節能設計在民用建筑設計中的有效應用研究

熊清華

【摘要】本文簡述建筑節能設計的重要性，以建筑外窗部分為例，探討節能設計的有效應用，分別從玻璃設計、窗框處理、外窗密封等多個角度入手。以期為相關人士提供參考。

【關鍵詞】民用建筑；節能設計；外窗

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.096

建筑能耗問題不斷加劇中，采取節能設計手段已經是必然趨勢。在眾多建筑節能設計工作中，外窗屬于比較重要的部分。從外窗著手，控制能耗量，利于提升總體節能效果。

1、建筑節能設計的重要性

首先，節能設計為整體發展需求。經濟增長借力于能源基礎，需憑借能源獲得動力。而建筑行業在用能方面，需求量極多。早在九十年代末，我國能源消費量就接近14億噸的標準煤，其中，單就建筑領域，耗能占比超過1/4。而在當前經濟成長下，民眾整體生活質量不斷提升，對建筑功能有更多要求，空調等設備逐漸增多，導致建筑能耗量的提升速度遠超過能源產生的上漲速度，特別在電力、熱能等方面，需求規模持續擴大。所以說，如果繼續建設高耗能的工程，勢必會制約整體經濟前進。

其次，節能設計利于減少大氣污染。在全球環境問題逐漸加劇中，人們隨之關注到顆粒物、部分氧化物等均會對人體造成傷害，并且容易引起酸化、持續累積二氧化碳，繼而導致全球氣候出現改變。國內在能源使用上，煤炭消耗量占整體的75%左右。在城建推進中，建筑上的采暖及空調不斷增多，大氣污染愈發嚴重，煤炭類的污染問題，容易引發塵及酸雨等。并且我國在二氧化碳排放上，在世界排名中始終占據前幾位，而由建筑引起的此類污染達到國內總體的25%左右。倘若依舊采取常規設計方式，污染程度勢必會加重。

再次，節能設計利于優化熱環境。國內在室溫上的要求日漸突出，主要是由于部分省市四季溫度變化偏大。和同緯度地區比較。我國的東北地區，一月份均溫相對偏低14-19攝氏度，而黃河中下游溫差也達到10-14攝氏度左右，長江以南地區大約低8-10攝氏度，即使是東部沿海城市，也大約低5攝氏度。冬冷夏熱始終是國內氣候比較明顯的特點，為使體感溫度更為舒適，需調節室內溫度，而這均要能源輔助。通過節能設計，配以合理的能源開發，才能優化整體的熱環境。

最后，節能設計為建筑領域成長需求。國家在節能方面的標準持續提升中，使得構成建筑的門窗、空調等，均做出調整，出現大量節能型的材料及設計理念等。在整個趨勢的帶動下，諸多既有項目開展節能改造，因此，諸多相關公司，紛紛推出節能類的產品，促使整個行業出現大變革。從國內建筑節能落實效果較佳的案例來看，節能設計并非是負擔，反而應當視其為發展動力。

2、民用建筑的節能設計

本文以某地區居住建筑項目中，外窗節能設計為例，探討節能設計實際的有效運用。該地區四季明顯，降水豐富，雨熱同期，并帶有充足的光照。年均溫度在13.9-14.5攝氏度之間；年降水量有980-1100毫米左右；年均光照時間在2243-2391小時左右；無霜期長達二百余日；全年風向為偏北及東南兩類。另外，該地全年最冷月份，均溫也超過零攝氏度；最熱月份的均溫超過22攝氏度。按照當地相關節能設計要求，把建筑劃分成被動與主動兩類。前者不帶有集中式的空調及供暖設施的節能建筑；后者基于前者添加集中式空調及供暖。以主動建筑為例，其體形系數限值情況，如表1所示。

