【门窗幕墙网】摘要：随着《近零能耗建筑技术标准》（GBT51350—2019）于2019年9月1日起实施，我国被动式超低能耗建筑用门窗的发展迎来了新机遇和新挑战。被动式门窗目前多采用外挂式安装，高昂的安装成本、材料成本和安全性等问题成为节能政策推广中的阻力。本文对被动窗外挂式安装存在的问题进行了总结，并提出采用半外挂式的安装方式，对两种方式的成本、安全性、节能性进行对比分析，认为半外挂式安装对被动窗安装技术的发展及位置优化具有重要意义。
关键词：被动式超低能耗建筑；近零能耗建筑；被动窗安装；外挂式；外跨式
0引言
随着我国节能减排政策的实施，建筑节能标准逐步提高，作为三大能耗之一的建筑能耗引起广泛关注。建筑的门窗作为建筑能耗中的耗能大户，首当其冲成为节能的重中之重。在攻克门窗耗能的过程中，我国向欧美国家学习，引入了一些先进的材料，吸收了一些适用的技术做法，目前可生产加工“被动窗”、“高性能门窗”等符合超低能耗建筑用门窗的国内企业也越来越多。被动窗作为门窗中的高节能性产品，价格一直保持较高区间，成为被动式超低能耗建筑中增量成本最大的项目，如何降低被动式超低能耗建筑的增量成本亟待进一步的研究。本文就被动窗目前的安装方式进行探讨，提出更经济、便捷、节能和符合国情的方法。
1门窗的节能发展及被动窗安装现状
我国建筑节能以1986年原建设部颁布的《北方地区居住建筑节能设计标准》为标志而启动，当年出版的《民用建筑节能设计标准》中要求新建居住建筑在1980年当地通用设计能耗水平基础上节能30%。1995年的《民用建筑节能设计标准》修订版要求将第二阶段的建筑节能指标提高到50%。2005年，原建设部发布《关于发展节能省地型住宅和公共建筑的指导意见》，要求强制执行节能50%的标准，设立北京、天津、大连、青岛、上海、深圳六市率先试点节能65%的标准。
2016年，国务院印发了《“十三五”节能减排综合工作方案》，作为指导“十三五”全国节能减排工作的纲领性文件，其中要求：到2020年城镇绿色建筑面积占新建建筑面积比重提高到50%，强化既有居住建筑节能改造，实施5亿m2以上改造面积，2020年前基本完成北方采暖地区有改造价值城镇居住建筑节能改造。2019年，住房和城乡建设部批准《近零能耗建筑技术标准》为国家标准，同年9月1日起正式实施。标准中将未来建筑节能分为三步：超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑。经过近三十年的努力，我国建筑节能水平逐步提高。目前，建筑节能已成为国家能源战略的主要议题，纳入国家中长期发展规划。近零能耗建筑已经进入井喷式发展，而被动式门窗的发展也迎来了新的机遇和挑战。
被动窗进入我国从业者的视野至今已有十几年时间，经过不断发展，目前符合我国《近零能耗建筑技术标准》（GB/T51350—2019）的门窗产品很多，但门窗安装技术体系发展还不够充分，尤其是我国较为广泛的建筑结构形式为钢筋混凝土+外墙外保温的结构，“被动窗”主要采用外挂式安装，见图1。在实践中，外挂式安装方式存在安全、施工和成本等方面问题。
1.1外挂式安装的安全问题
（1）被动窗的外挂式安装安全问题主要是窗框支撑托件的寿命和角件的牢固程度，及窗户安装在洞口外结构造成的问题（图2）。首先是承重托件木墩存在开裂风险，用来固定被动窗的角件部分厂家为了节省材料成本，厚度＜2mm；第二是固定角件及底部木墩的拉爆螺栓及固定窗框的木螺丝现场施工过程中存在直接砸进去，并未按工艺要求进行固定的情况；第三是被动窗完全安装到洞口外，若底部托件开裂或发生脱落，被动窗随时有掉落伤人的安全隐患。
