建筑外窗的節(jié)能設(shè)計(jì)探討

邱暉盛

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院 廣東廣州 510000）

建筑外窗的節(jié)能設(shè)計(jì)探討

邱暉盛

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院 廣東廣州 510000）

外窗作為建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)雖然起到了室內(nèi)外空氣交換和遮風(fēng)避雨的作用，卻是整個(gè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中隔熱、保溫、隔音、安全最薄弱的環(huán)節(jié)，據(jù)有關(guān)資料表明通過(guò)外窗流失的能耗占整個(gè)建筑總能耗的50%，不利于建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)。為了解決上述問(wèn)題，以廣州市為例，本文首先詳細(xì)調(diào)查了居住建筑外窗的使用情況，然后根據(jù)實(shí)際情況分析了建筑外窗的節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)。

建筑；外窗；節(jié)能設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步和能源資源的日益短缺，人們?cè)絹?lái)越注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)和資源的充分利用，各種環(huán)保節(jié)能的技術(shù)和材料被研制出來(lái)，且廣泛地用于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活當(dāng)中。而建筑業(yè)對(duì)能源資源的需求量非常巨大，所需的建筑技術(shù)、設(shè)備、材料以及人工等也是其他一般行業(yè)所不及的，而外窗的能源消耗又是建筑工程能耗中的主要部分，對(duì)外窗進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)能夠很大程度地減少建筑的能耗，同時(shí)也給人們提供健康舒適的生活。由于建筑外窗的材料多種多樣，而各種材料的節(jié)能要求是各不相同的，因此深人了解外窗節(jié)能的情況，運(yùn)用各種外窗材料的節(jié)能原理設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的外窗節(jié)能方案，并將這種方案切實(shí)運(yùn)用于建筑活動(dòng)中會(huì)利于我國(guó)建筑業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

2 廣州居住建筑外窗使用情況的調(diào)查

廣州市區(qū)內(nèi)既有居住建筑存量巨大，其中大部分都是建于20世紀(jì)90年代。由于我國(guó)建筑節(jié)能工作的起步時(shí)間比較晚，因此，廣州地區(qū)大部分既有居住建筑沒(méi)有考慮節(jié)能設(shè)計(jì)。為了深入了解既有居住建筑外窗應(yīng)用情況，本文對(duì)市區(qū)內(nèi)不同地理位置、不同建設(shè)年代的多個(gè)小區(qū)的居住建筑進(jìn)行了調(diào)查。

2.1 玻璃類型

外窗的玻璃面積占整窗面積的60%甚至更多，因此，玻璃對(duì)外窗的保溫隔熱性能有著十分重要的影響。調(diào)查結(jié)果表明：82%的居住建筑外窗玻璃采用了單層普通玻璃，15%的采用了雙層玻璃，僅有3%采用了雙層中空玻璃，外窗玻璃使用情況見(jiàn)圖1。單層玻璃窗的熱工性能很難滿足廣州地區(qū)建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 玻璃類型分布圖

2.2 窗框材料

廣州地區(qū)常見(jiàn)的窗框材料主要有木、鋼、鋁合金以及塑鋼（PVC），調(diào)查結(jié)果表明：2%的建筑外窗仍然采用木質(zhì)窗框，4%采用鋼窗，54%采用鋁合金窗，40%采用塑鋼窗（PVC），窗框材料使用情況分布見(jiàn)圖2。

圖2 窗框材料分布圖

2.3 開(kāi)啟方式

調(diào)查結(jié)果顯示，有88%的外窗采用的都是推拉窗，采用平開(kāi)窗開(kāi)啟方式的外窗只占10%，還有2%的用戶采用了懸窗，開(kāi)啟方式使用情況分布見(jiàn)圖3。

圖3 開(kāi)啟方式分布圖

2.4 熱工性能和氣密性

從建筑節(jié)能的角度考慮，在墻體、屋面、地面以及外門窗四大建筑外圍護(hù)部件中，外門窗的隔熱性能最差，是建筑能耗過(guò)高的主要因素之一。目前，我國(guó)既有建筑的典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位中，通過(guò)門窗產(chǎn)生的熱量損失約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40～50%，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)表

