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摘要：本論文通過一個國外被動式陽光房的應用案例，介紹一些解決建筑的超低能耗的方案。對節能、環保、綠色產品的技術理論與應用進行了一些闡述;詳細介紹了超低能耗建筑的一種解決思路，特別是對一些應用到被動式門窗幕墻上的新材料進行簡單介紹，新材料在幕墻門窗系統中的應用，以及方案工藝，供同行業人作為一些參考。
關鍵詞：被動式建筑;節能 ;環保;綠色;玄武巖纖維（詞條“纖維”由行業大百科提供）;隔熱玻璃;氣凝膠
一、被動式建筑的背景
建筑領域降碳是實現我國碳達峰碳中和戰略的重要內容。提升建筑能效，降低建筑化石能源需求，是建設行業低碳轉型的根本解決方案。在超低能耗建筑面臨規模化發展的行業背景下，促進超低能耗建筑規范健康可持續發展，實現建筑領域碳排放量化約束目標，我國于2011年引入高能效建筑—被動式超低能耗建筑技術（詞條“建筑技術”由行業大百科提供），至今累計建成(在建)超低能耗建筑逾 2300 萬平方米，成為提高建筑能效、降低建筑碳排放的重要手段。推動超低能耗建筑規模化高質量發展，對落實碳達峰碳中和戰略目標，從根本上破解能源環境約束，建設生態文明具有重要意義。
隨著節能標準的提高，被動式門窗（詞條“窗”由行業大百科提供）和幕墻的應用也越來越廣泛，房屋外門窗框的型材傳熱系數K應依據現行國家標準《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484規定的方法測定，并符合K≤1.3W/(㎡·K)規定。這項規定既保障了外窗整體的傳熱系數能夠控制在一定范圍以內，又保障了在使用過程中，冬季室內一側型材表面溫度高于露點溫度。以至于目前市場上可供選材的只有木材（詞條“木材”由行業大百科提供）或塑料型材（詞條“塑料型材”由行業大百科提供）。
北京市地方標準《居住建筑節能設計標準》 DB11/ 891—2020 ，對外窗、陽臺門窗、幕墻透過部分以及屋面天窗的傳熱系數K值要求≤1.1W/(㎡·K)。京津冀節能水平達到80%，實現五步節能。
早在2019年出臺的《近零能耗建筑（詞條“零能耗建筑”由行業大百科提供）技術標準》GB/T51350-2019，對嚴寒地區門窗的傳熱系數K≤1.0W/(㎡.K)。
而國外對被動房的傳熱系數要求會更低，比如德國要求安裝完以后整窗的傳熱系數要求小于0.85W/(㎡·K)，隨著國家節能減排的呼聲越來越高，我國對被動式門窗和幕墻的傳熱系數要求，一定也會越來越嚴格。
傳統的斷橋鋁合金面臨的市場更新和淘汰。為了實現整窗性能，整個幕墻行業也面臨著重大的變革。玻璃越來越厚，隔熱條越來越寬，鋁框越來越大，成本越來越高。這對門窗幕墻系統的設計、原材料的利用率、五金件的選擇、鋁型材、隔熱條、玻璃等原材料的生產和加工，以及結構受力，甚至到現場的運輸和安裝，都是嚴格的考驗。
二、某國外被動式陽光房的節能解決方案
以下為一個國外被動式陽光房的整體設計思路和節能解決方案。
該項目位于加拿大魁北克省蒙特利爾地區一個農場別墅區。本項目的重點是業主對陽光房的超低能耗期望，在原有的游泳池上建立一個被動式陽光房，不但要求采光好，同時要保證能實現冬季游泳，以解除業主之前每到冬季都要放水而且不能游泳的困擾。
由于加拿大蒙特利爾地區夏季比較段，冬季比較長，夏季炎熱潮濕，氣溫高溫30攝氏度以上，冬季嚴寒多雪，最低氣溫在零下30度以下，而且冬季長達半年之久。該地區風壓必須能夠承受120公里/小時風速，雪荷載設計要求能夠承受至少47磅/平方英尺。該項目主要材料，如玻璃、型材、鋁單板、輔材等都采用中國國產材料，材料都在國內加工好，通過海運到加拿大，在現場組裝，并要符合加拿大國家建筑節能規范NECB-2011等相關要求。
