東北高寒地區鄉村住宅建筑節能關鍵技術研究

阮志鵬，王子倩，沙揚皓，徐希，何芳芳

（合肥學院 城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

當前我國建筑能耗增長至10.6億噸標準煤，占能源消耗比重21.81%，將成為全社會能源消耗的首要問題。建筑節能有利于從根本上促進能源資源節約和合理利用，緩解我國能源資源供應與經濟社會發展的矛盾，有利于加快發展循環經濟，實現經濟社會的可持續發展，更能提高建筑技術水平，強力促進整個建筑業的發展。建筑能耗過高主要是由于采暖能量過高，其原因在于房屋的保溫性能較差，這也是東北高寒地區在建筑節能方面的主要問題，研究和解決這一重要問題具有重要的現實意義和普遍意義。

2 東北高寒地區鄉村住宅建筑能耗分析

能耗一詞對于我們來說并不陌生，隨著中國經濟的快速發展，我國對能源的需求也越來越多。特別是對于高寒地區，由于氣候的原因，所消耗的能源也相對的更多一些。雖然國家對節能這方面實行了相應的政策，但也面臨諸多問題。比如一些大型公共建筑，開發商在追求利益最大化的同時，往往會忽略建筑節能問題，造成能源消耗的浪費，因此在今后的建筑節能方面還需要許多的探索。

東北高寒地區冬季寒冷且持續時間較長，夏季溫熱持續時間較短，可以說是四季分明。東北高寒地區因為能源消耗很大，所以是我國目前節能的重點對象。

門窗是建筑外圍護結構的開口部位，連接屋內外的必要結構，可以滿足人們自身對外界的需求，如自然通風、采光、保溫隔熱，同時也可以開闊視野。但同時它也造成了許多的能量損失。門窗的能耗占建筑圍護結構能耗的25%，由于東北高寒地區特殊的地理環境，在窗戶的設置多于其他地區，窗戶方面的能耗也大于其他地區（見圖1），因此增強門窗保溫隔熱性能，在改善室內環境質量的基礎上，提高了建筑節能水平。建筑門窗在使用中的能耗主要通過以下幾種途徑，分別是通過空隙使得室外的空氣進入室內和采光玻璃的輻射與傳導所帶來的能量損失。所以為了達到建筑節能，提高建筑門窗的保溫性能是首要的，下面就從窗框幾個方面來分析如何達到建筑節能。

圖1 東北高寒地區鄉村住宅建筑外窗立面圖

3 窗框材料在東北高寒地區鄉村住宅中的節能技術研究

3.1 窗框材料

目前市場上主要存在的窗框材質有木材、鋼材、鋁合金材質、塑料窗框和玻璃，不同的材質也有著不同的特性，從（見表1）可以看出，在保溫性方面玻璃、塑料、木材較高，而鋼材與鋁合金材質偏低，故東北高寒地區鄉村住宅建筑外窗應該選用高保溫性的材質，以防止熱量流失過快，從而達到建筑節能。在耐久性方面，鋼材要高于木材與塑料。

常見窗框材質特性比較 表1

3.1.1 木質窗框

木質材料的窗框的優點是可以方面加工，制作出可以完全貼合的窗框，但是由于材料本身性質的原因，在防火和防腐方面有太大的局限性，并且價格比其他的窗框材料偏高，但是其裝飾性與保溫性也比較優異，所以從古至今一直被使用。

3.1.2 鋼質窗框

鋼質材料其優點是強度大，但也有許多的缺點，比如長時間可能會生銹褪色密封性差，導致隔音隔熱功能性差，不容易加工。

3.1.3 鋁合金窗框

鋁合金門窗質輕，且可塑性強，可以多種形式加工，但其因為自身材料的性質，呈現熱傳導性快的特點，所以冬天的時候，保溫性會很差，其隔音效果也相繼不好（見圖2）。

圖2 鋁合金材質窗框示意圖

3.1.4 塑料窗框

塑料窗框是以PVC為主要材料的窗框，始于上世紀50年代末，其導熱系數低，有著良好的氣密性，故保溫性能很優異，但由于是塑料材質，其強度比鋼質和鋁合金材質要偏低，目前塑料窗框加入了抗風性能，形成了一種新型的窗框材料——塑鋼窗框，其缺點是不利于回收。

