夏热冬冷地区窗户节能设计研究

夏热冬冷地区窗户节能设计研究 夏热冬冷地区窗户节能设计研究 【摘 要】窗户节能设计是建筑节能设计中的重要组成部分。夏热冬冷地区气候的窗户节能设计是一个不小的挑战，本文结合夏热冬冷地区的气候条件分析了窗户节能设计的要点，针对冬季保温、夏季隔热和兼顾采光提出了节能设计手段。通过对玻璃的选择，窗框材料的性能及组合形式比较，给出了窗户选材选型的参考，并提出了窗户热工性能的构造即合理的窗墙比。从而对气候适应性的窗户节能设计和已有建筑的窗户节能改造进行了相应探讨。 【关键词】夏热冬冷地区;建筑节能;窗户;保温;隔热;封闭性;窗墙比 夏热冬冷地区主要位于长江流域，夏季闷热高湿，最热月平均温度26.5?,30.5?，夏季相对湿度80,左右，冬季阴冷，冬季太阳辐射热小于750mj/ m²，个别地区不足400mj/ m²，最冷月平均气温0?,8.6?，该区夏季相对湿度在80,左右，夏季太阳辐射热大于1000mj/ m²。在这些地区太阳辐射得热是导致室内热环境恶化的首要原因。窗户的能耗就占了建筑外围护结构构件总能耗的40,~50,。可见，窗户节能是建筑节能的关键。窗户既是能源得失的敏感部位，还关系到建筑的采光，通风，隔声，立面造型，应该是建筑设计者设计的重点。 1 窗户的节能设计要点 外门窗的热工性能差和太阳辐射热是造成窗户能耗远大于其他外围护结构的主要原因，成为建筑节能设计的重点。 1.1 窗户的夏季遮阳隔热 夏季室内外温差幅度不大，外面窗户由于热传导增加室内热量并不十分明显，室内主要热负荷来源于太阳辐射热。统计显示，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25,~30,。所以，夏季窗户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。 1.2 窗户的冬季保温 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。冬季热损耗主要是室内室外温差引起的热传导造成的，窗户的传热系数一般比外墙，屋面等都大，室内大量的热量容易通过窗户散失。提高窗户的热传递系数，就能大大提高建筑外围护结构的保温性能。 1.3 同时满足采光的要求 窗户是建筑节能的薄弱环节，有的设计人员试图减少外窗户的面积来减少建筑单位面积的能耗，但是这样处理不但影响室内的采光通风环境和里面美观，还增加了额外的照明能耗。窗户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跟手段。 2 窗户的节能设计措施 2.1 提高材料热工性能、光学性能和密封性能 2.1.1 玻璃材料 玻璃是窗户的重要组成部分。玻璃的种类很多，有透明浮法玻璃、有色玻璃、热反射玻璃、吸热玻璃、低辐射玻璃(low-e)等，热 反射、吸热和辐射玻璃都属于镀膜玻璃，分别喷镀金属非金属及其氧化物薄膜、吸热薄膜、低辐射薄膜。 玻璃的光学性能影响到夏季遮阳和采光取暖。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。普通的白玻璃的太阳透射率很高，室内红外线又很难穿透其流向室外，是南面外窗采暖的最佳选择。但是单层玻璃窗户的热传递系数都是很大的，因为玻璃的热传递系数虽然仅为0.8~1.0w/(mk)，但由于玻璃的厚度很薄，所以其热阻几乎可以忽略。从表格1中比较可以看出，低辐射玻璃的热传递系数小且具有较好的遮阳性能，另外其低辐射膜阻止室内红外线透出的能力比白玻璃还要强，还不影响采光。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再生产时进行调整，是综合性能最优的玻璃品种。 2.1.2 窗框材料 我们常使用的窗框材料是木头、钢材、铝合金、pvc塑料、玻璃钢，其材料导热系数λ(w/( mk))值分别为木头0.15，刚才58.2，铝合金203，pvc塑料0.16，玻璃0.52材料的导热系数越大，窗框的传热能力越强。木头使用越来越少，这里不作讨论。从表2中比较可以看出，金属单玻璃窗户是热工性能最差的一类窗户，应尽量避免使用未经断热处理的金属材料做窗框。通常进行断热处理是应保证断热桥的长度不小于15mm，否则热阻不够大，断热效果会大打折扣。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;但要注意这类型材料的刚性，如果整体性差，容易在运输和过程中变形，最后导致窗户关不严实，不仅影响使用，还会影响美观。