經過相關結構計算，按業主要求對熱工進行分析，整體陽光房的K值要求不能超過0.5 W/(m2·K)。超低能耗是本項目設計的最大難點。
本項目總長度12米，總寬度6.2米，總高度4.5米，是個獨立的尖頂采光頂，其效果圖如下：
由于如果采用傳統的鋼結構形式，或者鋁合金結構形式，即使增加隔熱型材，也很難達到如此低的K值要求。而本陽光房所在地區風荷載比較大，又要滿足結構要求。經過分析和計算，最終決定為本項目選用了一些國內新研發的節能、環保、綠色低能耗產品，來作為本項目門窗幕墻的安全和節能性能應用的解決方案。以下為本項目的一些比較有特點的材料應用介紹：
(一)、整體設計思路：
本項目系統采用國內常用的框架式玻璃幕墻系統，由于框架式幕墻系統經過幾十年發展和實際應用，已經相當成熟，所以在不改變現有系統的前提下，想要提高整體幕墻系統的節能，只能靠替換更有效的節能材料來實現整體建筑的超低能耗。而影響幕墻能耗的主要幾項，一個是面材，一個是主龍骨（詞條“主龍骨”由行業大百科提供），一個是解決氣密性密封問題的輔材，以下就這幾項解決方案展開介紹。
(二)、主龍骨解決方案：
如果想讓系統整體K值達到0.5W/(㎡·K)，那傳統的鋼龍骨和鋁合金（詞條“合金”由行業大百科提供）都基本實現不了，即使鋁合金采用穿PA66（詞條“PA66”由行業大百科提供）+GF25的隔熱條，也很難達到。經過對目前國內系統窗的調研，鋁合金隔熱型材采用100系列，隔熱條52mm，玻璃采用三玻雙銀雙lowe膜，雙12/16氬氣層+暖邊（詞條“暖邊”由行業大百科提供）隔條，整窗K值能達到1.0以下，但是想達到0.5還是很難實現的。這里介紹一種新材料叫玄武巖纖維復合型材。
首先我們了解一下什么是玄武巖纖維，玄武巖纖維的主要成分是玄武巖，屬于硅酸鹽，它是由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成，玄武巖石料在1450℃～1500℃熔融后，通過專用設備高速拉制而成的連續纖維，是一種新型純天然的綠色環保無機非金屬材料（詞條“金屬材料”由行業大百科提供）。用玄武巖纖維可以做成玄武巖纖維布、玄武巖纖維氈、以及玄武巖纖維復合材料（詞條“復合材料”由行業大百科提供）等。該材料已經廣泛的應用到現代軍事、航天、橋梁、船舶、汽車生產等國民經濟生產活動中。玄武巖纖維和碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維被稱為國內四大纖維。眾所周知，玄武巖是火山噴發的巖漿凝固成的巖石，所以與其他纖維相比，玄武巖纖維具有高強度、高模量（詞條“模量”由行業大百科提供）、耐高溫性、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、電絕緣、耐腐蝕、適應于各種環境下使用等優異性能。據悉，我國玄武巖的儲存量預估為180億噸，而且我國的玄武巖纖維生產技術也走在了世界的前列，所以和其他材料相比，玄武巖纖維的性價比更好。此外，玄武巖纖維的生產過程很環保，煙塵中無有害物質析出，不會對大氣造成污染，沒有工業廢水、廢氣產生，且產品廢棄后可直接在環境中降解，無任何危害，對環境很友好，因此是一種名副其實的綠色、環保材料。
以玄武巖纖維為增強體，直接加工成幕墻的龍骨復合型材，也同樣具備玄武巖纖維的一些特點，如強度高，隔熱性能好，耐火等有點。
下表為玄武巖纖維實驗室測試結果(注：僅供參考)
