建筑外窗的節能設計探討

邱暉盛

（廣東省建科建筑設計院 廣東廣州 510000）

建筑外窗的節能設計探討

邱暉盛

（廣東省建科建筑設計院 廣東廣州 510000）

外窗作為建筑維護結構雖然起到了室內外空氣交換和遮風避雨的作用，卻是整個建筑圍護結構中隔熱、保溫、隔音、安全最薄弱的環節，據有關資料表明通過外窗流失的能耗占整個建筑總能耗的50%，不利于建筑的節能設計。為了解決上述問題，以廣州市為例，本文首先詳細調查了居住建筑外窗的使用情況，然后根據實際情況分析了建筑外窗的節能設計技術。

建筑；外窗；節能設計

1 引言

隨著社會的發展進步和能源資源的日益短缺，人們越來越注重對環境的保護和資源的充分利用，各種環保節能的技術和材料被研制出來，且廣泛地用于人們日常的生產生活當中。而建筑業對能源資源的需求量非常巨大，所需的建筑技術、設備、材料以及人工等也是其他一般行業所不及的，而外窗的能源消耗又是建筑工程能耗中的主要部分，對外窗進行節能設計能夠很大程度地減少建筑的能耗，同時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，而各種材料的節能要求是各不相同的，因此深人了解外窗節能的情況，運用各種外窗材料的節能原理設計出科學合理的外窗節能方案，并將這種方案切實運用于建筑活動中會利于我國建筑業的健康可持續發展。

2 廣州居住建筑外窗使用情況的調查

廣州市區內既有居住建筑存量巨大，其中大部分都是建于20世紀90年代。由于我國建筑節能工作的起步時間比較晚，因此，廣州地區大部分既有居住建筑沒有考慮節能設計。為了深入了解既有居住建筑外窗應用情況，本文對市區內不同地理位置、不同建設年代的多個小區的居住建筑進行了調查。

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，玻璃對外窗的保溫隔熱性能有著十分重要的影響。調查結果表明：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圖1。單層玻璃窗的熱工性能很難滿足廣州地區建筑節能的標準要求。

圖1 玻璃類型分布圖

2.2 窗框材料

廣州地區常見的窗框材料主要有木、鋼、鋁合金以及塑鋼（PVC），調查結果表明：2%的建筑外窗仍然采用木質窗框，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圖2。

圖2 窗框材料分布圖

2.3 開啟方式

調查結果顯示，有88%的外窗采用的都是推拉窗，采用平開窗開啟方式的外窗只占10%，還有2%的用戶采用了懸窗，開啟方式使用情況分布見圖3。

圖3 開啟方式分布圖

2.4 熱工性能和氣密性

從建筑節能的角度考慮，在墻體、屋面、地面以及外門窗四大建筑外圍護部件中，外門窗的隔熱性能最差，是建筑能耗過高的主要因素之一。目前，我國既有建筑的典型圍護結構部位中，通過門窗產生的熱量損失約占建筑圍護結構總能耗的40～50%，見表1。

表1 國內部分圍護結構的傳熱系數表

由于被調查對象受到建設年代、技術水平等因素的影響，外窗氣密性及熱工性能差異較大。調查結果表明：20世紀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的縫隙，有縫隙存在就會產生室內外空氣交換，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較好，但是近90%的都是推拉開啟，普遍采用毛條密封，兩扇搭接處因結構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，同時多數密封材料由于使用時間較長而出現了不同程度的性能退化，從而導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、結構形式以及玻璃的綜合影響。根據上面的調查結果，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K值為6.4W/（m2·K），單層玻璃塑鋼窗的K值為4.7W/（m2·K）；少數采用雙層中空玻璃的外窗，則根據其空氣層厚度的不同，K值稍有變化（雙玻塑料外窗根據空氣層厚度在12mm、16mm、大于20mm時，其K值分別為2.7W/（m2·K）、2.6W/（m2·K）、2.5W/（m2· K），超過90%的外窗K值不能滿足現行標準對建筑節能的要求。

圖4 傳熱系數分布圖

3 建筑外窗節能設計分析

建筑外窗是室內外空間變換的重要媒介，同時也是影響建筑能耗的關鍵因素之一。目前，外窗向呈現節能化、智能化的方向發展，新型窗框、玻璃材料，優化的腔體結構設計，新型密封材料、五金配件等的不斷涌現為節能窗的快速發展提供了基礎條件。

3.1 完善型材腔體結構

從保溫隔熱的角度看，型材斷面應設計為多腔結構，腔壁垂直于熱流方向分布，型材內的多腔結構對通過的熱流會起到多重阻隔作用，使得腔內傳熱（對流、輻射和導熱）相應被削弱，特別是輻射傳熱強度隨空腔數量增加而成倍減少。以固定窗的下橫料為例，研究了不同結構形式的腔體結構對型材傳熱系數的影響：隨型材腔體的增多，型材的傳熱系數逐漸下降，變化較為明顯的是十分位小數上的變化，最大變化值可達0.24之多；但隨著腔體增多，其變化差值越來越小，即隨腔體數量的增多，其傳熱系數會變小，但不會是無限止的小下去，最后必將有一個臨界點。

3.2 對窗框材料的改進

目前，大量單獨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可顯著提高其隔熱性能，加上鋁合金型材優良的力學性能，使得鋁合金型材在目前節能窗市場中占有一席之地；塑鋼本身熱阻較大，是熱的不良導體，但是防火、抗老化能力差，因此，針對塑鋼本身性能缺陷，研究人員通過添加不同組份的改性材料，出現了許多新型改性復合材料。

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

3.3 優化窗墻的比例

合理布局窗墻的比例對門窗的節能具有很大的幫助，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。而具體的窗墻比應該根據各地的情況來定，比如南方地區的窗戶應該較大這樣在夏季時就能較好的通風，在冬季時又可以獲得充足的陽光。

3.4 合理設置節能窗的外形

門窗的類型將嚴重影響節能的效果，固定窗和平拉窗的節能效果要好于推拉窗，因為后兩者的窗扇和窗框之間經過橡膠密封后，幾乎不留下什么空隙，也就不會在玻璃之間形成對流，而推拉窗在來回的滑動時上下都有較大的空隙，使得窗扇之間的對流非常明顯，冷熱空氣交織造成熱量流失，因此在設計節能型門窗時應當首選平開窗或固定窗。

4 結語

（1）節能型、智能化、高技術含量的外窗將是今后發展的一個重點方向。但同時，需結合當地建筑文化及氣候特征，優化選擇各種材料、技術，在滿足外窗性能的基礎上不過高地增加成本。

（2）新建居住建筑外窗應用情況較好，綜合性能可以滿足要求，但是如果在設計、施工、監管等環節缺乏有效的監督措施，性能再好的外窗也將失去意義。

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

建筑節能在現在能源資源短缺的年代具有非常重要的意義，通過合理的選材、設計出節能型的門窗對于提升建筑節能具有十分重大的幫助，這需要充分探索節能型材質和先進的設計方案，并在實際的生活中讓這些技術真正為節能環保而服務。

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2015-1-10