東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究

阮志鵬，王子倩，沙揚(yáng)皓，徐希，何芳芳

（合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 引言

當(dāng)前我國(guó)建筑能耗增長(zhǎng)至10.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消耗比重21.81%，將成為全社會(huì)能源消耗的首要問(wèn)題。建筑節(jié)能有利于從根本上促進(jìn)能源資源節(jié)約和合理利用，緩解我國(guó)能源資源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾，有利于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，更能提高建筑技術(shù)水平，強(qiáng)力促進(jìn)整個(gè)建筑業(yè)的發(fā)展。建筑能耗過(guò)高主要是由于采暖能量過(guò)高，其原因在于房屋的保溫性能較差，這也是東北高寒地區(qū)在建筑節(jié)能方面的主要問(wèn)題，研究和解決這一重要問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和普遍意義。

2 東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑能耗分析

能耗一詞對(duì)于我們來(lái)說(shuō)并不陌生，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求也越來(lái)越多。特別是對(duì)于高寒地區(qū)，由于氣候的原因，所消耗的能源也相對(duì)的更多一些。雖然國(guó)家對(duì)節(jié)能這方面實(shí)行了相應(yīng)的政策，但也面臨諸多問(wèn)題。比如一些大型公共建筑，開(kāi)發(fā)商在追求利益最大化的同時(shí)，往往會(huì)忽略建筑節(jié)能問(wèn)題，造成能源消耗的浪費(fèi)，因此在今后的建筑節(jié)能方面還需要許多的探索。

東北高寒地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，夏季溫?zé)岢掷m(xù)時(shí)間較短，可以說(shuō)是四季分明。東北高寒地區(qū)因?yàn)槟茉聪暮艽?，所以是我?guó)目前節(jié)能的重點(diǎn)對(duì)象。

門(mén)窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)口部位，連接屋內(nèi)外的必要結(jié)構(gòu)，可以滿足人們自身對(duì)外界的需求，如自然通風(fēng)、采光、保溫隔熱，同時(shí)也可以開(kāi)闊視野。但同時(shí)它也造成了許多的能量損失。門(mén)窗的能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的25%，由于東北高寒地區(qū)特殊的地理環(huán)境，在窗戶的設(shè)置多于其他地區(qū)，窗戶方面的能耗也大于其他地區(qū)（見(jiàn)圖1），因此增強(qiáng)門(mén)窗保溫隔熱性能，在改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了建筑節(jié)能水平。建筑門(mén)窗在使用中的能耗主要通過(guò)以下幾種途徑，分別是通過(guò)空隙使得室外的空氣進(jìn)入室內(nèi)和采光玻璃的輻射與傳導(dǎo)所帶來(lái)的能量損失。所以為了達(dá)到建筑節(jié)能，提高建筑門(mén)窗的保溫性能是首要的，下面就從窗框幾個(gè)方面來(lái)分析如何達(dá)到建筑節(jié)能。

圖1 東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑外窗立面圖

3 窗框材料在東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅中的節(jié)能技術(shù)研究

3.1 窗框材料

目前市場(chǎng)上主要存在的窗框材質(zhì)有木材、鋼材、鋁合金材質(zhì)、塑料窗框和玻璃，不同的材質(zhì)也有著不同的特性，從（見(jiàn)表1）可以看出，在保溫性方面玻璃、塑料、木材較高，而鋼材與鋁合金材質(zhì)偏低，故東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑外窗應(yīng)該選用高保溫性的材質(zhì)，以防止熱量流失過(guò)快，從而達(dá)到建筑節(jié)能。在耐久性方面，鋼材要高于木材與塑料。

常見(jiàn)窗框材質(zhì)特性比較 表1

3.1.1 木質(zhì)窗框

木質(zhì)材料的窗框的優(yōu)點(diǎn)是可以方面加工，制作出可以完全貼合的窗框，但是由于材料本身性質(zhì)的原因，在防火和防腐方面有太大的局限性，并且價(jià)格比其他的窗框材料偏高，但是其裝飾性與保溫性也比較優(yōu)異，所以從古至今一直被使用。

3.1.2 鋼質(zhì)窗框

鋼質(zhì)材料其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，但也有許多的缺點(diǎn)，比如長(zhǎng)時(shí)間可能會(huì)生銹褪色密封性差，導(dǎo)致隔音隔熱功能性差，不容易加工。

