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摘要：低能耗、超低能耗及零能耗建筑节能标准的相继推出，对建筑门窗的节能性能提出了更高的要求。建筑门窗作为建筑围护结构的重要部分，其节能性能的设计及安装对建筑物整体节能性能的影响起到重要的作用。性能化设计，系统化安装是建筑门窗提高节能性能的重要措施。
关键词：性能化设计;系统化安装;低能耗建筑;零能耗建筑
1.前言
建筑能耗约占我国社会总能耗的40%。作为建筑外围护结构的建筑门窗，其能耗约占建筑能耗的50%，因此，建筑门窗的节能是建筑节能的关键。
我国的建筑节能工作经历了自1986年～2016年的建筑节能30%、50% 、65%的30年发展，建筑节能65%的设计标（词条“设计标”由行业大百科提供）准已经基本普及实施。建筑节能工作减缓了我国建筑能耗随城镇建设发展而持续高速增长的趋势，并提高了人们居住、工作和生活环境的质量。为了推动建筑节能设计标准向更高的目标实施，国家以2016年国家建筑节能设计标准为基准，制定了2025、2035、2050中长期建筑能效提升目标。其中，2016年执行的国家建筑节能设计标准包括《公共建筑节能设计标准》GB 50189 - 2015、 《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 JGJ 26 - 2010、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134 - 2010、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ 75 - 2012。
1.1低能耗建筑
以2016年为基准，在此基础上，建筑能耗降低25%～30%的建筑可称为“低能耗建筑”。已经修订实施的《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26-2018、《温和地区居住建筑节能设计标准》JGJ 475-2019及正在修订的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-20XX 和《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ 75-20XX，其目标为75%节能率，相对于2016年国家建筑节能设计标准，其能耗降低30%，属于“低能耗建筑”标准。
1.2近零能耗建筑
适应气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖（词条“供暖”由行业大百科提供）、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，且其室内环境参数和能效指标符合本标准规定的建筑，其建筑能耗水平应较2016年执行的国家建筑节能设计标准降低 60%～75%以上。
其中，严寒和寒冷地区，近能耗居住建筑能耗降低70 %～75 以上，不再需要传统的供热方式，夏热冬暖和夏热冬冷地区近零能耗居住建筑能耗降低60%以上;不同气候区近零能耗公共建筑能耗平均降低60%以上。
1.3超低能耗建筑
超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式，其室内环境参数与近零能耗建筑相同，能效指标略低于近零能耗建筑，其建筑能耗水平应较2016年执行的国家建筑节能设计标准降低50%以上。
超低能耗建筑是实现近零能耗建筑的预备阶段，除节能水平外，均满足近零能耗建筑要求。以2016年为基准，在此基础上，建筑能耗降低25%～30%的建筑可称为“低能耗建筑”。
超低能耗建筑是较“低能耗建筑”更高节能标准的建筑，是现阶段不借助可再生能源，依靠建筑技术的优化利用可以实现的目标，其建筑能效在2016国家建筑节能标准水平上有较大水平的提升，建筑室内环境也更加舒适，其供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯能耗应较2016年国家建筑节能设计标准降低50% 以上。
1.4零能耗建筑
零能耗建筑能是近零能耗建筑的高级表现形式，其室内环境参数与近零能耗建筑相同，充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源，使可再生能源年产能大于或等于建筑全年全部用能的建筑。
1.5被动式设计
建筑设计应根据气候特征和场地条件，通过被动式设计降低建筑冷热需求和提升主动式能源系统的能效达到超低能耗，在此基础上，利用可再生能源对建筑能源消耗进行平衡和替代达到近零能耗，有条件时，宜实现零能耗。
