綠色建筑中節(jié)能門窗的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊寶

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 節(jié)能形勢與新型建材的國家政策

1.1 節(jié)能形勢與能耗標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，“十一五”期間，每年新建建筑面積約10億m2。據(jù)住建部預(yù)測，“十二五”期間，我國城鎮(zhèn)新增建筑面積預(yù)計將達(dá)到40～50億m2。因此，要確保這些建筑達(dá)到現(xiàn)有節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，已非常不易。特別是目前我國正大力發(fā)展更加節(jié)能的綠色建筑，節(jié)能的任務(wù)就更加艱巨。

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平影響，我國建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)一直很低。據(jù)統(tǒng)計，2000年以前我國建設(shè)的絕大部分建筑為非節(jié)能建筑。特別是北方嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的建筑，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)連基本的保溫層都沒有。目前，我國推行的是65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)只相當(dāng)于歐洲國家20年前的標(biāo)準(zhǔn)。受節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)低以及能源利用效率低的影響，我國同樣的建筑，每年僅采暖就要消耗比西方發(fā)達(dá)國家更多的煤炭能源。

1.2 有關(guān)新型建材的國家政策

我國《“十二五”建筑節(jié)能專項規(guī)劃》指出，“十二五”期間，我國要因地制宜、就地取材，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和資源稟賦，大力發(fā)展安全耐久、節(jié)能環(huán)保、施工便利的新型建材。加快發(fā)展防火隔熱性能好的建筑保溫體系和材料，積極發(fā)展包含低輻射鍍膜玻璃、斷橋隔熱門窗等建材和部品。同時，國家將出臺相關(guān)配套政策以推動節(jié)能門窗的發(fā)展。

2 門窗的功能與矛盾性

2.1 門窗的功能與節(jié)能

現(xiàn)代建筑的理念是開放式的，無論何種類型的建筑，通透、明亮、舒適等都成為人們追求的目標(biāo)。在這一趨勢下，建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)越來越多地采用大面積玻璃門窗。同時，由于環(huán)境和氣候影響，室外環(huán)境在大部分情況下已經(jīng)不能滿足人們對于舒適度的要求，而要想獲得更舒適的室內(nèi)環(huán)境，必然消耗大量的能源，因而產(chǎn)生了門窗功能性和節(jié)能性的矛盾。

2.2 門窗的設(shè)計復(fù)雜性

好的設(shè)計往往意味著多種矛盾問題的互相平衡，這一點(diǎn)在門窗設(shè)計中尤為顯著。首先，門窗既要保證吸收適量的的太陽能，又要防止炎熱的夏季引入過多的熱量導(dǎo)致室內(nèi)過熱；第二，門窗既要給室內(nèi)提供充足的日照，又要防止因為采光不當(dāng)引起室內(nèi)眩光，影響光環(huán)境的舒適度；第三，門窗既要保證室內(nèi)的自然通風(fēng)，又要防止噪聲的侵?jǐn)_；最后，門窗既要滿足人們對于外界環(huán)境良好的視野需求，又要保證個人安全與隱私。此外，門窗的設(shè)計還受到氣候、地區(qū)的影響，不同的緯度、不同的朝向也會對門窗的設(shè)計產(chǎn)生影響?？傊?，一系列矛盾需要平衡，這也帶來了門窗設(shè)計的復(fù)雜性和綜合性。

3 門窗在節(jié)能方面存在的問題

3.1 門窗是節(jié)能的短板

我國建筑主要能耗在冬季的采暖和夏季的降溫，而冬季采暖能耗又遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于夏季降溫。據(jù)測算，在建筑全年能耗中，冬季采暖消耗掉一半以上的能源。而在這部分能耗中，很大部分又是通過門窗洞口等部位流失消耗的。例如，在普通民用建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外窗面積一般占到15%～30%左右，而能耗則占到整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的40%～50%左右，這是因為占外窗主要面積的玻璃熱工性能非常差，導(dǎo)致外窗的熱工性能比外墻和屋頂差了4倍左右，因而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到外墻或屋頂?shù)臒峁ば阅?，成為建筑?jié)能的顯著短板。通常外窗由兩部分組成，窗框和玻璃，這兩個部分都是節(jié)能的短板。由于玻璃面積占據(jù)絕對的份額，因而降低玻璃外門窗能耗的關(guān)鍵又在于提高玻璃的熱工性能上。在理想狀態(tài)下，如果能夠使玻璃的熱工性能同外墻相當(dāng)，那么建筑的保溫將形成一個完整均衡的體系，可以認(rèn)為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有能量損耗薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 我國的門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相對較為落后。例如，近幾年來北京市執(zhí)行的《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》要求的外窗傳熱系數(shù)K值（限值，下文同）為2.8W/（m2·K），這僅僅是德國1984年的標(biāo)準(zhǔn)要求，相差了整整30年。而北京地區(qū)還算是執(zhí)行節(jié)能規(guī)范比較好的地區(qū)，全國多數(shù)地區(qū)還沒到達(dá)到2.8W/（m2·K）的水平。目前，歐盟國家的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對門窗的K值要求是1.1～1.3W/（m2·K），德國要求為1.1W/（m2·K），瑞士則更低，要求低至0.7W/（m2·K）。這些標(biāo)準(zhǔn)對我國來說，目前幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的，可見差距之大。