3.1.3 鋁合金窗框

鋁合金門(mén)窗質(zhì)輕，且可塑性強(qiáng)，可以多種形式加工，但其因?yàn)樽陨聿牧系男再|(zhì)，呈現(xiàn)熱傳導(dǎo)性快的特點(diǎn)，所以冬天的時(shí)候，保溫性會(huì)很差，其隔音效果也相繼不好（見(jiàn)圖2）。

圖2 鋁合金材質(zhì)窗框示意圖

3.1.4 塑料窗框

塑料窗框是以PVC為主要材料的窗框，始于上世紀(jì)50年代末，其導(dǎo)熱系數(shù)低，有著良好的氣密性，故保溫性能很優(yōu)異，但由于是塑料材質(zhì)，其強(qiáng)度比鋼質(zhì)和鋁合金材質(zhì)要偏低，目前塑料窗框加入了抗風(fēng)性能，形成了一種新型的窗框材料——塑鋼窗框，其缺點(diǎn)是不利于回收。

3.1.5 玻璃窗框

玻璃材質(zhì)的窗框一般整體性極強(qiáng)，表現(xiàn)為與窗戶連成一個(gè)整體，大多在大型公共建筑上有所體現(xiàn)，美觀度也非常好，但是因?yàn)榧夹g(shù)性比較強(qiáng)，且價(jià)格過(guò)高，一般家庭不會(huì)采用。

3.2 窗框材料在東北高寒地區(qū)保溫性研究

3.2.1 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)K值是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)雙側(cè)氛圍溫差為1度（K或℃），單元時(shí)候經(jīng)由進(jìn)程單元面積通報(bào)的熱量，單元是瓦/（平方米·度）（W/m·K，此處K可用℃取代），反映了傳熱進(jìn)程的強(qiáng)弱。K值數(shù)值越低的，就代表窗戶的隔熱效果越強(qiáng)，那么窗戶的保溫效果就越好，如果k值的數(shù)值越高，就說(shuō)明窗戶的隔熱效果不佳，保溫效果差。

3.2.2 不同地區(qū)窗框傳熱系數(shù)限值

基于表2，可以看出當(dāng)采暖期室外最低平均溫度越低時(shí)，其窗戶K值就越低，其窗戶的隔熱效果就越好，然而東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅要想達(dá)到建筑節(jié)能，就必須保證熱量流失減慢，因此對(duì)窗戶K值的要求就更加的嚴(yán)格。

《不同地區(qū)采暖居住建筑對(duì)門(mén)窗傳熱系數(shù)K限值》（JGJ26-95） 表2

3.2.3 不同窗框的傳熱系數(shù)與節(jié)能效果

從各種不同窗戶的傳熱系數(shù)與節(jié)能效果（見(jiàn)表3）看出雙玻塑料窗節(jié)能效果比較優(yōu)越，而單層窗的節(jié)能效果偏低，而且傳熱系數(shù)也偏高，保溫機(jī)能偏低，不能夠到達(dá)節(jié)能結(jié)果。并且在材質(zhì)方面鋼、鋁也比木、塑料材質(zhì)的節(jié)能效果低。故在東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑外窗材料應(yīng)選取雙玻塑料窗，以達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

不同窗戶的傳熱系數(shù)與節(jié)能效果 表3

3.3 窗框材料的選取以達(dá)到東北高寒地區(qū)建筑節(jié)能

防止室內(nèi)溫度的流失，窗框起著決定性的作用，窗框的材質(zhì)以及密封的程度都決定著窗戶的保溫功能。在東北地區(qū)由于室內(nèi)外溫度相差很大，通過(guò)窗戶流失的熱量也比其他地區(qū)多，因此為了防止熱量流失過(guò)多而導(dǎo)致的能耗增加，在窗戶材料的選取也更應(yīng)該重視。建筑的保溫性能增強(qiáng)的同時(shí)，供暖能耗才能相應(yīng)減少，建筑節(jié)能才能夠達(dá)到。上面對(duì)于窗框材料的介紹，對(duì)比各種窗框的優(yōu)缺點(diǎn)；通過(guò)引入傳熱系數(shù)作為依據(jù)，對(duì)比不同窗框的保溫性，以此來(lái)選取合適于東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑的窗框材料。

