻體內錯誤安裝的窗戶會造成很髙的熱橋損失。墻體傳熱系數(shù)U_墻＝0.12W/（m²?K），窗戶傳熱系數(shù)U_w＝0.80W/（m²?K）,安裝熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}＝+0.06W/（m?K），安裝狀態(tài)窗戶的傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.93W/（m²?K）



圖8：經(jīng)過優(yōu)化的安裝狀態(tài)：窗戶位于保溫層的中間位置，邊角木板只是呈點狀分布于窗框下面（考慮到結構穩(wěn)定）。輕木結構墻體傳熱系數(shù)U_墻＝0.12W/（m²?K），窗戶傳熱系數(shù)U_w＝0.80W/（m²?K），安裝熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}≤0.014W/（m?K），安裝狀態(tài)窗戶的傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.82W/（m²?K）


圖9：錯誤：窗戶落在砌筑墻體上。窗和墻的保溫層中斷了，接合處的熱損失非常大。墻體傳熱系數(shù)U_墻＝0.12W/（m²?K），窗戶傳熱系數(shù)U_w＝0.80W/（m²?K），安裝熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}＝+0.014W/（m?K），安裝狀態(tài)窗戶傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.95W/（m²?K）


圖10：相同的窗戶從外向里伸入到保溫層里，并固定在支座上。兩個建筑構件的保溫層閉合沒有中斷。墻體傳熱系數(shù)U_墻＝0.12W/（m²?K），窗戶傳熱系數(shù)U_w＝0.80W/（m²?K），安裝熱橋系數(shù)Ψ_{安裝狀態(tài)}≤+0.03W/（m?K），安裝狀態(tài)窗戶傳熱系數(shù)U_{w，安裝狀態(tài)}＝0.80W/（m²?K）

七、窗洞口
   由于被動房采用了較厚的保溫層，窗洞口比普通建筑深。但是居民一般沒有感覺。然而，如果將保溫板做成斜口可以擴大視野，洞口對太陽的遮擋也減少。洞口保溫層做成直角還是斜角對保溫效果沒有太大影響?，F(xiàn)在有一家外保溫供應商可以提供用巖棉（防火) 制作的洞口保溫型材，見圖12。南向窗戶擋火梁處保溫不做斜口可以起到夏季遮陽效果。利用PHPP可以進行細部優(yōu)化。

八、卷簾
   被動房原則上也可以使用卷簾。但是安裝卷簾會增加熱橋。如有可能，將卷簾安裝在墻的前面，后面應有至少6cm厚的保溫層，以防在卷簾盒內表面結露。應盡量采用氣密性電動或搖桿操作系統(tǒng)。最近，市場上也可以買到氣密性很好的皮帶操作系統(tǒng)。如圖11所示是一種輕型卷簾遮陽裝置。



圖11：窗框用保溫覆蓋的洞口，卷簾作為遮陽裝置



圖12：有一家供應商推出了外保溫斜口型材作為窗洞口的保溫構件。窗框覆蓋保溫層的作用基本保持不變，而洞口側邊的視線遮擋顯著減少