3.1.5 玻璃窗框

玻璃材質的窗框一般整體性極強，表現為與窗戶連成一個整體，大多在大型公共建筑上有所體現，美觀度也非常好，但是因為技術性比較強，且價格過高，一般家庭不會采用。

3.2 窗框材料在東北高寒地區保溫性研究

3.2.1 傳熱系數

傳熱系數K值是指在穩定傳熱條件下，圍護結構雙側氛圍溫差為1度（K或℃），單元時候經由進程單元面積通報的熱量，單元是瓦/（平方米·度）（W/m·K，此處K可用℃取代），反映了傳熱進程的強弱。K值數值越低的，就代表窗戶的隔熱效果越強，那么窗戶的保溫效果就越好，如果k值的數值越高，就說明窗戶的隔熱效果不佳，保溫效果差。

3.2.2 不同地區窗框傳熱系數限值

基于表2，可以看出當采暖期室外最低平均溫度越低時，其窗戶K值就越低，其窗戶的隔熱效果就越好，然而東北高寒地區鄉村住宅要想達到建筑節能，就必須保證熱量流失減慢，因此對窗戶K值的要求就更加的嚴格。

《不同地區采暖居住建筑對門窗傳熱系數K限值》（JGJ26-95） 表2

3.2.3 不同窗框的傳熱系數與節能效果

從各種不同窗戶的傳熱系數與節能效果（見表3）看出雙玻塑料窗節能效果比較優越，而單層窗的節能效果偏低，而且傳熱系數也偏高，保溫機能偏低，不能夠到達節能結果。并且在材質方面鋼、鋁也比木、塑料材質的節能效果低。故在東北高寒地區鄉村住宅建筑外窗材料應選取雙玻塑料窗，以達到建筑節能的目的。

不同窗戶的傳熱系數與節能效果 表3

3.3 窗框材料的選取以達到東北高寒地區建筑節能

防止室內溫度的流失，窗框起著決定性的作用，窗框的材質以及密封的程度都決定著窗戶的保溫功能。在東北地區由于室內外溫度相差很大，通過窗戶流失的熱量也比其他地區多，因此為了防止熱量流失過多而導致的能耗增加，在窗戶材料的選取也更應該重視。建筑的保溫性能增強的同時，供暖能耗才能相應減少，建筑節能才能夠達到。上面對于窗框材料的介紹，對比各種窗框的優缺點；通過引入傳熱系數作為依據，對比不同窗框的保溫性，以此來選取合適于東北高寒地區鄉村住宅建筑的窗框材料。

4 窗的開啟方式在東北高寒地區鄉村住宅中的節能技術研究

如何在結合采光和通風并滿足需求的基礎上設置合理的窗開啟方式，為了保證建筑空間內部的采光通風，窗戶開啟閉合的過程中會產生熱能損失，因此建筑外窗的開啟方式會影響建筑內部空間的氣密性和保溫隔熱性能。

4.1 窗的開啟方式

4.1.1 固定窗

固定窗無法開啟，因此氣密性好，熱量損失小（見圖3）。

圖3 固定窗結構示意圖

4.1.2 平開窗

平開窗具有通風，安全，便于清潔，實用性強，密封保溫性能好等特點。平開窗分為外開窗和內開窗。內開窗的窗扇不會因為高空物件而損壞，同時窗戶上的物品不易掉下而砸傷行人，但其會占用一定的室內空間。外開窗不會占用室內空間，但是暴露在外的窗扇易受損（見圖4）。

圖4 平開窗結構示意圖

4.1.3 推拉窗

推拉窗是利用滑輪進行推拉開啟的門窗，具有安全，成本低等優點，缺點是滑輪之間很容易有空隙；推拉開啟不能很好的密封，所以這種窗型保溫隔熱效果較差，一般推薦室內使用（見圖5）。

圖5 推拉窗結構示意圖

4.1.4 上下懸窗

上下懸窗分為外開和內開，外開的懸窗防雨好，但由于角度的限制，其通風不好，而內開的懸窗則占用室內空間（見圖6）。

圖6 上下懸窗結構示意圖

4.1.5 中懸轉窗

中懸窗分為中懸和中立轉，比擬上下懸窗具備最大的開啟面積，適用于需要大面積透風的場所，例如廠房和運動場。中懸窗的構造簡單形狀簡練風雅，對空氣起到一定的引流作用（見圖7）。