4 窗的開(kāi)啟方式在東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅中的節(jié)能技術(shù)研究

如何在結(jié)合采光和通風(fēng)并滿足需求的基礎(chǔ)上設(shè)置合理的窗開(kāi)啟方式，為了保證建筑空間內(nèi)部的采光通風(fēng)，窗戶開(kāi)啟閉合的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱能損失，因此建筑外窗的開(kāi)啟方式會(huì)影響建筑內(nèi)部空間的氣密性和保溫隔熱性能。

4.1 窗的開(kāi)啟方式

4.1.1 固定窗

固定窗無(wú)法開(kāi)啟，因此氣密性好，熱量損失小（見(jiàn)圖3）。

圖3 固定窗結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.2 平開(kāi)窗

平開(kāi)窗具有通風(fēng)，安全，便于清潔，實(shí)用性強(qiáng)，密封保溫性能好等特點(diǎn)。平開(kāi)窗分為外開(kāi)窗和內(nèi)開(kāi)窗。內(nèi)開(kāi)窗的窗扇不會(huì)因?yàn)楦呖瘴锛鴵p壞，同時(shí)窗戶上的物品不易掉下而砸傷行人，但其會(huì)占用一定的室內(nèi)空間。外開(kāi)窗不會(huì)占用室內(nèi)空間，但是暴露在外的窗扇易受損（見(jiàn)圖4）。

圖4 平開(kāi)窗結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.3 推拉窗

推拉窗是利用滑輪進(jìn)行推拉開(kāi)啟的門(mén)窗，具有安全，成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是滑輪之間很容易有空隙；推拉開(kāi)啟不能很好的密封，所以這種窗型保溫隔熱效果較差，一般推薦室內(nèi)使用（見(jiàn)圖5）。

圖5 推拉窗結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.4 上下懸窗

上下懸窗分為外開(kāi)和內(nèi)開(kāi)，外開(kāi)的懸窗防雨好，但由于角度的限制，其通風(fēng)不好，而內(nèi)開(kāi)的懸窗則占用室內(nèi)空間（見(jiàn)圖6）。

圖6 上下懸窗結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.5 中懸轉(zhuǎn)窗

中懸窗分為中懸和中立轉(zhuǎn)，比擬上下懸窗具備最大的開(kāi)啟面積，適用于需要大面積透風(fēng)的場(chǎng)所，例如廠房和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。中懸窗的構(gòu)造簡(jiǎn)單形狀簡(jiǎn)練風(fēng)雅，對(duì)空氣起到一定的引流作用（見(jiàn)圖7）。

圖7 中懸轉(zhuǎn)窗結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 窗的開(kāi)啟方式應(yīng)用于東北高寒地區(qū)建筑節(jié)能的研究

在所有列舉的窗開(kāi)啟方式中，固定窗的保溫性和氣密性最好，但在我國(guó)最為常見(jiàn)的窗戶開(kāi)啟是平開(kāi)窗和推拉窗，因其制作簡(jiǎn)單，成本低，生產(chǎn)材料簡(jiǎn)單可得，所以生產(chǎn)量大，使用普遍。

但是相比來(lái)說(shuō)推拉窗的氣密性較差，開(kāi)窗時(shí)有用面積小，通風(fēng)效果較差。平開(kāi)窗的密閉性能好，能對(duì)室內(nèi)起到保溫隔熱的效果，而且有用開(kāi)啟面積大，通風(fēng)面積也大。

5 遮陽(yáng)設(shè)備的加設(shè)在東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅中的節(jié)能技術(shù)研究

5.1 東北高寒地區(qū)夏季建筑能耗分析

東北高寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)寒冷，持續(xù)時(shí)間占全年的1/3以上，凍土期長(zhǎng)、凍土深、多風(fēng)雪；夏季短促且不炎熱。雖然東北地區(qū)的夏季短暫且不炎熱，我們依舊不能忽視夏季耗能問(wèn)題。東北高寒地區(qū)的鄉(xiāng)村建筑最重要的使用作用是保溫隔熱，而在夏季人們的居住需求是散熱。所以我們?cè)跓o(wú)法改變建筑本身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加設(shè)遮陽(yáng)設(shè)備以達(dá)到夏季人們的居住需求，并達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

