既有建筑外窗的節(jié)能改造分析

朱存兵 沈 忱

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)咨詢服務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215028;2.蘇州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇蘇州 215002)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)資源能源的過(guò)分消耗以及國(guó)家對(duì)節(jié)能的大力宣傳，節(jié)能理念深入人心，成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。在建筑行業(yè)中，建造和運(yùn)行的過(guò)程中直接消耗的能源占全社會(huì)的30%，目前中國(guó)有430多億平方米的建筑，其中99%是高能耗建筑［1］。在這些建筑中，建筑保溫隔熱最薄弱的部分是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的外窗，面積占建筑外墻面積的25%左右。能量可以通過(guò)空氣滲漏、傳熱、輻射等方式向外流失。通過(guò)外窗流失的能量占建筑總能耗的28%以上［2］，被稱(chēng)為建筑的“能源黑洞”。可見(jiàn)，外窗在建筑節(jié)能中舉足輕重，做好既有建筑外窗的節(jié)能改造尤為重要。

1 外窗節(jié)能的影響因素

外窗傳熱的方式為輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱。輻射傳熱為以電磁波的形式把熱量從一個(gè)物體傳向另外一個(gè)物體;對(duì)流傳熱為具有熱能的氣體或液體在移動(dòng)的同時(shí)所進(jìn)行的熱交換現(xiàn)象;導(dǎo)熱為物體內(nèi)部的熱由高溫側(cè)傳遞向低溫側(cè)的過(guò)程。

夏天，室外溫度比室內(nèi)溫度高，部分熱量通過(guò)窗把熱量傳遞到室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高;另外，在太陽(yáng)的輻射照射下和室內(nèi)外空氣的對(duì)流下能量不斷傳向室內(nèi)使室內(nèi)的溫度得到升高。冬天，室內(nèi)溫度比室外溫度高，能量通過(guò)窗在輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的共同作用下溫度向室外流失。為此，要減少熱損失，提高窗的保溫效果，就需阻隔建筑外窗的傳熱途徑，減少空氣對(duì)流、減少窗的導(dǎo)熱，減少太陽(yáng)輻射。而影響這三種傳熱方式的因素很多，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 朝向

外窗的朝向不同所獲得的太陽(yáng)熱量不同，雖然不同朝向的窗戶均能得到漫射熱量，但太陽(yáng)直射的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射的熱量。

1.2 窗型的設(shè)計(jì)

窗框大、玻璃小的窗型獲得的太陽(yáng)能量少，采光性也弱;玻璃大、窗框窄的窗戶獲得太陽(yáng)能多。固定式窗熱量主要通過(guò)玻璃、窗扇和窗框型材傳導(dǎo)和輻射，節(jié)能效果良好;推拉式窗熱量主要通過(guò)窗扇上下和兩側(cè)的對(duì)流交換，對(duì)流交換能量損失大于通過(guò)窗扇和窗框型材的熱傳導(dǎo)能量，節(jié)能效果較差;平開(kāi)式窗熱量主要通過(guò)玻璃、窗扇和窗框型材傳導(dǎo)和輻射，節(jié)能效果較好。

1.3 玻璃的選擇

不同層數(shù)的玻璃對(duì)太陽(yáng)得熱有影響，同面積條件下，兩層玻璃的太陽(yáng)得熱將小于單層玻璃。白玻璃較低輻射玻璃更容易向室內(nèi)傳入能量。

1.4 遮陽(yáng)

窗簾對(duì)遮陽(yáng)起到重要的作用。百葉窗也如此。窗簾可以阻擋更多的陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)。利用建筑物的陰影也可以減少太陽(yáng)輻射熱。

1.5 輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流

玻璃的輻射熱損失占窗戶總損失的2/3［3］，低輻射玻璃比白玻璃更可以減小輻射傳熱。

傳導(dǎo)主要是在窗框材料中發(fā)生的，如:鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大于PVC。