2.1 外窗設計原則

建筑外窗的節能程度，關系到其保溫隔熱效果及氣密度，此外還涉及到抗風水平、隔音降噪等。因而對其的設計，應當注重幾項要素。首先，外窗需符合室內采光及通風等要求，在注重節能程度的同時，也要兼顧基本的舒適度。其次，需合理運用現有相對成熟的工藝，以提升各類現代裝置的能源使用率，優化熱工性能及熱環境。最后，在達到上述要求的前提下，追求經濟實用、方便宣傳。

2.2 玻璃節能選擇

外窗為建筑項目在節能方面上的重要部分，而玻璃占據其大部分面積，如今國內可接觸到的玻璃類型較多。具體來說，單片透明的玻璃，屬于相對常見的品類之一，其突出優點是采光佳，但從另一個角度來說，其遮擋光線的水平偏差，大部分太陽光均能射進室內，其中伴隨的熱能，可借助玻璃輻射控制。夏季室外溫度上升，由于隔熱效果有限，導致室溫隨之上升，冬季則正好相反。所以，倘若是單獨應用，并不推薦。單片著色的玻璃，也就是常說的吸熱玻璃，外觀有著差異化的色彩表現。其可以吸收可見光，以弱化陽光強度。此類玻璃的應用問題是吸收光線時，玻璃溫度會隨之提升，形成的熱能可以進入室內，同時，因為吸熱，會出現熱漲裂的情況。鍍膜玻璃，在正常玻璃外表，增添金屬及合金等薄膜，調整其光學性能，以達到特殊要求。其大體上能分成熱反射及低輻射等，兩者對紅外線及紫外線均有較好的反應，可用在玻璃帷幕及交通工具中。而后者由于其強度不高，通常會設計成中空狀態。

中空玻璃在降噪、隔熱、自重等方面，有著較好的表現，其性能超過常規的雙層玻璃。玻璃厚度通常在3-12毫米之間，而中空層的厚度則在6-16毫米左右，通過其形成的能量傳遞主要有輻射、對流及傳導。真空玻璃的玻璃縫隙間隔在0.1-0.2毫米之間，將中空層內設置為真空狀態，通常會帶有一片低輻射的玻璃。此類玻璃的原理結構如圖1所示。在實際設計時，建筑的部分朝向應考慮陽光輻射的情況，根據該地區的情況，北朝向的玻璃設計，相對注重保溫方面。低輻射玻璃和普通玻璃對比，傳熱系數更低小，比較符合東西兩個朝向的應用。但以經濟實用設計的角度來說，并不符合民用居住項目的外窗整體需求。而且真空玻璃成本也較高，綜合分析，對于外窗遮陽需求，中空玻璃總體得分更高。

2.3 窗框材料設計

在帶有各類性能的玻璃材料推廣運用中，再加上玻璃保溫效果的部分提升，與之搭配的窗框，在隔熱及保溫上的標準也更加突出。對于整個外窗來講，窗框的面積占比不大，但其在節能上的貢獻也不能忽略。木材屬于比較傳統的材質，以節能設計的視角來看，該材質的窗框，傳熱系數不高，隔熱保溫效果較佳。但因為會應用大量木料，既不符合環保要求，還容易發生變形，一旦遭遇火災，直接成為助燃材料，如今木材極少單獨應用在建筑中。斷熱橋鋁合金材質，其克服鋼窗的缺陷，但由于其金屬性質，熱量傳導速度快，即便搭配中空玻璃，外窗整體的傳熱系數也僅有4.5W（m2·K）上下。而斷熱橋形式的此類窗框有三個構件組成，內外側均是鋁合金材料，而中部則采用非金屬物質，用于連接兩部分金屬，借此優化傳熱率，便于加工，同時耐腐及抗壓效果較好。選擇在此類框架，搭配中空玻璃，可收獲較好的隔熱、降噪、保溫的效果，并省去部分制冷與采暖的成本，傳熱系數不會超過2.5W（m2·K），滿足節能的需求。

