高性能窗型設計——節能設計

文/泰諾風集團技術支持部工程師 黃日勇

我國氣候區域多、復雜

作為南方的鋁材廠，其產品的市場不僅僅只是局限于廣東等南方地區，是面向全國的。全國50%的鋁材產自我們廣東，這是我們廣東鋁材廠值得驕傲的。但這只是我們以前的成績，隨著中國節能產業的進一步推進，很多原來我們的“陣地”失守了，比如說北京，近來很多鋁材的銷售業績，在北京市場都存在下滑的趨勢。我覺得這不是鋁型材本身的問題，最主要是我們沒有準備好我們鋁材的相應產品，去應對北京地區節能要求提高的步伐。原來K值要求在2.8 的時候，我們用4.8 的隔熱條配中空LOW-E 玻璃就可以達到要求。北京去年推出新的節能要求，K 值要達到1.5 至2.0，我們發現我們沒有這樣的產品，這是我們最被動的地方。我們應該去準備好產品來應對節能的新挑戰。

一、各地建筑外門窗節能的現狀

我國地域遼闊，氣候形勢多樣復雜，我們有熱帶地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冷暖地區等等，我們一個國家的氣候環境相當于歐洲多個國家，歐洲從南到北、從東到西的氣候環境我們都有，所以我們在設計門窗時應該針對不同的氣候區域去做節能設計。

我國強制節能政策三階段三步走：以80 年代“基準建筑”為基數，每一步節能30%。第一階段節能30%；第二階段在在第一階段基礎上再節能30%，總節能50%；第三階段在第二階段基礎上再節能30%，總節能65%。

現階段的要求嚴寒地區和四個直轄市實施第三階段節能65%要求，京津地區實施75%的節能要求；其它地區實行第二階段50%的要求。而我們南方地區可能還處在第二階段。

基準建筑：是以20 世紀80 年代改革開放初期建造的公共建筑作為比較能耗的基礎，稱為“基準建筑”。基準建筑圍護結構的構成、傳熱系數、遮陽系數，按照以往80 年代傳統做法。如表1。

對于建筑外門窗而言，以20 世紀80年代初期建筑外窗的傳熱系數是6.4 為基礎，節能30%的傳熱系數為4.7 以下，節能50%為3.2 以下，節能65%為2.8 以下。根據GB50189《公共建筑節能設計標準》中規定，考慮地區，體形系數，窗墻比等，以節能50%為基準制定不同氣候區域的要求。除此之外還有一些行業標準，如：

表1

表2

JGJ 134《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》

JGJ 75 《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》

JGJ 26 《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》

在各省、市還有地方標準，地方標準是在滿足國家標準的前提下建立的，地方標準根據當地氣候環境建立，對于我們很有借鑒意義。你的產品要在當地銷售，就必須要滿足當地的標準。

北京市在2012 年修訂了《居住建筑節能設計標準》（表2）從朝向、樓層高度等多方面因素因來規定圍護結構隔熱系數，針對不同的樓層做出了不同的要求，其中3 層以下的建筑要求較高，因為3層以下的建筑大多是別墅，門窗廠要所有的項目必須符合其要求。

江蘇省民用建筑門窗應用暫行規定自2013 年10 月1 日起，外窗傳熱系數不得大于2.4，2014 年10 月1 日起，外窗傳熱系數不得大于2.1，江蘇是各地方中對北京節能政策跟得最緊密的地方。除此之外還有成都市，四川省建設廳對成都市原來的要求是2.5，現在正在推行2.2 的要求。

第三條 建筑外窗的主要性能應符合節能建筑要求。氣密性應不小于6 級，水密性應不小于3 級，抗風壓性能應不小于3 級。自2013 年10 月1 日起，外窗傳熱系數不得大于2.4W/m2·K；2014 年10 月1 日起，外窗傳熱系數不得大于2.1W/m2·K。

第四條 自規定發布之日起，新建民用建筑門窗設計等級一律統一按高值取值；新建居住建筑不得設計飄窗，外窗玻璃不得貼膜或采用Low-e 玻璃以及陽光鍍膜玻璃等。

《江蘇省民用建筑門窗應用暫行規定》

從表3 中我們看到上海市的標準有些格格不入，在十一五、十二五中都要求四個直轄市的節能步伐必須走在全國前列，而現在上海連65%的節能標準都無法達到，只達到3.2，不過現在上海政府正在修訂標準，有望達到2.8。南方地區廣州和深圳現在要求是4.7，但深圳大部分項目在立項時外窗的傳熱系數都在3.2，這并不是政府規定的，而是開發商制定的，他們覺得自己的項目要提高檔次，這是一個特例，這使得我們可以在深圳看到很多中空LOW-E 玻璃窗，稍微高檔一點的項目都是這個配置。