（2）被动窗的安装施工大部分需要工人室外作业，大大增加了施工工人从高处掉落的安全隐患。被动窗采用5mm厚三层玻璃的配置，带玻璃安装，单樘重量普遍≥100kg，对安装辅助工具吊篮、脚手架的寿命和使用耐久性也提出了更高的要求。
（3）随着建筑节能的发展和标准的施行，被动窗市场将成为低门槛市场。大型生产厂家会通过严格的检测、试验及项目论证，逐渐拥有自己的成熟工艺及辅材，但同时，也会使一些无良的小厂未经研究和材料论证就可以“模仿”优质的产品，照搬别的产品的安装和施工方式，留下潜在的风险。
（4）目前市场上被动窗厚度为90～130mm，外墙外保温结构将被动窗外挂后，保温厚度需要≥200mm才能对窗框进行完全覆盖，才可以有效降低门窗安装导致的线传热系数。如果保温层施工不当，后期会出现大面积的脱落伤人现象。
1.2外挂式安装的施工问题
被动窗外挂式安装施工分为11个步骤，其中3个步骤可在室内完成，8个步骤需要在室外进行作业，参考图3。施工步骤多且烦琐，而且施工过程中会与保温施工有工序冲突，保温需要等门窗施工结束后方可进行，而安装窗台板的最后一道工序又需要等保温施工结束之后才能进行，这在很大程度上延长了脚手架和吊篮的使用时间，同时由于工序冲突也加长了整个项目的施工工期。
1.3外挂式安装的成本问题
如表1所示，外挂式安装成本主要是由人工费和安装材料和措施等费用构成，目前市场外挂式的安装成本大约为595元/m2，是普通口内安装的3-4倍，导致被动窗外挂式的安装方式，成为“被动窗”增量成本增加的较大部分。此外，外挂式施工作业需要在室外进行，导致吊篮等安装辅助设备的使用时间和施工周期大大增加。后期的门窗更换仍需在室外进行，同时还要将室外洞口周边的保温、遮阳拆除，后期被动窗的更换维修成本远大于被动窗的安装成本，高层建筑上的被动窗更换维修发生的各项费用将是最初安装费用的2～3倍。
2被动窗半外挂安装
半外挂安装方式是将铝包木被动窗的主要受力结构安装到结构洞口内，而起主要保温或降低传热的部位安装于保温层中，塑钢和铝合金窗则将冷腔置于保温层当中，剩余部位安装于洞口之中，参考图4。
该安装方式适用于外墙外保温建筑结构体系，可有效解决目前被动窗外挂式安装中一些无法避免的安全性差、增量成本高、施工难度大等问题，同时最大程度地保证了被动窗的整窗性能，避免热桥的产生，有利于被动式超低能建筑的推广应用和可持续发展。采用半外挂的安装方式后，可以在洞口内紧贴保温层一侧安装节能附框，进一步降低能量的流失，达到无热桥，也可以经计算确定补偿其损失的部分能量或降低其他部位的能耗，以达到建筑一次能源消耗量指标，最终符合被动式超低能耗建筑的能耗要求。
2.1安全性
半外挂安装由于将被动窗半口内半口外安装，杜绝了被动窗因固定件质量出现问题而发生掉落的危险；工人室外作业工序的减少也提高了工人的人身安全，同时减少了外界环境对施工的影响；在高层建筑的被动窗安装时，则可以方便监管人员进行现场查验安装效果，保证施工质量；降低了因安装质量或气密性不达标等后期拆卸更换带来的安全隐患；外跨式的安装方式也可以较好地解决外墙高性能A级防火保温材料的应用导致覆盖窗框保温厚度不够的问题，对于真空绝热板、气凝胶毡等轻薄的高性能保温材料应用起到了一定的促进作用。
2.2节能性
（1）计算条件参考表2，依据《近零能耗建筑技术标准》（GB/T51350—2019）设定各气候区典型代表城市的保温厚度、应用flixopro8热工分析软件进行热工模拟，采用有限元方法进行热工分析。依据《民用建筑热工设计规范》（GB50176—2016）、欧标ENISO10077-2进行参数编辑[1,2]，计算结果见图5。就外墙外保温结构而言，被动窗安装越靠近室外侧保温性能越好[3]，但一味地追求高保温则势必导致成本高昂，没有经济性，且线传热系数的曲线越来越趋于平缓。半外挂的安装方法适用于采用外墙外保温任意厚度结构的气候区，在安装进深为130mm时的相同位置获得性价比最高的门窗安装线传热系数。当保温厚度降低时，这一情况更加明显，门窗安装线传热系数最低可降低到0.019W/（m·K）。