對(duì)流是指外窗內(nèi)側(cè)暖空氣上升而室外冷空氣下降形成對(duì)流，造成熱量損失。

1.6 空氣滲漏

空氣滲漏大多發(fā)生在扇和窗框之間。窗的排水孔也是滲漏的源頭之一。窗框與墻洞和密封條質(zhì)量也決定了滲透量。

1.7 窗墻比

窗墻比即為窗戶洞口面積與房間立面單元面積的比值。與墻體相比，通常情況下外窗的傳熱系數(shù)要小，增加窗洞面積會(huì)加大與外界的傳熱量，對(duì)建筑制冷極為不利。

2 外窗的改造措施

2.1 選用熱阻大的窗框材料

窗框與整個(gè)窗戶相比所占面積較小，但導(dǎo)熱系數(shù)大的窗框不利于整個(gè)窗戶的節(jié)能。應(yīng)選用傳熱系數(shù)小的窗框。以前人們一直采用木頭作為窗框，木頭傳熱系數(shù)較小，有利于保溫節(jié)能，但風(fēng)吹雨打后會(huì)漸漸腐爛。如今考慮到窗框的強(qiáng)度和剛度的要求，純木窗框已漸漸淘汰，取代它的是PVC窗框、鋁合金窗框、斷橋鋁合金窗框、不銹鋼窗框等。它們的傳熱系數(shù)也不同(見(jiàn)表1)，考慮到保溫、強(qiáng)度和耐久性的要求，普通鋁合金型材較少采用，其傳熱系數(shù)過(guò)大，改進(jìn)后的斷橋鋁合金窗框是一種理想的選擇，其傳熱系數(shù)僅為1.8 W/(m2·K)左右，大大降低窗框的能量損耗，另外它還具有防止冷凝、降低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但因其價(jià)格較高，可用于高檔小區(qū)窗戶改造。玻璃鋼型材主要適用于工業(yè)建筑門(mén)窗改造，其具有良好的隔聲、保溫、耐腐蝕、抗老化、尺寸穩(wěn)定等特征。PVC型材由多腔斷面結(jié)構(gòu)組成，腔體數(shù)量越多、傳熱系數(shù)就越低。節(jié)能型材斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)采用4個(gè)腔體的塑料型材［4］，因PVC型材具有傳熱系數(shù)低、易成型、價(jià)格較低而受到市場(chǎng)青睞。

表1 常用窗框材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m2·K)

2.2 提高安裝水平

安裝水平的高低決定了窗戶的使用壽命和保溫性能。為減少窗框縫隙的空氣滲透，可在窗框與窗洞的縫隙處用保溫材料填實(shí)，后用密封膠封閉。若密封不嚴(yán)將產(chǎn)生空氣滲漏，不利于保溫。

2.3 合理的窗墻比

通常，窗戶面積越小，能耗損失越少，可窗戶面積太小后又影響窗戶的正常采光和通風(fēng)功能。對(duì)此，在《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)不同朝向的窗墻面積比作了嚴(yán)格規(guī)定。規(guī)定指出北向窗墻面積比不應(yīng)超過(guò)0.25;東向和西向的窗墻面積比不應(yīng)超過(guò)0.30;南向窗墻面積比不應(yīng)超過(guò)0.35，設(shè)計(jì)中應(yīng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。窗戶應(yīng)盡量設(shè)置在南向，北向不應(yīng)設(shè)或少設(shè)，在保證日照、采光、通風(fēng)、視野要求的條件下，盡量縮小開(kāi)窗洞口的面積，尤其是北窗面積，可以降低采暖能耗。