由一定比例的玄武巖纖維，與其他材料一起型材復合材料，可以加工成我們需要的幕墻或者門窗的需要的型材，復合型材主要成分除了玄武巖纖維、一般還含有部分碳纖維、阻燃劑、熱固性樹脂、聚萘甲醛磺酸鈉鹽、聚丙烯酸（詞條“丙烯酸”由行業大百科提供）鈉、焦磷酸鈉、防凍劑等一點比例的材料。以玄武巖纖維為主的復合材料制作的門窗幕墻型材，具有耐腐蝕、耐高溫、抗老化性能好的特點，同時具有較低的傳熱系數以及重量輕的優點。玄武巖纖維復合材料型材，有效的解決現有鋁合金、不銹鋼門窗型材重量較重、耐腐蝕性能差以及傳熱系數高的問題。
玄武巖纖維復合材料的強度是通過拉伸（詞條“拉伸”由行業大百科提供）測試得出的，其強度通常可以達到數千兆帕。和鋁合金材料相比，鋁合金的強度測試通常采用屈服強度、延伸率、彈性模量、疲勞強度等指標來評估其性能。在強度測試方面，玄武纖維具有一定優勢，其強度遠高于鋁合金的屈服強度。
當然，為了實現效果，對玄武巖纖維復合材料型材的表面處理也有要求。和鋁合金型材一樣，玄武巖纖維復合型材的表面也可以進行粉末噴涂和氟碳噴涂，漆的表面附著力和最終的效果和鋁型材表面呈現效果一致。另外玄武巖纖維型材表面處理還有一些特殊的工藝：將玄武巖纖維復合型材上料，打磨表面，表面靜電除塵后預熱，然后進行噴底漆（詞條“底漆”由行業大百科提供）處理、面漆處理和流平處理，再經過烘烤和靜電吹風冷卻后入庫。該工藝處理的型材，色澤穩定，抗紫外線性能增強、歷久常新。
以下為本項目部分主要復合型材系統的典型節點：
(三)、玻璃的選用：
本項目的玻璃采用6low-e+9Ar+5(隔熱)+9Ar+6Low-E雙中空充氬氣隔熱鋼化Low-E玻璃，中間一層5mm的玻璃采用的是隔熱玻璃。
隔熱玻璃和lowe玻璃二者基本功能相同，都是隔熱，阻隔紫外線，延長家具使用壽命。但是二者還是有區別的。
首先，二者制作工藝各不相同。隔熱玻璃是運用物理手段，改變重組分子、原子結構達到隔熱的功效，而LOW-E玻璃是通過化學手段，滿足一定實驗條件，加工制作產生的。簡單的說，隔熱玻璃是玻璃生產本身過程中，通過增加一些硅酸鹽、磷酸鹽等化學材料，使得玻璃本身具有隔熱性能。而我們目前市場上常用的Low-E玻璃，是在玻璃表面通過在線或者離線方式鍍了一層或者多層Low-E膜，Low-E玻璃是一種對波長在4.5～25um范圍的遠紅外線有較高反射比的鍍膜玻璃，它具有較低的輻射率（詞條“輻射率”由行業大百科提供）。
其次，二者在功效方面不完全相同。隔熱玻璃主要阻隔近紅外線，而Low-E玻璃主要阻隔遠紅外線。前者在阻隔紫外線、紅外線的阻隔率略高于后者。
而Low-E玻璃的膜面位置，對玻璃的整體節能也是有影響的。
以某玻璃廠的Low-E產品參數為例，各結構性能參數如下：(注：僅供參考)
從上表可以看出，結構1、2、3為單腔結構，結構4、5為雙腔結構。
結構3單腔雙膜(Low-E#2+12Ar+Low-E#4),玻璃的傳熱系數為1.2，不僅達到了以往只有三玻兩腔才能達到的K值，還有效降低了玻璃的成本，實際產品檢測報告參見附件1。
結構2(Low-E#2+12Ar+Low-E#3)同為單腔雙膜結構，玻璃的K值1.35，遠遠高于結構3。原因在于冬季室內熱源散發的遠紅外波長能量輻射到玻璃內表面使其溫度升高，能量進而通過中空腔內氣體分子碰撞以對流的方式流向室外，造成熱量損失。而結構3(Low-E#2+12Ar+Low-E#4)則不同，遠紅外輻射打到玻璃上由于室內面低輻射膜的作用，絕大部分能量會反射回室內，所以單腔雙膜結構，Low-E膜置于2#和4#面，節能效果更優。
本項目采用Low-E玻璃+隔熱玻璃的組合方式,玻璃采用單銀Low-E，Low-E膜置于2#和4#面，玻璃采用暖邊，中間層充氬氣，最終使得玻璃整體K值低于0.5，實現了整體的節能要求。
(四)、封修縫隙等位置的處理
任何門窗幕墻項目，都避免不了存在縫隙，而且往往這些縫隙是門窗或者幕墻系統產生熱能損失最大的位置。那么怎么樣解決縫隙的封堵問題，也是本項目需要解決的關鍵問題之一。