塑料窗框的壁厚一般不小于2.6mm，并且应在空腔内加钢衬。型材的空腔宜小而多，增强结构的刚度的同时还能对空腔内热流起到多重阻隔作用。 2.1.3 密封性能 室内外空气渗透虽然对热工的影响不大，但也会增加采暖和空调能耗，所以也不能忽略。为了增强窗户的密封性能，必须采用保温材料填堵窗户与门洞壁之间的缝隙，内外边沿再用密封胶封严实，以防止出现裂缝和渗气渗水。密封毛条应采用弹性较好而且耐老化的材料，最好经过硅化处理。推拉窗扇很容易出现缝隙，除了要用毛条密封外还应设风挡，使两扇能够紧紧的扣严密。另外，施工质量差也是影响窗户密闭性的重要因素，应该提高施工人员的施工水平。 2.2 改善窗户的构造 2.2.1 使用双层、多层玻璃窗 增加玻璃的层数是增加窗户保温性能最有效途径之一。从表格1、表格2的比较可以看出来，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的传热系数;但一般不超过12mm，因为超过了传热系数降低就不明显了，还会引起对流。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 玻璃代替双层玻璃窗的内层或者三层玻璃窗的中间层，节能效果还能进一步提高26,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。通过实验表明，三层玻璃窗户的辐射传热强度仅为双层玻璃的50,左右(图一)。 2.2.2 使用内外遮阳措施 为了满足采光和取暖需要，我们可能选择透光率很高的玻璃材料，如普通的白玻璃，虽然通过中空玻璃等能有效降低窗户传热系数，但是不能解决导致夏季室内温度升高的主要原因，及太阳辐射热，这时就必须采取遮阳措施。 除了玻璃本身具有一定的这样效果外，这样系统还分为内遮阳和外遮阳。内遮阳系统，主要为百叶、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，放下窗帘或者插入硬质复合班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，但不便于调整，应该根据各地夏冬季太阳高度角差异，计算出合理的遮阳构件长度和安装高度，使其技能有效遮挡夏季阳光，又能充分的利用冬季阳光。 2.2.3控制各朝向的窗墙比 现代建筑常采用大面积的玻璃窗来加强轻快通透的效果，人们对明亮开敞的空间也特别偏爱，但是外窗户面积却因其热工性能受到很大的限制。如果使用节能型窗户，当其传热系数k值却小于4.0时，建筑北向窗面积比可达到0.25以上，南向窗墙面积比可提高 到0.3.若传递系数低可进一步提高南北向的外窗面积。我国夏热冬暖地区分布在中低纬度地区，夏季太阳角度高，这些地区在东西两个方向接受阳光直射的时间最长，所以东西向垂直表面的太阳辐射量最大，而冬季太阳角度底，南向垂直表面的太阳辐射量最大。因此，夏季这样特别要注意控制东西向窗墙比，没有采光需要的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，东西向的遮阳以竖向挡板遮阳最为有效。 3.结语 节能型窗户比普通窗户价格高，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窗户市场占有率只有整个窗户市场的52,。政府部门可以效仿发达国家采取的“补偿机制”，或者进行窗户节能立法，促进节能窗户在新建房屋中采用和在旧高能耗建筑中替换。遮阳虽然增加了建筑投资，但是从长远的运营过程中的能耗损失比较起来是经济合算的。假如现在所有窗户中的一般采用的是low-e中空玻璃塑料窗(图二、图三)，其节能效果可以达到75,，那么每年建筑总能耗还不到现在的65,。窗户节能仍然需要不断提高效率和扩大其范围。 参考文献 [1]张家猷提高建筑门窗保温性能的途径 [j] 中国建筑金属结构2005第一版 [2]郁文红杨昭低辐射玻璃的节能分析 [j] 节能2005，2 [3]褚智勇建筑设计的材料语言 [j] 中国电力出版社2006第一版 [4]房展和第三步建筑节能对发展节能窗的机遇与挑战 [j] 节能与环保2004,12 [5]夏热冬冷地区居住建筑节能设计(jgj134-2001)、(j116-2001) [6]家居材料 [j] 中国建筑工业出版社2007第三版