节能设计在民用建筑设计中的有效应用研究

熊清华

【摘要】本文简述建筑节能设计的重要性，以建筑外窗部分为例，探讨节能设计的有效应用，分别从玻璃设计、窗框处理、外窗密封等多个角度入手。以期为相关人士提供参考。

【关键词】民用建筑；节能设计；外窗

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

建筑能耗问题不断加剧中，采取节能设计手段已经是必然趋势。在众多建筑节能设计工作中，外窗属于比较重要的部分。从外窗着手，控制能耗量，利于提升总体节能效果。

1、建筑节能设计的重要性

首先，节能设计为整体发展需求。经济增长借力于能源基础，需凭借能源获得动力。而建筑行业在用能方面，需求量极多。早在九十年代末，我国能源消费量就接近14亿吨的标准煤，其中，单就建筑领域，耗能占比超过1/4。而在当前经济成长下，民众整体生活质量不断提升，对建筑功能有更多要求，空调等设备逐渐增多，导致建筑能耗量的提升速度远超过能源产生的上涨速度，特别在电力、热能等方面，需求规模持续扩大。所以说，如果继续建设高耗能的工程，势必会制约整体经济前进。

其次，节能设计利于减少大气污染。在全球环境问题逐渐加剧中，人们随之关注到颗粒物、部分氧化物等均会对人体造成伤害，并且容易引起酸化、持續累积二氧化碳，继而导致全球气候出现改变。国内在能源使用上，煤炭消耗量占整体的75%左右。在城建推进中，建筑上的采暖及空调不断增多，大气污染愈发严重，煤炭类的污染问题，容易引发尘及酸雨等。并且我国在二氧化碳排放上，在世界排名中始终占据前几位，而由建筑引起的此类污染达到国内总体的25%左右。倘若依旧采取常规设计方式，污染程度势必会加重。

再次，节能设计利于优化热环境。国内在室温上的要求日渐突出，主要是由于部分省市四季温度变化偏大。和同纬度地区比较。我国的东北地区，一月份均温相对偏低14-19摄氏度，而黄河中下游温差也达到10-14摄氏度左右，长江以南地区大约低8-10摄氏度，即使是东部沿海城市，也大约低5摄氏度。冬冷夏热始终是国内气候比较明显的特点，为使体感温度更为舒适，需调节室内温度，而这均要能源辅助。通过节能设计，配以合理的能源开发，才能优化整体的热环境。

最后，节能设计为建筑领域成长需求。国家在节能方面的标准持续提升中，使得构成建筑的门窗、空调等，均做出调整，出现大量节能型的材料及设计理念等。在整个趋势的带动下，诸多既有项目开展节能改造，因此，诸多相关公司，纷纷推出节能类的产品，促使整个行业出现大变革。从国内建筑节能落实效果较佳的案例来看，节能设计并非是负担，反而应当视其为发展动力。

2、民用建筑的节能设计

本文以某地区居住建筑项目中，外窗节能设计为例，探讨节能设计实际的有效运用。该地区四季明显，降水丰富，雨热同期，并带有充足的光照。年均温度在13.9-14.5摄氏度之间；年降水量有980-1100毫米左右；年均光照时间在2243-2391小时左右；无霜期长达二百余日；全年风向为偏北及东南两类。另外，该地全年最冷月份，均温也超过零摄氏度；最热月份的均温超过22摄氏度。按照当地相关节能设计要求，把建筑划分成被动与主动两类。前者不带有集中式的空调及供暖设施的节能建筑；后者基于前者添加集中式空调及供暖。以主动建筑为例，其体形系数限值情况，如表1所示。

2.1 外窗设计原则

建筑外窗的节能程度，关系到其保温隔热效果及气密度，此外还涉及到抗风水平、隔音降噪等。因而对其的设计，应当注重几项要素。首先，外窗需符合室内采光及通风等要求，在注重节能程度的同时，也要兼顾基本的舒适度。其次，需合理运用现有相对成熟的工艺，以提升各类现代装置的能源使用率，优化热工性能及热环境。最后，在达到上述要求的前提下，追求经济实用、方便宣传。

2.2 玻璃节能选择

外窗为建筑项目在节能方面上的重要部分，而玻璃占据其大部分面积，如今国内可接触到的玻璃类型较多。具体来说，单片透明的玻璃，属于相对常见的品类之一，其突出优点是采光佳，但从另一个角度来说，其遮挡光线的水平偏差，大部分太阳光均能射进室内，其中伴随的热能，可借助玻璃辐射控制。夏季室外温度上升，由于隔热效果有限，导致室温随之上升，冬季则正好相反。所以，倘若是单独应用，并不推荐。单片着色的玻璃，也就是常说的吸热玻璃，外观有着差异化的色彩表现。其可以吸收可见光，以弱化阳光强度。此类玻璃的应用问题是吸收光线时，玻璃温度会随之提升，形成的热能可以进入室内，同时，因为吸热，会出现热涨裂的情况。镀膜玻璃，在正常玻璃外表，增添金属及合金等薄膜，调整其光学性能，以达到特殊要求。其大体上能分成热反射及低辐射等，两者对红外线及紫外线均有较好的反应，可用在玻璃帷幕及交通工具中。而后者由于其强度不高，通常会设计成中空状态。

