既有建筑外窗的節能改造分析

朱存兵 沈 忱

(1.蘇州工業園區建設工程質量檢測咨詢服務有限公司，江蘇蘇州 215028;2.蘇州市住房和城鄉建設局，江蘇蘇州 215002)

0 引言

當前國內資源能源的過分消耗以及國家對節能的大力宣傳，節能理念深入人心，成為社會關注的焦點。在建筑行業中，建造和運行的過程中直接消耗的能源占全社會的30%，目前中國有430多億平方米的建筑，其中99%是高能耗建筑［1］。在這些建筑中，建筑保溫隔熱最薄弱的部分是外圍護結構中的外窗，面積占建筑外墻面積的25%左右。能量可以通過空氣滲漏、傳熱、輻射等方式向外流失。通過外窗流失的能量占建筑總能耗的28%以上［2］，被稱為建筑的“能源黑洞”。可見，外窗在建筑節能中舉足輕重，做好既有建筑外窗的節能改造尤為重要。

1 外窗節能的影響因素

外窗傳熱的方式為輻射、對流和導熱。輻射傳熱為以電磁波的形式把熱量從一個物體傳向另外一個物體;對流傳熱為具有熱能的氣體或液體在移動的同時所進行的熱交換現象;導熱為物體內部的熱由高溫側傳遞向低溫側的過程。

夏天，室外溫度比室內溫度高，部分熱量通過窗把熱量傳遞到室內，使室內溫度升高;另外，在太陽的輻射照射下和室內外空氣的對流下能量不斷傳向室內使室內的溫度得到升高。冬天，室內溫度比室外溫度高，能量通過窗在輻射、對流和傳導的共同作用下溫度向室外流失。為此，要減少熱損失，提高窗的保溫效果，就需阻隔建筑外窗的傳熱途徑，減少空氣對流、減少窗的導熱，減少太陽輻射。而影響這三種傳熱方式的因素很多，主要體現在以下幾個方面。

1.1 朝向

外窗的朝向不同所獲得的太陽熱量不同，雖然不同朝向的窗戶均能得到漫射熱量，但太陽直射的熱量遠遠大于漫射的熱量。

1.2 窗型的設計

窗框大、玻璃小的窗型獲得的太陽能量少，采光性也弱;玻璃大、窗框窄的窗戶獲得太陽能多。固定式窗熱量主要通過玻璃、窗扇和窗框型材傳導和輻射，節能效果良好;推拉式窗熱量主要通過窗扇上下和兩側的對流交換，對流交換能量損失大于通過窗扇和窗框型材的熱傳導能量，節能效果較差;平開式窗熱量主要通過玻璃、窗扇和窗框型材傳導和輻射，節能效果較好。

