管理夏热冬冷地区建筑外窗节能探讨

夏热冬冷地区建筑外窗节能探讨

我国夏热冬冷地区的范围大致为陇海线以南，南岭以北，四川盆地东，长江中下游地区，在该地区居住的城乡人口约5.5亿。生产总值约占全国生产总值的48%，是我国人口最密集、经济文化较为发达的地区。该地区气候的显着特点是夏天热，冬天冷，长年湿度很高，夏季最热，月平均温度为25～30℃，而且以28～30℃居多，多数地方高于35℃的酷热天气，有半个月至一个月之多，空调制冷期达两个多月之久。最热月下午2时的平均气温在32～33℃，全天无凉爽时刻。白天热浪滚滚，热风横行，夜间多为无风天气。白天积累的热量不能消散，气温仍居高不下，并且由于是长江中下游水地带，夏初季节持续阴雨天，日照弱，昼夜温差小，仅为3～5℃，气压低，温度高，使人感到闷热难受。冬季，最冷月平均气温为2～7℃，大多在2～5℃之间，日最低气温低于5℃的天气数长达两个月。相对湿度也仍高达73～83%，整个冬季往往是雨雪连绵，天气阴沉，因而阴凉寒冷。 建筑外窗是建筑围护结构中的轻质、薄壁、透明构件，受建筑外窗的影响，采暖空调、照明能耗往往占到整个建筑能耗的一半左右。夏热冬冷地区由于建筑节能工作起步较晚，建筑外窗多为白玻的单玻推拉窗和单玻平开窗，在冬天，建筑外窗因结构简单密封性能和保温隔热性能差，冷空气渗透严重，窗户结露淌水，严重时，挂霜结冰。可想而之，要消耗多少空调采暖所需的能耗；至于在夏天，由于门窗热传导、门窗渗透对流、空气渗透引起的能量损耗以及门窗辐射传导引起的能量损耗，大大地加大了空调的制冷负荷。更值得我们注意的是：产生一千瓦小时的冷气消耗的初级能源大约是供暖所需能源的3倍，在相同的环境下，夏季空调制冷温度升高1°C比降低1°C要节约用电0.3度(kwh)～0.4度(kwh)，可见，建筑节能的意义非同小可，可以创造可观的社会效益和自身利益。而随着我国经济的快速发展，人民生活水平大幅度提高，电暖器、电风扇、热泵型空调逐步走入千家万户，而为了改善居住的舒适度，在冬夏两季室内维持的温度和湿度与室外的温度和湿度就有较大的差别，这个温差导致能量以热的形式流入或流出室内，使得空调等设备消耗大量的能源来补充这个能源损失。这就加剧了该地区能源紧张状况。 事实证明，中国要走可持续发展的道路，提高在该地区的新旧建筑门窗性能，开展建筑门窗节能工作刻不容缓、势在必行。 提高建筑外窗节能的途径： 1．建筑的整体设计 根据窗户所处位置的朝向，合理选择窗户大小和窗墙比，并根据建筑物所处地理位置，选择适当建筑遮阳设计。建筑外窗的主要功能之一是在白天，利用太阳光照亮建筑内部，尽量减少使用电能等二次能源照明，造成能源浪费，而且，房屋的居住者也有追求自己的住宅通透明亮的需求，同时临街建筑外面美观的需要，建筑外窗有越来越大的趋势；在冬季，也要求尽量利用太阳中的辐射热量提高室内温度，但在夏季，太阳辐射通过建筑外窗进入室内，是室内温度过高的主要原因。因此，建筑外窗的朝向，大小、建筑物外立面上固定遮阳防止太阳光直射室内，减少室内得热。而在冬季，因太阳高度角较小，建筑物的固定遮阳应减少对直射太阳光的阻挡，多利用太阳光辐射热加热室内，达到即减少夏季空调用能造成的能源消耗，又在冬季尽可能多利用太阳能减少采暖用能的支出。因夏热冬冷地区夏季多晴天要知道这可是世界上最好的俱乐部之一。”在阿拉巴看来，而冬季阴雨天气较多，而太阳辐射的热量是东西向最大，因此，应严格控制建筑外窗的朝向和窗墙比，而北向得不到太阳的辐射热，在合理的采光条件下，窗户面积较小为好。 《夏热冬冷地区建筑节能设计标准》（JGJ）表4.0.4中分别列出了不同朝向、不同的窗外环境条件（有无外遮阳）、不同窗墙比时外窗传热系数限值表（见表1）。 