由于被調(diào)查對(duì)象受到建設(shè)年代、技術(shù)水平等因素的影響，外窗氣密性及熱工性能差異較大。調(diào)查結(jié)果表明：20世紀(jì)80年代的建筑大多采用木、鋼窗，墻與框、框與扇、扇與玻璃之間都存在肉眼可見(jiàn)的縫隙，有縫隙存在就會(huì)產(chǎn)生室內(nèi)外空氣交換，因此，此類外窗氣密性很差；近十多年間的建筑大多采用鋁合金窗、塑鋼窗，此類外窗氣密性整體相對(duì)較好，但是近90%的都是推拉開(kāi)啟，普遍采用毛條密封，兩扇搭接處因結(jié)構(gòu)原因存在空氣滲漏通道，四周僅靠毛條接觸式密封也存在空氣滲透空隙，同時(shí)多數(shù)密封材料由于使用時(shí)間較長(zhǎng)而出現(xiàn)了不同程度的性能退化，從而導(dǎo)致氣密性隨著外窗使用年限的增加而不斷降低。

居住建筑外窗的熱工性能主要受窗框材料、結(jié)構(gòu)形式以及玻璃的綜合影響。根據(jù)上面的調(diào)查結(jié)果，單層玻璃外窗在既有居住建筑中占到了大部分，而單層玻璃鋼窗、鋁合金窗的傳熱系數(shù)K值為6.4W/（m2·K），單層玻璃塑鋼窗的K值為4.7W/（m2·K）；少數(shù)采用雙層中空玻璃的外窗，則根據(jù)其空氣層厚度的不同，K值稍有變化（雙玻塑料外窗根據(jù)空氣層厚度在12mm、16mm、大于20mm時(shí)，其K值分別為2.7W/（m2·K）、2.6W/（m2·K）、2.5W/（m2· K），超過(guò)90%的外窗K值不能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑節(jié)能的要求。

圖4 傳熱系數(shù)分布圖

3 建筑外窗節(jié)能設(shè)計(jì)分析

建筑外窗是室內(nèi)外空間變換的重要媒介，同時(shí)也是影響建筑能耗的關(guān)鍵因素之一。目前，外窗向呈現(xiàn)節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，新型窗框、玻璃材料，優(yōu)化的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新型密封材料、五金配件等的不斷涌現(xiàn)為節(jié)能窗的快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。

3.1 完善型材腔體結(jié)構(gòu)

從保溫隔熱的角度看，型材斷面應(yīng)設(shè)計(jì)為多腔結(jié)構(gòu)，腔壁垂直于熱流方向分布，型材內(nèi)的多腔結(jié)構(gòu)對(duì)通過(guò)的熱流會(huì)起到多重阻隔作用，使得腔內(nèi)傳熱（對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱）相應(yīng)被削弱，特別是輻射傳熱強(qiáng)度隨空腔數(shù)量增加而成倍減少。以固定窗的下橫料為例，研究了不同結(jié)構(gòu)形式的腔體結(jié)構(gòu)對(duì)型材傳熱系數(shù)的影響：隨型材腔體的增多，型材的傳熱系數(shù)逐漸下降，變化較為明顯的是十分位小數(shù)上的變化，最大變化值可達(dá)0.24之多；但隨著腔體增多，其變化差值越來(lái)越小，即隨腔體數(shù)量的增多，其傳熱系數(shù)會(huì)變小，但不會(huì)是無(wú)限止的小下去，最后必將有一個(gè)臨界點(diǎn)。

3.2 對(duì)窗框材料的改進(jìn)

