不走老路！新材料在被动式门窗幕墙de应用

关键词：被动式建筑；节能；环保;绿色；玄武岩纤维；隔热玻璃；气凝胶

一、被动式建筑的背景

　　建筑领域降碳是实现我国碳达峰碳中和战略的重要内容。提升建筑能效，降低建筑化石能源需求，是建设行业低碳转型的根本解决方案。在超低能耗建筑面临规模化发展的行业背景下，促进超低能耗建筑规范健康可持续发展，实现建筑领域碳排放量化约束目标，我国于2011年引入高能效建筑—被动式超低能耗建筑技术，至今累计建成(在建)超低能耗建筑逾 2300 万平方米，成为提高建筑能效、降低建筑碳排放的重要手段。推动超低能耗建筑规模化高质量发展，对落实碳达峰碳中和战略目标，从根本上破解能源环境约束，建设生态文明具有重要意义。

　　随着节能标准的提高，被动式门窗和幕墙的应用也越来越广泛，房屋外门窗框的型材传热系数K应依据现行国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484规定的方法测定，并符合K≤1.3W/(㎡·K)规定。这项规定既保障了外窗整体的传热系数能够控制在一定范围以内，又保障了在使用过程中，冬季室内一侧型材表面温度高于露点温度。以至于目前市场上可供选材的只有木材或塑料型材。

　　北京市地方标准《居住建筑节能设计标准》 DB11/ 891—2020 ，对外窗、阳台门窗、幕墙透过部分以及屋面天窗的传热系数K值要求≤1.1W/(㎡·K)。京津冀节能水平达到80%，实现五步节能。

　　早在2019年出台的《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019，对严寒地区门窗的传热系数K≤1.0W/(㎡.K)。

　　而国外对被动房的传热系数要求会更低，比如德国要求安装完以后整窗的传热系数要求小于0.85W/(㎡·K)，随着国家节能减排的呼声越来越高，我国对被动式门窗和幕墙的传热系数要求，一定也会越来越严格。

　　传统的断桥铝合金面临的市场更新和淘汰。为了实现整窗性能，整个幕墙行业也面临着重大的变革。玻璃越来越厚，隔热条越来越宽，铝框越来越大，成本越来越高。这对门窗幕墙系统的设计、原材料的利用率、五金件的选择、铝型材、隔热条、玻璃等原材料的生产和加工，以及结构受力，甚至到现场的运输和安装，都是严格的考验。

二、某国外被动式阳光房的节能解决方案

　　以下为一个国外被动式阳光房的整体设计思路和节能解决方案。

　　该项目位于加拿大魁北克省蒙特利尔地区一个农场别墅区。本项目的重点是业主对阳光房的超低能耗期望，在原有的游泳池上建立一个被动式阳光房，不但要求采光好，同时要保证能实现冬季游泳，以解除业主之前每到冬季都要放水而且不能游泳的困扰。

　　由于加拿大蒙特利尔地区夏季比较段，冬季比较长，夏季炎热潮湿，气温高温30摄氏度以上，冬季严寒多雪，最低气温在零下30度以下，而且冬季长达半年之久。该地区风压必须能够承受120公里/小时风速，雪荷载设计要求能够承受至少47磅/平方英尺。该项目主要材料，如玻璃、型材、铝单板、辅材等都采用中国国产材料，材料都在国内加工好，通过海运到加拿大，在现场组装，并要符合加拿大国家建筑节能规范NECB-2011等相关要求。

　　经过相关结构计算，按业主要求对热工进行分析，整体阳光房的K值要求不能超过0.5 W/(m2·K)。超低能耗是本项目设计的最大难点。

　　本项目总长度12米，总宽度6.2米，总高度4.5米，是个独立的尖顶采光顶，其效果图如下：

　　由于如果采用传统的钢结构形式，或者铝合金结构形式，即使增加隔热型材，也很难达到如此低的K值要求。而本阳光房所在地区风荷载比较大，又要满足结构要求。经过分析和计算，最终决定为本项目选用了一些国内新研发的节能、环保、绿色低能耗产品，来作为本项目门窗幕墙的安全和节能性能应用的解决方案。以下为本项目的一些比较有特点的材料应用介绍：

　　(一)、整体设计思路：

　　本项目系统采用国内常用的框架式玻璃幕墙系统，由于框架式幕墙系统经过几十年发展和实际应用，已经相当成熟，所以在不改变现有系统的前提下，想要提高整体幕墙系统的节能，只能靠替换更有效的节能材料来实现整体建筑的超低能耗。而影响幕墙能耗的主要几项，一个是面材，一个是主龙骨，一个是解决气密性密封问题的辅材，以下就这几项解决方案展开介绍。

　　(二)、主龙骨解决方案：

　　如果想让系统整体K值达到0.5W/(㎡·K)，那传统的钢龙骨和铝合金都基本实现不了，即使铝合金采用穿PA66+GF25的隔热条，也很难达到。经过对目前国内系统窗的调研，铝合金隔热型材采用100系列，隔热条52mm，玻璃采用三玻双银双lowe膜，双12/16氩气层+暖边隔条，整窗K值能达到1.0以下，但是想达到0.5还是很难实现的。这里介绍一种新材料叫玄武岩纤维复合型材。

