既有建筑外窗的节能改造分析

朱存兵 沈 忱

(1.苏州工业园区建设工程质量检测咨询服务有限公司，江苏苏州 215028;2.苏州市住房和城乡建设局，江苏苏州 215002)

0 引言

当前国内资源能源的过分消耗以及国家对节能的大力宣传，节能理念深入人心，成为社会关注的焦点。在建筑行业中，建造和运行的过程中直接消耗的能源占全社会的30%，目前中国有430多亿平方米的建筑，其中99%是高能耗建筑［1］。在这些建筑中，建筑保温隔热最薄弱的部分是外围护结构中的外窗，面积占建筑外墙面积的25%左右。能量可以通过空气渗漏、传热、辐射等方式向外流失。通过外窗流失的能量占建筑总能耗的28%以上［2］，被称为建筑的“能源黑洞”。可见，外窗在建筑节能中举足轻重，做好既有建筑外窗的节能改造尤为重要。

1 外窗节能的影响因素

外窗传热的方式为辐射、对流和导热。辐射传热为以电磁波的形式把热量从一个物体传向另外一个物体;对流传热为具有热能的气体或液体在移动的同时所进行的热交换现象;导热为物体内部的热由高温侧传递向低温侧的过程。

夏天，室外温度比室内温度高，部分热量通过窗把热量传递到室内，使室内温度升高;另外，在太阳的辐射照射下和室内外空气的对流下能量不断传向室内使室内的温度得到升高。冬天，室内温度比室外温度高，能量通过窗在辐射、对流和传导的共同作用下温度向室外流失。为此，要减少热损失，提高窗的保温效果，就需阻隔建筑外窗的传热途径，减少空气对流、减少窗的导热，减少太阳辐射。而影响这三种传热方式的因素很多，主要体现在以下几个方面。

1.1 朝向

外窗的朝向不同所获得的太阳热量不同，虽然不同朝向的窗户均能得到漫射热量，但太阳直射的热量远远大于漫射的热量。

1.2 窗型的设计

窗框大、玻璃小的窗型获得的太阳能量少，采光性也弱;玻璃大、窗框窄的窗户获得太阳能多。固定式窗热量主要通过玻璃、窗扇和窗框型材传导和辐射，节能效果良好;推拉式窗热量主要通过窗扇上下和两侧的对流交换，对流交换能量损失大于通过窗扇和窗框型材的热传导能量，节能效果较差;平开式窗热量主要通过玻璃、窗扇和窗框型材传导和辐射，节能效果较好。