目前，大量單獨(dú)使用的外窗型材是鋁合金、塑鋼（PVC）兩種材料。鋁合金本身熱阻較小，但是采用熱橋阻斷技術(shù)可顯著提高其隔熱性能，加上鋁合金型材優(yōu)良的力學(xué)性能，使得鋁合金型材在目前節(jié)能窗市場(chǎng)中占有一席之地；塑鋼本身熱阻較大，是熱的不良導(dǎo)體，但是防火、抗老化能力差，因此，針對(duì)塑鋼本身性能缺陷，研究人員通過(guò)添加不同組份的改性材料，出現(xiàn)了許多新型改性復(fù)合材料。

此外還有鋁塑復(fù)合、木塑復(fù)合等復(fù)合多種單一材料的復(fù)合框材，不同材料的復(fù)合有助于取長(zhǎng)補(bǔ)短提高窗框的綜合性能。例如鋁塑復(fù)合框材就是利用塑料型材將兩層鋁合金型材既隔開(kāi)又緊密連接成一個(gè)整體，構(gòu)成一種兩邊是鋁合金中間是塑料型材的復(fù)合型材，用這種型材做外窗，稱之為斷橋式鋁塑復(fù)合窗。這種復(fù)合型材兼顧了塑料和鋁合金兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)滿足保溫隔熱、隔聲、防火等多種性能要求。

3.3 優(yōu)化窗墻的比例

合理布局窗墻的比例對(duì)門窗的節(jié)能具有很大的幫助，雖然外窗面積要比墻的面積小，但是它流失的熱量卻是很大的。而具體的窗墻比應(yīng)該根據(jù)各地的情況來(lái)定，比如南方地區(qū)的窗戶應(yīng)該較大這樣在夏季時(shí)就能較好的通風(fēng)，在冬季時(shí)又可以獲得充足的陽(yáng)光。

3.4 合理設(shè)置節(jié)能窗的外形

門窗的類型將嚴(yán)重影響節(jié)能的效果，固定窗和平拉窗的節(jié)能效果要好于推拉窗，因?yàn)楹髢烧叩拇吧群痛翱蛑g經(jīng)過(guò)橡膠密封后，幾乎不留下什么空隙，也就不會(huì)在玻璃之間形成對(duì)流，而推拉窗在來(lái)回的滑動(dòng)時(shí)上下都有較大的空隙，使得窗扇之間的對(duì)流非常明顯，冷熱空氣交織造成熱量流失，因此在設(shè)計(jì)節(jié)能型門窗時(shí)應(yīng)當(dāng)首選平開(kāi)窗或固定窗。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）節(jié)能型、智能化、高技術(shù)含量的外窗將是今后發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。但同時(shí)，需結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ幕皻夂蛱卣?，?yōu)化選擇各種材料、技術(shù)，在滿足外窗性能的基礎(chǔ)上不過(guò)高地增加成本。

（2）新建居住建筑外窗應(yīng)用情況較好，綜合性能可以滿足要求，但是如果在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)管等環(huán)節(jié)缺乏有效的監(jiān)督措施，性能再好的外窗也將失去意義。

（3）既有居住建筑外窗應(yīng)用情況不容樂(lè)觀，推拉窗、單層玻璃、密封材料老化等因素，使得外窗物理、力學(xué)、熱工性能很難滿足要求，需要進(jìn)行改造。

建筑節(jié)能在現(xiàn)在能源資源短缺的年代具有非常重要的意義，通過(guò)合理的選材、設(shè)計(jì)出節(jié)能型的門窗對(duì)于提升建筑節(jié)能具有十分重大的幫助，這需要充分探索節(jié)能型材質(zhì)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)際的生活中讓這些技術(shù)真正為節(jié)能環(huán)保而服務(wù)。

[1]楊輝，楊闖，郭興忠，等.建筑節(jié)能門窗及技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].新型建筑材料，2012（9）：84～89.

[2]萬(wàn)成龍，王洪濤，孫詩(shī)兵，王麗麗.鋁合金窗熱工性能影響因素模擬研究.建設(shè)科技，2014，01.

[3]李英春.關(guān)于住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的分析[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2014（7）.

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2015-1-10