李亚娟 天津耀皮工程玻璃有限公司

1 引言

随着我国国民经济的飞速发展，能源危机日趋严峻，节能减排日趋严格。碳达峰、碳中和又对我国节能减排提出了更高要求。据统计，各项建筑能源消耗占总能耗的三分之一左右，而在建筑能耗中，高达50%以上的又是由门窗玻璃散失的[1]。在中国既有430亿平方米的建筑中，99%属于高能耗建筑，即使是新建筑，也有95%以上仍是高能耗建筑，建筑节能迫在眉睫[2]。因此，如何正确选择设计居住建筑门窗，降低其能耗，使其符合现行居住建筑节能设计规范，是当前碳达峰、碳中和目标下急需解决的问题之一，也是实现中国经济可持续发展的重要措施。

2 我国节能门窗发展现状及存在的问题

我国建筑节能起步较晚，于20世纪80年代开始在寒冷的北方地区实施，直到90年代末才在夏热冬冷的南方地区实施[3]。经过十几年的发展，虽然取得了一定成效，但节能门窗依然未被普及，使用量很少。目前我国节能型门窗的比例不足1%，而在欧美等发达国家这一比例已经超过60%以上，欧洲和北美地区节能门窗的总规模早已突破2亿平方米，这也是我国建筑总能耗如此巨大的重要因素之一[4]。

虽然各地区陆续出台了相关建筑节能标准，但这些标准中只有对整窗的节能要求，并没有对玻璃及型材热工性能的具体要求，一些门窗厂家并不清楚选用什么样的玻璃和型材才能满足节能要求，这也给节能标准执行带来了一定阻碍。同时，随着节能要求的提高，建筑成本也随之增加，当住宅建筑节能30%以上时，要增加造价约3%～6%，当节能50%时，造价增加可达6%～11%，这就使得建筑单位缺少了实施建筑节能的主动性和能动性[5]。

作为建筑能耗的关键部位——门窗系统的优化设计将会对建筑能耗起到至关重要的影响。因此，如何根据政策、法规优化设计经济适用的节能方案，将对节能门窗的实施推广起到极大的推动作用。

3 我国居住建筑节能发展规划

随着能源危机的加剧和科技的快速发展，建筑节能要求也在不断提高，国家出台了一系列节能减排政策法规，其中对居住建筑节能减排提出了明确的要求。目前，我国居住建筑节能已经经历了四个阶段，要求新设计的采暖居住建筑能耗以1980-1981年当地通用设计能耗水平为基础，每一阶段在上一阶段节能基础上再节能30%。1986年起，执行30%的节能标准，通称“一步节能”；1996年起，执行总节能50%的标准，称为“二步节能”；2005年起，开始执行65%的节能标准，称为“三步节能”；2011年，进入节能的第四个阶段，执行总节能75%的节能标准，通称“四步节能”。2021年，北京率先提出“五步节能”标准，即执行80%的节能标准。

4 各地区居住建筑节能标准要求

目前，我国大部分地区执行的还是65%的节能标准（四步标准），天津、河北、山东等地区执行四步节能75%的节能标准，尤其以天津地区执行最为严格，北京地区也率先执行五步节能——80%的节能标准。各省市分别颁布了相应的地方标准，对外窗的传热系数K值和遮阳系数SC提出了明确要求，其中不同地区由于气候条件等的不同节能要求也有所不同，甚至同一地区对不同层数建筑、不同窗墙面积比、不同朝向的凸窗/外窗的传热系数K值和遮阳系数SC也提出了不同要求，例如天津四步节能对外窗K值和遮阳系数要求如下：

