居住建筑門窗節(jié)能設(shè)計(jì)分析及方案探討

李亞娟 天津耀皮工程玻璃有限公司

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻，節(jié)能減排日趨嚴(yán)格。碳達(dá)峰、碳中和又對我國節(jié)能減排提出了更高要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各項(xiàng)建筑能源消耗占總能耗的三分之一左右，而在建筑能耗中，高達(dá)50%以上的又是由門窗玻璃散失的[1]。在中國既有430億平方米的建筑中，99%屬于高能耗建筑，即使是新建筑，也有95%以上仍是高能耗建筑，建筑節(jié)能迫在眉睫[2]。因此，如何正確選擇設(shè)計(jì)居住建筑門窗，降低其能耗，使其符合現(xiàn)行居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范，是當(dāng)前碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下急需解決的問題之一，也是實(shí)現(xiàn)中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

2 我國節(jié)能門窗發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

我國建筑節(jié)能起步較晚，于20世紀(jì)80年代開始在寒冷的北方地區(qū)實(shí)施，直到90年代末才在夏熱冬冷的南方地區(qū)實(shí)施[3]。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，雖然取得了一定成效，但節(jié)能門窗依然未被普及，使用量很少。目前我國節(jié)能型門窗的比例不足1%，而在歐美等發(fā)達(dá)國家這一比例已經(jīng)超過60%以上，歐洲和北美地區(qū)節(jié)能門窗的總規(guī)模早已突破2億平方米，這也是我國建筑總能耗如此巨大的重要因素之一[4]。

雖然各地區(qū)陸續(xù)出臺了相關(guān)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)中只有對整窗的節(jié)能要求，并沒有對玻璃及型材熱工性能的具體要求，一些門窗廠家并不清楚選用什么樣的玻璃和型材才能滿足節(jié)能要求，這也給節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行帶來了一定阻礙。同時(shí)，隨著節(jié)能要求的提高，建筑成本也隨之增加，當(dāng)住宅建筑節(jié)能30%以上時(shí)，要增加造價(jià)約3%～6%，當(dāng)節(jié)能50%時(shí)，造價(jià)增加可達(dá)6%～11%，這就使得建筑單位缺少了實(shí)施建筑節(jié)能的主動性和能動性[5]。

作為建筑能耗的關(guān)鍵部位——門窗系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會對建筑能耗起到至關(guān)重要的影響。因此，如何根據(jù)政策、法規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)適用的節(jié)能方案，將對節(jié)能門窗的實(shí)施推廣起到極大的推動作用。

3 我國居住建筑節(jié)能發(fā)展規(guī)劃

隨著能源危機(jī)的加劇和科技的快速發(fā)展，建筑節(jié)能要求也在不斷提高，國家出臺了一系列節(jié)能減排政策法規(guī)，其中對居住建筑節(jié)能減排提出了明確的要求。目前，我國居住建筑節(jié)能已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段，要求新設(shè)計(jì)的采暖居住建筑能耗以1980-1981年當(dāng)?shù)赝ㄓ迷O(shè)計(jì)能耗水平為基礎(chǔ)，每一階段在上一階段節(jié)能基礎(chǔ)上再節(jié)能30%。1986年起，執(zhí)行30%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，通稱“一步節(jié)能”；1996年起，執(zhí)行總節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)，稱為“二步節(jié)能”；2005年起，開始執(zhí)行65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，稱為“三步節(jié)能”；2011年，進(jìn)入節(jié)能的第四個階段，執(zhí)行總節(jié)能75%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，通稱“四步節(jié)能”。2021年，北京率先提出“五步節(jié)能”標(biāo)準(zhǔn)，即執(zhí)行80%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

