建筑外窗的节能设计探讨

邱晖盛

（广东省建科建筑设计院 广东广州 510000）

建筑外窗的节能设计探讨

邱晖盛

（广东省建科建筑设计院 广东广州 510000）

外窗作为建筑维护结构虽然起到了室内外空气交换和遮风避雨的作用，却是整个建筑围护结构中隔热、保温、隔音、安全最薄弱的环节，据有关资料表明通过外窗流失的能耗占整个建筑总能耗的50%，不利于建筑的节能设计。为了解决上述问题，以广州市为例，本文首先详细调查了居住建筑外窗的使用情况，然后根据实际情况分析了建筑外窗的节能设计技术。

建筑；外窗；节能设计

1 引言

随着社会的发展进步和能源资源的日益短缺，人们越来越注重对环境的保护和资源的充分利用，各种环保节能的技术和材料被研制出来，且广泛地用于人们日常的生产生活当中。而建筑业对能源资源的需求量非常巨大，所需的建筑技术、设备、材料以及人工等也是其他一般行业所不及的，而外窗的能源消耗又是建筑工程能耗中的主要部分，对外窗进行节能设计能够很大程度地减少建筑的能耗，同时也给人们提供健康舒适的生活。由于建筑外窗的材料多种多样，而各种材料的节能要求是各不相同的，因此深人了解外窗节能的情况，运用各种外窗材料的节能原理设计出科学合理的外窗节能方案，并将这种方案切实运用于建筑活动中会利于我国建筑业的健康可持续发展。

2 广州居住建筑外窗使用情况的调查

广州市区内既有居住建筑存量巨大，其中大部分都是建于20世纪90年代。由于我国建筑节能工作的起步时间比较晚，因此，广州地区大部分既有居住建筑没有考虑节能设计。为了深入了解既有居住建筑外窗应用情况，本文对市区内不同地理位置、不同建设年代的多个小区的居住建筑进行了调查。

2.1 玻璃类型

外窗的玻璃面积占整窗面积的60%甚至更多，因此，玻璃对外窗的保温隔热性能有着十分重要的影响。调查结果表明：82%的居住建筑外窗玻璃采用了单层普通玻璃，15%的采用了双层玻璃，仅有3%采用了双层中空玻璃，外窗玻璃使用情况见图1。单层玻璃窗的热工性能很难满足广州地区建筑节能的标准要求。

图1 玻璃类型分布图

2.2 窗框材料

广州地区常见的窗框材料主要有木、钢、铝合金以及塑钢（PVC），调查结果表明：2%的建筑外窗仍然采用木质窗框，4%采用钢窗，54%采用铝合金窗，40%采用塑钢窗（PVC），窗框材料使用情况分布见图2。

图2 窗框材料分布图

2.3 开启方式

调查结果显示，有88%的外窗采用的都是推拉窗，采用平开窗开启方式的外窗只占10%，还有2%的用户采用了悬窗，开启方式使用情况分布见图3。

图3 开启方式分布图

2.4 热工性能和气密性

从建筑节能的角度考虑，在墙体、屋面、地面以及外门窗四大建筑外围护部件中，外门窗的隔热性能最差，是建筑能耗过高的主要因素之一。目前，我国既有建筑的典型围护结构部位中，通过门窗产生的热量损失约占建筑围护结构总能耗的40～50%，见表1。

表1 国内部分围护结构的传热系数表

由于被调查对象受到建设年代、技术水平等因素的影响，外窗气密性及热工性能差异较大。调查结果表明：20世纪80年代的建筑大多采用木、钢窗，墙与框、框与扇、扇与玻璃之间都存在肉眼可见的缝隙，有缝隙存在就会产生室内外空气交换，因此，此类外窗气密性很差；近十多年间的建筑大多采用铝合金窗、塑钢窗，此类外窗气密性整体相对较好，但是近90%的都是推拉开启，普遍采用毛条密封，两扇搭接处因结构原因存在空气渗漏通道，四周仅靠毛条接触式密封也存在空气渗透空隙，同时多数密封材料由于使用时间较长而出现了不同程度的性能退化，从而导致气密性随着外窗使用年限的增加而不断降低。