現有的塑料窗框，材質是U-PVC，抗風及保溫、防水等效果較佳。根據材質，能分成PVC及玻璃鋼兩類，前者實現重復、生產節能，性價比較好，但抗老化水平不高，一旦廢棄后，會污染環境。后者則使用復合材料，目前在諸多領域均有使用。復合窗框是借助塑料型材，把外側的兩層金屬材質結合起來，此結構克服鋁合金的缺陷以及推拉窗密封的問題。型材窗框在厚度相同的條件下，以斷面角度而言，腔體分格數量和隔熱保溫效果呈正相關。從造價方面來看，多空窗框制作難度高，資金投入量大。同時，并非全部型材均是多腔結構更佳，也許考慮材料本身的性能，節能設計中，應按照需求選擇。

2.4 外窗密封處理

現有密封處理會用到密封條或者密封膏。前者按照用途分成玻密封、門扇門套的密封以及毛條，其材質通常是PVC、三元乙丙等，后者極少會出現在民用居住項目的外窗上。外窗密封性在建筑整體節能效果上，有較大干擾。針對本文所述地區的實際情況來看，需落實幾項舉措：首先，提升窗框尺寸的設定精度，保證現場安全精準；其次，縮小開啟縫尺寸，強化外窗密封效果；最后，使用的五金配件，要巧妙應用，確保配件品質。在窗戶開啟方式的設計中，開扇面積一致時，分格及窗縫越大，實際能耗更多，并且開扇形狀越貼合正方形，窗縫更短，能耗便相對變小。總之，對于開扇方式的設計，應當在滿足換氣頻率的前提下，盡可能縮小開啟的面積，并且嵌入的玻璃，需減少分格。

2.5 窗墻比例設計

外窗不同朝的窗墻比例，對室內能耗的干擾程度不一。朝南墻體，該比例偏高，制冷能耗多，采暖能耗少。考慮到采暖能耗量相對偏高，所以，朝南外窗能適當擴大，使得在冬季時，能有更多陽光進入室內，實現降低冬季采暖需求。而北面朝向，主要功能是采光及通風，并且朝北外窗沒有過多陽光射入，冬季會出現熱量損失，因此，節能設計中，在達到采光與通風需要的基礎上，盡量縮小其面積。剩下東西兩個朝向，設計中，重點分析制冷能耗的問題，其面積和能耗為同向變動，因此，也應采取小窗結構。

2.6 外窗其他設計

本文列舉地區全年溫度條件屬于夏熱冬冷，控制窗戶傳熱系數，可在冬季有較大感受。對于夏季在制冷空調上的能耗處理，可借助提高窗戶遮陽效果實現。假設直接降低窗戶遮陽系數，達到控制光線射入的目的，雖然可保證夏季的節能需要，但會導致冬季在采暖方面的能耗，不利于保持全年的舒適度。對此，可選擇活動式的遮陽處理。另外，在自然能源上的充分使用，也是現代節能設計的重要一項。以通風為例，適度通風可優化人體感受。內部氣體流動會對室溫、朝向、濕度等有明顯影響。在夏季，可借助通風，帶走室內熱量，降低制冷能耗。在冬季，通過控制室內外氣體流動，避免熱損失。因而，節能設計中，朝北窗戶開扇面積可適當縮小。同時，室內氣體流動路線也影響通風成效，因而應格外重視進出風口的設計。假設風口偏高，采取高進高出、高進低出的形式，無法在人體所處高度區間形成氣體流動，通風效果不佳。反之，采取低進低出、低進高出，便可收獲較好的通風效果。

結語：

上文結合某地區的情況，分析建筑外窗的設計問題。總結來看，外窗的傳熱系數、氣密讀、玻璃及窗框材質等，均會影響到室內的能耗量。因此，節能設計中，需對比各類結構形式、材料性能等，結合當地氣候條件，優化設計，更容易達到節能的目的。

參考文獻：

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