高性能建筑用窗之_门窗设计的决策过程

—门窗设计的

决策过程

刘正权译中国建筑材料检验认证中心

1设计过程中的决策

建筑师在建筑设计过程中会制定不同范围的决策。首先考虑的是选址、建筑体型和总体布局等较大决策问题。即使在早期阶段，也已经开始确定每个空间的朝向、尺寸和形状以及是否开窗等问题。接下来是对每个空间和系统进行完善，包括窗户的大小、形状以及遮阳设施和光照控制系统的选用。最后，根据预期的性能确定玻璃和窗框的种类。

尽管如此，当设计者制定从大到小的决策时，后期的发现可能会引起对早先假设的疑问。实际上，这种不同规模间的对话是设计过程中的一个正常部分，这样才能保证建筑设计和性能目标的实现。存在的挑战是不同规模下的决策是相互依存的，因此很难基于经验法则得到简单的结论。

更为糟糕的是，经验丰富的设计者可能会运用较老的经验法则，而它们对于新技术的窗户已不再适用。例如，许多设计者假定在商业建筑中窗户朝向会在很大程度上影响能耗。一些没有遮阳设施的传统窗户的确如此，然而，如果窗户适当采用遮阳或高性能窗户，不同朝向的能耗将几乎没有差别。

这个例子说明了当对窗户性能的理解处于更高层次时，设计师关于朝向影响能耗的假设就可能存在问题。这并不意味着朝向在光照强度和方向以及眩光控制方面不是一个设计要素。由于设计变量相互影响，所以必须在特定的环境下制定决策——

—没有绝对正确的答案。

本文旨在为设计者提供一些他们需要的信息以制定关于窗户设计和选择方面的决策——

—特别是如何优化门窗能效和与人有关的因素等问题。要做到这一点，围绕设计者在设计过程中随时会问到的一系列不同层次的问题，我们整理了门窗相关的性能信息，这一过程见图1所示。在任何设计中，存在两个既定条件——

—建筑气候和建筑类型（或者建筑的空间类型）。一旦这些条件被确立，有关窗户朝向、采光控制、窗户尺寸、遮阳系统以及窗户类型等问题也将得到解决。使用采光控制的决策在这一过程的初期就会出现，因为它对后续的其他决策都会有影响。

在一些案例中，设计者可以控制所有这些变量；而在一些案例中，可以预先确定各种设计变量。例如，对于一栋位于郊区的办公建筑，设计者可以控制建筑朝向和太阳照射这两个变量来优化能源的使用及其他设计目标。另一方面，对于一栋位于市中心的办公大楼，设计者虽可以改变建筑场地和建筑朝向，但周围建筑可能会完全阻挡太阳光的进入。有时候建筑的形状是可以改变的，例如街边小店

篇首语：可持续设计的目的是为了实现建筑的长期节能、健康、环保、经济、聪明地利用资源并对环境影响的最小化。而窗户的选择和设计在实现建筑节能和环保的目标及对居住者的舒适性、满意度和工作效率方面扮演着重要的角色。商业建筑门窗幕墙的设计和选择需要平衡多种问题和标准。《Window Systems for High-performance Buildings》（《高性能建筑用窗》，W.W.Norton& Company出版）一书在影响门窗设计决策的节能、室内环境等技术方面提供了重要的信息和性能数据。笔者摘录翻译了该书的部分章节，以供读者参考。

的玻璃窗可能总是朝向被遮挡的人行道上，因此就没有太阳直射，只有极为有限的接受光照的机会。

图1窗户设计与选择的决策过程

所有这些设计参数对区域的影响可以通过计算机模拟分析得出结果。建筑是由这些围护区域和其他内部区域组合而成的。文中的分析没有考虑围护区域与内部区域的比例，不同朝向围护区域的确切分布也不考虑，这些影响因素需要在整个建筑的范畴下进行建模分析。然而，从对单个围护区域的分析得出的经验也可适用于整个建筑。

