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)濟的飛速發(fā)展，能源危機日趨嚴峻，節(jié)能減排日趨嚴格。碳達峰、碳中和又對我國節(jié)能減排提出了更高要求。據(jù)統(tǒng)計，各項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)計規(guī)范，是當前碳達峰、碳中和目標下急需解決的問題之一，也是實現(xiàn)中國經(jīng)濟可持續(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80年代開始在寒冷的北方地區(qū)實施，直到90年代末才在夏熱冬冷的南方地區(qū)實施[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)能標準，但這些標準中只有對整窗的節(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)能標準執(zhí)行帶來了一定阻礙。同時，隨著節(jié)能要求的提高，建筑成本也隨之增加，當住宅建筑節(jié)能30%以上時，要增加造價約3%～6%，當節(jié)能50%時，造價增加可達6%～11%，這就使得建筑單位缺少了實施建筑節(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)計經(jīng)濟適用的節(jié)能方案，將對節(jié)能門窗的實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)計的采暖居住建筑能耗以1980-1981年當?shù)赝ㄓ迷O(shè)計能耗水平為基礎(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)能標準，通稱“一步節(jié)能”；1996年起，執(zhí)行總節(jié)能50%的標準，稱為“二步節(jié)能”；2005年起，開始執(zhí)行65%的節(jié)能標準，稱為“三步節(jié)能”；2011年，進入節(jié)能的第四個階段，執(zhí)行總節(jié)能75%的節(jié)能標準，通稱“四步節(jié)能”。2021年，北京率先提出“五步節(jié)能”標準，即執(zhí)行80%的節(jié)能標準。

4 各地區(qū)居住建筑節(jié)能標準要求

目前，我國大部分地區(qū)執(zhí)行的還是65%的節(jié)能標準（四步標準），天津、河北、山東等地區(qū)執(zhí)行四步節(jié)能75%的節(jié)能標準，尤其以天津地區(qū)執(zhí)行最為嚴格，北京地區(qū)也率先執(zhí)行五步節(jié)能——80%的節(jié)能標準。各省市分別頒布了相應(yīng)的地方標準，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。當小于0.55時，必須進行圍護結(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)能標準對門窗的節(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)能門窗熱工性能計算及設(shè)計分析

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)計有關(guān)，同時也受工藝的影響。

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、強度高、使用壽命長、價格適中等優(yōu)點被廣泛使用，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，價格也比斷橋鋁實惠很多，但其強度不如鋁合金，且存在易老化風險，一般被認為用于低端市場。鋁木復(fù)合門窗包括實木窗、木包鋁和鋁包木門窗。實木窗具有傳熱系數(shù)低、保溫性能好的優(yōu)勢，但其價格昂貴，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，但其價格較貴，使用較少。玻璃鋼具有質(zhì)量輕、強度高、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)過進一步驗證。

目前，斷橋鋁和塑鋼門窗因其保溫性能好、價格適中的優(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)遠紅外反射回室內(nèi)，阻隔熱量散失，從而達到降低取暖能耗的目的。同時，其可見光透過率可進行調(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)能標準也明確要求，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)能門窗熱工性能計算及設(shè)計分析

以天津四步節(jié)能和北京五步節(jié)能標準要求為例，通過《粵建科 MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件》，依據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》和GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》等，分別對市場上常用的幾種斷橋鋁和塑鋼門窗進行熱工計算，綜合考慮整窗節(jié)能性能及門窗價格優(yōu)化設(shè)計出性價比高、經(jīng)濟實用的門窗節(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，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)達到1.8W/(m2·K）以下時，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貢獻為0.15W/(m2·K）左右。當整窗傳熱系數(shù)達到1.5W/(m2·K）以下時，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，所以在進行整體節(jié)能計算時，應(yīng)綜合考慮此兩項參數(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，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，所以在進行整窗節(jié)能分析時，應(yīng)綜合考慮K值和SC來進行合理設(shè)計。

表3為天津四步節(jié)能塑鋼門窗熱工計算表。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)能塑鋼門窗熱工計算表 W/(m2·K)

表4為北京五步節(jié)能門窗熱工計算表。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算軟件》對門窗熱工性能進行模擬計算，針對天津四步節(jié)能和北京五步節(jié)能標準要求，根據(jù)市場上主流的型材類型，優(yōu)化設(shè)計出性價比高、經(jīng)濟實用的滿足不同市場需求的整窗節(jié)能方案，可以為當?shù)丶捌渌貐^(qū)的門窗節(jié)能設(shè)計提供參考，有利于節(jié)能門窗的推廣實施，助力我國早日實現(xiàn)碳達峰、碳中和。