不同朝向、不同窗墙比时外窗传热系数（表4.0.4） 表1朝 向 窗外环境条 外窗的传热系数K【W/（m2 k）】 窗墙面积比≤0.25 窗墙面积比>0.25且≤0.30 窗墙面积比>0.30且≤0.35 窗墙面积比>0.35且≤0.45 窗墙面积比>0.45且≤0.50北（偏东60 到偏西60 范围） 冬季最冷月室外平均气温>5°C 4．7 4．7 3．2 2．5 -------- 冬季最冷月室外平均气温≤5°C 4．7 3．2 3．2 2．5 ---------东、西（东或西偏北30 到偏南60 范围） 无外遮阳措施 4．7 3．2 ------- ------- -------- 有外遮阳（其太阳辐射透过率≤20% 4．7 3．2 3．2 2．5 2．5南（偏东30 到偏西30 范围） 4．7 4．7 3．2 2．5 2．5请参考表格进行合理设计。 2．建筑外窗玻璃的选用 在整个建筑外窗面积中，玻璃的面积占到整个窗户面积的70～80％，因此，建筑外窗玻璃性能的好坏，对整个建筑的节能影响比较大。玻璃的选用主要考虑室内采光的舒适性，玻璃的抗风性能等强度指标，整体建筑外立面的协调统一，玻璃的保温，隔热及隔声性能，在本文中，仅简单讨论玻璃对节能有影响的保温性能和隔热性能。 （1）玻璃的导热。因建筑外窗玻璃两侧存在温度差，因此，玻璃的导热性能的高低，直接决定着室外温度对室内温度的影响。玻璃的导热可用下式表达 式中：λ—玻璃的导热系数w/mk δ—玻璃的厚度m A—玻璃的导热面积㎡ t1—玻璃一侧的温度k t2—玻璃另一侧的温度k 从式中可以看出，尽管玻璃的导热系数λ很小，但因玻璃厚度较小，单层玻璃的传热能力仍然很高（见表3），而干燥、静止的气体导热系数非常低（见表2），利用气体这种特性，将两片或多片玻璃用干燥气体隔开，制成中空玻璃，中空玻璃中的不流动气体层阻断了热传导的通道，从而大大降低了中空玻璃的温度传热（见表3）。 几种气体的导热系数 表2性 能 空 气 氩 气 氪 气导热系数（w/mk） 0.0242 0.0163 0.008 （2）降低玻璃的遮阳系数。降低玻璃遮阳系数的方法有：1．在玻璃表面镀膜，2．在制造玻璃的过程中加入色剂制成着色玻璃，3．在玻璃表面涂抹或印刷色油料并烧结成彩釉玻璃等。着色玻璃的遮阳性能优于透明玻璃，是通过吸收部分太阳辐射能而减少其进入室内，其隔热优于透明玻璃，但由于其吸收太阳辐射能而使自身温度升高，增加了温差传热，降低了保温效果。彩釉玻璃是利用覆盖在玻璃表面的釉料控制阳光的直接透过，从而减少太阳的辐射热进入室内。镀膜玻璃是用物理或化学镀膜工艺改变玻璃表面的热反射特性，将太阳辐射直接反射回去。从而提高玻璃的遮阳隔热性能，因此不同的镀膜材料和膜结构不同，镀膜玻璃又分为热反射镀膜玻璃（或称阳光控制镀膜玻璃）和低辐射镀膜玻璃（或称LOW－E玻璃）。 热反射镀膜玻璃可非常有效地反射太阳能波段的热辐射，通过配置膜层的结构和厚度，可在较大范围改变玻璃的遮阳性能，但由于这类膜层仍由一般性工程材料组成，因此，对太阳光中远红外波段的吸收与透明玻璃差别不大，不能降低玻璃的传热性能。 LOW－E的玻璃采用对红外线高反射的、不吸热的材料镀膜，从而反射整个红外波段的热辐射，既反射太阳能波段的热辐射，也反射远红外波段的热辐射。因此，可有效地控制玻璃的遮阳性能，同时也明显降低玻璃的传热系数。 以上制造技术复合使用，便可获得性能各异的节能玻璃（见表3）。 