大于4层的建筑：

南向窗：K值不大于2.3W/(m2·K）；

东、西、北向窗：K值不大于1.8W/(m2·K）。

小于等于3层单体建筑：

南向窗：K值不大于2.0W/(m2·K）；

东、西、北向窗：K值不大于1.5W/(m2·K）。

外窗的遮阳系数SC不应小于0.55，且最小不应小于0.45。当小于0.55时，必须进行围护结构热工性能的权衡判断[6]。

表1为不同地区四步节能和五步节能标准对门窗的节能性能要求的简化汇总。

表1 不同地区四步节能和五步节能门窗节能要求简化汇总表

从表1可以看出，四步节能对居住建筑整窗传热系数要求一般不大于1.5W/(m2·K）、1.8W/(m2·K）、2.0W/(m2·K），不同地区对门窗的保温性能整体趋势都是一致的，各地区气候条件不同K值要求略有不同；但对遮阳系数的要求，天津地区不同于其他地区，要求其整窗遮阳系数不小于0.45，而其他地区均为不大于0.45，这个指标主要是基于天津地区处于寒冷B区，更希望冬天室内获得更多太阳能热量，从而降低取暖能耗来考虑的。北京五步节能主要是对居住建筑整窗传热系数要求进一步提高，要求不大于1.1W/(m2·K），对遮阳系数未作具体要求。

5 节能门窗热工性能计算及设计分析

门窗主要由玻璃和型材组成，其节能性能不仅和玻璃热工性能有关，还与型材传热系数及设计有关，同时也受工艺的影响。

5.1 门窗型材

门窗型材种类有很多，如铝合金、塑钢、铝木复合、玻璃钢等。普通铝合金门窗由于其保温性能较差，随着建筑节能要求的提高，该产品逐渐被其升级产品断桥铝替代，断桥铝由于具有保温性能好、强度高、使用寿命长、价格适中等优点被广泛使用，是现在门窗市场上的主流产品。塑钢门窗因塑料型材本身传热系数低，其保温性能比起铝合金要好很多，价格也比断桥铝实惠很多，但其强度不如铝合金，且存在易老化风险，一般被认为用于低端市场。铝木复合门窗包括实木窗、木包铝和铝包木门窗。实木窗具有传热系数低、保温性能好的优势，但其价格昂贵，是高端门窗，但使用量较少，多用于豪华别墅和高档住宅。木包铝和铝包木门窗具有良好的保温性能和装饰耐久性，但其价格较贵，使用较少。玻璃钢具有质量轻、强度高、绝缘性好等优势，但保温隔热性能有限，且目前国内使用较少，其性能还需要经过进一步验证。

目前，断桥铝和塑钢门窗因其保温性能好、价格适中的优势，应用最为广泛，成为四步节能和五步节能市场的主流产品。

5.2 玻璃

玻璃作为门窗面积占比最大的部件，其节能保温性能对整个门窗是至关重要的。Low-E镀膜玻璃因其具备良好的隔热保温性能及靓丽的外观等特点而越来越广泛地被应用于各种建筑中。Low-E膜具有优异的红外阻隔性能，在夏季可有效反射太阳红外线，阻隔热量进入室内，从而降低空调制冷能耗；在冬季又可将室内远红外反射回室内，阻隔热量散失，从而达到降低取暖能耗的目的。同时，其可见光透过率可进行调节，以满足不同的采光需求，高透Low-E膜可节约照明能耗，尤其适用于窗墙面积比较小的居住建筑。

随着节能要求的提升，Low-E膜也在不断升级，由单银Low-E、双银Low-E发展为三银Low-E；玻璃配置也由单中空发展为三玻两中空，甚至四玻三中空；Low-E膜数量也由一个发展为两个，甚至三个等。目前四步节能和五步节能市场要求整窗K值较低，综合考虑型材和玻璃的价格及性能，目前市场以三玻两中空玻璃为主。天津四步节能标准也明确要求，外门窗的透明部件除采用真空玻璃之外均应具备两个或以上密闭气体间层的构造，气体间层宽度宜为9mm～12mm，即玻璃应采用三玻两中空结构。

5.3 节能门窗热工性能计算及设计分析

以天津四步节能和北京五步节能标准要求为例，通过《粤建科 MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件》，依据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》和GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》等，分别对市场上常用的几种断桥铝和塑钢门窗进行热工计算，综合考虑整窗节能性能及门窗价格优化设计出性价比高、经济实用的门窗节能方案，具体如下。

