长三角地区高层住宅外门窗节能技术研究

■ 朱晓宇 Zhu Xiaoyu

0 引言

长三角地区是我国经济发达、能耗较大的地区，也是人口密度大和建筑密度高的区域，在现有的土地资源下如何节约土地、有效地利用土地，这就意味着通过提高容积率，建设高层住宅才能达到在有限的土地面积下建设较多的住宅面积以满足居住需要。于是各地大小不同城市中的高层住宅如雨后春笋般地涌现，且建筑高度也日趋见长。在此情况下，高层住宅的安全性和围护结构节能等技术问题也凸显出来，并成为业内人士必须重视的课题。众所周知，建筑外墙由实体墙和门窗组成，且门窗在整个外墙中占有相当的比例。因其所处的位置、面积、朝向、形式、材料、开启方式、气密性以及受到太阳辐射热和风力等因素的影响使之成为建筑围护结构热工最薄弱部位，因此，将其作为建筑围护结构节能设计的重点部位进行深入研究显得尤为重要。

长三角地区地处夏热冬冷区域，在其特定的气候条件下，住宅围护结构节能设计不仅要考虑夏季隔热，而且要兼顾冬季的保温。此外，在围护设计时应注意如何有效地利用“太阳辐射热”，即处理好“冬季得热”和“夏季隔热”技术问题。

根据该地区建筑设计中建筑能耗约占总能耗30%，对于一般民用建筑而言，通常情况下围护结构能耗所占比例比较高。据有关数据统计，冬季外门窗传热能耗损失占采暖能耗的20%以上；夏季外门窗的辐射热得热占空调负荷的40%，是能量损失的主要途径，外门窗节能设计是建筑节能设计中的重点。

1 高层住宅外门窗节能分析与细部构造设计

1.1 外门窗功能与设计要求

在高层住宅外门窗节能设计过程中，首先需要考虑的是外门窗的功能需求和设计对其的要求。

1.1.1 外门窗朝向

长三角地区住宅应采用南北向。《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134-2010)，中对于南向的定义：“南”代表从南偏东30°至偏西30°。当建筑朝向超过“南”规定的角度时，原来的南向外窗将变成东向或者西向外窗，可能会使外门窗传热系数及遮阳系数规范限值提高而造成不必要的浪费。

1.1.2 窗墙面积比

在实际工程设计中我们为了满足规范中规定的限值区间，往往会对窗墙比进行微调。微调窗墙比的常用方法一是通过微调外门窗尺寸；二是在北向阳台部位的外门使用局部实腹门。实腹部分一般由饰面板材内置保温填充材料如岩棉、玻璃棉等组成。根据室内采光需要，一般实腹部分在外门下部，高度控制在800～900mm左右比较适宜(图1)。

1.1.3 外门窗通风

新风能耗占据建筑总能耗的很大比重。在夏季及过度季节增加室内空气交换次数，增强通风效果会极大地改善室内环境并减少空调负荷。

房间外窗开启扇与对流点(往往是房间门)宜错位布置(图2)。

1.1 .4 外门窗立面设计

外门窗立面的设计不仅仅涉及美观设计，而且其对外门窗的节能性能及经济性都有所影响。

外门窗的整窗传热系数计算公式为：

KW=( KgAg+KfAf+ψLg)/(Ag+Af)

式中：KW——整窗传热系数；

Kg——玻璃传热系数；

Ag——玻璃面积；

Kf——窗框传热系数；

Af——窗框面积(包括窗扇面积)；

ψ——玻璃、窗框间的传热系数；

Lg——玻璃、窗框间的线长度。

图3(a)为某普通铝合金6+12A+6中空玻璃窗的立面。6+12A+6中空玻璃对应Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面积Ag=1.829m2，窗框传热系数Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面积Af=0.571m2，普通铝合金框料对应ψ=0，带入公式得出KW=3.612kW/(m2·K)。

图3(b)也为该外窗，门窗洞口、开启面积和位置均无变化，只对窗框进行了简化，6+12A+6中空玻璃对应Kg=2.9kW/(m2·K)，玻璃面积Ag=1.924m2，窗框传热系数Kf=5.9kW/(m2·K)，窗框面积Af=0.476m2，普通铝合金框料对应ψ=0，带入公式得出KW=3.495kW/(m2·K)。

可见在设计门窗分隔立面时，还需要考虑框玻比对整窗传热系数的影响。

1.2 节能外门窗材料分析

我国铝矿资源非常丰富，铝门窗的加工工艺比较简单，回收再利用率高。铝合金框料强度较高，框玻比较小，立面设计较为灵活美观，很受建筑师的青睐。铝合金材料本身不燃烧，可以和防雷系统连接，通常被用来作为高层住宅外门窗框料的主要材料。

