夏热冬冷地区门窗节能设计

摘要：本文结合我国夏热冬冷地区的气候条件分析了门窗节能的要点，针对冬季保温、夏季隔热和兼顾采光提出了节能设计手段。通过玻璃和窗框材料、单层玻璃和中空玻璃的性能比较，给出了门窗选材选型的参考，并提出了提高窗户热工性能的构造措施及合理的窗墙面积比。

关键词：节能；保温隔热；遮阳；传热系数；密封性；窗墙比

Abstract: In this paper, the climatic conditions of the area of the hot summer and cold in winter elements energy-efficient doors and windows for insulation in winter, the summer heat and take into account the lighting energy saving design means. Through the glass and the window frame materials, performance comparison of a single layer of glass and hollow glass door and window selection of reference and proposed structural measures to improve the thermal performance of the windows and the reasonable area ratio of window to wall.Keywords: energy conservation; insulation; shade; heat transfer coefficient; tightness; window to wall ratio

1.前言

我国是能源相对缺乏的国家，各种常规能源的储备量都低于世界平均水平。能源形势严峻，但是在许多领域还没有引起人们的高度重视。目前，我国建筑单位面积能耗是发达国家的2至3倍，每年新建的房屋面积已接近20亿平方米，节能潜力非常大。然而，门窗的能耗就占了建筑外围护构件总能耗的40％～50％。可见，门窗节能是建筑节能的关键。门窗既是能源得失的敏感部位，又关系到采光、通风、隔音、立面造型，应是建筑师们设计的重点。

夏热冬冷地区，既要夏季隔热，又要兼顾冬季保温。一致的是窗户的绝热性能越高越好；矛盾的是冬季通过窗户获得太阳辐射来采暖，而太阳辐射热在夏季可能造成室温过高，增加降温能耗，这就需要建筑工作者通过各种措施来协调。

门窗节能设计的要点

门窗造成建筑能耗的增减主要有两个方面的原因，一方面是通过外门窗采光通风可以减少照明和机械通风的电能耗，另一方面是传热、辐射和对流引起的热损失：门窗的导热性能和空气渗透造成的室内热量或冷量损失，太阳辐射影响造成建筑室内空调降温能耗的增加。外门窗的热工性能差和太阳辐射热是造成门窗能耗远大于其它外围护结构的主要原因，成为建筑节能设计的重点。

提高门窗的冬季保温性能

冬季利用太阳光采暖，可以减少常规能源的消耗，达到节能目的。冬季热损失主要是室内外温差引起的热传导造成的，门窗的传热系数值一般比外墙、屋面等大得多，室内大量的热量容易通过门窗散失。降低门窗的传热系数，就能大大提高建筑外围护结构的保温性能。

加强门窗的夏季遮阳隔热措施

夏季室内外温差幅度不大，外门窗由于热传导增加室内热量并不十分明显，室内主要热负荷来自于太阳辐射热。据统计，夏季因太阳辐射热通过单玻璃窗进入室内而消耗的冷量约占空调负荷的20％～30％。所以，夏季门窗节能的关键在于设计合理的遮阳体系和提高玻璃的遮阳系数。

同时满足采光需要

门窗是建筑节能的薄弱环节，有的设计人员试图减少外门窗的面积来减小建筑单位面积的能耗，但是这样做不但影响了室内环境和立面美观，还增加了额外的照明能耗。不要忘记，门窗不仅是建筑的外围护结构，更是沟通室内外环境的重要渠道。

3.门窗节能措施

3.1 提高材料的光学性能、热工性能和密封性

3.1.1 玻璃材料

玻璃的光学性能影响到采光采暖和夏季遮阳。太阳辐射的主要能量集中在0.2～2μm的波长范围内，其中可见光和红外线能量占很大比重。普通白玻的太阳光透射率很高，室内长波辐射又很难穿过其流向室外，是南面外窗冬季采暖的最佳选择。但是单层玻璃窗的传热系数都是很大的，因为玻璃的导热系数虽然仅为0.8～1.0W/(m·K)，但由于玻璃厚度很薄，所以其热阻几乎可以忽略。从表1中比较看出，低辐射玻璃的传热系数小且具有较好的遮阳性能，另外其低辐射膜阻止室内长波辐射透出的能力比白玻还要强。更重要的是低辐射玻璃的透光率和遮阳性能还可以根据不同情况在生产时进行调整，是综合性能最优的玻璃品种。

表1玻璃的性能比较

3.1.2 窗框材料

我们常使用的窗框材料的导热系数λ（W/(m·K)）值分别为，钢材58.2，铝合金203，PVC塑料0.16，玻璃钢0.52，材料的导热系数越大，窗框的传热能力越强。从表2中比较看出，金属单玻窗是热工性能最差的一类窗，应尽量避免使用未经断热处理的金属材料做窗框。通常进行断热处理时应保证断热桥的长度不小于15mm，否则热阻不够大，断热的效果大打折扣。塑料和复合材料（钢塑、铝塑等）窗框的传热系数较小，可以推广使用，但要注意保证这类型材的刚性，如果整体刚性差，容易在运输和施工过程中变形，最后导致门窗关不严实。塑料窗框的壁厚一般不小于2.5mm，并且应在空腔内加钢衬。型材空腔宜小而多，增强结构的刚度的同时能对腔内热流起到多重阻隔作用。