1.3 玻璃的選擇

不同層數的玻璃對太陽得熱有影響，同面積條件下，兩層玻璃的太陽得熱將小于單層玻璃。白玻璃較低輻射玻璃更容易向室內傳入能量。

1.4 遮陽

窗簾對遮陽起到重要的作用。百葉窗也如此。窗簾可以阻擋更多的陽光進入室內。利用建筑物的陰影也可以減少太陽輻射熱。

1.5 輻射、傳導和對流

玻璃的輻射熱損失占窗戶總損失的2/3［3］，低輻射玻璃比白玻璃更可以減小輻射傳熱。

傳導主要是在窗框材料中發生的，如:鋁合金導熱系數大于PVC。

對流是指外窗內側暖空氣上升而室外冷空氣下降形成對流，造成熱量損失。

1.6 空氣滲漏

空氣滲漏大多發生在扇和窗框之間。窗的排水孔也是滲漏的源頭之一。窗框與墻洞和密封條質量也決定了滲透量。

1.7 窗墻比

窗墻比即為窗戶洞口面積與房間立面單元面積的比值。與墻體相比，通常情況下外窗的傳熱系數要小，增加窗洞面積會加大與外界的傳熱量，對建筑制冷極為不利。

2 外窗的改造措施

2.1 選用熱阻大的窗框材料

窗框與整個窗戶相比所占面積較小，但導熱系數大的窗框不利于整個窗戶的節能。應選用傳熱系數小的窗框。以前人們一直采用木頭作為窗框，木頭傳熱系數較小，有利于保溫節能，但風吹雨打后會漸漸腐爛。如今考慮到窗框的強度和剛度的要求，純木窗框已漸漸淘汰，取代它的是PVC窗框、鋁合金窗框、斷橋鋁合金窗框、不銹鋼窗框等。它們的傳熱系數也不同(見表1)，考慮到保溫、強度和耐久性的要求，普通鋁合金型材較少采用，其傳熱系數過大，改進后的斷橋鋁合金窗框是一種理想的選擇，其傳熱系數僅為1.8 W/(m2·K)左右，大大降低窗框的能量損耗，另外它還具有防止冷凝、降低噪聲等優點，但因其價格較高，可用于高檔小區窗戶改造。玻璃鋼型材主要適用于工業建筑門窗改造，其具有良好的隔聲、保溫、耐腐蝕、抗老化、尺寸穩定等特征。PVC型材由多腔斷面結構組成，腔體數量越多、傳熱系數就越低。節能型材斷面結構應采用4個腔體的塑料型材［4］，因PVC型材具有傳熱系數低、易成型、價格較低而受到市場青睞。

表1 常用窗框材料的導熱系數 W/(m2·K)

2.2 提高安裝水平

安裝水平的高低決定了窗戶的使用壽命和保溫性能。為減少窗框縫隙的空氣滲透，可在窗框與窗洞的縫隙處用保溫材料填實，后用密封膠封閉。若密封不嚴將產生空氣滲漏，不利于保溫。

2.3 合理的窗墻比

通常，窗戶面積越小，能耗損失越少，可窗戶面積太小后又影響窗戶的正常采光和通風功能。對此，在《民用建筑節能設計標準》中對不同朝向的窗墻面積比作了嚴格規定。規定指出北向窗墻面積比不應超過0.25;東向和西向的窗墻面積比不應超過0.30;南向窗墻面積比不應超過0.35，設計中應執行標準規定。窗戶應盡量設置在南向，北向不應設或少設，在保證日照、采光、通風、視野要求的條件下，盡量縮小開窗洞口的面積，尤其是北窗面積，可以降低采暖能耗。

2.4 合理的朝向

在建筑平面布局時，不同的朝向將影響建筑吸熱量的多少，從而影響到建筑的能耗。根據不同的需要確定不同的朝向，冬季建筑室內需要采暖可將外墻窗戶多、面積大的一面朝南，可獲得最大的太陽輻射熱;夏季炎熱，太陽輻射最大的方向是東、西向且日照率高，為了避免吸熱可將無窗戶或窗戶少的一面與之相對，可減少空調的能耗。長期以來，建筑一般是坐北朝南，但在現實中有時候受到各種因素的制約，可因地制宜確定適宜朝向。

2.5 選擇節能窗型

不同的窗型構造不同，目前窗型主要有推拉窗、平開窗、固定窗、上下懸窗、上下提拉窗和內開下懸翻轉窗等。住戶一般都有開窗通風的習慣，在同樣的外墻窗洞面積下，平開窗打開的面積為推拉窗的兩倍，固定窗無法打開，但其氣密性、水密性、抗風壓性很好。下面介紹三種主要窗型。

2.5.1 推拉窗

推拉窗分為上下、左右推拉。采用裝有滑軌的窗扇在窗框上滑行，不占據額外空間，窗扇受力均勻，構造簡單，但兩窗扇不能同時打開，只有50%的窗扇可以打開，通氣面積比窗洞面積減少一半，另外滑軌之間留有縫隙，內外空氣易形成滲透對流，氣密性較差，即使窗框材料熱阻很好，也難避免空氣滲透。所以推拉窗不能成為節能窗。

2.5.2 平開窗

平開窗即窗的開啟方式為平開，開啟面積大，通風好，密封性好，保溫、隔音，應用廣泛。但窗幅小，視野不開闊。內開時占用室內空間，外開時占用墻外空間，刮大風易受損。窗框和窗扇間采用良好的密封壓條，關閉時幾乎沒有空隙。若窗框材料和玻璃傳熱系數小時平開窗的節能效果十分明顯，平開窗可以稱的上“節能窗”。

