夏熱冬冷地區窗戶節能設計研究

【摘 要】窗戶節能設計是建筑節能設計中的重要組成部分。夏熱冬冷地區氣候的窗戶節能設計是一個不小的挑戰，本文結合夏熱冬冷地區的氣候條件分析了窗戶節能設計的要點，針對冬季保溫、夏季隔熱和兼顧采光提出了節能設計手段。通過對玻璃的選擇，窗框材料的性能及組合形式比較，給出了窗戶選材選型的參考，并提出了窗戶熱工性能的構造措施即合理的窗墻比。從而對氣候適應性的窗戶節能設計和已有建筑的窗戶節能改造方法進行了相應探討。

【關鍵詞】夏熱冬冷地區；建筑節能；窗戶；保溫；隔熱；封閉性；窗墻比

夏熱冬冷地區主要位于長江流域，夏季悶熱高濕，最熱月平均溫度26.5℃～30.5℃，夏季相對濕度80％左右，冬季陰冷，冬季太陽輻射熱小于750MJ/ msup2;，個別地區不足400MJ/ msup2;，最冷月平均氣溫0℃～8.6℃，該區夏季相對濕度在80％左右，夏季太陽輻射熱大于1000MJ/ msup2;。在這些地區太陽輻射得熱是導致室內熱環境惡化的首要原因。窗戶的能耗就占了建筑外圍護結構構件總能耗的40％~50％?？梢?，窗戶節能是建筑節能的關鍵。窗戶既是能源得失的敏感部位，還關系到建筑的采光，通風，隔聲，立面造型，應該是建筑設計者設計的重點。

1 窗戶的節能設計要點

外門窗的熱工性能差和太陽輻射熱是造成窗戶能耗遠大于其他外圍護結構的主要原因，成為建筑節能設計的重點。

1.1 窗戶的夏季遮陽隔熱

夏季室內外溫差幅度不大，外面窗戶由于熱傳導增加室內熱量并不十分明顯，室內主要熱負荷來源于太陽輻射熱。統計顯示，夏季因太陽輻射熱通過單玻璃窗進入室內而消耗的冷量約占空調負荷的25％~30％。所以，夏季窗戶節能的關鍵在于設計合理的遮陽體系和提高玻璃的遮陽系數。

1.2 窗戶的冬季保溫

冬季利用太陽光采暖，可以減少常規能源的消耗，達到節能目的。冬季熱損耗主要是室內室外溫差引起的熱傳導造成的，窗戶的傳熱系數一般比外墻，屋面等都大，室內大量的熱量容易通過窗戶散失。提高窗戶的熱傳遞系數，就能大大提高建筑外圍護結構的保溫性能。

1.3 同時滿足采光的要求

窗戶是建筑節能的薄弱環節，有的設計人員試圖減少外窗戶的面積來減少建筑單位面積的能耗，但是這樣處理不但影響室內的采光通風環境和里面美觀，還增加了額外的照明能耗。窗戶不僅是建筑的外圍護結構，更是溝通室內外環境的重要渠道跟手段。

2 窗戶的節能設計措施

2.1 提高材料熱工性能、光學性能和密封性能

2.1.1 玻璃材料

玻璃是窗戶的重要組成部分。玻璃的種類很多，有透明浮法玻璃、有色玻璃、熱反射玻璃、吸熱玻璃、低輻射玻璃（LOW-E）等，熱反射、吸熱和輻射玻璃都屬于鍍膜玻璃，分別噴鍍金屬非金屬及其氧化物薄膜、吸熱薄膜、低輻射薄膜。

玻璃的光學性能影響到夏季遮陽和采光取暖。太陽輻射的主要能量集中在0.2~2μm的波長范圍內，其中可見光和紅外線能量占很大比重。普通的白玻璃的太陽透射率很高，室內紅外線又很難穿透其流向室外，是南面外窗采暖的最佳選擇。但是單層玻璃窗戶的熱傳遞系數都是很大的，因為玻璃的熱傳遞系數雖然僅為0.8~1.0W/（m#8226;k），但由于玻璃的厚度很薄，所以其熱阻幾乎可以忽略。從表格1中比較可以看出，低輻射玻璃的熱傳遞系數小且具有較好的遮陽性能，另外其低輻射膜阻止室內紅外線透出的能力比白玻璃還要強，還不影響采光。更重要的是低輻射玻璃的透光率和遮陽性能還可以根據不同情況再生產時進行調整，是綜合性能最優的玻璃品種。