表2窗框的传热系数比较

3.1.3 密封性

室内外空气渗透也会增加采暖和空调能耗。为了增强外门窗的密封性，必须用保温材料填堵门窗框与门窗洞壁之间的缝隙，内外边沿再用密封胶封严，防止出现裂缝和渗气渗水。密封毛条应选用弹性好、耐老化的材料，最好经过硅化处理。推拉窗扇间很容易出现缝隙，除了用毛条密封外还应设风档，使两扇能够紧紧扣严。另外，施工质量差也是影响窗户密闭性的重要因数，应该提高施工人员的水平和方法。

3.2 改善门窗的构造

3.2.1 双层、多层玻璃窗

增加玻璃的层数是增强窗户保温性能最有效途径之一，从表1、表2的比较可以看出，提高玻璃和窗框材料的绝热性能，没有增加中空层的效果明显。中空层的空气厚度增大可以再降低多层玻璃窗的传热系数，但一般不超过12mm，因为超过后传热系数降低就不明显了，并容易引起对流。若在中空层内填充惰性气体或是使用在线生产的真空玻璃，就能大大减少对流引起的热损失。如果用低辐射玻璃代替双玻窗的内层或三玻窗的中间层，节能效果还能进一步提高25％左右。

玻璃层数增加后不但可以提高窗户的保温性能，还可以减弱太阳辐射起到一定的遮阳作用。实验表明，三玻窗的辐射传热强度仅为双玻窗的50％左右。

双层或多层玻璃必须密封严实和防潮处理，否则水气渗入造成结露，会严重影响保温性能，灰尘进入还会使其透光率大大降低。多层玻璃的厚度可以不同，这对窗户的热工性能影响不大，但因其振动频率不同，可以大大提高窗户的隔声性能。

3.2.2 内、外遮阳系统

为了满足采光和采暖需要，我们可能选择透光率很高的玻璃材料，如普通白玻，虽然通过中空玻璃等能有效降低门窗传热系数，但是不能解决导致夏季室内温度升高的主要原因，即太阳辐射热，这时必须采取遮阳措施。

除了有些玻璃本身具有一定的遮阳效果外，遮阳系统还分为内遮阳和外遮阳。内遮阳系统，如百叶、窗帘等，可采用透光性和导热性差的材料，人工调节方便。在冬季不需要采光的时段，放下窗帘或插入硬质复合板还可以加强保温效果。外遮阳系统，如遮阳板、挑阳台、雨棚等，遮阳效果比内遮阳好，但是不便于调整，应该根据各地冬夏两季太阳高度角差异，计算出合理的遮阳构件长度和安装高度，使其既能有效遮挡夏季阳光，又能充分的利用冬季阳光。

在国外建筑中出现了感光百叶窗，它运用了一种新型感光绝热材料，百叶可自动根据太阳辐射强度来调整打开的大小，在不同天气状况下达到不同的采光和遮阳效果，实现了遮阳控制的智能化。

3.3 控制各朝向的窗墙比

现代建筑常采用大面积的玻璃窗来达到开敞明亮的空间效果，但是外门窗面积却因其热工性能受到很大限制。如果使用节能型门窗，当其传热系数K值均小于4.0时，建筑北向窗墙面积比可达0.25以上，南向窗墙面积比可提高到0.3。若传热系数降低可进一步提高南北向的外门窗面积。我国夏热冬冷地区一般分布在中低纬度地区，夏季太阳高度角大，这些地区在东西两个方向接受阳光直射的时间是最长的，所以东西向垂直表面的太阳辐射量最大，而冬季太阳高度角小，南向垂直表面的太阳辐射量最大。因此，夏季遮阳特别要注意控制东西向窗墙比，没有采光需要时尽量不要在东西向开窗或尽量开小窗。当东西向窗墙面积比大于0.3时，必须要做外遮阳系统，东西窗的遮阳以竖向挡板遮阳最为有效。

窗墙比应与建筑设计的其它方面相结合，充分考虑建筑艺术效果和室内光环境，增强建筑外围护结构的保温隔热性能不宜过分依靠减少窗墙比，节能的重点仍在提高门窗的光热性能上。

结语

节能型门窗比普通门窗价格高，很多建筑开发商为了节约成本不予采用，现阶段我国的节能型门窗市场占有率只有整个门窗市场的50％。政府部门可以效仿发达国家采取的“补偿机制”，促进节能门窗在新建房屋中采用和在旧高能耗建筑中替换。这样虽然增加了建设投资，但跟长期运营过程中的能耗损失比起来是经济合理的。假如现有门窗中一半采用的是LOW-E中空玻璃塑料窗，其节能效果一般可达到75％，那么每年建筑总能耗还不到现在的60％。门窗节能仍需不断提高效率和扩大范围。

参考文献：

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