4 各地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求

目前，我國大部分地區(qū)執(zhí)行的還是65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（四步標(biāo)準(zhǔn)），天津、河北、山東等地區(qū)執(zhí)行四步節(jié)能75%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，尤其以天津地區(qū)執(zhí)行最為嚴(yán)格，北京地區(qū)也率先執(zhí)行五步節(jié)能——80%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。各省市分別頒布了相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，對外窗的傳熱系數(shù)K值和遮陽系數(shù)SC提出了明確要求，其中不同地區(qū)由于氣候條件等的不同節(jié)能要求也有所不同，甚至同一地區(qū)對不同層數(shù)建筑、不同窗墻面積比、不同朝向的凸窗/外窗的傳熱系數(shù)K值和遮陽系數(shù)SC也提出了不同要求，例如天津四步節(jié)能對外窗K值和遮陽系數(shù)要求如下：

大于4層的建筑：

南向窗：K值不大于2.3W/(m2·K）；

東、西、北向窗：K值不大于1.8W/(m2·K）。

小于等于3層單體建筑：

南向窗：K值不大于2.0W/(m2·K）；

東、西、北向窗：K值不大于1.5W/(m2·K）。

外窗的遮陽系數(shù)SC不應(yīng)小于0.55，且最小不應(yīng)小于0.45。當(dāng)小于0.55時(shí)，必須進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷[6]。

表1為不同地區(qū)四步節(jié)能和五步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對門窗的節(jié)能性能要求的簡化匯總。

表1 不同地區(qū)四步節(jié)能和五步節(jié)能門窗節(jié)能要求簡化匯總表

從表1可以看出，四步節(jié)能對居住建筑整窗傳熱系數(shù)要求一般不大于1.5W/(m2·K）、1.8W/(m2·K）、2.0W/(m2·K），不同地區(qū)對門窗的保溫性能整體趨勢都是一致的，各地區(qū)氣候條件不同K值要求略有不同；但對遮陽系數(shù)的要求，天津地區(qū)不同于其他地區(qū)，要求其整窗遮陽系數(shù)不小于0.45，而其他地區(qū)均為不大于0.45，這個指標(biāo)主要是基于天津地區(qū)處于寒冷B區(qū)，更希望冬天室內(nèi)獲得更多太陽能熱量，從而降低取暖能耗來考慮的。北京五步節(jié)能主要是對居住建筑整窗傳熱系數(shù)要求進(jìn)一步提高，要求不大于1.1W/(m2·K），對遮陽系數(shù)未作具體要求。

5 節(jié)能門窗熱工性能計(jì)算及設(shè)計(jì)分析

門窗主要由玻璃和型材組成，其節(jié)能性能不僅和玻璃熱工性能有關(guān)，還與型材傳熱系數(shù)及設(shè)計(jì)有關(guān)，同時(shí)也受工藝的影響。

5.1 門窗型材

門窗型材種類有很多，如鋁合金、塑鋼、鋁木復(fù)合、玻璃鋼等。普通鋁合金門窗由于其保溫性能較差，隨著建筑節(jié)能要求的提高，該產(chǎn)品逐漸被其升級產(chǎn)品斷橋鋁替代，斷橋鋁由于具有保溫性能好、強(qiáng)度高、使用壽命長、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，是現(xiàn)在門窗市場上的主流產(chǎn)品。塑鋼門窗因塑料型材本身傳熱系數(shù)低，其保溫性能比起鋁合金要好很多，價(jià)格也比斷橋鋁實(shí)惠很多，但其強(qiáng)度不如鋁合金，且存在易老化風(fēng)險(xiǎn)，一般被認(rèn)為用于低端市場。鋁木復(fù)合門窗包括實(shí)木窗、木包鋁和鋁包木門窗。實(shí)木窗具有傳熱系數(shù)低、保溫性能好的優(yōu)勢，但其價(jià)格昂貴，是高端門窗，但使用量較少，多用于豪華別墅和高檔住宅。木包鋁和鋁包木門窗具有良好的保溫性能和裝飾耐久性，但其價(jià)格較貴，使用較少。玻璃鋼具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、絕緣性好等優(yōu)勢，但保溫隔熱性能有限，且目前國內(nèi)使用較少，其性能還需要經(jīng)過進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前，斷橋鋁和塑鋼門窗因其保溫性能好、價(jià)格適中的優(yōu)勢，應(yīng)用最為廣泛，成為四步節(jié)能和五步節(jié)能市場的主流產(chǎn)品。