2.4 合理的朝向

在建筑平面布局時(shí)，不同的朝向?qū)⒂绊懡ㄖ鼰崃康亩嗌伲瑥亩绊懙浇ㄖ哪芎摹８鶕?jù)不同的需要確定不同的朝向，冬季建筑室內(nèi)需要采暖可將外墻窗戶多、面積大的一面朝南，可獲得最大的太陽(yáng)輻射熱;夏季炎熱，太陽(yáng)輻射最大的方向是東、西向且日照率高，為了避免吸熱可將無(wú)窗戶或窗戶少的一面與之相對(duì)，可減少空調(diào)的能耗。長(zhǎng)期以來(lái)，建筑一般是坐北朝南，但在現(xiàn)實(shí)中有時(shí)候受到各種因素的制約，可因地制宜確定適宜朝向。

2.5 選擇節(jié)能窗型

不同的窗型構(gòu)造不同，目前窗型主要有推拉窗、平開(kāi)窗、固定窗、上下懸窗、上下提拉窗和內(nèi)開(kāi)下懸翻轉(zhuǎn)窗等。住戶一般都有開(kāi)窗通風(fēng)的習(xí)慣，在同樣的外墻窗洞面積下，平開(kāi)窗打開(kāi)的面積為推拉窗的兩倍，固定窗無(wú)法打開(kāi)，但其氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性很好。下面介紹三種主要窗型。

2.5.1 推拉窗

推拉窗分為上下、左右推拉。采用裝有滑軌的窗扇在窗框上滑行，不占據(jù)額外空間，窗扇受力均勻，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但兩窗扇不能同時(shí)打開(kāi)，只有50%的窗扇可以打開(kāi)，通氣面積比窗洞面積減少一半，另外滑軌之間留有縫隙，內(nèi)外空氣易形成滲透對(duì)流，氣密性較差，即使窗框材料熱阻很好，也難避免空氣滲透。所以推拉窗不能成為節(jié)能窗。

2.5.2 平開(kāi)窗

平開(kāi)窗即窗的開(kāi)啟方式為平開(kāi)，開(kāi)啟面積大，通風(fēng)好，密封性好，保溫、隔音，應(yīng)用廣泛。但窗幅小，視野不開(kāi)闊。內(nèi)開(kāi)時(shí)占用室內(nèi)空間，外開(kāi)時(shí)占用墻外空間，刮大風(fēng)易受損。窗框和窗扇間采用良好的密封壓條，關(guān)閉時(shí)幾乎沒(méi)有空隙。若窗框材料和玻璃傳熱系數(shù)小時(shí)平開(kāi)窗的節(jié)能效果十分明顯，平開(kāi)窗可以稱(chēng)的上“節(jié)能窗”。

2.5.3 固定窗

固定窗，是用密封膠把玻璃安裝在窗框上，窗框嵌在墻內(nèi)，用密封膠密封嚴(yán)密，空氣很難通過(guò)密封膠形成滲透，此窗只用于采光而不開(kāi)啟通風(fēng)的，有良好的水密性和氣密性。若在窗框和玻璃上使用絕熱性強(qiáng)的材料，可大大提高節(jié)能效果。固定窗為最節(jié)能的窗型。

窗型對(duì)節(jié)能有著重要的影響，平開(kāi)窗和固定窗比推拉窗氣密性好。推拉窗的滑軌留有空隙，容易產(chǎn)生對(duì)流。平開(kāi)窗關(guān)閉時(shí)因有密封橡膠壓著，很難產(chǎn)生空隙。固定窗直接嵌在墻體內(nèi)，且窗框和玻璃已密封，空氣很難滲透。小開(kāi)啟、大固定的窗型很適合節(jié)能，采光面積大、空氣滲透量少、價(jià)格便宜。

2.6 使用節(jié)能玻璃

外窗玻璃占窗戶總面積的70% ～90%［5］，外窗玻璃的熱損失是門(mén)窗能耗損失的主要部分。在窗戶改造中采用節(jié)能玻璃可大大降低熱損失，提高節(jié)能率。節(jié)能玻璃有如下幾種。

2.6.1 中空玻璃

中空玻璃由兩塊或兩塊以上玻璃組成，玻璃邊部用密封材料密封，在玻璃中間填充空氣或惰性氣體，因空氣或惰性氣體傳熱系數(shù)低從而可增加窗戶的隔熱性能。中空玻璃的優(yōu)點(diǎn)為隔熱性能良好、防結(jié)露、隔聲降噪。

