适应低能耗建筑的节能外窗发展研究

江淳

（江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心，江苏 南京　210036）

适应低能耗建筑的节能外窗发展研究

江淳

（江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心，江苏 南京210036）

建筑外窗性能直接关系到民用建筑的节能水平和工程质量，提高外窗的节能性能是降低建筑物能耗的有效措施之一。通过对节能门窗技术发展和应用中注意点的介绍，详细阐述了适应低能耗建筑的节能门窗的各项配置条件、技术特点和应用措施，提出了实现门窗标准化、系统化，推广应用高性能标准化外窗是今后低能耗建筑围护结构节能的重要技术路线。

低能耗；节能外窗；标准化系统

提高窗户的保温、隔热和密封性能，减少因窗户而造成的热损失，是改善室内热环境质量和提高建筑物节能性能的重要内容。特别是在非透明围护结构保温性能日益提高的情况下，通过窗户损耗的能量在建筑采暖空调负荷中占有越来越大的比例。江苏省居住建筑节能65%标准，把窗户的节能提高到了围护结构节能最重要的地位。

江苏省大部分地区属于夏热冬冷的气候，夏天日照时间长、温度高，而冬季风多，日照时间短，湿度较大且寒冷。建筑物的窗户节能要重点考虑夏季的隔热和冬季的保温问题。外窗节能性能指标主要包括窗的传热系数、遮阳系数和气密性［1］。

提高窗户节能指标的主要技术措施有：阻断窗框热桥、提高窗户密闭性、增加玻璃隔热性能以及活动式外遮阳一体化制造［1］。

1　窗框材料

1.1单一窗框材料

现在国内常用的窗框材料主要有钢、铝合金、塑料、实木复合材料等。从使用效果看单一的窗框材料总是存在不足，这些窗户都会受到其窗框材质性能的制约，反映出不同的优点和不足。如木制窗导热系数低，具有良好的隔热保温性能，但是要耗费大量木材，易受潮产生变形，引起气密性不好等。现在采用新的处理技术使得实木窗的综合性能很好，但由于价格昂贵，主要用于高档建筑。钢窗的保温性能较差，多种因素影响到产品质量，但是钢窗刚度高，抗风性好，仍然有一些市场，用在风沙大的一些地区。现在钢框料可以采用隔热材料复合而成，克服导热快的缺点，但目前应用较少。铝合金窗唯一的不足之处是传热过快，保温性不良，易在内侧产生结露现象但因其具有优良的耐久性和装饰效果，抗风压性能也较好，因此应用范围广，在城市和农村比较普及。现在采用隔热技术制成隔热铝合金型材，有效地克服传热快的不足，是目前应用最广的一种。塑料窗由于原材料节能的特点，型材绝热性能优异，整窗的能耗明显降低，可以满足现在及今后节能的需要，但其耐火、耐冲击、刚度略差，与金属材料窗相比，抗风性能较差。而高层建筑一般风压大，若是单纯的塑料窗难以达到使用要求。现在用的塑料窗是用塑料和钢材2种完全不同材料制成的，是一种综合性能较好的窗户，既具备塑料窗节能的优点，又具有钢材强度高、抗风压的优势，且价格较低，在今后节能窗发展中具有一定的优势。

1.2复合窗框材料

单纯的木材、塑料、钢材及铝合金窗户产品，性能方面都存在不同的缺陷。发展新型复合材料外窗是获得更佳节能性能的唯一途径。目前，节能复合材料外窗有隔热铝合金窗、铝木复合窗、铝塑复合窗、钢塑共挤型材窗等。

2　窗扇的开启形式

现在常用的窗户开启方式有内外平开窗、左右推拉窗、内开内倒窗等，少量的建筑采用了上下悬窗、上下提拉窗及平移窗等。

2.1推拉窗及其发展

推拉窗目前应用最广，尤其是左右推拉窗在夏热冬冷地区用量最多，具有安全、五金件简单、制作方便及成本低等优点。但开启面积只有1/2，对通风不利，这是主要缺点。加之密封构造缺陷，密封性能不能满足节能要求，难以达到高性能窗户的要求。

目前发展了平行回缩式推拉门窗，有效地解决了推拉窗的密封缺陷。另外，台湾地区有一种滑道式内旋平移推拉窗，通过专用角部连接件，加上锁紧机构，使门窗关闭时密封紧密，见图1。新型高效密封推拉窗的共同特点是采用胶条密封，开关轻松，框扇只有关闭时才紧密接触，有可靠的锁紧机构，大大改善了推拉窗的安全性和密封性。

图1　滑道式内旋平移推拉窗

2.2平开窗及发展

平开窗开启后通风面积大，气密性能可以达到8级，从使用效果看应该最优先推广使用这种窗型。但是外平开窗在高层建筑中存在窗扇坠落的安全隐患，因此在使用上有所限制。同时，建筑中大量采用内平开窗也会存在窗扇开启后占用室内面积和易碰伤等缺陷。