1.3 玻璃的选择

不同层数的玻璃对太阳得热有影响，同面积条件下，两层玻璃的太阳得热将小于单层玻璃。白玻璃较低辐射玻璃更容易向室内传入能量。

1.4 遮阳

窗帘对遮阳起到重要的作用。百叶窗也如此。窗帘可以阻挡更多的阳光进入室内。利用建筑物的阴影也可以减少太阳辐射热。

1.5 辐射、传导和对流

玻璃的辐射热损失占窗户总损失的2/3［3］，低辐射玻璃比白玻璃更可以减小辐射传热。

传导主要是在窗框材料中发生的，如:铝合金导热系数大于PVC。

对流是指外窗内侧暖空气上升而室外冷空气下降形成对流，造成热量损失。

1.6 空气渗漏

空气渗漏大多发生在扇和窗框之间。窗的排水孔也是渗漏的源头之一。窗框与墙洞和密封条质量也决定了渗透量。

1.7 窗墙比

窗墙比即为窗户洞口面积与房间立面单元面积的比值。与墙体相比，通常情况下外窗的传热系数要小，增加窗洞面积会加大与外界的传热量，对建筑制冷极为不利。

2 外窗的改造措施

2.1 选用热阻大的窗框材料

窗框与整个窗户相比所占面积较小，但导热系数大的窗框不利于整个窗户的节能。应选用传热系数小的窗框。以前人们一直采用木头作为窗框，木头传热系数较小，有利于保温节能，但风吹雨打后会渐渐腐烂。如今考虑到窗框的强度和刚度的要求，纯木窗框已渐渐淘汰，取代它的是PVC窗框、铝合金窗框、断桥铝合金窗框、不锈钢窗框等。它们的传热系数也不同(见表1)，考虑到保温、强度和耐久性的要求，普通铝合金型材较少采用，其传热系数过大，改进后的断桥铝合金窗框是一种理想的选择，其传热系数仅为1.8 W/(m2·K)左右，大大降低窗框的能量损耗，另外它还具有防止冷凝、降低噪声等优点，但因其价格较高，可用于高档小区窗户改造。玻璃钢型材主要适用于工业建筑门窗改造，其具有良好的隔声、保温、耐腐蚀、抗老化、尺寸稳定等特征。PVC型材由多腔断面结构组成，腔体数量越多、传热系数就越低。节能型材断面结构应采用4个腔体的塑料型材［4］，因PVC型材具有传热系数低、易成型、价格较低而受到市场青睐。

表1 常用窗框材料的导热系数 W/(m2·K)

2.2 提高安装水平

安装水平的高低决定了窗户的使用寿命和保温性能。为减少窗框缝隙的空气渗透，可在窗框与窗洞的缝隙处用保温材料填实，后用密封胶封闭。若密封不严将产生空气渗漏，不利于保温。

2.3 合理的窗墙比

通常，窗户面积越小，能耗损失越少，可窗户面积太小后又影响窗户的正常采光和通风功能。对此，在《民用建筑节能设计标准》中对不同朝向的窗墙面积比作了严格规定。规定指出北向窗墙面积比不应超过0.25;东向和西向的窗墙面积比不应超过0.30;南向窗墙面积比不应超过0.35，设计中应执行标准规定。窗户应尽量设置在南向，北向不应设或少设，在保证日照、采光、通风、视野要求的条件下，尽量缩小开窗洞口的面积，尤其是北窗面积，可以降低采暖能耗。

2.4 合理的朝向

在建筑平面布局时，不同的朝向将影响建筑吸热量的多少，从而影响到建筑的能耗。根据不同的需要确定不同的朝向，冬季建筑室内需要采暖可将外墙窗户多、面积大的一面朝南，可获得最大的太阳辐射热;夏季炎热，太阳辐射最大的方向是东、西向且日照率高，为了避免吸热可将无窗户或窗户少的一面与之相对，可减少空调的能耗。长期以来，建筑一般是坐北朝南，但在现实中有时候受到各种因素的制约，可因地制宜确定适宜朝向。

2.5 选择节能窗型

不同的窗型构造不同，目前窗型主要有推拉窗、平开窗、固定窗、上下悬窗、上下提拉窗和内开下悬翻转窗等。住户一般都有开窗通风的习惯，在同样的外墙窗洞面积下，平开窗打开的面积为推拉窗的两倍，固定窗无法打开，但其气密性、水密性、抗风压性很好。下面介绍三种主要窗型。

2.5.1 推拉窗

推拉窗分为上下、左右推拉。采用装有滑轨的窗扇在窗框上滑行，不占据额外空间，窗扇受力均匀，构造简单，但两窗扇不能同时打开，只有50%的窗扇可以打开，通气面积比窗洞面积减少一半，另外滑轨之间留有缝隙，内外空气易形成渗透对流，气密性较差，即使窗框材料热阻很好，也难避免空气渗透。所以推拉窗不能成为节能窗。

2.5.2 平开窗

平开窗即窗的开启方式为平开，开启面积大，通风好，密封性好，保温、隔音，应用广泛。但窗幅小，视野不开阔。内开时占用室内空间，外开时占用墙外空间，刮大风易受损。窗框和窗扇间采用良好的密封压条，关闭时几乎没有空隙。若窗框材料和玻璃传热系数小时平开窗的节能效果十分明显，平开窗可以称的上“节能窗”。