5.2 降低夏季建筑能耗的解決方法

在夏季和全國(guó)各地的建筑一樣，東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村建筑的窗戶和特定屋面也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)，其目的在于阻止陽(yáng)光直射透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，防止陽(yáng)光過(guò)多照射和加熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并且防止陽(yáng)光直射而造成強(qiáng)烈的眩光。根據(jù)遮陽(yáng)的位置可將遮陽(yáng)設(shè)備分為外遮陽(yáng)和內(nèi)遮陽(yáng)兩種類型。建筑外遮陽(yáng)是將遮陽(yáng)設(shè)備設(shè)置在玻璃幕墻外側(cè)，內(nèi)遮陽(yáng)是將遮陽(yáng)產(chǎn)品設(shè)置在室內(nèi)玻璃幕墻或者是窗戶內(nèi)側(cè)。雖然內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)備控制較為方便，價(jià)格也較為便宜；但內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)備僅僅能蓋住光線，并不能擋住熱量，隔熱效率較低。

同時(shí)對(duì)冬夏溫差很大的地域，這些必要在夏日遮陽(yáng)的玻璃墻面和屋面又必要在冬日進(jìn)光得熱，若是徹底采取固定式遮陽(yáng)，那將無(wú)益于冬日保溫得熱。所以對(duì)于此類地區(qū)來(lái)說(shuō)；采取能開(kāi)啟或折疊的外遮陽(yáng)卷簾、能折疊或扭轉(zhuǎn)的遮陽(yáng)百是較好的選擇。

從表4可以看出以上都為窗式遮陽(yáng)百葉，窗式遮陽(yáng)百葉對(duì)于東北高寒地區(qū)的鄉(xiāng)村建筑來(lái)說(shuō)性價(jià)比是極高的。其安置在窗戶外側(cè)的百葉，不但可以在夏季隔熱，冬季還對(duì)窗戶起到防護(hù)作用并起到一定的防盜作用，也能讓建筑物避免寒風(fēng)侵襲。居民可以根據(jù)自家的建筑物現(xiàn)狀以及自身家庭情況選擇不同類型的外遮陽(yáng)百葉。

不同遮陽(yáng)設(shè)備的樣圖 表4

6 總結(jié)

本文分析東北高寒地區(qū)氣候特征、鄉(xiāng)村住宅的外圍結(jié)構(gòu)圖以及參照建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出門(mén)窗的能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的25%，是建筑能耗流失不可缺少的一部分，因此本文著重分析通過(guò)窗戶的改變以達(dá)到建筑節(jié)能。

在窗框材料上面，我們首先通過(guò)分析不同窗框材料的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出來(lái)目前市場(chǎng)上存在的性價(jià)比最高的窗框材料是塑料材質(zhì)；接著通過(guò)引入傳熱系數(shù)K值，分析不同地區(qū)窗框傳熱系數(shù)限值，以及不同窗框的節(jié)能效果，總結(jié)出東北高寒地區(qū)的窗框K值普遍低于其他地區(qū)，然而單框雙玻塑料窗也是目前節(jié)能效果比較好。

在窗框材料確定的同時(shí)也可以通過(guò)改變窗的開(kāi)啟方式以達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能，我們通過(guò)研究分析，雖然固定窗的保溫性最好，但是由于不能夠開(kāi)啟，在使用方面不便捷，所以不被大眾所接受。現(xiàn)今我國(guó)的較為常見(jiàn)的窗戶開(kāi)啟方式是平開(kāi)窗和推拉窗，其平開(kāi)窗的保溫性也更好，更利于嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能。

然而東北高寒地區(qū)夏季的能耗也不容忽視，通過(guò)加設(shè)遮陽(yáng)設(shè)備，可以達(dá)到建筑進(jìn)一步節(jié)能。我們通過(guò)研究分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)遮陽(yáng)并不能夠達(dá)到建筑節(jié)能，因此應(yīng)該選取外遮陽(yáng)，在窗戶外側(cè)加設(shè)能夠開(kāi)啟或折疊的外遮陽(yáng)卷簾、能旋轉(zhuǎn)或折疊的遮陽(yáng)百葉，最后通過(guò)對(duì)比不同中的外遮陽(yáng)設(shè)備，其窗式遮陽(yáng)百葉對(duì)于東北高寒地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑性價(jià)比最高，節(jié)能效果最好。