几种常用玻璃的主要光热参数 表3玻璃名称 玻璃种类结构 透光率（%） 遮阳系数Sc 传热系数(w/㎡k)单片透明玻璃 6c 89 0可以兑换神器的神铁矿石等等。.99 5.58单片绿着色玻璃 6F-Green 73 0.65 5.57单片灰色玻璃 6Grey 43 0.69 5.58单片热反射玻璃 6CTS140 40 0.55 5.06彩釉玻璃(100%覆盖) 6mm白色 - 0.32 5.76透明中空玻璃 6c+12A+6c 81 0.87 2.72绿着色中空玻璃 6F-Green+12A+6c 66 0.52 2.71热反射镀膜中空玻璃 6CTS140+2A+6c 37 0.44 2.54Low—E中空玻璃 6CEF11+12A+6c 35 0.31 1.66 对夏热冬冷的地区而言，应对各地各建筑的需求，选择相应传热系数和遮阳系数的玻璃。 3．建筑外窗窗框材料的设计选用 建筑外窗在洞口可视面积是由玻璃和窗框、窗扇框共同组成。且窗框、窗扇框型材面积，占整个建筑外窗洞口面积的15～30%，因此，建筑外窗窗框、窗扇框材料的保温隔热性能也对整个建筑外窗的节能效果有一定的影响，建筑外窗常用框材有木、钢、塑、铝四大类。 木窗其保温隔热性能优良，容易制成复杂断面，但缺点是易燃，防腐能力差、吸潮，并且，需要砍伐森林树木才能得到原料，对环境有不利的影响，不符合我国国情。 钢窗强度高，防火能力强，抗风压性能，防盗性能好，但热工性能差，保温隔热性能不好，气密性能差。加工成具有良好的气密性和水密性结构的型材断面难度大，成本高，精度低，并且普通钢窗在自然状态下易锈蚀，造成使用性能下降，因此，不应做节能建筑外窗。 塑料窗用型材现阶段，主要由聚氯乙烯高分子材料，并添加各种功能的添加剂经高温注塑成型，特点是保温隔热性能好，容易挤塑成建筑外窗所需的复杂的断面，耐潮湿能力强，耐腐蚀性好。因塑料型材本身强度 、刚度、耐冲击力、抗风压性能较差，必须配合穿入型钢钢衬弥补上述性能的不足之处。缺点是断面较大，对光线遮阳较多，不耐燃烧。 铝合金窗在二次世界大战以后得到了应用和发展，强度和刚度较好，抗风压性能好，断面设计合理的窗户，有很好的气密性能和水密性能。在自然环境下耐腐蚀，使用寿命长，并且容易表面处理（有多种表现处理方式），装饰性能好，色彩丰富，容易加工成所需的复杂断面，不燃烧，耐潮湿性能良好。缺点是，仅用铝合金型材制造的建筑外窗保温性能差；但是，现已开发成熟，隔热断桥复合型铝合金门窗型材，可要根据工程需要制造出满足节能要求的传热系数的铝合金型材。 4．建筑外窗窗型的节能设计和选用 夏热冬冷地区生活工作的人们，无论是春秋季节还是冬、夏两季，普遍有开窗加强房间通风的习惯，一是利用自然通风改善室内空气质量，二是夏季在两个连晴高温期间的阴雨降温过程或降雨后连晴开始升温的夜间，室外空气凉爽宜人，加强房间通风能带走室内余热并降低室内温度和积蓄冷量，可以减少空调运行电耗，因此，门窗需要长时间的开启通风。另外，南窗面积大，有利于冬季更多地获得太阳辐射热能。而在相同建筑外窗洞口面积下，平开窗开启面积是推拉窗的两倍，平开窗的气密性能、保温性能、水密性能、抗风压性能也都优于普通的推拉窗，并且，现在的推拉窗多数都没有防止窗扇脱落的设计，已发生多起窗扇高空坠落事件，因此，从建筑节能角度，建筑外窗宜采用平开窗和内平开下悬窗。因外开窗不易清洁玻璃，并且擦洗玻璃时有一定的危险性，尤其是高层建筑，在刮风时，若外平开窗没有关闭，有窗扇玻璃碰碎、窗扇脱落伤及行人的危险，建议不用外平开窗为好。而内平开窗，根据我国国情、民族特色以及审美观来讲，不太受大家之喜欢。一是因为内平开窗在开启时占用室内空间；二是以前内平开窗的水密性能不好，下雨时有往室内进水的现象，给大家留下了不好的影响。但随着技术进步和门窗制造质量以及各配件质量的提高，良好的内平开窗已经具备非常好的水密性能。