總之，全國范圍內已初步建立了門窗節能的政策法規和技術標準體系。從以上國家標準和地方標準的實施來看，迄今為止，我國已完成了以下幾個目標：就建筑節能覆蓋的區域而言，“標準”已覆蓋了全國各個氣候區；就建筑類型而言，已涵蓋居住建筑與公共建筑兩大類。

目前，“節能50%”的標準正在全國范圍內強制執行，“節能65%”的標準已在北方嚴寒、寒冷地區和4 個直轄市強制執行或展開。

所以我國的建筑節能總趨勢是：范圍越來越普及，從嚴寒地區到寒冷地區到夏熱冬冷地區到夏熱冬暖地區，從北到南；政策越來越嚴格，而且已經提高到法律的高度，令建筑節能有法可依，違法必究。

我們并不缺失節能標準，但是在執行上有些問題。還有檢測機構魚龍混珠，很多檢測機構只要一個電話就能提供檢測報告，都不需要將產品送檢，這種現象我們在市場上見得太多。

歐洲的隔熱系數大多在2.0 以下，德國現行的是1.3。ENEV (Energy Savings Directive)是德國經濟管理法為法律基礎，規定建筑必須達到相應的節能標準。此規范適用于住宅，辦公樓和一些工業建筑。ENEV 基本上每隔兩年會修訂一次。在紐倫堡展會上塑窗很多，其原因就是ENEV，ENEV 要求在2020 年所有的建筑要達到0能耗，即被動式建筑，要達到這個要求，窗的隔熱必須在0.8 以下。

表3.各地地方標準

二、高性能鋁合金門窗的節能設計

整窗傳熱系數U 值計算：

Uw=Σ(Agi*Ugi+Afi*Ufi+Lgi*ψgi)/(Aw)

其中：Uw—整窗的傳熱系數W/m2·K

Aw—整窗的面積m2

Ug—玻璃的傳熱系數W/m2·K

Ag—玻璃的面積m2

Uf—型材的傳熱系數W/m2·K

Af—型材的面積m2

Lg—玻璃的周長m

Ψg—玻璃周邊的線性傳熱系數W/m2·K

歐洲各國節能要求

窗的結構圖

窗的結構圖中紅色部分是型材，綠色的是玻璃部分，但計算玻璃傳熱時要把玻璃周邊去掉63.5 毫米，即圖中白色區域，因為該區域同時受玻璃和型材的影響。窗戶的傳熱系數是由玻璃、型材及玻璃周邊三塊組成的。其中玻璃所占面積最大。我們首先應該考慮玻璃的選擇，目前玻璃市場非常成熟，工業化程度也很高，有LOW-E玻璃、中空玻璃、充惰性氣體的玻璃等等可以選擇。

型材是第二大塊，原來我們使用的是普通的鋁合金型材，在已知廉價金屬中鋁的導熱系數中最高的，達到了160 W/m2·K。這導致大量熱量通過熱傳導傳流失。過去鋁合金窗都是單腔，是一個空腔，大的空腔導致空氣對流，大量熱流會通過空腔傳遞出去，最后還有少量熱量是通過輻射傳遞出去的。

要解決鋁型材的問題，我們就從傳導、對流、輻射三個路徑上來考慮，于是引進了隔熱斷橋。隔熱斷橋用低熱導材料在熱傳導的路徑上形成斷橋，阻止熱量傳遞，隔熱斷橋又使得原來的大空腔變成了三個小空腔，最大的空腔在隔熱空腔中，隔熱空腔又可以通過隔熱設計來控制，最后也降低了輻射。通過隔熱條降低了鋁型材的傳熱系數，而我們還可以進行型材的設計。

要做高性能門窗，密封條不應該搭接在型材上，而是隔熱條上，從而使得冷、熱腔分開。從傳熱學中平壁一維導熱熱流公式中可以看出，隔熱型材中隔熱材料的壁越細越長，通過熱傳導方式傳遞的熱量越少，隔熱性能越好。傳熱路徑越長，隔熱性能越好，而傳熱路徑加長帶來的影響就是空腔加大，這樣又使得空氣對流增加了，因此建議增加發泡填充或者在隔熱條中增加擋壁，將空腔分隔開來。發泡填充一定要在隔條空腔填充，而不是在型材空腔。

隔熱條結構圖

空腔填充

窗戶結露

暖邊數據對比

從窗戶結露的圖片中我們可以看到，結露的部分都在玻璃周邊，這種現象在我們華東最為常見，因為那里又寒冷又潮濕。只要將原來鋁制的間隔條用隔熱條替換掉，就能起到暖邊的作用。更換間隔條對整窗熱傳遞的貢獻很小，但對玻璃內表面的溫度提高有很大作用。