被动式设计。近零能耗建筑规划设计应在建筑布局、朝向、体形系数和使用功能方面，体现节能理念和特点，并注重与气候的适应性。通过使用保温隔热（词条“隔热”由行业大百科提供）性能更高的非透明围护结构、保温隔热性能更高的外窗、无热桥的设计与施工技术，提高建筑整体密性，降低供暖需求，通过使用遮阳、自然通风、夜间免费制冷等技术，降低建筑在过渡季和供冷季的供冷需求。
2.建筑门窗设计
2.1建筑门窗节能设计
建筑门窗的节能设计应从建筑节能的整体节能性能设计方面考虑，包括建筑门窗的性能化设计和建筑门窗的系统化安装设计两方面。
性能化设计建筑门窗是以建筑室内环境参数和规范设计参数为性能目标，利用模拟计算工具，对建筑门窗设计方案进行逐步优化，最终达到建筑门窗预定性能目标要求的设计过程。
性能化设计方法的核心是以性能目标为导向的定量化设计分析与优化。面向建筑性能，给出满足性能目标的参数和指标要求，门窗的关键性能参数选取基于性能定量分析结果，而不是从规范中直接选取。
性能化设计建筑门窗的节能性能，对于室内环境参数要求较高的建筑，还应包括应根据建筑物的不同朝向，针对性的设计特殊位置、特殊要求的门窗。
门窗的建筑设计应选用与建筑保温隔热系统（词条“隔热系统”由行业大百科提供）设计性能要求相匹配的门窗系统。门窗方案设计应根据建筑功能和环境资源条件，以气候环境适应性为原则，以建筑室内环境及技术性能参数要求目标，充分利用天然采光自然通风以及外门窗保温隔热等设计手段。
近零能耗建筑应采用保温隔热性能较好的外窗系统窗。外窗是影响近零能耗建筑节能效果的关键部件，其影向能耗的性能参数主要包括传热系数（词条“传热系数”由行业大百科提供）(K值)，太阳得热系数（词条“太阳得热系数”由行业大百科提供）(SHGC值)以及气密性能。影响外窗节能性能的主要因素有玻璃（词条“玻璃”由行业大百科提供）层数，Low-E膜层、填充气体、边部密封、型材（词条“型材”由行业大百科提供）材质、截而设计及开启方式等。应结合建筑功能和使用特点，通过性能化设计方法进行外窗系统的优化设计和选择。
2.2建筑门窗技术设计
随着我国建筑节能的要求不断提高，极大的推动了建筑门窗行业的发展。从构成建筑门窗的材料，到建筑门窗的使用功能和性能要求，再到建筑门窗的生产技术，都存在着现代新技术对建筑门窗行业的影响。
建筑新材料的不断研发使得建筑门窗的技术设计，不再仅仅是门窗形式的简单拼装。建筑门窗的技术设计包括对构成门窗的材料、构造、门窗形式、技术、性能等要素构成的相互关联的技术体系设计，其中：
材料设计包括型材、增强、附件、密封、五金、玻璃等构成门窗的各种原、辅材料;
构造设计包括各材料组成的节点（词条“节点”由行业大百科提供）构造、角部以及中竖框和中横框连接构造、拼樘构造、安装构造、各材料与构造的装配逻辑关系等构成门窗的所有构造;
门窗形式设计包括门窗的材质、功能结构(如形状、尺寸、材质、颜色、开启形式、组合、分格等)及延伸功能结构(如纱窗、遮阳、安全防护、新风及智能控制等);
技术设计包括建筑门窗的工程设计规则、加工工艺与工装及安装工法等所有设计、加工及安装方面的技术;
性能设计包括安全性、节能性、适用性和耐久性。安全性主要包括抗风压性能、平面内变形性能、耐火完整性、耐撞击性能、抗风携碎物冲击性能、抗爆炸冲击波性能等;节能性能包括气密性能、保温性能、隔热性能等;适用性能包括启闭力、水密性能、空气声隔声（词条“隔声”由行业大百科提供）性能、采光性能、防沙尘性能、耐垂直荷载性能、抗静扭曲性能等;耐久性包括反复启闭性能等。
3.性能化设计
门窗的性能化设计与其它设计方法最大的不同点在于根据目标建筑室内环境及技术性能参数要求，通过定量化计算，确定满足性能要求的方案设计。
3.1室内环境参数
健康、舒适的室内环境是建筑设计的基本前提。室内热湿环境参数主要是指建筑室内的温度、相对湿度,这些参数直接影响室内的热舒适水平和建筑能耗。空间环境参数以满足人体热舒适为目的。
根据国内外有关标准和文献的研究成果，当人体衣着适宜且处于安静状态时，室内温度20℃比较舒适，18℃无冷感，15℃是产生明显冷感的温度界限。冬季热舒适(-1≤PMV≤1)对应的温度范围为：18℃～24℃。基于节能和舒适的原则，本着提高生活质量、满足室内舒适度的条件下尽量节能，将冬季室内供暖温度设定为20℃，在北方集中供暖室内温度18℃的基础上调高2℃。
《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350对建筑室内主要房间热湿环境参数要求见表1所示，居住建筑内噪声昼间≤40dB(A)，夜间≤30dB(A)。
