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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(jié)能、環(huán)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(tǒng)中的應用，以及方案工藝，供同行業(yè)人作為一些參考。
關鍵詞：被動式建筑;節(jié)能 ;環(huán)保;綠色;玄武巖纖維（詞條“纖維”由行業(yè)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(xiàn)我國碳達峰碳中和戰(zhàn)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(yè)低碳轉型的根本解決方案。在超低能耗建筑面臨規(guī)模化發(fā)展的行業(yè)背景下，促進超低能耗建筑規(guī)范健康可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)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(yè)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(guī)模化高質量發(fā)展，對落實碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標，從根本上破解能源環(huán)境約束，建設生態(tài)文明具有重要意義。
隨著節(jié)能標準的提高，被動式門窗（詞條“窗”由行業(yè)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(shù)K應依據(jù)現(xiàn)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(guī)定的方法測定，并符合K≤1.3W/(㎡·K)規(guī)定。這項規(guī)定既保障了外窗整體的傳熱系數(shù)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(yè)大百科提供）或塑料型材（詞條“塑料型材”由行業(yè)大百科提供）。
北京市地方標準《居住建筑節(jié)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(shù)K值要求≤1.1W/(㎡·K)。京津冀節(jié)能水平達到80%，實現(xiàn)五步節(jié)能。
早在2019年出臺的《近零能耗建筑（詞條“零能耗建筑”由行業(yè)大百科提供）技術標準》GB/T51350-2019，對嚴寒地區(qū)門窗的傳熱系數(shù)K≤1.0W/(㎡.K)。
而國外對被動房的傳熱系數(shù)要求會更低，比如德國要求安裝完以后整窗的傳熱系數(shù)要求小于0.85W/(㎡·K)，隨著國家節(jié)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(shù)要求，一定也會越來越嚴格。
傳統(tǒng)的斷橋鋁合金面臨的市場更新和淘汰。為了實現(xiàn)整窗性能，整個幕墻行業(yè)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(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(jié)能解決方案。
該項目位于加拿大魁北克省蒙特利爾地區(qū)一個農場別墅區(qū)。本項目的重點是業(yè)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(xiàn)冬季游泳，以解除業(yè)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(qū)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(qū)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(xiàn)場組裝，并要符合加拿大國家建筑節(jié)能規(guī)范NECB-2011等相關要求。
經過相關結構計算，按業(yè)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(tǒng)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(qū)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(fā)的節(jié)能、環(huán)保、綠色低能耗產品，來作為本項目門窗幕墻的安全和節(jié)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(tǒng)采用國內常用的框架式玻璃幕墻系統(tǒng)，由于框架式幕墻系統(tǒng)經過幾十年發(fā)展和實際應用，已經相當成熟，所以在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的前提下，想要提高整體幕墻系統(tǒng)的節(jié)能，只能靠替換更有效的節(jié)能材料來實現(xiàn)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(yè)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(tǒng)整體K值達到0.5W/(㎡·K)，那傳統(tǒng)的鋼龍骨和鋁合金（詞條“合金”由行業(yè)大百科提供）都基本實現(xiàn)不了，即使鋁合金采用穿PA66（詞條“PA66”由行業(yè)大百科提供）+GF25的隔熱條，也很難達到。經過對目前國內系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)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(xù)纖維，是一種新型純天然的綠色環(huán)保無機非金屬材料（詞條“金屬材料”由行業(yè)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(yè)大百科提供）等。該材料已經廣泛的應用到現(xiàn)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(fā)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(yè)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(huán)境下使用等優(yōu)異性能。據(jù)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(huán)保，煙塵中無有害物質析出，不會對大氣造成污染，沒有工業(yè)廢水、廢氣產生，且產品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無任何危害，對環(huán)境很友好，因此是一種名副其實的綠色、環(huán)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(yè)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(shù)以及重量輕的優(yōu)點。玄武巖纖維復合材料型材，有效的解決現(xiàn)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(shù)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(yè)大百科提供）測試得出的，其強度通常可以達到數(shù)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(yōu)勢，其強度遠高于鋁合金的屈服強度。
當然，為了實現(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(wěn)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(tǒng)的典型節(jié)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(qū)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(yè)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(jié)能也是有影響的。
以某玻璃廠的Low-E產品參數(shù)為例，各結構性能參數(shù)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(shù)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(fā)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(jié)能效果更優(yōu)。
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(xiàn)了整體的節(jié)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(tǒng)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(chuàng)新的生產工藝復合而成。是目前已知導熱系數(shù)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(tǒng)的隔熱材料如巖棉、玻璃棉等，氣凝膠的導熱系數(shù)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(jié)省安裝空間。氣凝膠的增水率為99%以上，具有優(yōu)異的防水效果。
氣凝膠主要應用于油氣、工業(yè)、交通、建筑等領域。在歐美地區(qū)，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(fā)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(fā)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(fā)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(fā);《關于推進中央企業(yè)高質量發(fā)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(fā)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(guī)定性能要求;《十四五節(jié)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(jié)能環(huán)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(guī)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(yè)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(tǒng)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(yè)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(shù)。
以下為氣凝膠隔熱氈的檢測數(shù)據(jù)(注：僅供參考)
三、總結
進入21世紀，新材料的發(fā)展步入前所未有的新階段。隨著社會的進步和發(fā)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(fā)展新材料的應用，可實現(xiàn)高附加值的循環(huán)利用，順應未來綠色循環(huán)可持續(xù)發(fā)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(yè)，可持續(xù)發(fā)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(tài)環(huán)境要求的綠色材料，又是在世界節(jié)能行業(yè)中可持續(xù)發(fā)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(fā)展優(yōu)勢達到了國際領先水平，因此，大力發(fā)展新材料產業(yè)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(jié)能新材料的開發(fā)利用既是挑戰(zhàn)，也是機遇。相信隨著國內行業(yè)技術的突破，我們國家會研發(fā)和生產出性能更穩(wěn)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(shù)據(jù)表格中的理論數(shù)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