（2）基于《近零能耗建筑技术标准》（GB/T51350—2019）技术标准要求，针对铝包木被动窗、铝合金被动窗、塑钢被动窗的不同安装位置的线传热系数进行计算，结果见图6～图8。
由图中分析得出以下几点：①铝包木被动窗安装线传热系数下降最为明显的是：窗框接触保温层开始，到窗框保温结构完全置于保温层之中，此时铝包木窗框的木材部分仍处于洞口内。当窗框安装位置继续向外移动，线传热系数曲线下降趋于平缓。半外挂安装将铝包木保温结构安装于保温层，木结构安装于洞口内，铝包木被动窗安装线传热系数性价比最高。②铝合金被动窗安装线传热系数下降最为明显的是：窗框接触保温层开始，到窗框冷腔完全置于保温层中。当窗框安装位置继续向外移动，线传热系数曲线下降趋于平缓。半外挂安装将铝合金被动窗冷腔及部分隔热条安装于保温层内且保温层覆盖窗框，铝合金被动窗安装线传热系数性价比最高。③塑料被动窗因其优异的隔热性能，图8中曲线变化下降较为均匀。当采用半外挂安装，将钢衬腔外侧隔热腔全部置于保温层内，仍能获得较低的线传热系数和较高的性价比。
2.3便捷性
外墙外保温结构安装被动窗所采用的外挂式安装方式，材料多、安装效率低、施工难度大、施工工序多、无法实现装配化，间接或直接地导致整个建筑施工周期增加，成本上升。与外挂式安装方式相比，在便捷性方面，半外挂方式有两大突出特点：
（1）速度快。半外挂式安装材料少、工序少，且大部分工序在室内完成，速度快、效率高，可大幅度缩短被动窗的安装施工时间。后续还可从室内更换维修，无需室外作业，大大节省了后期维护更换的时间和成本。
（2）适用于装配式。半外挂的安装方式可采用洞口内部四周预埋节能附框固定门窗，节省安装附件的安装时间，或提前将被动窗在工厂进行安装，随外墙同时到达施工现场，实现可装配施工的同时，提高建筑装配率。
2.4半外挂安装经济性及成本分析
被动窗半外挂安装的成本更低，主要是因为施工周期短，工序减少使得安装人工成本大幅降低。除去防水隔汽和防水透气膜后，外跨式安装的安装方式与口内安装的施工工序基本相同，不需要洞口外侧提前安装钢件和托件，室内安装部分还可以减少脚手架、吊篮、吊车等机具的使用。安装材料的减少，使安装成本进一步降低。半外挂安装较外挂式安装每平方米节省约200元（表2），增量成本的降低有利于被动窗乃至超低能耗建筑的推广和应用。
3外挂式和半外挂两种安装方式对比
外挂式和半外挂两种安装方式的整体对比见表3。
4结论
建筑能耗分为两大能耗，即为建造能耗和运行能耗，在追求严苛的计算结果达到降低运行能耗或相关技术标准的同时，更不能忽视建筑的建造能耗。被动式超低能耗建筑用门窗半外挂的安装方法，从安全性、降低能耗、减少增量成本、可持续发展上，较目前采用的外挂式安装有明显的优势，是适合我国国情的本土化解决方案。
参考文献：
[1]住房和城乡建设部.近零能耗建筑技术标准:GBT51350-2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.
[2]住房和城乡建设部.民用建筑热工设计规范:GB50176—2016[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.
[3]魏贺东,赵及建,张福南.被动式超低能耗建筑门窗安装墙体洞口热桥分析[J].建设科技,2019.06(009):59-62.
[4]DIN4108-2:Thermalprotectionandenergyeconomyinbuildings[S].