3　提高窗户的热阻

3.1提高窗框料的热阻性

要提高窗框材料的阻热性，就是增加材料的传热阻，这样有利于减少窗户传热量，降低采暖或空调的能耗。影响窗框材料传热阻的原因有2个：一是窗框材料自身的导热系数，二是窗框材料中隔热腔室的体积和数量。很明显，框料的导热系数越小，则传热阻值越大。窗框材料中隔热腔室体积和数量取决于型材型腔断面的设计构造形式。采用注浇式隔热条的铝合金型材，强度高，节能性能更好。现阶段不管是塑料窗还是隔热铝合金窗型材断面用得最多的是三腔及更多腔体结构，见图2、图3。规格较大的型材应采用多腔结构的隔热条，减小空气对流。对隔热铝合金型材来说，目前隔热条普遍采用的宽度为14.8 mm，为提高节能性能，可以采取加大隔热条宽度的方法，采用大于24 mm的隔热条。

图2　多腔体隔热条铝合金型材

图3　多腔体塑料型材

3.2采用空气间隔层提高热阻

单层窗玻璃的热阻值很小，内外表面的温差仅有1℃左右，因此单层窗玻璃的保温性能最低。双层或多层中空玻璃窗，空气间层热阻大，内外表面间的温差接近10℃左右，可大大提高窗的保温隔热性能。中冬季中空玻璃窗内表面温度升高，会使人体的辐射放热量降低，给人体舒适的感觉，同时也能减少供暖房间的热损失，进而达到节能目的［2］。但也不是空气间层越大越节能。空气间层太大会增加间层内的空气对流，从而降低节能效果。

3.3玻璃材料

采用热反射材料或在普通玻璃上粘贴节能膜，作为窗户的遮阳型镶嵌材料。目前常用的主要有热反射镀膜玻璃、低辐射玻璃和热反射薄膜等。它们的优点是保温隔热效果好、使用方便、美观，不足之处在于对窗户的采光会有不同程度的影响。如热反射玻璃虽然可反射大部分太阳辐射热，但可见光透过率只有1%～40%，会严重影响室内采光需求，导致室内照明能耗增加，在设计使用时应慎重考虑。低辐射玻璃有较高的可见光透过率和良好的热阻隔性能，能让80%左右的可见光直射入室而获得良好的采光效果，并对阳光中的长波部分有良好的反射作用，同时又能将90%左右的室内物体的红外辐射热保留在室内，起到保温作用。此外，它还能阻隔紫外线，避免室内物体褪色、老化。但是以上玻璃不足之处在于冬天因反射减少了由阳光辐射进入室内的热量，从而使冬季被动采暖能力降低，增大了冬季采暖能耗。薄膜型热反射材料也是良好的热反射材料，对太阳热辐射反射率在40%～70%，但可见光透过率偏低，通常在30%以下，用于节能建筑可能造成节能效果不够理想。

4　遮阳一体化

遮阳与门窗集成系统是未来的发展方向，目前常用的技术主要有门窗与铝合金卷帘、铝合金百叶帘、织物帘等一体化组合。铝合金卷帘、铝合金百叶帘、织物帘外置遮阳系数可达0.15以下，其中铝合金卷帘由于帘片有较高的抗风压强度适用于高层建筑；铝合金百叶帘适合于中置即设置在双层窗的中间层，遮阳系数能达0.20。

内置百叶中空玻璃是近几年开发的新产品，是将百叶安装在中空玻璃的两片玻璃之间，可代替普通中空玻璃装于各种窗框上，通过磁力控制百叶翻转和升降动作，以达到隔热和保温的效果，见图4。当百叶处在垂直位置时能有效的降低中空玻璃内的热传导，遮挡阳光直射，并有效降低中空玻璃的遮阳系数；当百叶处在水平位置时，既可采光，又可起到遮阳作用；当百叶处在收起位置时就和普通中空玻璃一样。这种百叶中空玻璃窗集隔热、保温、隔声、采光、隐私性、装饰性于一体，是节能、环保、安全、健康舒适的产品，适合于我国各种建筑应用。目前内置遮阳百叶中空玻璃的遮阳系数在0.30左右。