建筑门窗的性能设计要求：满足室内环境参数要求及规范设计要求，且室内环境参数应满足较高的热舒适水平。
门窗结露就是在门窗的室内表面凝聚着露水或水雾。当玻璃、窗框表面温度较周边临近潮湿空气的露点温度低时，空气中的水蒸汽变为液体的水，凝结在冷的固体表面，就会产生结露现象。当结露部位温度在5℃～50℃，相对湿度达到80%以上时，就容易发生霉变。因此，露点温度和霉变温度是建筑门窗节能设计必须考虑的因素。
3.2规范设计技术参数
我国地域广阔，气候分区多，不同气候分区建筑节能设计对外门窗均有相应的规范设计参数要求，国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019中对近零能耗下的节能门窗要求如下：
(1)外门窗气密性能不宜低于8级;
(2)居住建筑外窗(包括透光幕墙)及公共建筑外窗(包括透光幕墙)热工性能参数分别见表2和表3。
注：太阳得热系数为包括遮阳(不含内遮阳)的综合太阳得热系数。
3.3建筑门窗的性能化设计方法
(1)采用协同设计的组织形式;
(2)根据设定目标(建筑地区)要求，设定室内环境参数及节能指标要求，并利用模拟计算软件等工具，优化设计方案;
(3)性能化设计程序
①设定室内环境参数;
②通过定量计算，制定设计方案;
③利用模拟计算软件等工具进行设计方案的定量分析及优化;
④制定加工工艺和工装;
⑤试制产品并进行性能测试、优化，直至满足目标设计要求;
⑥确定优选设计方案;
⑦制定工程设计规则;
⑧制定安装工艺;
⑨技术总结。
外门窗是影响建筑节能效果的关键部件，其影响能耗的性能参数主要包括传热系数(K值)、太阳得热系数(SHGC值)以及气密性能。影响外窗节能性能的主要因素有玻璃层数、Low-E膜层、填充气体、边部密封、型材材质和截面设计及门窗开启方式等。
建筑门窗的性能化设计是以定量分析及优化为核心，进行塑料建筑门窗组成要素的关键参数对门窗性能的影响分析，在此基础上，结合门窗的经济效益分析，进行技术措施和性能参数的优化。
4.系统化安装
建筑门窗的系统化安装是指建筑门窗安装设计时应满足建筑物整体节能方案设计要求，安装时保证热桥设计的一致性(等温设计)和气密层的连续完整性。
建筑物节能系统设计，充分考虑了构成建筑物的构配件及各构造节点的节能性的整体设计与施工安装。
建筑门窗作为建筑外围护结构，其性能要求应首先服务于建筑物、满足建筑物功能和性能要求。因此，建筑门窗的安装应满足建筑物整体节能性能的系统化安装要求，确保建筑物节能要求中的等温线和气密线的连续性。
门窗的安装位置应进行建筑热工优化后确定，设计出合理的安装施工工艺，进而确保建筑门窗与建筑物节能性能的一致性。
门窗的等温设计应与建筑物整体等温设计保持一致性，即保持等温线的连续性，如图1所示，避免安装节点构造产生热桥。
外门窗及其遮阳设施热桥处理应符合下列规定:
(1)外门窗安装方式应根据墙体的构造方式进行优化设计。当墙体采用外保温系统时，外窗可采用整体外挂式安装，框内表面宜与基层墙体外表面齐平，门窗位于外墙外保温层内。装配式夹心保温外墙，外门窗宜采用内嵌式安装方式，外门窗与基层墙体的连接件应采用阻断热桥的处理措施。
(2)外门窗外表面与基层墙体的连接处宜采用防水透汽材料密封，门窗内表面与基层墙体的连接处应采用气密性材料密封。
(3)窗户外遮阳设计应与主体建筑结构可靠连接，连接件与基层墙体之间应采取阻断热桥的处理措施，如2所示。
建筑物气密性是影响建筑供暖能耗和空调能耗的重要因素，对实现近零能耗目标来说，由于其极低的能耗指标，由单纯围护结构传热导致的能耗已较小，这种条件下造成气密性对能耗的比例大幅提升，因此建筑气密性能更为重要。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏，减少室外噪声和室外空气污染等不良因素对室内环境的影响，提高居住者的生活品质。建筑围护结构气密层应连续并包围整个外围护结构如图3所示。
从图3中可以看出，外门窗的气密性是建筑整体气密性的重要一环，对近零能耗建筑整体的气密性有较大的影响，因此，外门窗的气密性安装施工是实现建筑整体气密性目标的基础保证。
5.结语
建筑门窗的性能设计与安装是被动式低能耗建筑节能性能设计与安装的重要一环，将建筑门窗的性能化设计和系统化安装与被动式低能耗建筑的性能化设计与系统化安装整体性考虑，才能保证被动式低能耗建筑整体节能的整体节能效果。
参考文献
[1]王波，孙文迁.建筑系统门窗研发设计[M].北京：中国电力出版社，2022.1.
[2]孙文迁等.铝合金门窗设计与制作安装(2版)[M].北京：中国电力出版社，2022.1.
作者单位：南昌职业大学门窗学院