2.5.3 固定窗

固定窗，是用密封胶把玻璃安装在窗框上，窗框嵌在墙内，用密封胶密封严密，空气很难通过密封胶形成渗透，此窗只用于采光而不开启通风的，有良好的水密性和气密性。若在窗框和玻璃上使用绝热性强的材料，可大大提高节能效果。固定窗为最节能的窗型。

窗型对节能有着重要的影响，平开窗和固定窗比推拉窗气密性好。推拉窗的滑轨留有空隙，容易产生对流。平开窗关闭时因有密封橡胶压着，很难产生空隙。固定窗直接嵌在墙体内，且窗框和玻璃已密封，空气很难渗透。小开启、大固定的窗型很适合节能，采光面积大、空气渗透量少、价格便宜。

2.6 使用节能玻璃

外窗玻璃占窗户总面积的70% ～90%［5］，外窗玻璃的热损失是门窗能耗损失的主要部分。在窗户改造中采用节能玻璃可大大降低热损失，提高节能率。节能玻璃有如下几种。

2.6.1 中空玻璃

中空玻璃由两块或两块以上玻璃组成，玻璃边部用密封材料密封，在玻璃中间填充空气或惰性气体，因空气或惰性气体传热系数低从而可增加窗户的隔热性能。中空玻璃的优点为隔热性能良好、防结露、隔声降噪。

2.6.2 热反射玻璃

热反射玻璃为在玻璃表面镀覆金属或金属氧化物薄膜，增大玻璃的反射系数，减少太阳光向室内辐射，保持室内温度的稳定。

2.6.3 吸热玻璃

吸热玻璃是一种新型材料，是在玻璃基本原料中添加适量金属氧化物，可以透过可见光，提高红外吸收率，阻止热辐射透过玻璃，另外还有一定的装饰效果。

2.6.4 Low-E 玻璃

Low-E玻璃是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品，具有优异隔热效果和良好的透光性。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，因此又称低辐射玻璃。低辐射玻璃可以阻挡高温场向低温场热辐射，可以防止冬季热量流失和夏季热量入室。由于具有双向节能效果，可用于寒冷和热带地区。

2.6.5 真空玻璃

真空玻璃顾名思义玻璃中间抽成真空，减少气体传导和对流，阻止能耗，俗称”平板形保温瓶”。具有不传热、不传冷、不传声等优点。但为了达到玻璃内外压力的平衡需要排列整齐的小球来支撑玻璃受外界大气压的压力且真空的玻璃都不是钢化玻璃，所有真空玻璃比较危险。

当前既有建筑的外窗玻璃大多为普通单层玻璃，热阻小，很难达到住宅的节能要求。随着科技进步，玻璃的种类越来越多。不同玻璃的传热系数、遮阳系数不同。可根据住宅需要进行选择。如:镀膜玻璃可提高遮阳性能，降低玻璃传热系数等。

2.7 使用遮阳设施

遮阳设施可以有效阻隔太阳辐射，降低太阳透过窗户的热辐射得热，降低室内温度和住宅四周环境温度，降低制冷能耗。在炎热的夏季里极为明显。遮阳有外遮阳和内遮阳两种方法，外遮阳可以使用遮阳板，百叶窗和遮阳篷;内遮阳为布帘和百叶帘、卷帘、垂直帘等。

3 结语

作为建筑眼睛的门窗在节能改造的时候要根据不同地区、不同气候的特性，从多方采取节能改造措施，将环保、节能、美观融合为一体，使人们生活更加美好。

［1］郑非艺.既有建筑外窗节能改造研究［J］.山西建筑，2012，38(26):211-212.

［2］王 艳，张志超.门窗的节能技术与方法［J］.门窗，2008(1):36-39.

［3］何水清，魏德林.节能窗影响因素与中空玻璃窗推广应用［J］.建筑节能，2007(3):66.

［4］冯伟刚.塑料门窗系统节能因素的思考［J］.门窗，2010(8):44-56.

［5］张金玲.北方采暖地区既有居住建筑窗体节能改造措施［J］.山西建筑，2009，35(30):238-239.