長三角地區高層住宅外門窗節能技術研究

■ 朱曉宇 Zhu Xiaoyu

0 引言

長三角地區是我國經濟發達、能耗較大的地區，也是人口密度大和建筑密度高的區域，在現有的土地資源下如何節約土地、有效地利用土地，這就意味著通過提高容積率，建設高層住宅才能達到在有限的土地面積下建設較多的住宅面積以滿足居住需要。于是各地大小不同城市中的高層住宅如雨后春筍般地涌現，且建筑高度也日趨見長。在此情況下，高層住宅的安全性和圍護結構節能等技術問題也凸顯出來，并成為業內人士必須重視的課題。眾所周知，建筑外墻由實體墻和門窗組成，且門窗在整個外墻中占有相當的比例。因其所處的位置、面積、朝向、形式、材料、開啟方式、氣密性以及受到太陽輻射熱和風力等因素的影響使之成為建筑圍護結構熱工最薄弱部位，因此，將其作為建筑圍護結構節能設計的重點部位進行深入研究顯得尤為重要。

長三角地區地處夏熱冬冷區域，在其特定的氣候條件下，住宅圍護結構節能設計不僅要考慮夏季隔熱，而且要兼顧冬季的保溫。此外，在圍護設計時應注意如何有效地利用“太陽輻射熱”，即處理好“冬季得熱”和“夏季隔熱”技術問題。

根據該地區建筑設計中建筑能耗約占總能耗30%，對于一般民用建筑而言，通常情況下圍護結構能耗所占比例比較高。據有關數據統計，冬季外門窗傳熱能耗損失占采暖能耗的20%以上；夏季外門窗的輻射熱得熱占空調負荷的40%，是能量損失的主要途徑，外門窗節能設計是建筑節能設計中的重點。

1 高層住宅外門窗節能分析與細部構造設計

1.1 外門窗功能與設計要求

在高層住宅外門窗節能設計過程中，首先需要考慮的是外門窗的功能需求和設計對其的要求。

1.1.1 外門窗朝向

長三角地區住宅應采用南北向。《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ 134-2010)，中對于南向的定義：“南”代表從南偏東30°至偏西30°。當建筑朝向超過“南”規定的角度時，原來的南向外窗將變成東向或者西向外窗，可能會使外門窗傳熱系數及遮陽系數規范限值提高而造成不必要的浪費。

1.1.2 窗墻面積比

在實際工程設計中我們為了滿足規范中規定的限值區間，往往會對窗墻比進行微調。微調窗墻比的常用方法一是通過微調外門窗尺寸；二是在北向陽臺部位的外門使用局部實腹門。實腹部分一般由飾面板材內置保溫填充材料如巖棉、玻璃棉等組成。根據室內采光需要，一般實腹部分在外門下部，高度控制在800～900mm左右比較適宜(圖1)。

1.1.3 外門窗通風

新風能耗占據建筑總能耗的很大比重。在夏季及過度季節增加室內空氣交換次數，增強通風效果會極大地改善室內環境并減少空調負荷。

房間外窗開啟扇與對流點(往往是房間門)宜錯位布置(圖2)。

1.1 .4 外門窗立面設計

外門窗立面的設計不僅僅涉及美觀設計，而且其對外門窗的節能性能及經濟性都有所影響。

外門窗的整窗傳熱系數計算公式為：

KW=( KgAg+KfAf+ψLg)/(Ag+Af)

式中：KW——整窗傳熱系數；

Kg——玻璃傳熱系數；

Ag——玻璃面積；

Kf——窗框傳熱系數；

Af——窗框面積(包括窗扇面積)；

ψ——玻璃、窗框間的傳熱系數；

Lg——玻璃、窗框間的線長度。

圖3(a)為某普通鋁合金6+12A+6中空玻璃窗的立面。6+12A+6中空玻璃對應Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面積Ag=1.829m2，窗框傳熱系數Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面積Af=0.571m2，普通鋁合金框料對應ψ=0，帶入公式得出KW=3.612kW/(m2·K)。

圖3(b)也為該外窗，門窗洞口、開啟面積和位置均無變化，只對窗框進行了簡化，6+12A+6中空玻璃對應Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面積Ag=1.924m2，窗框傳熱系數Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面積Af=0.476m2，普通鋁合金框料對應ψ=0，帶入公式得出KW=3.495kW/(m2·K)。

可見在設計門窗分隔立面時，還需要考慮框玻比對整窗傳熱系數的影響。

1.2 節能外門窗材料分析

我國鋁礦資源非常豐富，鋁門窗的加工工藝比較簡單，回收再利用率高。鋁合金框料強度較高，框玻比較小，立面設計較為靈活美觀，很受建筑師的青睞。鋁合金材料本身不燃燒，可以和防雷系統連接，通常被用來作為高層住宅外門窗框料的主要材料。