5.2 玻璃

玻璃作為門窗面積占比最大的部件，其節(jié)能保溫性能對整個門窗是至關(guān)重要的。Low-E鍍膜玻璃因其具備良好的隔熱保溫性能及靚麗的外觀等特點(diǎn)而越來越廣泛地被應(yīng)用于各種建筑中。Low-E膜具有優(yōu)異的紅外阻隔性能，在夏季可有效反射太陽紅外線，阻隔熱量進(jìn)入室內(nèi)，從而降低空調(diào)制冷能耗；在冬季又可將室內(nèi)遠(yuǎn)紅外反射回室內(nèi)，阻隔熱量散失，從而達(dá)到降低取暖能耗的目的。同時(shí)，其可見光透過率可進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同的采光需求，高透Low-E膜可節(jié)約照明能耗，尤其適用于窗墻面積比較小的居住建筑。

隨著節(jié)能要求的提升，Low-E膜也在不斷升級，由單銀Low-E、雙銀Low-E發(fā)展為三銀Low-E；玻璃配置也由單中空發(fā)展為三玻兩中空，甚至四玻三中空；Low-E膜數(shù)量也由一個發(fā)展為兩個，甚至三個等。目前四步節(jié)能和五步節(jié)能市場要求整窗K值較低，綜合考慮型材和玻璃的價(jià)格及性能，目前市場以三玻兩中空玻璃為主。天津四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)也明確要求，外門窗的透明部件除采用真空玻璃之外均應(yīng)具備兩個或以上密閉氣體間層的構(gòu)造，氣體間層寬度宜為9mm～12mm，即玻璃應(yīng)采用三玻兩中空結(jié)構(gòu)。

5.3 節(jié)能門窗熱工性能計(jì)算及設(shè)計(jì)分析

以天津四步節(jié)能和北京五步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求為例，通過《粵建科 MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件》，依據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》和GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》等，分別對市場上常用的幾種斷橋鋁和塑鋼門窗進(jìn)行熱工計(jì)算，綜合考慮整窗節(jié)能性能及門窗價(jià)格優(yōu)化設(shè)計(jì)出性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的門窗節(jié)能方案，具體如下。

表2為天津四步節(jié)能斷橋鋁門窗熱工計(jì)算表。天津四步節(jié)能市場要求門窗低K值、高遮陽SC，這就要求玻璃在低U值的同時(shí)，要具備盡可能高的SC，所以玻璃宜采用高透單銀Low-E玻璃，如果對整窗遮陽要求較高，就要使用高遮陽型Low-E，雙銀玻璃和三銀Low-E玻璃則難以滿足高遮陽SC的要求。由表2可知：使用三玻兩中空Low-E玻璃搭配65～75系列斷橋鋁合金型材可以滿足天津四步節(jié)能要求，玻璃充氬氣、使用暖邊等可以降低整窗傳熱系數(shù)，一般整窗傳熱系數(shù)達(dá)到1.8W/(m2·K）以下時(shí)，玻璃就要使用單銀Low-E、充氬氣、雙暖邊配置。充氬氣可以使玻璃U值降低0.2W/(m2·K）左右，雙暖邊對整窗K貢獻(xiàn)為0.15W/(m2·K）左右。當(dāng)整窗傳熱系數(shù)達(dá)到1.5W/(m2·K）以下時(shí)，玻璃需使用雙Low-E中空玻璃，且為高遮陽型Low-E玻璃，否則難以滿足遮陽要求。使用高遮陽型Low-E玻璃可以提高遮陽系數(shù)，但其傳熱系數(shù)比單銀Low-E玻璃略低，所以在進(jìn)行整體節(jié)能計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮此兩項(xiàng)參數(shù)的相互關(guān)系。此外，通過使用超白基片可以提高玻璃遮陽系數(shù)以滿足項(xiàng)目更高的遮陽要求。