1.2.1 铝合金外门窗框料适用性分析

普通铝合金型材门窗框料的传热系数大约在5.9kW/(m2·K)，这一数值会极大的降低门窗整体的节能效果。且在冬季采暖建筑的室内，普通铝合金窗框非常容易出现明显的结露现象。

断热铝合金门窗框料继承了普通铝合金门窗的优点，同时改善了节能性能，断热铝合金型材的传热系数一般在2.2 kW/(m2·K)，在长三角地区冬季使用时基本不会出现结露现象。

1.2.2 外门窗玻璃形式及其适用性

1.2.2.1 吸热玻璃

单片吸热玻璃能够吸收太阳辐射热的总透热量的约60%，自遮阳系数可以达到0.7左右。但吸热玻璃本身的传热系数K值并没有改善，隔热性能较差，且可见光透射比较低。所以长三角地区并不适合使用。

1.2.2.2 普通中空玻璃及真空玻璃

普通中空玻璃与断热铝合金型材的组合整窗传热系数可以达到3.0～3.2kW/(m2·K)，具有很强的适用性，但在使用时需要结合房间朝向和功能确定，比如东、西向的冬季采暖房间就尽量不要使用普通中空玻璃，因为玻璃中部的传热系数较低，会增加冬季采暖能耗。

1.2.2.3 热反射玻璃

长三角地区冬季较为寒冷，需要阳光进入室内采暖，热反射玻璃却极大的阻止了太阳辐射热的进入，造成冬季采暖能耗增加。

1.2.2.4 Low-e镀膜玻璃

Low-e玻璃按照遮阳系数和可见光透射比的高低可分为高透光型和低透光型。高透型中空Low-e玻璃，遮阳系数sc一般大于0.6，可见光透射比和太阳能总透射比均较高，中部传热系数可达1.8kW/(m2·K)。低透光中空Lowe玻璃又称遮阳型Low-e玻璃，遮阳系数(sc)可达0.3左右，可见光透射比和太阳能总透射比很低。它的中部传热系数也可达1.8kW/(m2·K)。低透光中空Low-e玻璃对透过的太阳能衰减较多。

Low-e玻璃尽量不要使用于夏热冬冷地区的南向外窗，《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》中明确指出南向外窗不提倡使用阳光控制玻璃，若使用不当冬季的采暖能耗将大大增加。我们应该遵循通过外遮阳措施减少空调能耗，通过降低传热系数以减少采暖能耗的设计原则。

1.2.2.5 氩气中空玻璃

氩气中空玻璃在国外是非常普及的一种节能工艺，成本较低并可以和Low-e等其他节能工艺配合使用。氩气外门窗在使用中需要解决的是泄露问题，一般来说一个密封好的中空玻璃年泄露率应低于0.5%。

1.3 外门窗开启方式

1.3.1 平开窗

平开窗技术成熟、气密性、水密性好，造价相对较低。外平开窗开启时受到大风吹袭可能发生窗扇坠落或撞击，故高层住宅外平开窗一般配合摩擦滑撑不锈钢铰链使用。

1.3.2 推拉窗

推拉门窗节省空间，开启简单，造价低廉。但其水密性能和气密性能均较低，不太适用于长三角地区高层住宅。

1.3.3 悬窗

悬窗的气密性和水密性都比较好，使用方便，受到大风吹袭时相对安全。但通风面积都比较小，不利于夏季和过渡季节的室内通风。

1.3.4 下悬-平开窗

下悬-平开窗是目前高层住宅中最常见的复合开启功能的窗型，可分别实现外窗向内下悬和平开开启。平开时可以满足高层建筑外门窗安全性和通风面积的需求；下悬时可以节省室内空间，作为换气窗使用。下悬－平开窗在实用性、安全性方面都非常适合长三角地区高层住宅的使用，但造价略高，需要结合工程造价综合考虑。

1.4 外门窗构造设计技术问题

1.4.1 外门窗气密性

外门窗由于空气渗漏造成的能耗损失比热传导造成的损失要大2～3倍。由于室外风速随着建筑的高度逐渐加大，作用在建筑物迎风面的风压也增大，若门窗的密封性能比较差，冬天室外冷空气通过缝隙渗透进入室内，进入的冷空气量越多则采暖热负荷也越大。因此高层住宅门窗的气密性将直接影响采暖的能耗。影响气密性的主要因素是开启方式和生产工艺。由于推拉门窗的气密性普遍较差，故高层住宅设计中应避免使用推拉门窗，同时可以通过设置门窗气密条措施来提高外门窗的气密性。