图4　内置遮阳百叶中空玻璃节能窗

图5　铝合金卷帘节能窗一体化系统

铝合金卷帘（百叶帘、织物帘）一体化外遮阳产品（见图5），是运用空气间层保温与型材空腔断热结构的高效节能新技术。夏天完全放下卷帘（百叶帘、织物帘）可以阻挡几乎所有太阳辐射热进入室内，进入外窗的热量只有卷帘（百叶帘、织物帘）吸收的太阳辐射能量向内传递的部分，同时采用导热系数小的节能窗，则进入室内的太阳热量会更少。适当开启遮阳卷帘（百叶帘、织物帘），利用自然通风带走帘片上的热量，在达到遮阳隔热效果的同时，也能增加室内照度。寒冷的冬天，白天开启卷帘（百叶帘、织物帘）可以满足室内采暖需求。如未安装遮阳卷帘（百叶帘、织物帘），夜晚大量的暖气会从保温薄弱的窗玻璃逸出。而密闭后的卷帘（百叶帘、织物帘）除了节能窗与卷帘片具有保温密封效果外，帘片与窗玻璃间新形成的不流动空气间层也会形成一定的阻热效果，可以提高外窗保温性能。

5　提高窗户的气密性

窗户的气密性是窗户节能的重要技术指标。因为窗框和窗洞口墙体之间，窗框和窗扇之间，窗扇和窗扇之间及窗框与密封材料之间都存在缝隙，如果密封不严密，空气会通过这些缝隙处流动，由此产生的热交换损失远大于材料本身热工性能的影响。分析指出，气密性由4.5m3/（m2·h）降为1.5 m3/（m2·h），相当于传热系数降低2级的指标，因此处理好窗户缝隙的密封问题是节能的一个非常重要的环节。

提高窗户的气密性一般可采取的措施：

（1）通过控制窗用型材的截面尺寸及误差和组配的准确性，保证开启部位有足够的搭接宽度和组件的紧密度。

（2）采用高效密封条使缝隙更严密。改进密封方式，对于框与扇和扇与玻璃之间密封的解决，以前国内通常用二级密封的方法，现在框与扇之间也有采用三级密封的处理做法，气密性可有效提高。

（3）密封效果与密封材料和玻璃、窗框等材料之间处于粘合状态有关。但是，框扇材料和玻璃等在温湿度变化作用下所发生的变形，会影响到这种静力状态的保持，从而导致密封失效。密封件虽对变形的适应能力较强，且使用方便，但其密封作用却不完全可靠。目前有采用硅酮密封胶直接密封玻璃与框扇材料之间的缝隙，缺点是更换不方便。采用热老化后回弹恢复性能好等高性能的密封胶条有助于改善框扇的密封效果。

（4）密封材料的结构尺寸影响着密封效果，密封时要有一定的压缩变形，采用等压结构密封条，使正压负压都有很好的密封效果。

（5）科学设计选用五金配件，采用密封严密的五金系统。

提高窗户的气密性以后，对于室内外空气交换和流通会产生一定影响，目前遮阳新风与门窗一体化系统可以有效解决这个问题，见图6。

图6　铝合金卷帘遮阳新风与外窗一体化系统

6　提高外窗节能性能的主要途径归纳

6.1提高型材的隔热性能

对于铝合金型材来说，主要是增加隔热条宽度。现有的隔热铝合金型材，隔热条的宽度普遍为12～14 mm，无法到达传热系数≤2.4 W/（m2·K）的要求，解决这个问题的方法是增大隔热条宽度，增大至24 mm及以上，必要时还可以在隔热条中增加隔热泡沫棉棒。宽度增大后，会对隔热条强度带来影响，可采取设计多腔体隔热条的方法。多腔体隔热条不仅可以大大提高强度，同时由于将隔热条的空间分割成多个互不联通的腔室，空气无法形成对流，也大大增大了型材的隔热效果。

6.2改进中空玻璃热工性能

外窗的玻璃一般占到窗户总面积70%以上，中空玻璃的热工性能对于外窗的传热系数具有重要的作用。降低整窗传热系数，可以采用增大中空玻璃空气层厚度、多腔体中空玻璃等方式。经实验验证，中空玻璃空气层厚度以12～19 mm为最佳，在这个范围内，空气层厚度越大，中空玻璃热工性能越好。但空气层厚度超过19 mm时，空腔内的空气会产生对流，从而降低中空玻璃热阻。在采用增大空气层厚度和多腔体空气层的方法同时，也可采用高透型Low-E玻璃以提高中空玻璃热工性能。

6.3提高整窗气密性能

窗户气密性对于整窗的热工性能有重要影响，气密性提高有助于降低整窗传热系数。提高气密性的方法包括提升窗户加工制作水平、采用高性能密封胶条、增加密封道数等。选择高性能密封胶条的时候要注意允许一定的变形恢复量，选用热塑性的弹性密封胶条，采取等压腔构造型式使内外压力平衡。

7　65%节能标准的外窗基本配置

根据DGJ 32/J71—2014《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》的要求，窗户传热系数将不得大于2.4 W/（m2·K），气密性不低于6级，水密性不低于3级，抗风压性不低于3级。相比于节能50%的标准，窗户的传热系数由3.2 W/（m2·K）显著下降。窗传热系数下降以及气密性的提高，对于窗户性能的升级换代提出了更高要求。