居住建筑外窗的热工性能主要受窗框材料、结构形式以及玻璃的综合影响。根据上面的调查结果，单层玻璃外窗在既有居住建筑中占到了大部分，而单层玻璃钢窗、铝合金窗的传热系数K值为6.4W/（m2·K），单层玻璃塑钢窗的K值为4.7W/（m2·K）；少数采用双层中空玻璃的外窗，则根据其空气层厚度的不同，K值稍有变化（双玻塑料外窗根据空气层厚度在12mm、16mm、大于20mm时，其K值分别为2.7W/（m2·K）、2.6W/（m2·K）、2.5W/（m2· K），超过90%的外窗K值不能满足现行标准对建筑节能的要求。

图4 传热系数分布图

3 建筑外窗节能设计分析

建筑外窗是室内外空间变换的重要媒介，同时也是影响建筑能耗的关键因素之一。目前，外窗向呈现节能化、智能化的方向发展，新型窗框、玻璃材料，优化的腔体结构设计，新型密封材料、五金配件等的不断涌现为节能窗的快速发展提供了基础条件。

3.1 完善型材腔体结构

从保温隔热的角度看，型材断面应设计为多腔结构，腔壁垂直于热流方向分布，型材内的多腔结构对通过的热流会起到多重阻隔作用，使得腔内传热（对流、辐射和导热）相应被削弱，特别是辐射传热强度随空腔数量增加而成倍减少。以固定窗的下横料为例，研究了不同结构形式的腔体结构对型材传热系数的影响：随型材腔体的增多，型材的传热系数逐渐下降，变化较为明显的是十分位小数上的变化，最大变化值可达0.24之多；但随着腔体增多，其变化差值越来越小，即随腔体数量的增多，其传热系数会变小，但不会是无限止的小下去，最后必将有一个临界点。

3.2 对窗框材料的改进

目前，大量单独使用的外窗型材是铝合金、塑钢（PVC）两种材料。铝合金本身热阻较小，但是采用热桥阻断技术可显著提高其隔热性能，加上铝合金型材优良的力学性能，使得铝合金型材在目前节能窗市场中占有一席之地；塑钢本身热阻较大，是热的不良导体，但是防火、抗老化能力差，因此，针对塑钢本身性能缺陷，研究人员通过添加不同组份的改性材料，出现了许多新型改性复合材料。

此外还有铝塑复合、木塑复合等复合多种单一材料的复合框材，不同材料的复合有助于取长补短提高窗框的综合性能。例如铝塑复合框材就是利用塑料型材将两层铝合金型材既隔开又紧密连接成一个整体，构成一种两边是铝合金中间是塑料型材的复合型材，用这种型材做外窗，称之为断桥式铝塑复合窗。这种复合型材兼顾了塑料和铝合金两种材料的优点，能够同时满足保温隔热、隔声、防火等多种性能要求。

3.3 优化窗墙的比例

合理布局窗墙的比例对门窗的节能具有很大的帮助，虽然外窗面积要比墙的面积小，但是它流失的热量却是很大的。而具体的窗墙比应该根据各地的情况来定，比如南方地区的窗户应该较大这样在夏季时就能较好的通风，在冬季时又可以获得充足的阳光。

3.4 合理设置节能窗的外形

门窗的类型将严重影响节能的效果，固定窗和平拉窗的节能效果要好于推拉窗，因为后两者的窗扇和窗框之间经过橡胶密封后，几乎不留下什么空隙，也就不会在玻璃之间形成对流，而推拉窗在来回的滑动时上下都有较大的空隙，使得窗扇之间的对流非常明显，冷热空气交织造成热量流失，因此在设计节能型门窗时应当首选平开窗或固定窗。

4 结语

（1）节能型、智能化、高技术含量的外窗将是今后发展的一个重点方向。但同时，需结合当地建筑文化及气候特征，优化选择各种材料、技术，在满足外窗性能的基础上不过高地增加成本。

（2）新建居住建筑外窗应用情况较好，综合性能可以满足要求，但是如果在设计、施工、监管等环节缺乏有效的监督措施，性能再好的外窗也将失去意义。

（3）既有居住建筑外窗应用情况不容乐观，推拉窗、单层玻璃、密封材料老化等因素，使得外窗物理、力学、热工性能很难满足要求，需要进行改造。

建筑节能在现在能源资源短缺的年代具有非常重要的意义，通过合理的选材、设计出节能型的门窗对于提升建筑节能具有十分重大的帮助，这需要充分探索节能型材质和先进的设计方案，并在实际的生活中让这些技术真正为节能环保而服务。

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2015-1-10