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:
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