長三角地區(qū)高層住宅外門窗節(jié)能技術(shù)研究

■ 朱曉宇 Zhu Xiaoyu

0 引言

長三角地區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)達、能耗較大的地區(qū)，也是人口密度大和建筑密度高的區(qū)域，在現(xiàn)有的土地資源下如何節(jié)約土地、有效地利用土地，這就意味著通過提高容積率，建設(shè)高層住宅才能達到在有限的土地面積下建設(shè)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(xiàn)，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(jié)構(gòu)節(jié)能等技術(shù)問題也凸顯出來，并成為業(yè)內(nèi)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(dāng)?shù)谋壤?。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(fēng)力等因素的影響使之成為建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工最薄弱部位，因此，將其作為建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計的重點部位進行深入研究顯得尤為重要。

長三角地區(qū)地處夏熱冬冷區(qū)域，在其特定的氣候條件下，住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)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(shè)計時應(yīng)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(shù)問題。

根據(jù)該地區(qū)建筑設(shè)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(jié)構(gòu)能耗所占比例比較高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)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(diào)負荷的40%，是能量損失的主要途徑，外門窗節(jié)能設(shè)計是建筑節(jié)能設(shè)計中的重點。

1 高層住宅外門窗節(jié)能分析與細部構(gòu)造設(shè)計

1.1 外門窗功能與設(shè)計要求

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

1.1.1 外門窗朝向

長三角地區(qū)住宅應(yīng)采用南北向?！断臒岫涞貐^(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134-2010)，中對于南向的定義：“南”代表從南偏東30°至偏西30°。當(dāng)建筑朝向超過“南”規(guī)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(shù)及遮陽系數(shù)規(guī)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(shè)計中我們?yōu)榱藵M足規(guī)范中規(guī)定的限值區(qū)間，往往會對窗墻比進行微調(diào)。微調(diào)窗墻比的常用方法一是通過微調(diào)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(nèi)置保溫填充材料如巖棉、玻璃棉等組成。根據(jù)室內(nèi)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(fēng)

新風(fēng)能耗占據(jù)建筑總能耗的很大比重。在夏季及過度季節(jié)增加室內(nèi)空氣交換次數(shù)，增強通風(fēng)效果會極大地改善室內(nèi)環(huán)境并減少空調(diào)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(shè)計

外門窗立面的設(shè)計不僅僅涉及美觀設(shè)計，而且其對外門窗的節(jié)能性能及經(jīng)濟性都有所影響。

外門窗的整窗傳熱系數(shù)計算公式為：

KW=( KgAg+KfAf+ψLg)/(Ag+Af)

式中：KW——整窗傳熱系數(shù)；

Kg——玻璃傳熱系數(shù)；

Ag——玻璃面積；

Kf——窗框傳熱系數(shù)；

Af——窗框面積(包括窗扇面積)；

ψ——玻璃、窗框間的傳熱系數(shù)；

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(yīng)Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面積Ag=1.829m2，窗框傳熱系數(shù)Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面積Af=0.571m2，普通鋁合金框料對應(yīng)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(yīng)Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面積Ag=1.924m2，窗框傳熱系數(shù)Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面積Af=0.476m2，普通鋁合金框料對應(yīng)ψ=0，帶入公式得出KW=3.495kW/(m2·K)。

可見在設(shè)計門窗分隔立面時，還需要考慮框玻比對整窗傳熱系數(shù)的影響。

1.2 節(jié)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(shè)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(tǒng)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(shù)大約在5.9kW/(m2·K)，這一數(shù)值會極大的降低門窗整體的節(jié)能效果。且在冬季采暖建筑的室內(nèi)，普通鋁合金窗框非常容易出現(xiàn)明顯的結(jié)露現(xiàn)象。

斷熱鋁合金門窗框料繼承了普通鋁合金門窗的優(yōu)點，同時改善了節(jié)能性能，斷熱鋁合金型材的傳熱系數(shù)一般在2.2 kW/(m2·K)，在長三角地區(qū)冬季使用時基本不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)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(shù)可以達到0.7左右。但吸熱玻璃本身的傳熱系數(shù)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(qū)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(shù)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(jié)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(shù)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(qū)冬季較為寒冷，需要陽光進入室內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)(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(shù)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(qū)的南向外窗，《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(dāng)冬季的采暖能耗將大大增加。我們應(yīng)該遵循通過外遮陽措施減少空調(diào)能耗，通過降低傳熱系數(shù)以減少采暖能耗的設(shè)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(jié)能工藝，成本較低并可以和Low-e等其他節(jié)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(yīng)低于0.5%。

1.3 外門窗開啟方式

1.3.1 平開窗

平開窗技術(shù)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(fēng)吹襲可能發(fā)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?zhǔn)褂谩?/p>