窗户传热系数为2.4 W/（m2·K）及以下，气密性不低于6级条件下的基本配置见表1。

窗户传热系数为2.0 W/（m2·K）及以下，气密性不低于6级条件下的基本配置见表2。

表1　窗户传热系数为2.4 W/（m2·K）及以下，气密性不低于6级条件下的基本配置

表2　窗户传热系数为2.0 W/（m2·K）及以下，气密性不低于6级条件下的基本配置

8　存在的问题及解决办法

8.1存在的问题

我国目前有数万家门窗型材和组装加工生产企业，门窗行业分散、零乱、无序，生产加工标准混乱、不统一，造成人力、物力、财力等方面的巨大损耗与浪费。门窗目前存在的主要问题是：（1）产业化水平低下，建筑门窗外形尺寸不固定，门窗结构千差万别。企业在型材规格、门窗加工尺寸、结构形状等方面执行不同标准。（2）设计人员对门窗设计选用具有极大随意性，对门窗尺寸、性能要求选用无法与工程实际相对应。（3）门窗加工制作无标准，标准粗线条、框架式，门窗成品性能无法达到设计标准。（4）门窗安装湿法作业，先安装窗框，后安装窗扇，竣工交付的门窗成品无法保证质量和性能。

8.2解决办法

针对目前门窗存在的问题，只有大力开展门窗标准化、系统化，实现门窗生产成品化、安装工业化。标准化外窗系统（成品窗）是：对组成外窗的各标准化子系统（型材、玻璃、五金、密封胶条、辅助配件等）进行定型和标准化生产的基础上，通过标准化规格尺寸、标准化的性能指标、标准化的生产工艺加工为成品窗，并通过标准化的设计选用方法和标准化的干法安装工艺，应用在建筑工程上，由此而形成的一套完整、独立的门窗系统。

标准化外窗系统主要是要实现4个方面的标准化：

（1）尺寸模数标准化：门窗设计选用按照标准化门窗系统规程和图集进行选用，规定门窗洞口尺寸、门窗制作尺寸，简化门窗形式。

（2）生产制作标准化：门窗按照相关生产标准和导则规定，按照标准化制作流程进行生产。

（3）性能指标标准化：标准化外窗系统规程和图集规定了成品外窗的统一性能指标。

（4）施工安装标准化：标准外窗系统施工安装，必须采用干法安装，先安装节能型付框，最后安装标准化成品窗。

9　结语

居住建筑外窗传热系数从3.0 W/（m2·K）过渡到2.4 W/（m2·K），以致不远的将来推广应用传热系数不大于2.0 W/（m2·K）的外窗系统，将给门窗行业产生巨大的挑战。从管理水平、主型材性能质量、玻璃功能要求、辅材的性能、五金件的品质、生产组装的精度、现场安装质量都将是一次彻底的变革。

今后，外窗系统中低气密性推拉窗将逐步淘汰，同时，原来市场主打的50、55系列隔热铝合金平开窗由于性能指标不能达到要求也将被逐步淘汰，各种高性能、高气密性平开窗和推拉窗系统将得到广泛应用。短期内各种新材料、新工艺和新外窗系统技术将会不断涌向市场，对标准化外窗系统推广应用工作必将带来新的问题。原来的由市场规律来验证产品质量在短时间内恐怕难以发挥效用，所以必要的市场准入认证还是需要的。

通过对标准化外窗系统的研究，研发适合江苏省夏热冬冷气候特点的标准化外窗系统，解决外窗设计选型、标准化外窗系统加工制作、标准化干法施工安装等方面的突出问题，是提高节能外窗的标准化、工业化水平，进一步发挥外窗节能作用的重要途径。

［1］江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心.江苏省绿色建筑应用技术指南［M］.南京：江苏科学技术出版社，2013.

［2］Amstock Joseph S.建筑玻璃实用手册［M］.北京：清华大学出版社，2004.

Development of energy-efficient exterior windows to adapt to low-energy buildings

JIANG Chun
（Jiangsu Department of Housing and Urban-Rural Construction Technology Development Center，Nanjing 210036，Jiangsu，China）

Exterior windows performance is directly related to energy efficiency and the quality of civil engineering，improving the energy performance of external window is one of the effective measures to reduce building energy consumption.Based on the energy-saving windows and doors attention to technology development and application of point presentation，elaborated on the various configuration conditions，technical characteristics and application of energy-saving measures to adapt to the low-energy building doors and windows，and put forward that achieving standardized，systematic doors and windows，promoting the use of high-performance exterior window is an important technology roadmap for energy-saving of low energy consumption building envelope in the near future.

low energy consumption，energy-saving exterior windows，standardization system

TU532+.65

A

1001-702X（2015）10-0069-06

2015-04-23

江淳，男，1973年生，江苏南京人，高级工程师。