1.2.1 鋁合金外門窗框料適用性分析

普通鋁合金型材門窗框料的傳熱系數大約在5.9kW/(m2·K)，這一數值會極大的降低門窗整體的節能效果。且在冬季采暖建筑的室內，普通鋁合金窗框非常容易出現明顯的結露現象。

斷熱鋁合金門窗框料繼承了普通鋁合金門窗的優點，同時改善了節能性能，斷熱鋁合金型材的傳熱系數一般在2.2 kW/(m2·K)，在長三角地區冬季使用時基本不會出現結露現象。

1.2.2 外門窗玻璃形式及其適用性

1.2.2.1 吸熱玻璃

單片吸熱玻璃能夠吸收太陽輻射熱的總透熱量的約60%，自遮陽系數可以達到0.7左右。但吸熱玻璃本身的傳熱系數K值并沒有改善，隔熱性能較差，且可見光透射比較低。所以長三角地區并不適合使用。

1.2.2.2 普通中空玻璃及真空玻璃

普通中空玻璃與斷熱鋁合金型材的組合整窗傳熱系數可以達到3.0～3.2kW/(m2·K)，具有很強的適用性，但在使用時需要結合房間朝向和功能確定，比如東、西向的冬季采暖房間就盡量不要使用普通中空玻璃，因為玻璃中部的傳熱系數較低，會增加冬季采暖能耗。

1.2.2.3 熱反射玻璃

長三角地區冬季較為寒冷，需要陽光進入室內采暖，熱反射玻璃卻極大的阻止了太陽輻射熱的進入，造成冬季采暖能耗增加。

1.2.2.4 Low-e鍍膜玻璃

Low-e玻璃按照遮陽系數和可見光透射比的高低可分為高透光型和低透光型。高透型中空Low-e玻璃，遮陽系數sc一般大于0.6，可見光透射比和太陽能總透射比均較高，中部傳熱系數可達1.8kW/(m2·K)。低透光中空Lowe玻璃又稱遮陽型Low-e玻璃，遮陽系數(sc)可達0.3左右，可見光透射比和太陽能總透射比很低。它的中部傳熱系數也可達1.8kW/(m2·K)。低透光中空Low-e玻璃對透過的太陽能衰減較多。

Low-e玻璃盡量不要使用于夏熱冬冷地區的南向外窗，《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》中明確指出南向外窗不提倡使用陽光控制玻璃，若使用不當冬季的采暖能耗將大大增加。我們應該遵循通過外遮陽措施減少空調能耗，通過降低傳熱系數以減少采暖能耗的設計原則。

1.2.2.5 氬氣中空玻璃

氬氣中空玻璃在國外是非常普及的一種節能工藝，成本較低并可以和Low-e等其他節能工藝配合使用。氬氣外門窗在使用中需要解決的是泄露問題，一般來說一個密封好的中空玻璃年泄露率應低于0.5%。

1.3 外門窗開啟方式

1.3.1 平開窗

平開窗技術成熟、氣密性、水密性好，造價相對較低。外平開窗開啟時受到大風吹襲可能發生窗扇墜落或撞擊，故高層住宅外平開窗一般配合摩擦滑撐不銹鋼鉸鏈使用。

1.3.2 推拉窗

推拉門窗節省空間，開啟簡單，造價低廉。但其水密性能和氣密性能均較低，不太適用于長三角地區高層住宅。

1.3.3 懸窗

懸窗的氣密性和水密性都比較好，使用方便，受到大風吹襲時相對安全。但通風面積都比較小，不利于夏季和過渡季節的室內通風。

1.3.4 下懸-平開窗

下懸-平開窗是目前高層住宅中最常見的復合開啟功能的窗型，可分別實現外窗向內下懸和平開開啟。平開時可以滿足高層建筑外門窗安全性和通風面積的需求；下懸時可以節省室內空間，作為換氣窗使用。下懸－平開窗在實用性、安全性方面都非常適合長三角地區高層住宅的使用，但造價略高，需要結合工程造價綜合考慮。

1.4 外門窗構造設計技術問題

1.4.1 外門窗氣密性

外門窗由于空氣滲漏造成的能耗損失比熱傳導造成的損失要大2～3倍。由于室外風速隨著建筑的高度逐漸加大，作用在建筑物迎風面的風壓也增大，若門窗的密封性能比較差，冬天室外冷空氣通過縫隙滲透進入室內，進入的冷空氣量越多則采暖熱負荷也越大。因此高層住宅門窗的氣密性將直接影響采暖的能耗。影響氣密性的主要因素是開啟方式和生產工藝。由于推拉門窗的氣密性普遍較差，故高層住宅設計中應避免使用推拉門窗，同時可以通過設置門窗氣密條措施來提高外門窗的氣密性。

1.4.2 外門窗通風器

對沿街住宅通過安裝自然隔音通風窗也可以增加室內外空氣流通。裝有自然通風器的外窗能利用室內外溫差和風壓進行雙向自然通風。目前市場上的自然通風器通風量普遍在100～200m3/h，對于普通高層住宅居室來說，裝有一個通風器的窗戶就能滿足一個房間的通風量了。