表2为天津四步节能断桥铝门窗热工计算表。天津四步节能市场要求门窗低K值、高遮阳SC，这就要求玻璃在低U值的同时，要具备尽可能高的SC，所以玻璃宜采用高透单银Low-E玻璃，如果对整窗遮阳要求较高，就要使用高遮阳型Low-E，双银玻璃和三银Low-E玻璃则难以满足高遮阳SC的要求。由表2可知：使用三玻两中空Low-E玻璃搭配65～75系列断桥铝合金型材可以满足天津四步节能要求，玻璃充氩气、使用暖边等可以降低整窗传热系数，一般整窗传热系数达到1.8W/(m2·K）以下时，玻璃就要使用单银Low-E、充氩气、双暖边配置。充氩气可以使玻璃U值降低0.2W/(m2·K）左右，双暖边对整窗K贡献为0.15W/(m2·K）左右。当整窗传热系数达到1.5W/(m2·K）以下时，玻璃需使用双Low-E中空玻璃，且为高遮阳型Low-E玻璃，否则难以满足遮阳要求。使用高遮阳型Low-E玻璃可以提高遮阳系数，但其传热系数比单银Low-E玻璃略低，所以在进行整体节能计算时，应综合考虑此两项参数的相互关系。此外，通过使用超白基片可以提高玻璃遮阳系数以满足项目更高的遮阳要求。

表2 天津四步节能断桥铝门窗热工计算表 W/(m2·K)

断桥铝型材包含：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，穿条宽度有：24mm、34mm、35.3mm、39mm、40mm、41mm、42mm等。型材的传热系数与穿条的材质、宽度、厚度及结构有关，宽度和厚度越大，结构越复杂，性能越好；同时，填充物也影响整窗的传热。天津四步节能要求通常采用65系列、74系列、75系列型材，穿条采用24mm、34mm、35.3mm穿条。34mm及以上穿条其结构较复杂，包含多个腔体，节能效果好，34mm穿条对整窗K值的贡献较24mm的优0.1W/(m2·K）～0.2W/(m2·K）。型材系列越高，其传热系数越低，相应的价格也越高，且其窗框面积比也越大，这又和高遮阳的要求相悖，所以在进行整窗节能分析时，应综合考虑K值和SC来进行合理设计。

表3为天津四步节能塑钢门窗热工计算表。塑钢门窗常用的有65系列、70系列等，腔体数量包含四腔、五腔、六腔等，保温腔越多，结构越复杂，K值越低，相应用料越多，价格也越高。塑钢窗和断桥铝相比，其型材传热系数低得多，所以对玻璃要求就相应比较低。由表3可知：一个高遮阳型Low-E三玻两中空玻璃（不需充氩气、暖边）搭配65系列塑钢型材即可满足整窗K值1.8W/(m2·K）的要求，一个高透单银Low-E、充氩气、双暖边三玻两中空玻璃搭配70系列的塑钢窗就可以满足整窗K值1.5W/(m2·K）的要求，但由于塑钢窗的窗框比（通常在34%～37%）比断桥铝的（28%～33%）大，所以整窗遮阳系数SC比较低。

表3 天津四步节能塑钢门窗热工计算表 W/(m2·K)

表4为北京五步节能门窗热工计算表。北京率先提出的五步节能主要是对整窗的传热系数K值提出了更高要求，需达到1.1W/(m2·K）以内，而对遮阳没有过多要求，所以对玻璃传热系数也提出了更高要求。由表4可以看出：玻璃需采用两个甚至三个Low-E膜其U值可达到0.81W/(m2·K）甚至更低，型材也需采用90系列以上断桥铝或88系列以上塑钢。虽然双银/三银Low-E玻璃传热系数比单银Low-E更低，但对整窗K值影响不太大，且考虑到其遮阳系数较低，不利于降低冬季取暖能耗，价格又有所增加，不利于市场推广，所以还是推荐使用高透单银Low-E。

表4 北京五步节能门窗热工计算表 W/(m2·K)

6 小结

居住建筑门窗节能既取决于玻璃的热工性能，又取决于型材保温性能，在设计过程中应综合考虑评估这些因素的复杂交互作用对整窗的节能性能的影响，同时还需考虑成本因素对节能门窗推广的影响。通过《粤建科®MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件》对门窗热工性能进行模拟计算，针对天津四步节能和北京五步节能标准要求，根据市场上主流的型材类型，优化设计出性价比高、经济实用的满足不同市场需求的整窗节能方案，可以为当地及其他地区的门窗节能设计提供参考，有利于节能门窗的推广实施，助力我国早日实现碳达峰、碳中和。