2决策准则

在制定关于窗户选择以及相关系统（如遮阳、采光控制）的设计决策时，存在许多需要考虑的准则。基本准则包括建筑中设置窗户最原始的目的——

—提供采光、视野和新鲜空气。当然，在商用建筑中新鲜空气通常是通过机械通风的方式来提供的，但是，如果有采光和视野的需求，在评价窗户的设计方案时应该考虑如何实现这些功能。

除了这些基本的功能外，建筑师往往将窗户作为建筑物艺术表达的一个关键组成部分。作为一种建筑材料，玻璃的颜色、透明度、反射率以及其它的视觉特性均得到了高度的评价。在未来，窗户可能还具备其他功能——

—产生能源，通过将光电材料集成到玻璃中得以实现。当新技术的成本得到有效控制时，这也会加速这类窗户的使用。

第二类准则不涉及建筑物中窗户存在的基本目的，但也是因素，其中包括成本、节能、眩光控制、热舒适性、隔音以及结构强度、防水和安全性要求。另外一个新兴的准则是窗户材料的生命周期环境影响。

2.1多重权重准则

基于多重准则比较设计方案，并将它们以最为简单、有效的方式提交给设计者是一项很大的挑战。图2是一种用于比较六种窗户的图示法，通过对每种产品的节能性能和对室内环境的贡献进行比较。其中，用每一行阴影点表示这些特征——

—节能、峰值需求、采光、眩光、视野和热舒适度。每个项目的属性分为0级～10级，10级表示最佳状况（能耗最低、眩光最少、采光最多、视野最佳）。阴影面积越小，该窗型所对应的性能就越好。

图2遮阳条件下的窗户属性的综合比较一些窗户可能在一种或两种性能上表现优越，如节能和峰值需求较小，而在其他方面可能表现不足，如提供采光和视野。例如，透明中空玻璃窗B在采光和视野方面表现良好而在节能和峰值需求方面表现不佳。具有反射涂层的窗户D却几乎相反——

—在节能、峰值需求和眩光控制方面优于窗户B，而在采光和视野方面又不及窗户B。最均衡的表现是三玻两空Low-E窗H，除眩光控制（可通过遮阳来实现）外的其他所有性能表现都较好。

根据图2中的图示法来制定决策时，需要明白这些属性的重要性可能有所不同。用户可在这六种属性中确定优先次序，并对每一行进行加权处理以体现其总体价值。例如，在某些应用场合，维持低一级的室内采光并能控制眩光可能要比实现采光和视野具有更高的优先级。

不幸的是，这六种属性不能转化为一种通用的

如果气候和

建筑类型已

知，确定朝向

朝向

北东南西

采光控制

如果其他条件

已知，确定采

光控制方案

无连续调光技术

窗户面积（窗墙比WWR）

如果朝向已

知，确定窗户

面积0.150.300.450.45

遮阳条件

如果朝向和

面积已知，确

定遮阳条件无内遮阳悬挑侧翼悬挑和侧翼

遮阳遮阳

窗型

如果其他条

件已知，确定

窗型

A

单玻无色透明

B

中空玻璃

无色透明

C

中空玻璃

青铜色

I

四玻三

空

Low-E

无色

H

双中空

Low-E无

色

G

中空玻璃

Low-E无

色

F

中空玻璃

光谱选择

型Low-E

着色

E

中空玻

璃Low-E

着色

D

中空玻璃

反射涂层

无遮阳

为比较不同条件下的窗

户所有属性，将窗户的6

种属性置于一个0～10的

区间内。

B

D

E

F

G

H

8～10最好

6～8

4～6

2～4

0～2最好

能耗

峰值需求

采光

眩光

视野

热舒适度

B中空玻璃透明

D中空玻璃反射涂层

E中空玻璃青铜色Low-E

F中空玻璃光谱选择性着

色Low-E

G中空玻璃光谱选择性透

明Low-E

H双中空玻璃一层Low-

E，一层透明测量方法（就像美元一样）。对于每种窗型，将这些性能归一为一个简单的数值将会给人带来误解，正负属性将互相抵消，差别很大的窗户得出的数值可能近似。基于这一原因，可以用矩阵的形式表示窗户的性能，这样可以使设计者认识不同选择的优缺点并做出自己的取舍。