本項目在縫隙和封堵位置，均采用氣凝膠隔熱氈。氣凝膠，是采用納米級的硅基材料與無機纖維通過創新的生產工藝復合而成。是目前已知導熱系數最低，密度最低的固體材料，具有超強的隔熱性能和耐火性能，相比傳統的隔熱材料如巖棉、玻璃棉等，氣凝膠的導熱系數更低，質量更輕，耐熱溫度更高。用比較薄的厚度即可達到同樣保溫效果，可以節省安裝空間。氣凝膠的增水率為99%以上，具有優異的防水效果。
氣凝膠主要應用于油氣、工業、交通、建筑等領域。在歐美地區，氣凝膠已經比較普遍的應用到建筑領域。我們國家近年也不斷出臺指導意見和方案，一定會大力促進氣凝膠材料的發展和應用。如中共中央國務院在《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰中和工作的意見》中，其中第二十一條指出，推動氣凝膠等新型材料研發應;《2030年前碳達峰行動方案》的第(七)部分第4條指出，加快碳纖維、氣凝膠、特種鋼材等基礎材料的研發;《關于推進中央企業高質量發展做好碳達峰碳中和的工作指導意見》第六部分第(一)條指出，加快碳纖維、氣凝膠等新型材料研發應用;《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2021年版)》“氣凝膠絕熱氈”列入前沿新材料領域，并規定性能要求;《十四五節能功能減排綜合工作方案》，氣凝膠材料在《重點新材料首批次應用示范指導幕墻(2019年版)》中的前沿新材料第328項。隨著我國對包括氣凝膠在內的節能環保材料重視程度的提高，在未來的門窗幕墻領域也勢必會得到廣泛的應用。
氣凝膠具有高憎水性，能讓水蒸氣排出，有助于保持建筑物內部干燥，增強了對隔熱層腐蝕的保護。同時氣凝膠隔熱氈的規格品種又很多，厚度2mm，3mm，5mm，10mm，15mm等基本可以滿足所有厚度需求，材料容易切割，不易變形（詞條“變形”由行業大百科提供），損耗少，施工簡單便利。氣凝膠隔熱氈的這些材料特點，特別適合用在狹窄有限的空間，恰好在幕墻系統存在的縫隙位置得到很好的應用。即氣凝膠隔熱氈可以添加在幕墻縫隙的狹小的空間內，從而大幅度提高幕墻的氣密性和熱阻性能，從而減少熱冷橋（詞條“冷橋”由行業大百科提供）的影響，降低結露風險，大幅度降低幕墻的傳熱系數。
以下為氣凝膠隔熱氈的檢測數據(注：僅供參考)
三、總結
進入21世紀，新材料的發展步入前所未有的新階段。隨著社會的進步和發展，新材料的地位會越來越高。誰掌握了材料，誰就掌握了未來。發展新材料的應用，可實現高附加值的循環利用，順應未來綠色循環可持續發展的方向。
以上介紹的被動式幕墻門窗應用的一些相關新材料，是典型的綠色資源產業，可持續發展性好，生產過程沒有多相的化學反應，能耗較低既是21世紀符合生態環境要求的綠色材料，又是在世界節能行業中可持續發展的有競爭力的新材料。尤其是我國已經擁有自主知識產權的相關技術及工藝，并且以“后來居上”的后發展優勢達到了國際領先水平，因此，大力發展新材料產業無疑具有重要的意義。
盡管有些材料還存在沒有普及、生產成本高、生產效率低下等問題，但是這些問題對于節能新材料的開發利用既是挑戰，也是機遇。相信隨著國內行業技術的突破，我們國家會研發和生產出性能更穩定，成本更低，具有非常廣闊的應用前景的新型材料。
以上觀點如有不足和不正確之處，歡迎各位同行批評指正，數據表格中的理論數值，僅供參考。
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作者單位：北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司