2.6.2 熱反射玻璃

熱反射玻璃為在玻璃表面鍍覆金屬或金屬氧化物薄膜，增大玻璃的反射系數(shù)，減少太陽(yáng)光向室內(nèi)輻射，保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

2.6.3 吸熱玻璃

吸熱玻璃是一種新型材料，是在玻璃基本原料中添加適量金屬氧化物，可以透過(guò)可見(jiàn)光，提高紅外吸收率，阻止熱輻射透過(guò)玻璃，另外還有一定的裝飾效果。

2.6.4 Low-E 玻璃

Low-E玻璃是在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產(chǎn)品，具有優(yōu)異隔熱效果和良好的透光性。其鍍膜層具有對(duì)可見(jiàn)光高透過(guò)及對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高反射的特性，因此又稱(chēng)低輻射玻璃。低輻射玻璃可以阻擋高溫場(chǎng)向低溫場(chǎng)熱輻射，可以防止冬季熱量流失和夏季熱量入室。由于具有雙向節(jié)能效果，可用于寒冷和熱帶地區(qū)。

2.6.5 真空玻璃

真空玻璃顧名思義玻璃中間抽成真空，減少氣體傳導(dǎo)和對(duì)流，阻止能耗，俗稱(chēng)”平板形保溫瓶”。具有不傳熱、不傳冷、不傳聲等優(yōu)點(diǎn)。但為了達(dá)到玻璃內(nèi)外壓力的平衡需要排列整齊的小球來(lái)支撐玻璃受外界大氣壓的壓力且真空的玻璃都不是鋼化玻璃，所有真空玻璃比較危險(xiǎn)。

當(dāng)前既有建筑的外窗玻璃大多為普通單層玻璃，熱阻小，很難達(dá)到住宅的節(jié)能要求。隨著科技進(jìn)步，玻璃的種類(lèi)越來(lái)越多。不同玻璃的傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)不同。可根據(jù)住宅需要進(jìn)行選擇。如:鍍膜玻璃可提高遮陽(yáng)性能，降低玻璃傳熱系數(shù)等。

2.7 使用遮陽(yáng)設(shè)施

遮陽(yáng)設(shè)施可以有效阻隔太陽(yáng)輻射，降低太陽(yáng)透過(guò)窗戶的熱輻射得熱，降低室內(nèi)溫度和住宅四周環(huán)境溫度，降低制冷能耗。在炎熱的夏季里極為明顯。遮陽(yáng)有外遮陽(yáng)和內(nèi)遮陽(yáng)兩種方法，外遮陽(yáng)可以使用遮陽(yáng)板，百葉窗和遮陽(yáng)篷;內(nèi)遮陽(yáng)為布簾和百葉簾、卷簾、垂直簾等。

3 結(jié)語(yǔ)

作為建筑眼睛的門(mén)窗在節(jié)能改造的時(shí)候要根據(jù)不同地區(qū)、不同氣候的特性，從多方采取節(jié)能改造措施，將環(huán)保、節(jié)能、美觀融合為一體，使人們生活更加美好。

［1］鄭非藝.既有建筑外窗節(jié)能改造研究［J］.山西建筑，2012，38(26):211-212.

［2］王 艷，張志超.門(mén)窗的節(jié)能技術(shù)與方法［J］.門(mén)窗，2008(1):36-39.

［3］何水清，魏德林.節(jié)能窗影響因素與中空玻璃窗推廣應(yīng)用［J］.建筑節(jié)能，2007(3):66.

［4］馮偉剛.塑料門(mén)窗系統(tǒng)節(jié)能因素的思考［J］.門(mén)窗，2010(8):44-56.

［5］張金玲.北方采暖地區(qū)既有居住建筑窗體節(jié)能改造措施［J］.山西建筑，2009，35(30):238-239.