2.5.3 固定窗

固定窗，是用密封膠把玻璃安裝在窗框上，窗框嵌在墻內，用密封膠密封嚴密，空氣很難通過密封膠形成滲透，此窗只用于采光而不開啟通風的，有良好的水密性和氣密性。若在窗框和玻璃上使用絕熱性強的材料，可大大提高節能效果。固定窗為最節能的窗型。

窗型對節能有著重要的影響，平開窗和固定窗比推拉窗氣密性好。推拉窗的滑軌留有空隙，容易產生對流。平開窗關閉時因有密封橡膠壓著，很難產生空隙。固定窗直接嵌在墻體內，且窗框和玻璃已密封，空氣很難滲透。小開啟、大固定的窗型很適合節能，采光面積大、空氣滲透量少、價格便宜。

2.6 使用節能玻璃

外窗玻璃占窗戶總面積的70% ～90%［5］，外窗玻璃的熱損失是門窗能耗損失的主要部分。在窗戶改造中采用節能玻璃可大大降低熱損失，提高節能率。節能玻璃有如下幾種。

2.6.1 中空玻璃

中空玻璃由兩塊或兩塊以上玻璃組成，玻璃邊部用密封材料密封，在玻璃中間填充空氣或惰性氣體，因空氣或惰性氣體傳熱系數低從而可增加窗戶的隔熱性能。中空玻璃的優點為隔熱性能良好、防結露、隔聲降噪。

2.6.2 熱反射玻璃

熱反射玻璃為在玻璃表面鍍覆金屬或金屬氧化物薄膜，增大玻璃的反射系數，減少太陽光向室內輻射，保持室內溫度的穩定。

2.6.3 吸熱玻璃

吸熱玻璃是一種新型材料，是在玻璃基本原料中添加適量金屬氧化物，可以透過可見光，提高紅外吸收率，阻止熱輻射透過玻璃，另外還有一定的裝飾效果。

2.6.4 Low-E 玻璃

Low-E玻璃是在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產品，具有優異隔熱效果和良好的透光性。其鍍膜層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反射的特性，因此又稱低輻射玻璃。低輻射玻璃可以阻擋高溫場向低溫場熱輻射，可以防止冬季熱量流失和夏季熱量入室。由于具有雙向節能效果，可用于寒冷和熱帶地區。

2.6.5 真空玻璃

真空玻璃顧名思義玻璃中間抽成真空，減少氣體傳導和對流，阻止能耗，俗稱”平板形保溫瓶”。具有不傳熱、不傳冷、不傳聲等優點。但為了達到玻璃內外壓力的平衡需要排列整齊的小球來支撐玻璃受外界大氣壓的壓力且真空的玻璃都不是鋼化玻璃，所有真空玻璃比較危險。

當前既有建筑的外窗玻璃大多為普通單層玻璃，熱阻小，很難達到住宅的節能要求。隨著科技進步，玻璃的種類越來越多。不同玻璃的傳熱系數、遮陽系數不同。可根據住宅需要進行選擇。如:鍍膜玻璃可提高遮陽性能，降低玻璃傳熱系數等。

2.7 使用遮陽設施

遮陽設施可以有效阻隔太陽輻射，降低太陽透過窗戶的熱輻射得熱，降低室內溫度和住宅四周環境溫度，降低制冷能耗。在炎熱的夏季里極為明顯。遮陽有外遮陽和內遮陽兩種方法，外遮陽可以使用遮陽板，百葉窗和遮陽篷;內遮陽為布簾和百葉簾、卷簾、垂直簾等。

3 結語

作為建筑眼睛的門窗在節能改造的時候要根據不同地區、不同氣候的特性，從多方采取節能改造措施，將環保、節能、美觀融合為一體，使人們生活更加美好。

［1］鄭非藝.既有建筑外窗節能改造研究［J］.山西建筑，2012，38(26):211-212.

［2］王 艷，張志超.門窗的節能技術與方法［J］.門窗，2008(1):36-39.

［3］何水清，魏德林.節能窗影響因素與中空玻璃窗推廣應用［J］.建筑節能，2007(3):66.

［4］馮偉剛.塑料門窗系統節能因素的思考［J］.門窗，2010(8):44-56.

［5］張金玲.北方采暖地區既有居住建筑窗體節能改造措施［J］.山西建筑，2009，35(30):238-239.