3.3 門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)低下的客觀原因

我國門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不高的原因是多方面的。一方面，長期以來，人們對于門窗節(jié)能的意識本來就薄弱；另一方面，我國門窗設(shè)計廠家的技術(shù)實(shí)力低下、市場混亂，這也是標(biāo)準(zhǔn)難以提高的重要原因。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，我國的門窗廠家數(shù)量驚人，但是真正具有節(jié)能門窗生產(chǎn)技術(shù)的卻寥寥無幾，行業(yè)整體水平低下。相關(guān)資料顯示，2010年我國具備節(jié)能門窗生產(chǎn)能力的廠家尚不足10家，能夠生產(chǎn)K值不超過2.0W/（m2·K）的廠家僅6家。另外，不僅保溫性能低下，我國門窗的使用壽命普遍較短。無論是玻璃還是門窗業(yè)相關(guān)的框材、膠條、五金件等均缺乏良好性能，這些因素直接導(dǎo)致了門窗壽命短、質(zhì)量低下。

4 發(fā)達(dá)國家節(jié)能門窗的主要類型及應(yīng)用情況

4.1 西方發(fā)達(dá)國家節(jié)能門窗的主導(dǎo)產(chǎn)品

西方發(fā)達(dá)國家的門窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)比我國高出很多，特別是最近十幾年來，西方先進(jìn)門窗技術(shù)有了巨大的進(jìn)步。目前，在我國還是節(jié)能應(yīng)用主體的普通雙層充空氣玻璃窗（K值一般在2.8～3.0W/〔m2·K〕左右），三層充空氣玻璃窗（K值一般在2.0W/〔m2·K〕左右）已經(jīng)很少使用。目前在西方發(fā)達(dá)國家，節(jié)能門窗的主體早已是Low－E玻璃門窗。早在1991年，歐盟就宣布于1995年強(qiáng)制使用Low－E中空玻璃。1995年，其Low－E玻璃使用率首次突破50%，1998年更是迅速達(dá)到80%。目前，在西方各國的公共建筑和普通住宅建筑中，Low－E玻璃門窗成為應(yīng)用最為廣泛的節(jié)能門窗。在德國，Low－E玻璃的使用率高達(dá)92%，英國和韓國的使用率在85%以上。同樣是能耗大國的美國，Low－E玻璃的使用率也高達(dá)83%。

隨著發(fā)達(dá)國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高，甚至連普通的雙層Low－E充空氣玻璃（K值一般在1.7～2.0W/〔m2·K〕左右）也已經(jīng)不能滿足節(jié)能的需求，目前較為常用的節(jié)能門窗玻璃一般為普通雙層Low－E充氬氣玻璃（K值一般在1.5W/〔m2·K〕左右）、三層Low－E充空氣玻璃（K值一般在1.0～1.2W/〔m2·K〕左右）；更加節(jié)能的三層Low－E充氬氣玻璃的K值一般在0.8W/（m2·K）左右，帶有兩層Low－E涂層充氬氣的三層玻璃窗K值可降至0.7W/（m2·K），而若是充氪氣的話則K值可降至0.5W/（m2·K）左右。