2.2气候对窗户设计决策的影响

由于气候差异，窗户对围护区域的能耗和峰值需求的影响会根据地理位置不同而显著变化。图3列出了北美地区六个城市的六种窗型的年总能耗。在所有的案例中，窗户均位于南向办公建筑的围护区域，有采光控制系统但没有遮阳装置。

不同气候条件下门窗的一个显著差异是采暖能耗对于寒冷城市（明尼阿波利斯、芝加哥、华盛顿）比在温暖城市（洛杉矶、休斯顿和菲尼克斯）要多。在所有气候下的办公建筑围护区域内，比起天然气采暖，电能是空调制冷和照明的主要能耗。

在图3中，将采暖能耗和耗电量转化为原始能源（电能与天然气的效率比为3:1）。考虑到生产和运输上的效率和损失，再将耗电量乘以3。系数3也是两类能源的大致成本差异。实际成本差异根据区域不同而不同，但是3比1是全国平均水平。

尽管不同的气候条件会导致明显的能耗差异，对于没有遮阳的窗户，其能耗等级仍大致相同。而对于带有遮阳的窗户，能耗等级几乎完全一样，只是由于不同纬度的太阳照射角度不同而存在差异。

正如人们所料，在所有城市中透明单层玻璃窗或中空玻璃窗（B）的性能总是最差。在中等性能窗户中（窗户C~E），传统的赤褐色玻璃和反射涂层玻璃是一个改进。高性能窗户（窗户F~I）在所有气候条件下的耗电量和采暖能耗总是最低。尽管如此，仍然存在一些例外。例如，在寒冷气候下，窗户E的性能几乎和高性能窗户（窗户F到I）一样优秀。这是由于适中的太阳得热系数（SHGC）抵消了采暖能耗需求，在温暖气候条件下所不能接受的大面积窗户E在这里也可以使用。

另一方面，作为寒冷气候下高性能窗户中的一种，窗户G因不具有较低的太阳得热系数（SHGC）而在温暖气候条件下等级就有所降低，与自然采光相比，这要比高可见光透射比（VT）重要得多。

图3六种北美气候条件下六类窗型的年能耗对比

年能耗的这些差异意味着不同的选择对能源的节约程度也不一样，由此带来的经济后果也不相同。在更极端的气候下，如明尼阿波利斯或菲尼克斯，能耗表现的差异将进一步扩大。在更温和的气候区，如华盛顿和洛杉矶，这种差异会被减小，从而可供选择的窗户设计也会增多。

图4是六个北美城市六类窗型的用电峰值需求情况。不同的城市也存在一些差异，在大部分地区，对于大部分中等面积的窗户，峰值需求大致在4W/sf~6W/sf这个范围。峰值需求主要是由室外空气温度和/或太阳辐射水平（由太阳角度和云层决定）确定的。例如，在冬天南向区域，尽管比较凉爽也可能会出现用电需求。不同气候下峰值需求出现的日期和时间可能不同。在相同条件下，不同窗型的峰值需求出现的日期和时间也有可能不同。因此，不同窗户设计峰值需求等级和节约量会伴随气候的改变而变化。图5是根据供暖和制冷天数确定的美国五种基本气候分区。

图4六种北美气候条件下六类窗型的用电年峰值需求对比

4建筑类型对窗户设计决策的影响

正如气候在能耗和用电峰值需求方面影响着窗户设计一样，建筑类型对窗户设计也有重要影响。不同类型的商业建筑（如办公室、学校、图书馆、零售店）在运行时间内室内环境要求不同，由于这些差异，它们的照明系统和机械通风系统的设计也不相同，能耗也就不一样。所以，对于这些不同类型的建筑而言，窗户的最佳选择是否经济也有不同的结论。