1.3.2 推拉窗

推拉門窗節(jié)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(qū)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(fēng)吹襲時相對安全。但通風(fēng)面積都比較小，不利于夏季和過渡季節(jié)的室內(nèi)通風(fēng)。

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(fù)合開啟功能的窗型，可分別實現(xiàn)外窗向內(nèi)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(fēng)面積的需求；下懸時可以節(jié)省室內(nèi)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(qū)高層住宅的使用，但造價略高，需要結(jié)合工程造價綜合考慮。

1.4 外門窗構(gòu)造設(shè)計技術(shù)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(dǎo)造成的損失要大2～3倍。由于室外風(fēng)速隨著建筑的高度逐漸加大，作用在建筑物迎風(fēng)面的風(fēng)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(nèi)，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(chǎn)工藝。由于推拉門窗的氣密性普遍較差，故高層住宅設(shè)計中應(yīng)避免使用推拉門窗，同時可以通過設(shè)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(fēng)器

對沿街住宅通過安裝自然隔音通風(fēng)窗也可以增加室內(nèi)外空氣流通。裝有自然通風(fēng)器的外窗能利用室內(nèi)外溫差和風(fēng)壓進行雙向自然通風(fēng)。目前市場上的自然通風(fēng)器通風(fēng)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(fēng)器的窗戶就能滿足一個房間的通風(fēng)量了。

2 外門窗遮陽

用，耐久美觀。設(shè)計應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c；綜合考慮建筑立面效果、使用功能和經(jīng)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(tǒng)相配合，使之滿足夏季遮陽、冬季陽光入射、自然通風(fēng)和采光等要求。

建筑外門窗遮陽一般分為外遮陽、內(nèi)遮陽、中間遮陽和玻璃遮陽等幾種形式。

設(shè)計選用時應(yīng)因地制宜結(jié)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(qū)的氣候特點是夏熱冬冷，該地區(qū)高層住宅在節(jié)能設(shè)計中重在解決建筑隔熱。對于高層住宅在外門窗節(jié)能構(gòu)造措施中除選用節(jié)能外門窗材料外，其中很重要的一點就是如何結(jié)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(shè)計總的原則：力求構(gòu)造簡單，經(jīng)濟適

3 高層住宅外門窗節(jié)能設(shè)計經(jīng)濟分析

3.1 經(jīng)濟分析的重要性

建筑業(yè)作為經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，受到經(jīng)濟條件和國情背景的限制，也反過來影響經(jīng)濟的發(fā)展。將經(jīng)濟性的概念融入到建筑設(shè)計中，可以有效的控制工程造價，創(chuàng)造更多的社會價值。

3.2 適用于長三角地區(qū)高層住宅外門窗類型價格比較

江蘇省某實際工程項目設(shè)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(qū)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(shù)，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(shù)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(jīng)濟性的選擇就顯得非常重要。

除此之外我們還可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)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(jīng)濟性分析。以筆者參與設(shè)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(shù)大于3.5，超過規(guī)范限值，這對建筑節(jié)能設(shè)計來說是非常不利的。根據(jù)《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)建筑體形系數(shù)超標(biāo)時，窗戶的傳熱系數(shù)必須滿足規(guī)定性指標(biāo)要求，否則不能進行綜合計算。根據(jù)《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，外窗傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限制表查得各朝向門窗限制(表2)。

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

然后據(jù)規(guī)范查得的限值對常用窗型進行篩選，為了防止空調(diào)采暖房間和主要活動居室的結(jié)露現(xiàn)象，南、北側(cè)外窗不考慮普通鋁合金框料，同時根據(jù)建設(shè)單位要求不使用塑鋼窗。篩選結(jié)果見表3。

通過對表3價格的比較，發(fā)現(xiàn)3.60kW/(m2·K)傳熱系數(shù)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(dāng)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(yōu)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(jié)能設(shè)計的全部內(nèi)容，設(shè)計中還是需要結(jié)合實際工程和項目所在地的情況從技術(shù)和經(jīng)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(yīng)規(guī)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(jié)果

表4 江蘇省東臺市某高層住宅某項目經(jīng)濟性分析結(jié)果

4 結(jié)語

通過學(xué)習(xí)研究以及對實際設(shè)計工作的總結(jié)，可以看出，高層住宅外門窗節(jié)能設(shè)計并不是在門窗列表里隨便選出幾種單純的滿足規(guī)范限值，而是全過程多角度的設(shè)計過程，從方位朝向、開窗尺寸微調(diào)窗墻比、可開啟扇的平面位置到了解門窗的各種特性和節(jié)能原理；從門窗類型的選擇到門窗立面分隔設(shè)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(jié)能、適用性與經(jīng)濟性，最終達到節(jié)約能源、節(jié)約投資的目的。