4.2 德國節(jié)能玻璃門窗的發(fā)展應(yīng)用狀況

在德國，以前門窗也被普遍認(rèn)為是節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，德國也經(jīng)歷過門窗傳熱系數(shù)是外墻倍數(shù)的時代，所以，和現(xiàn)在的中國一樣，德國早些年也通過采取立法的手段限制建筑門窗洞口所占墻面的比例。門窗小了，造成的負(fù)面影響之一就是采光的嚴(yán)重?fù)p失，同時利用太陽能的機(jī)會也大大減小。隨著近些年來以德國為代表的西方發(fā)達(dá)國家在門窗節(jié)能上取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，門窗已經(jīng)不再是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。德國市場上很多類型的節(jié)能門窗其整體保溫性能要優(yōu)于外墻、屋頂?shù)绕渌饕獓o(hù)結(jié)構(gòu)部分，以至于其通過門窗得到的太陽能大于通過其散失的熱量，因而使門窗成為凈得熱的部位而不是節(jié)能的短板。因此，對于近些年來西方各國建筑中出現(xiàn)的大面積玻璃門窗，當(dāng)我們認(rèn)為其是散失熱量浪費(fèi)能源時，實(shí)際上其正是利用大量的門窗得熱而減少了采暖能耗。當(dāng)然，外門窗節(jié)能取得的成就除了有以Low－E玻璃為代表的玻璃產(chǎn)品的進(jìn)步外，還離不開窗框產(chǎn)品隔熱性能的進(jìn)步。

5 建筑門窗市場上常用節(jié)能玻璃類型

5.1 普通中空玻璃的應(yīng)用及問題

普通中空玻璃是我國目前普遍采用的門窗節(jié)能玻璃。中空玻璃由兩層或兩層以上玻璃組成，中間有一層或者多層的間隔，根據(jù)不同的要求，中空玻璃間隔內(nèi)可以充空氣或者氬氣、氦氣等惰性氣體，內(nèi)充惰性氣體的中空玻璃成本相對較高，但保溫性能更好。由于氣體的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于玻璃和窗框，因而在兩層或者多層玻璃之間形成一個較為穩(wěn)定的緩沖氣體層，阻擋了熱量的散失。一般情況下，與普通玻璃相比，中空玻璃傳熱系數(shù)可以降低40%左右，從而降低了能耗。普通中空玻璃的傳熱系數(shù)通常在2.0～3.0W/（m2·K）之間，剛好能夠滿足我國大部分地區(qū)的節(jié)能要求。對于一些節(jié)能要求較高的地區(qū)，一般通過三玻充氬氣或者其它惰性氣體就能基本滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。

普通中空玻璃門窗的劣勢在于其節(jié)能效率已經(jīng)不能適應(yīng)我國日益提高的節(jié)能要求。前文已述，我國的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相比于西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大幅度落后了，隨著我國節(jié)能減排任務(wù)加重、產(chǎn)業(yè)升級加快、大力發(fā)展綠色建筑，必然使門窗的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高，到時候，普通中空玻璃的劣勢將會凸顯。節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高必將對門窗K值限值提出更嚴(yán)格的要求，對于普通的中空玻璃來說，降低K值的方法基本上就是增加玻璃層數(shù)，但增加玻璃層數(shù)將導(dǎo)致門窗自重增加、采光損失、加工制作工藝復(fù)雜化等一系列問題?？傊?，普通中空玻璃門窗自身提高保溫性能的潛力非常有限。

5.2 Low－E玻璃的應(yīng)用及問題

Low－E玻璃又稱低輻射鍍膜玻璃，原理是在玻璃表面鍍上金屬薄膜（低輻射材料銀及金屬氧化物膜），Low－E膜通過降低玻璃表面半球輻射率大大提高了玻璃的保溫隔熱性能，同時也有選擇地降低遮陽系數(shù)Sc，全面改善玻璃的節(jié)能性能。Low－E玻璃門窗的傳熱系數(shù)一般在2.0W/（m2·K）以內(nèi)。Low－E玻璃根據(jù)不同設(shè)計與應(yīng)用環(huán)境，分為“高透型”和“遮陽型”兩大系列。以冬季采暖為主的北方地區(qū)，適合高透型Low－E玻璃，以夏季空調(diào)制冷為主的南方地區(qū)，適合采用遮陽型Low－E玻璃。根據(jù)構(gòu)造層次的不同，Low－E玻璃又分為單銀型和雙銀型Low－E玻璃，其中單銀高透型Low－E玻璃適用于北方寒冷地區(qū)，單銀遮陽型Low－E玻璃，不僅適用于南方地區(qū)，也適用于北方地區(qū)；而雙銀Low－E玻璃為高級Low－E玻璃，其膜層中有雙層銀層，屬于遮陽型Low－E玻璃，其解決了高可見光透過率與低太陽能透過率不能兼顧的矛盾，因而綜合節(jié)能效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通Low－E玻璃。