5结论

在大型办公建筑内，考虑到围护结构、室内环境和空气渗漏对采暖和制冷负荷的影响，通过窗户传导和辐射引起的能耗占采暖能耗的74%、制冷能耗的38%。所以，需要全面、彻底的考虑窗户的设计。

图5美国气候分区

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《高性能建筑用窗》（中文版）正式出版

本书由美国明尼苏达大学可持续建筑研究中心约翰·卡莫迪、劳伦斯·伯克利国家实验室斯蒂芬·塞尔科维兹等人编

著。明尼苏达大学可持续建筑研究中心和劳伦斯·伯克利国家实验室在可持续建筑、零能耗建筑和低碳建筑技术研究方面

世界领先，尤其是劳伦斯·伯克利国家实验室开发的一系列建筑仿真软件在全球范围内得到了广泛的应用，其中包括

DOE-2、EnergyPlus 、RADIANCE 以及门窗节能性能模拟软件WINDOW 、THERM 、Optics 和国际玻璃数据库IGDB 等。

本书介绍了高性能建筑门窗选择和设计中需要考虑的节能因素、人的因素以及技术因素，详细分析了门窗设计参数的

变化对寒冷气候区和炎热气候区办公建筑及学校建筑的能耗和建筑环境的影响，尤其在影响门窗设计决策的节能、室内环境等技术方面提供了重要的信息和性能数据。

本书的翻译出版对于门窗设计师和技术人员学习和掌握门窗节能技术具有一定的指导作用，同时，对于我国节能门窗

的应用和发展也会起到重要的促进作用。

书名：《高性能建筑用窗》

作者：John Carmody

Stephen Selkowitz Eleanor S.Lee Dariush Arasteh Todd Willmert

译者：刘正权

出版社：中国建材工业出版社出版日期：2012年1月定价：100元

办公室这类建筑是最主要的商业建筑类型，对于许多其他的商业建筑类型，根据建筑类型和应用的不同，窗户的设计对能耗、电力峰值需求以及与人相关的因素可能产生更高或者更低的影响。各式各样的窗户可以实现在U 值、太阳得热系数（SHGC ）以及可见光透射比（VT ）的平衡。

建筑能耗模拟是评估建筑性能的唯一方式。从办公室建筑来看，窗户的表现趋势可能相似也可能不同。从这个角度来看，表1说明了窗户对于不同建筑类型的采暖能耗和空调制冷能耗贡献的百分比。这些数字都是一个平均值，它包括很多的变量，但是它们可以从能耗的角度来体现窗户设计在一些建筑类型中的重要性。在一些建筑中重要性可能高些，也可能低些。总之，这些数据说明了窗户对于建筑能耗有着重要的影响。

需要指出的是，表1中的百分比是根据热力学理论中的建筑负荷计算得到的。由于空气加热设备、采暖和制冷设备及机组的实际效率要低、能量损失可能会更大，所以暖通空调系统（HVAC ）

的实际能耗要高出好几倍。总之，窗户对采暖和制冷能耗的影响甚至比表1中提到的数字还要大。窗户为设计者们提供了一条更可具持续性、更高性能的建筑之路，同时也伴随着机遇和挑战。

表1

不同建筑类型窗户对采暖和制冷能耗的影响

建筑类型

窗户采暖负荷占系统总采暖负荷百比

窗户制冷负荷占系统总制冷负荷百比

大型办公室74%38%小型办公室34%47%大型零售商店33%42%小型零售商店37%39%大型酒店48%40%小型酒店18%63%快餐店12%32%餐馆6%11%医院45%10%学校5%41%超市17%13%仓库

1%

34%