表2 天津四步節(jié)能斷橋鋁門窗熱工計(jì)算表 W/(m2·K)

斷橋鋁型材包含：64系列、65系列、70系列、74系列、75系列、78系列、79系列、80系列等，穿條寬度有：24mm、34mm、35.3mm、39mm、40mm、41mm、42mm等。型材的傳熱系數(shù)與穿條的材質(zhì)、寬度、厚度及結(jié)構(gòu)有關(guān)，寬度和厚度越大，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，性能越好；同時(shí)，填充物也影響整窗的傳熱。天津四步節(jié)能要求通常采用65系列、74系列、75系列型材，穿條采用24mm、34mm、35.3mm穿條。34mm及以上穿條其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含多個腔體，節(jié)能效果好，34mm穿條對整窗K值的貢獻(xiàn)較24mm的優(yōu)0.1W/(m2·K）～0.2W/(m2·K）。型材系列越高，其傳熱系數(shù)越低，相應(yīng)的價(jià)格也越高，且其窗框面積比也越大，這又和高遮陽的要求相悖，所以在進(jìn)行整窗節(jié)能分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮K值和SC來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

表3為天津四步節(jié)能塑鋼門窗熱工計(jì)算表。塑鋼門窗常用的有65系列、70系列等，腔體數(shù)量包含四腔、五腔、六腔等，保溫腔越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，K值越低，相應(yīng)用料越多，價(jià)格也越高。塑鋼窗和斷橋鋁相比，其型材傳熱系數(shù)低得多，所以對玻璃要求就相應(yīng)比較低。由表3可知：一個高遮陽型Low-E三玻兩中空玻璃（不需充氬氣、暖邊）搭配65系列塑鋼型材即可滿足整窗K值1.8W/(m2·K）的要求，一個高透單銀Low-E、充氬氣、雙暖邊三玻兩中空玻璃搭配70系列的塑鋼窗就可以滿足整窗K值1.5W/(m2·K）的要求，但由于塑鋼窗的窗框比（通常在34%～37%）比斷橋鋁的（28%～33%）大，所以整窗遮陽系數(shù)SC比較低。

表3 天津四步節(jié)能塑鋼門窗熱工計(jì)算表 W/(m2·K)

表4為北京五步節(jié)能門窗熱工計(jì)算表。北京率先提出的五步節(jié)能主要是對整窗的傳熱系數(shù)K值提出了更高要求，需達(dá)到1.1W/(m2·K）以內(nèi)，而對遮陽沒有過多要求，所以對玻璃傳熱系數(shù)也提出了更高要求。由表4可以看出：玻璃需采用兩個甚至三個Low-E膜其U值可達(dá)到0.81W/(m2·K）甚至更低，型材也需采用90系列以上斷橋鋁或88系列以上塑鋼。雖然雙銀/三銀Low-E玻璃傳熱系數(shù)比單銀Low-E更低，但對整窗K值影響不太大，且考慮到其遮陽系數(shù)較低，不利于降低冬季取暖能耗，價(jià)格又有所增加，不利于市場推廣，所以還是推薦使用高透單銀Low-E。

表4 北京五步節(jié)能門窗熱工計(jì)算表 W/(m2·K)

6 小結(jié)

居住建筑門窗節(jié)能既取決于玻璃的熱工性能，又取決于型材保溫性能，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮評估這些因素的復(fù)雜交互作用對整窗的節(jié)能性能的影響，同時(shí)還需考慮成本因素對節(jié)能門窗推廣的影響。通過《粵建科?MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件》對門窗熱工性能進(jìn)行模擬計(jì)算，針對天津四步節(jié)能和北京五步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)市場上主流的型材類型，優(yōu)化設(shè)計(jì)出性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的滿足不同市場需求的整窗節(jié)能方案，可以為當(dāng)?shù)丶捌渌貐^(qū)的門窗節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考，有利于節(jié)能門窗的推廣實(shí)施，助力我國早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。