目前，我國Low－E玻璃門窗的市場占有率非常低。這其中有很多復(fù)雜原因，主要原因在于我國門窗廠家雖然眾多，但是整體技術(shù)水平低下，能夠生產(chǎn)Low－E玻璃門窗這種較高檔次節(jié)能門窗的廠家數(shù)量稀少。技術(shù)水平整體低下，導(dǎo)致我國的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中對于門窗的保溫節(jié)能要求非常低。而標(biāo)準(zhǔn)低下反過來又導(dǎo)致像Low－E玻璃門窗這樣相對高端的節(jié)能產(chǎn)品相對成本高，在市場上難以普遍推廣，應(yīng)用范圍十分有限。但是，隨著我國大力推進(jìn)綠色建筑、加大對綠色節(jié)能產(chǎn)品的政策支持與投入，原本混亂低端的門窗市場將在新一輪的綠色建筑浪潮中洗牌?？梢灶A(yù)見，我國節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中門窗傳熱系數(shù)K值將很可能在幾年內(nèi)降低至2.0W/（m2·K）以下，這時Low－E玻璃門窗的節(jié)能優(yōu)勢將真正體現(xiàn)出來，Low－E玻璃門窗將迎來一個巨大的發(fā)展機(jī)遇。

5.3 真空玻璃的應(yīng)用及問題

真空玻璃是目前節(jié)能領(lǐng)域前景最為看好的一個玻璃種類。真空玻璃的產(chǎn)品早在2008年杜塞爾多夫玻璃技術(shù)博覽會上就已經(jīng)推出，據(jù)估計，將來其材料的價格低于普通中空三玻，因而應(yīng)用前景十分看好。

真空玻璃的保溫原理類似于保溫瓶原理，將玻璃四周進(jìn)行密封處理，在玻璃之間形成0.1～0.2mm厚的極薄真空層。真空層內(nèi)幾乎沒有任何氣體，熱量無法傳遞，因而保溫效果明顯。真空玻璃中間中空部分壓力可降至300～1000Pa，玻璃外側(cè)壓力大，因而需要在內(nèi)部設(shè)置隔片。真空玻璃的內(nèi)表面還有透明低輻射膜，更加提高了其熱工性能。相比于其它玻璃，真空玻璃傳熱系數(shù)K值可以低至0.6W/（m2·K）以下，根據(jù)窗框材料的不同，整窗傳熱系數(shù)可低至1.5W/（m2·K）（斷橋鋁合金型材）、1.1W/（m2·K）（PVC型材）、0.8W/（m2·K）（實(shí)木型材），節(jié)能效果顯著。據(jù)測算，在北方嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)使用時，冬季節(jié)能可達(dá)50%以上。真空玻璃的計權(quán)隔聲量在36dB以上，當(dāng)采用復(fù)合真空玻璃時，更是可以達(dá)到40dB以上，這樣的隔聲水平，對于室內(nèi)降噪、改善聲環(huán)境具有很好的效果。真空玻璃不僅保溫、隔聲性能能好，還能夠防止結(jié)露，提高室內(nèi)舒適度。由于真空玻璃門窗有效減少了玻璃層數(shù)，因而不會像三層中空玻璃窗那樣自重大且耗費(fèi)框料，從而進(jìn)一步降低了施工成本。

6 結(jié)語

近幾年，國外先進(jìn)節(jié)能玻璃門窗發(fā)展迅速，各種涂層技術(shù)的迅速發(fā)展使節(jié)能玻璃產(chǎn)品的性價比越來越高，再加上窗框的熱工性能大幅度改進(jìn)，在西方發(fā)達(dá)國家，很多門窗產(chǎn)品K值已經(jīng)達(dá)到0.8W/（m2·K）及以下水平。根據(jù)國外研究經(jīng)驗，今后外窗節(jié)能技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)將基于以下幾個方面：優(yōu)化Low－E玻璃的涂層，不斷改進(jìn)其光譜選擇性；大力發(fā)展真空技術(shù)，解決真空玻璃相關(guān)各種工藝問題，降低熱損失；不斷發(fā)展窗框技術(shù)，優(yōu)化窗框的熱工性能和密封性。

我國是世界上人口最多的國家，同時也是能源最大的生產(chǎn)國與消費(fèi)國。能源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活基本保障的基礎(chǔ)，而我國更是面臨著越來越嚴(yán)峻的能源短缺挑戰(zhàn)，節(jié)約能源已經(jīng)成為我國社會的迫切需要。對于建筑物來講，室內(nèi)外溫差大，為了保證必要的舒適性，能源消耗巨大。因此，發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效的保溫節(jié)能門窗，不僅能夠有效保證室內(nèi)舒適性，達(dá)到節(jié)能減排的作用，還可以對建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成保護(hù)，有效增加建筑物的使用壽命。

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