1.4.2 外门窗通风器

对沿街住宅通过安装自然隔音通风窗也可以增加室内外空气流通。装有自然通风器的外窗能利用室内外温差和风压进行双向自然通风。目前市场上的自然通风器通风量普遍在100～200m3/h，对于普通高层住宅居室来说，装有一个通风器的窗户就能满足一个房间的通风量了。

2 外门窗遮阳

用，耐久美观。设计应结合当地的气候特点；综合考虑建筑立面效果、使用功能和经济性等方面的问题；合理采用建筑外遮阳的形式，并和特殊的门窗玻璃系统相配合，使之满足夏季遮阳、冬季阳光入射、自然通风和采光等要求。

建筑外门窗遮阳一般分为外遮阳、内遮阳、中间遮阳和玻璃遮阳等几种形式。

设计选用时应因地制宜结合建筑的功能特点和立面造型及工程造价综合考虑。

长三角地区的气候特点是夏热冬冷，该地区高层住宅在节能设计中重在解决建筑隔热。对于高层住宅在外门窗节能构造措施中除选用节能外门窗材料外，其中很重要的一点就是如何结合建筑功能与造型，解决好外门窗的遮阳。

建筑外门窗的遮阳形式多样，门窗遮阳设计总的原则：力求构造简单，经济适

3 高层住宅外门窗节能设计经济分析

3.1 经济分析的重要性

建筑业作为经济发展的重要支柱产业，受到经济条件和国情背景的限制，也反过来影响经济的发展。将经济性的概念融入到建筑设计中，可以有效的控制工程造价，创造更多的社会价值。

3.2 适用于长三角地区高层住宅外门窗类型价格比较

江苏省某实际工程项目设计过程中在外门窗选用比较分析。表1是2011年11月上海地区某家门窗厂的报价，具有一定的参考价值。

通过上表可以看出，很多类型的门窗虽然具有相同的传热系数，但是造价却相差很多。举个例子，普通铝合金单框中空low-e玻璃(6low-e+12A+6)和普通铝合金单框中空氩气玻璃(6+16氩气+6)传热系数均为3.2kW/(m2·K)，但前者比后者单价高出97.8元/m2，在满足适用性的前提下，经济性的选择就显得非常重要。

除此之外我们还可以发现，门窗之间最大的价格差异主要是框料的不同和Low-e膜，而空气层厚度和氩气填充对于造价的影响相对小得多。

3.3 长三角地区高层住宅外门窗选用

选择方法还是先对外门窗进行适用性分析，然后经济性分析。以笔者参与设计的江苏省东台市一栋高层住宅工程为例，该建筑体形系数大于3.5，超过规范限值，这对建筑节能设计来说是非常不利的。根据《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》规定，当建筑体形系数超标时，窗户的传热系数必须满足规定性指标要求，否则不能进行综合计算。根据《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》规定，外窗传热系数和遮阳系数限制表查得各朝向门窗限制(表2)。

设计首先考虑南向及西向设置活动外遮阳，这样南向的外窗传热系数限值就可以做到3.60kW/(m2·K)，南向凸窗的传热系数限值就可以做到3.24kW/(m2·K)。

然后据规范查得的限值对常用窗型进行筛选，为了防止空调采暖房间和主要活动居室的结露现象，南、北侧外窗不考虑普通铝合金框料，同时根据建设单位要求不使用塑钢窗。筛选结果见表3。

通过对表3价格的比较，发现3.60kW/(m2·K)传热系数的门窗类型由于断热和非断热的造价相差近70元/m2，所以东西向的门窗还是选择普通铝合金框料。当6+16A+6与6+9氩气+6的造价几乎一样时，考虑到氩气外门窗存在可能泄漏的问题，故优先选择了单框普通铝合金中空玻璃6+16A+6。通过比选，最终确定了该高层单体的外门窗类型(表4)。

以上只是对于高层住宅外门窗类型选择方法阐述的一个实例，并不是外门窗节能设计的全部内容，设计中还是需要结合实际工程和项目所在地的情况从技术和经济方面进行综合分析比较后确定。

表1 常见外门窗类型参考单价

表2 江苏省东台市某高层住宅项目外门窗对应规范限值

表3 江苏省东台市某高层住宅某项目适用性分析结果

表4 江苏省东台市某高层住宅某项目经济性分析结果

4 结语

通过学习研究以及对实际设计工作的总结，可以看出，高层住宅外门窗节能设计并不是在门窗列表里随便选出几种单纯的满足规范限值，而是全过程多角度的设计过程，从方位朝向、开窗尺寸微调窗墙比、可开启扇的平面位置到了解门窗的各种特性和节能原理；从门窗类型的选择到门窗立面分隔设计；从对常用的外门窗的价格差异的了解到外门窗遮阳的选择，再到窗型的造价对比选择，满足外门窗安全与节能、适用性与经济性，最终达到节约能源、节约投资的目的。