　　首先我们了解一下什么是玄武岩纤维，玄武岩纤维的主要成分是玄武岩，属于硅酸盐，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成，玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过专用设备高速拉制而成的连续纤维，是一种新型纯天然的绿色环保无机非金属材料。用玄武岩纤维可以做成玄武岩纤维布、玄武岩纤维毡、以及玄武岩纤维复合材料等。该材料已经广泛的应用到现代军事、航天、桥梁、船舶、汽车生产等国民经济生产活动中。玄武岩纤维和碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维被称为国内四大纤维。众所周知，玄武岩是火山喷发的岩浆凝固成的岩石，所以与其他纤维相比，玄武岩纤维具有高强度、高模量、耐高温性、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、电绝缘、耐腐蚀、适应于各种环境下使用等优异性能。据悉，我国玄武岩的储存量预估为180亿吨，而且我国的玄武岩纤维生产技术也走在了世界的前列，所以和其他材料相比，玄武岩纤维的性价比更好。此外，玄武岩纤维的生产过程很环保，烟尘中无有害物质析出，不会对大气造成污染，没有工业废水、废气产生，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，对环境很友好，因此是一种名副其实的绿色、环保材料。

　　以玄武岩纤维为增强体，直接加工成幕墙的龙骨复合型材，也同样具备玄武岩纤维的一些特点，如强度高，隔热性能好，耐火等有点。

　　下表为玄武岩纤维实验室测试结果(注：仅供参考)

　　由一定比例的玄武岩纤维，与其他材料一起型材复合材料，可以加工成我们需要的幕墙或者门窗的需要的型材，复合型材主要成分除了玄武岩纤维、一般还含有部分碳纤维、阻燃剂、热固性树脂、聚萘甲醛磺酸钠盐、聚丙烯酸钠、焦磷酸钠、防冻剂等一点比例的材料。以玄武岩纤维为主的复合材料制作的门窗幕墙型材，具有耐腐蚀、耐高温、抗老化性能好的特点，同时具有较低的传热系数以及重量轻的优点。玄武岩纤维复合材料型材，有效的解决现有铝合金、不锈钢门窗型材重量较重、耐腐蚀性能差以及传热系数高的问题。

　　玄武岩纤维复合材料的强度是通过拉伸测试得出的，其强度通常可以达到数千兆帕。和铝合金材料相比，铝合金的强度测试通常采用屈服强度、延伸率、弹性模量、疲劳强度等指标来评估其性能。在强度测试方面，玄武纤维具有一定优势，其强度远高于铝合金的屈服强度。

　　当然，为了实现效果，对玄武岩纤维复合材料型材的表面处理也有要求。和铝合金型材一样，玄武岩纤维复合型材的表面也可以进行粉末喷涂和氟碳喷涂，漆的表面附着力和最终的效果和铝型材表面呈现效果一致。另外玄武岩纤维型材表面处理还有一些特殊的工艺：将玄武岩纤维复合型材上料，打磨表面，表面静电除尘后预热，然后进行喷底漆处理、面漆处理和流平处理，再经过烘烤和静电吹风冷却后入库。该工艺处理的型材，色泽稳定，抗紫外线性能增强、历久常新。

　　以下为本项目部分主要复合型材系统的典型节点：

　　(三)、玻璃的选用：

　　本项目的玻璃采用6low-e+9Ar+5(隔热)+9Ar+6Low-E双中空充氩气隔热钢化Low-E玻璃，中间一层5mm的玻璃采用的是隔热玻璃。

　　隔热玻璃和lowe玻璃二者基本功能相同，都是隔热，阻隔紫外线，延长家具使用寿命。但是二者还是有区别的。

　　首先，二者制作工艺各不相同。隔热玻璃是运用物理手段，改变重组分子、原子结构达到隔热的功效，而LOW-E玻璃是通过化学手段，满足一定实验条件，加工制作产生的。简单的说，隔热玻璃是玻璃生产本身过程中，通过增加一些硅酸盐、磷酸盐等化学材料，使得玻璃本身具有隔热性能。而我们目前市场上常用的Low-E玻璃，是在玻璃表面通过在线或者离线方式镀了一层或者多层Low-E膜，Low-E玻璃是一种对波长在4.5～25um范围的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃，它具有较低的辐射率。

　　其次，二者在功效方面不完全相同。隔热玻璃主要阻隔近红外线，而Low-E玻璃主要阻隔远红外线。前者在阻隔紫外线、红外线的阻隔率略高于后者。

　　而Low-E玻璃的膜面位置，对玻璃的整体节能也是有影响的。

　　以某玻璃厂的Low-E产品参数为例，各结构性能参数如下：(注：仅供参考)

　　从上表可以看出，结构1、2、3为单腔结构，结构4、5为双腔结构。

　　结构3单腔双膜(Low-E#2+12Ar+Low-E#4),玻璃的传热系数为1.2，不仅达到了以往只有三玻两腔才能达到的K值，还有效降低了玻璃的成本，实际产品检测报告参见附件1。