圖7 中懸轉窗結構示意圖

4.2 窗的開啟方式應用于東北高寒地區建筑節能的研究

在所有列舉的窗開啟方式中，固定窗的保溫性和氣密性最好，但在我國最為常見的窗戶開啟是平開窗和推拉窗，因其制作簡單，成本低，生產材料簡單可得，所以生產量大，使用普遍。

但是相比來說推拉窗的氣密性較差，開窗時有用面積小，通風效果較差。平開窗的密閉性能好，能對室內起到保溫隔熱的效果，而且有用開啟面積大，通風面積也大。

5 遮陽設備的加設在東北高寒地區鄉村住宅中的節能技術研究

5.1 東北高寒地區夏季建筑能耗分析

東北高寒地區冬季漫長寒冷，持續時間占全年的1/3以上，凍土期長、凍土深、多風雪；夏季短促且不炎熱。雖然東北地區的夏季短暫且不炎熱，我們依舊不能忽視夏季耗能問題。東北高寒地區的鄉村建筑最重要的使用作用是保溫隔熱，而在夏季人們的居住需求是散熱。所以我們在無法改變建筑本身結構的基礎上加設遮陽設備以達到夏季人們的居住需求，并達到節約能耗的目的。

5.2 降低夏季建筑能耗的解決方法

在夏季和全國各地的建筑一樣，東北高寒地區鄉村建筑的窗戶和特定屋面也需要進行適當的遮陽，其目的在于阻止陽光直射透過玻璃進入室內，防止陽光過多照射和加熱建筑圍護結構，并且防止陽光直射而造成強烈的眩光。根據遮陽的位置可將遮陽設備分為外遮陽和內遮陽兩種類型。建筑外遮陽是將遮陽設備設置在玻璃幕墻外側，內遮陽是將遮陽產品設置在室內玻璃幕墻或者是窗戶內側。雖然內遮陽設備控制較為方便，價格也較為便宜；但內遮陽設備僅僅能蓋住光線，并不能擋住熱量，隔熱效率較低。

同時對冬夏溫差很大的地域，這些必要在夏日遮陽的玻璃墻面和屋面又必要在冬日進光得熱，若是徹底采取固定式遮陽，那將無益于冬日保溫得熱。所以對于此類地區來說；采取能開啟或折疊的外遮陽卷簾、能折疊或扭轉的遮陽百是較好的選擇。

從表4可以看出以上都為窗式遮陽百葉，窗式遮陽百葉對于東北高寒地區的鄉村建筑來說性價比是極高的。其安置在窗戶外側的百葉，不但可以在夏季隔熱，冬季還對窗戶起到防護作用并起到一定的防盜作用，也能讓建筑物避免寒風侵襲。居民可以根據自家的建筑物現狀以及自身家庭情況選擇不同類型的外遮陽百葉。

不同遮陽設備的樣圖 表4

6 總結

本文分析東北高寒地區氣候特征、鄉村住宅的外圍結構圖以及參照建筑規范標準，總結出門窗的能耗占建筑圍護結構能耗的25%，是建筑能耗流失不可缺少的一部分，因此本文著重分析通過窗戶的改變以達到建筑節能。

在窗框材料上面，我們首先通過分析不同窗框材料的優缺點，總結出來目前市場上存在的性價比最高的窗框材料是塑料材質；接著通過引入傳熱系數K值，分析不同地區窗框傳熱系數限值，以及不同窗框的節能效果，總結出東北高寒地區的窗框K值普遍低于其他地區，然而單框雙玻塑料窗也是目前節能效果比較好。

在窗框材料確定的同時也可以通過改變窗的開啟方式以達到進一步節能，我們通過研究分析，雖然固定窗的保溫性最好，但是由于不能夠開啟，在使用方面不便捷，所以不被大眾所接受。現今我國的較為常見的窗戶開啟方式是平開窗和推拉窗，其平開窗的保溫性也更好，更利于嚴寒地區建筑節能。

然而東北高寒地區夏季的能耗也不容忽視，通過加設遮陽設備，可以達到建筑進一步節能。我們通過研究分析，對比發現內遮陽并不能夠達到建筑節能，因此應該選取外遮陽，在窗戶外側加設能夠開啟或折疊的外遮陽卷簾、能旋轉或折疊的遮陽百葉，最后通過對比不同中的外遮陽設備，其窗式遮陽百葉對于東北高寒地區鄉村住宅建筑性價比最高，節能效果最好。