中空玻璃在降噪、隔热、自重等方面，有着较好的表现，其性能超过常规的双层玻璃。玻璃厚度通常在3-12毫米之间，而中空层的厚度则在6-16毫米左右，通过其形成的能量传递主要有辐射、对流及传导。真空玻璃的玻璃缝隙间隔在0.1-0.2毫米之间，将中空层内设置为真空状态，通常会带有一片低辐射的玻璃。此类玻璃的原理结构如图1所示。在实际设计时，建筑的部分朝向应考虑阳光辐射的情况，根据该地区的情况，北朝向的玻璃设计，相对注重保温方面。低辐射玻璃和普通玻璃对比，传热系数更低小，比较符合东西两个朝向的应用。但以经济实用设计的角度来说，并不符合民用居住项目的外窗整体需求。而且真空玻璃成本也较高，综合分析，对于外窗遮阳需求，中空玻璃总体得分更高。

2.3 窗框材料设计

在带有各类性能的玻璃材料推广运用中，再加上玻璃保温效果的部分提升，与之搭配的窗框，在隔热及保温上的标准也更加突出。对于整个外窗来讲，窗框的面积占比不大，但其在节能上的贡献也不能忽略。木材属于比较传统的材质，以节能设计的视角来看，该材质的窗框，传热系数不高，隔热保温效果较佳。但因为会应用大量木料，既不符合环保要求，还容易发生变形，一旦遭遇火灾，直接成为助燃材料，如今木材极少单独应用在建筑中。断热桥铝合金材质，其克服钢窗的缺陷，但由于其金属性质，热量传导速度快，即便搭配中空玻璃，外窗整体的传热系数也仅有4.5W（m2·K）上下。而断热桥形式的此类窗框有三个构件组成，内外侧均是铝合金材料，而中部则采用非金属物质，用于连接两部分金属，借此优化传热率，便于加工，同时耐腐及抗压效果较好。选择在此类框架，搭配中空玻璃，可收获较好的隔热、降噪、保温的效果，并省去部分制冷与采暖的成本，传热系数不会超过2.5W（m2·K），满足节能的需求。

现有的塑料窗框，材质是U-PVC，抗风及保温、防水等效果较佳。根据材质，能分成PVC及玻璃钢两类，前者实现重复、生产节能，性价比较好，但抗老化水平不高，一旦废弃后，会污染环境。后者则使用复合材料，目前在诸多领域均有使用。复合窗框是借助塑料型材，把外侧的两层金属材质结合起来，此结构克服铝合金的缺陷以及推拉窗密封的问题。型材窗框在厚度相同的条件下，以断面角度而言，腔体分格数量和隔热保温效果呈正相关。从造价方面来看，多空窗框制作难度高，资金投入量大。同时，并非全部型材均是多腔结构更佳，也许考虑材料本身的性能，节能设计中，应按照需求选择。

2.4 外窗密封处理

现有密封处理会用到密封条或者密封膏。前者按照用途分成玻密封、门扇门套的密封以及毛条，其材质通常是PVC、三元乙丙等，后者极少会出现在民用居住项目的外窗上。外窗密封性在建筑整体节能效果上，有较大干扰。针对本文所述地区的实际情况来看，需落实几项举措：首先，提升窗框尺寸的设定精度，保证现场安全精准；其次，缩小开启缝尺寸，强化外窗密封效果；最后，使用的五金配件，要巧妙应用，确保配件品质。在窗户开启方式的设计中，开扇面积一致时，分格及窗缝越大，实际能耗更多，并且开扇形状越贴合正方形，窗缝更短，能耗便相对变小。总之，对于开扇方式的设计，应当在满足换气频率的前提下，尽可能缩小开启的面积，并且嵌入的玻璃，需减少分格。

2.5 窗墙比例设计

外窗不同朝的窗墙比例，对室内能耗的干扰程度不一。朝南墙体，该比例偏高，制冷能耗多，采暖能耗少。考虑到采暖能耗量相对偏高，所以，朝南外窗能适当扩大，使得在冬季时，能有更多阳光进入室内，实现降低冬季采暖需求。而北面朝向，主要功能是采光及通风，并且朝北外窗没有过多阳光射入，冬季会出现热量损失，因此，节能设计中，在达到采光与通风需要的基础上，尽量缩小其面积。剩下东西两个朝向，设计中，重点分析制冷能耗的问题，其面积和能耗为同向变动，因此，也应采取小窗结构。

2.6 外窗其他设计

本文列举地区全年温度条件属于夏热冬冷，控制窗户传热系数，可在冬季有较大感受。对于夏季在制冷空调上的能耗处理，可借助提高窗户遮阳效果实现。假设直接降低窗户遮阳系数，达到控制光线射入的目的，虽然可保证夏季的节能需要，但会导致冬季在采暖方面的能耗，不利于保持全年的舒适度。对此，可选择活动式的遮阳处理。另外，在自然能源上的充分使用，也是现代节能设计的重要一项。以通风为例，适度通风可优化人体感受。内部气体流动会对室温、朝向、湿度等有明显影响。在夏季，可借助通风，带走室内热量，降低制冷能耗。在冬季，通过控制室内外气体流动，避免热损失。因而，节能设计中，朝北窗户开扇面积可适当缩小。同时，室内气体流动路线也影响通风成效，因而应格外重视进出风口的设计。假设风口偏高，采取高进高出、高进低出的形式，无法在人体所处高度区间形成气体流动，通风效果不佳。反之，采取低进低出、低进高出，便可收获较好的通风效果。

结语：

上文结合某地区的情况，分析建筑外窗的设计问題。总结来看，外窗的传热系数、气密读、玻璃及窗框材质等，均会影响到室内的能耗量。因此，节能设计中，需对比各类结构形式、材料性能等，结合当地气候条件，优化设计，更容易达到节能的目的。

参考文献：

[1]王继雄.节能设计在民用建筑设计中的有效应用[J].房地产世界，2021（13）：42-43.

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