　　结构2(Low-E#2+12Ar+Low-E#3)同为单腔双膜结构，玻璃的K值1.35，远远高于结构3。原因在于冬季室内热源散发的远红外波长能量辐射到玻璃内表面使其温度升高，能量进而通过中空腔内气体分子碰撞以对流的方式流向室外，造成热量损失。而结构3(Low-E#2+12Ar+Low-E#4)则不同，远红外辐射打到玻璃上由于室内面低辐射膜的作用，绝大部分能量会反射回室内，所以单腔双膜结构，Low-E膜置于2#和4#面，节能效果更优。

　　本项目采用Low-E玻璃+隔热玻璃的组合方式,玻璃采用单银Low-E，Low-E膜置于2#和4#面，玻璃采用暖边，中间层充氩气，最终使得玻璃整体K值低于0.5，实现了整体的节能要求。

　　(四)、封修缝隙等位置的处理

　　任何门窗幕墙项目，都避免不了存在缝隙，而且往往这些缝隙是门窗或者幕墙系统产生热能损失最大的位置。那么怎么样解决缝隙的封堵问题，也是本项目需要解决的关键问题之一。

　　本项目在缝隙和封堵位置，均采用气凝胶隔热毡。气凝胶，是采用纳米级的硅基材料与无机纤维通过创新的生产工艺复合而成。是目前已知导热系数最低，密度最低的固体材料，具有超强的隔热性能和耐火性能，相比传统的隔热材料如岩棉、玻璃棉等，气凝胶的导热系数更低，质量更轻，耐热温度更高。用比较薄的厚度即可达到同样保温效果，可以节省安装空间。气凝胶的增水率为99%以上，具有优异的防水效果。

　　气凝胶主要应用于油气、工业、交通、建筑等领域。在欧美地区，气凝胶已经比较普遍的应用到建筑领域。我们国家近年也不断出台指导意见和方案，一定会大力促进气凝胶材料的发展和应用。如中共中央国务院在《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰中和工作的意见》中，其中第二十一条指出，推动气凝胶等新型材料研发应;《2030年前碳达峰行动方案》的第(七)部分第4条指出，加快碳纤维、气凝胶、特种钢材等基础材料的研发;《关于推进中央企业高质量发展做好碳达峰碳中和的工作指导意见》第六部分第(一)条指出，加快碳纤维、气凝胶等新型材料研发应用;《重点新材料首批次应用示范指导目录(2021年版)》“气凝胶绝热毡”列入前沿新材料领域，并规定性能要求;《十四五节能功能减排综合工作方案》，气凝胶材料在《重点新材料首批次应用示范指导幕墙(2019年版)》中的前沿新材料第328项。随着我国对包括气凝胶在内的节能环保材料重视程度的提高，在未来的门窗幕墙领域也势必会得到广泛的应用。

　　气凝胶具有高憎水性，能让水蒸气排出，有助于保持建筑物内部干燥，增强了对隔热层腐蚀的保护。同时气凝胶隔热毡的规格品种又很多，厚度2mm，3mm，5mm，10mm，15mm等基本可以满足所有厚度需求，材料容易切割，不易变形，损耗少，施工简单便利。气凝胶隔热毡的这些材料特点，特别适合用在狭窄有限的空间，恰好在幕墙系统存在的缝隙位置得到很好的应用。即气凝胶隔热毡可以添加在幕墙缝隙的狭小的空间内，从而大幅度提高幕墙的气密性和热阻性能，从而减少热冷桥的影响，降低结露风险，大幅度降低幕墙的传热系数。

　　以下为气凝胶隔热毡的检测数据(注：仅供参考)

三、总结

　　进入21世纪，新材料的发展步入前所未有的新阶段。随着社会的进步和发展，新材料的地位会越来越高。谁掌握了材料，谁就掌握了未来。发展新材料的应用，可实现高附加值的循环利用，顺应未来绿色循环可持续发展的方向。

　　以上介绍的被动式幕墙门窗应用的一些相关新材料，是典型的绿色资源产业，可持续发展性好，生产过程没有多相的化学反应，能耗较低既是21世纪符合生态环境要求的绿色材料，又是在世界节能行业中可持续发展的有竞争力的新材料。尤其是我国已经拥有自主知识产权的相关技术及工艺，并且以“后来居上”的后发展优势达到了国际领先水平，因此，大力发展新材料产业无疑具有重要的意义。

　　尽管有些材料还存在没有普及、生产成本高、生产效率低下等问题，但是这些问题对于节能新材料的开发利用既是挑战，也是机遇。相信随着国内行业技术的突破，我们国家会研发和生产出性能更稳定，成本更低，具有非常广阔的应用前景的新型材料。

　　以上观点如有不足和不正确之处，欢迎各位同行批评指正，数据表格中的理论数值，仅供参考。

参考文献

[11]《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484 国家质量监检验检疫总局

[12] 《居住建筑节能设计标准》 DB11/ 891—2020 北京市建筑设计研究院有限公司

作者单位：北京佑荣索福恩建筑咨询有限公司

来源：2024论文集

  作者：张宏望 杨廷海