2 外門窗遮陽

用，耐久美觀。設計應結合當地的氣候特點；綜合考慮建筑立面效果、使用功能和經濟性等方面的問題；合理采用建筑外遮陽的形式，并和特殊的門窗玻璃系統相配合，使之滿足夏季遮陽、冬季陽光入射、自然通風和采光等要求。

建筑外門窗遮陽一般分為外遮陽、內遮陽、中間遮陽和玻璃遮陽等幾種形式。

設計選用時應因地制宜結合建筑的功能特點和立面造型及工程造價綜合考慮。

長三角地區的氣候特點是夏熱冬冷，該地區高層住宅在節能設計中重在解決建筑隔熱。對于高層住宅在外門窗節能構造措施中除選用節能外門窗材料外，其中很重要的一點就是如何結合建筑功能與造型，解決好外門窗的遮陽。

建筑外門窗的遮陽形式多樣，門窗遮陽設計總的原則：力求構造簡單，經濟適

3 高層住宅外門窗節能設計經濟分析

3.1 經濟分析的重要性

建筑業作為經濟發展的重要支柱產業，受到經濟條件和國情背景的限制，也反過來影響經濟的發展。將經濟性的概念融入到建筑設計中，可以有效的控制工程造價，創造更多的社會價值。

3.2 適用于長三角地區高層住宅外門窗類型價格比較

江蘇省某實際工程項目設計過程中在外門窗選用比較分析。表1是2011年11月上海地區某家門窗廠的報價，具有一定的參考價值。

通過上表可以看出，很多類型的門窗雖然具有相同的傳熱系數，但是造價卻相差很多。舉個例子，普通鋁合金單框中空low-e玻璃(6low-e+12A+6)和普通鋁合金單框中空氬氣玻璃(6+16氬氣+6)傳熱系數均為3.2kW/(m2·K)，但前者比后者單價高出97.8元/m2，在滿足適用性的前提下，經濟性的選擇就顯得非常重要。

除此之外我們還可以發現，門窗之間最大的價格差異主要是框料的不同和Low-e膜，而空氣層厚度和氬氣填充對于造價的影響相對小得多。

3.3 長三角地區高層住宅外門窗選用

選擇方法還是先對外門窗進行適用性分析，然后經濟性分析。以筆者參與設計的江蘇省東臺市一棟高層住宅工程為例，該建筑體形系數大于3.5，超過規范限值，這對建筑節能設計來說是非常不利的。根據《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》規定，當建筑體形系數超標時，窗戶的傳熱系數必須滿足規定性指標要求，否則不能進行綜合計算。根據《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》規定，外窗傳熱系數和遮陽系數限制表查得各朝向門窗限制(表2)。

設計首先考慮南向及西向設置活動外遮陽，這樣南向的外窗傳熱系數限值就可以做到3.60kW/(m2·K)，南向凸窗的傳熱系數限值就可以做到3.24kW/(m2·K)。

然后據規范查得的限值對常用窗型進行篩選，為了防止空調采暖房間和主要活動居室的結露現象，南、北側外窗不考慮普通鋁合金框料，同時根據建設單位要求不使用塑鋼窗。篩選結果見表3。

通過對表3價格的比較，發現3.60kW/(m2·K)傳熱系數的門窗類型由于斷熱和非斷熱的造價相差近70元/m2，所以東西向的門窗還是選擇普通鋁合金框料。當6+16A+6與6+9氬氣+6的造價幾乎一樣時，考慮到氬氣外門窗存在可能泄漏的問題，故優先選擇了單框普通鋁合金中空玻璃6+16A+6。通過比選，最終確定了該高層單體的外門窗類型(表4)。

以上只是對于高層住宅外門窗類型選擇方法闡述的一個實例，并不是外門窗節能設計的全部內容，設計中還是需要結合實際工程和項目所在地的情況從技術和經濟方面進行綜合分析比較后確定。

表1 常見外門窗類型參考單價

表2 江蘇省東臺市某高層住宅項目外門窗對應規范限值

表3 江蘇省東臺市某高層住宅某項目適用性分析結果

表4 江蘇省東臺市某高層住宅某項目經濟性分析結果

4 結語

通過學習研究以及對實際設計工作的總結，可以看出，高層住宅外門窗節能設計并不是在門窗列表里隨便選出幾種單純的滿足規范限值，而是全過程多角度的設計過程，從方位朝向、開窗尺寸微調窗墻比、可開啟扇的平面位置到了解門窗的各種特性和節能原理；從門窗類型的選擇到門窗立面分隔設計；從對常用的外門窗的價格差異的了解到外門窗遮陽的選擇，再到窗型的造價對比選擇，滿足外門窗安全與節能、適用性與經濟性，最終達到節約能源、節約投資的目的。