2.1.2 窗框材料

我們常使用的窗框材料是木頭、鋼材、鋁合金、PVC塑料、玻璃鋼，其材料導熱系數λ（W/( m#8226;k)）值分別為木頭0.15，剛才58.2，鋁合金203，PVC塑料0.16，玻璃0.52材料的導熱系數越大，窗框的傳熱能力越強。木頭使用越來越少，這里不作討論。從表2中比較可以看出，金屬單玻璃窗戶是熱工性能最差的一類窗戶，應盡量避免使用未經斷熱處理的金屬材料做窗框。通常進行斷熱處理是應保證斷熱橋的長度不小于15mm，否則熱阻不夠大，斷熱效果會大打折扣。塑料和復合材料（鋼塑、鋁塑等）窗框的傳熱系數較小，可以推廣使用；但要注意這類型材料的剛性，如果整體性差，容易在運輸和施工過程中變形，最后導致窗戶關不嚴實，不僅影響使用，還會影響美觀。塑料窗框的壁厚一般不小于2.6mm，并且應在空腔內加鋼襯。型材的空腔宜小而多，增強結構的剛度的同時還能對空腔內熱流起到多重阻隔作用。

2.1.3 密封性能

室內外空氣滲透雖然對熱工的影響不大，但也會增加采暖和空調能耗，所以也不能忽略。為了增強窗戶的密封性能，必須采用保溫材料填堵窗戶與門洞壁之間的縫隙，內外邊沿再用密封膠封嚴實，以防止出現裂縫和滲氣滲水。密封毛條應采用彈性較好而且耐老化的材料，最好經過硅化處理。推拉窗扇很容易出現縫隙，除了要用毛條密封外還應設風擋，使兩扇能夠緊緊的扣嚴密。另外，施工質量差也是影響窗戶密閉性的重要因素，應該提高施工人員的施工水平。

2.2 改善窗戶的構造

2.2.1 使用雙層、多層玻璃窗

增加玻璃的層數是增加窗戶保溫性能最有效途徑之一。從表格1、表格2的比較可以看出來，提高玻璃和窗框材料的絕熱性能，沒有增加中空層的效果明顯。中空層的空氣厚度增大可以再降低多層玻璃的傳熱系數；但一般不超過12mm，因為超過了傳熱系數降低就不明顯了，還會引起對流。若在中空層內填充惰性氣體或是使用在線生產的真空玻璃，就能大大減少對流引起的熱損失。如果用低輻射玻璃代替雙層玻璃窗的內層或者三層玻璃窗的中間層，節能效果還能進一步提高26％左右。

玻璃層數增加后不但可以提高窗戶的保溫性能，還可以減弱太陽輻射起到一定的遮陽作用。通過實驗表明，三層玻璃窗戶的輻射傳熱強度僅為雙層玻璃的50％左右（圖一）。

2.2.2 使用內外遮陽措施

為了滿足采光和取暖需要，我們可能選擇透光率很高的玻璃材料，如普通的白玻璃，雖然通過中空玻璃等能有效降低窗戶傳熱系數，但是不能解決導致夏季室內溫度升高的主要原因，及太陽輻射熱，這時就必須采取遮陽措施。

除了玻璃本身具有一定的這樣效果外，這樣系統還分為內遮陽和外遮陽。內遮陽系統，主要為百葉、窗簾等，可采用透光性和導熱性差的材料，人工調節方便。在冬季不需要采光的時段，放下窗簾或者插入硬質復合班還可以加強保溫效果。外遮陽系統，如遮陽板、挑陽臺，雨棚等，遮陽效果比內遮陽好，但不便于調整，應該根據各地夏冬季太陽高度角差異，計算出合理的遮陽構件長度和安裝高度，使其技能有效遮擋夏季陽光，又能充分的利用冬季陽光。

2.2.3控制各朝向的窗墻比

現代建筑常采用大面積的玻璃窗來加強輕快通透的效果，人們對明亮開敞的空間也特別偏愛，但是外窗戶面積卻因其熱工性能受到很大的限制。如果使用節能型窗戶，當其傳熱系數K值卻小于4.0時，建筑北向窗面積比可達到0.25以上，南向窗墻面積比可提高到0.3.若傳遞系數低可進一步提高南北向的外窗面積。我國夏熱冬暖地區分布在中低緯度地區，夏季太陽角度高，這些地區在東西兩個方向接受陽光直射的時間最長，所以東西向垂直表面的太陽輻射量最大，而冬季太陽角度底，南向垂直表面的太陽輻射量最大。因此，夏季這樣特別要注意控制東西向窗墻比，沒有采光需要的盡量不要在東西向開窗或盡量開小窗。當東西向窗墻面積比大于0.3時，必須要做外遮陽，東西向的遮陽以豎向擋板遮陽最為有效。

3.結語

節能型窗戶比普通窗戶價格高，很多建筑開發商為了節約成本不予采用，現階段我國的節能型窗戶市場占有率只有整個窗戶市場的52％。政府部門可以效仿發達國家采取的“補償機制”，或者進行窗戶節能立法，促進節能窗戶在新建房屋中采用和在舊高能耗建筑中替換。遮陽雖然增加了建筑投資，但是從長遠的運營過程中的能耗損失比較起來是經濟合算的。假如現在所有窗戶中的一般采用的是LOW-E中空玻璃塑料窗（圖二、圖三），其節能效果可以達到75％，那么每年建筑總能耗還不到現在的65％。窗戶節能仍然需要不斷提高效率和擴大其范圍。

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