为方便人们对窗户的清洁和维护，开启关闭窗户及使用的安全性，既不占用建筑物室内的空间又能保持长时间的开启通风，应选择内平开下悬窗。 5．选择优良门窗五金件并合理配置和使用 有效地提高建筑外窗的气密性能，减少采暖和空调的能耗。 五金配件是门窗的心脏部件，具有固定、开启以及锁闭门窗的功能。五金件质量的好坏直接影响到门窗的使用寿命和门窗的密封性能。 （1）五金配件材质的选择。选择门窗五金配件时，一定要选择好材质的五金件。如锌合金材料要采用5#锌合金，不锈钢材料采用304不锈钢，铝合金材料采用6063T6铝合金等等。劣质的门窗五金件，因没有严格的设计制造和产品实验检验，以及采用低价格的劣质材料，经常出现门窗在安装使用过程中，出现因五金件生锈、老化、断裂，受力变形严重，导致门窗关闭不严，甚至丧失使用功能 为因五金配件材质差导致主传动杆下半部分断裂，使得窗扇的下半部分传动件失效，只有上半部分传动件工作。这样就造成窗扇在锁闭状态下只有单点受力，使其无法满足抗风压强度。一旦受风压，产即使上部分锁点也随之损坏，导致整窗失效。 也是五金配件因材质差，整个条形锁在短时间内就发生老化并碎裂掉落，使得最后在型材上只留下安装孔室内与室外相通，大大影响了门窗的气密、水密等性能。使用了劣质五金配件对我们的维修与更换也是一件非常麻烦的事，因每个厂家的配件的安装孔位都不一样，给我们带来二次加工。 （2）根据窗型的大小合理配置五金件。建筑外窗的五金件配置是，应选择锁闭性能良好的多点锁系统，保证在风压作用下，扇、框变形同步，有效保证密封材料的合理配合，保证在门窗关闭之后扇、框有效密封。 6．夏热冬冷地区年气候分析 在我国由于经济条件的原因，开展建筑节能晚于其他发达国家，因此，我国现阶段的建筑节能水平与发达国家相对还有很大的差距，在建筑能耗方面，我国居住建筑的单位总能耗为国外发达国家的3倍左右，建筑外窗为1.5～2.2倍，门窗空气渗透量为发达国家的3～6倍，所以，在已经开展建筑外窗材料的保温隔热性能工作并取得一定的成效后，更应关注因建筑外窗气密性能差造成的能源消耗。提高建筑门窗气密性能的途径有： 一是合理的密封结构设计；二是选择适合的密封材料和恰当的密封材料外形断面设计；三是建筑外窗的框、扇型材刚度要满足抗风压性能要求；四是建筑外窗的五金件配置是，应选择锁闭性能良好的多点锁系统，保证在风压作用下，扇、框变形同步，有效保证密封材料的合理配合。 夏热冬冷地区主要城市围护结构设计夏季室外计算温度（℃） 表4城 市 上海 南京 合肥 杭州 南昌 成都 重庆 武汉 长沙平均温度 31.2 32.0 32.3 32.1 32.9 29.2 33.2 32.4 32.7最高温度 36.1 37.1 36.8 37.2 37.8 34.4 38.9 36.9 37.9 夏热冬冷地区主要城市围护结构设计采暖期室外空气温度（℃） 表5城 市 上海 南京 合肥 杭州 南昌 成都 重庆 武汉 长沙平均温度 3.82 3.61 3.58 4.34 5.23 6.28 7.91 4.46 5.83夏热冬冷地区主要城市在不同室内设计参数下全年的空调期、除湿期和采暖期天数（天） 夏季室内28℃，空气相对湿度70%，冬季室内温度18℃ 表6城 市 上海 南京 合肥 杭州 南昌 成都 重庆 武汉 长沙空调期 40 43 28 57 65 13 69 46 66除湿期 107 101 106 88 99 157 113 123 102采暖期 77 91 85 69 67 77 60 84 92 夏季室内26℃，空气相对湿度70％，冬季室内温度18℃ 表7城 市 上海 南京 合肥 杭州 南昌 成都 重庆 武汉 长沙空调期 64 69 56 81 99 45 99 86 95除湿期 85 77 82 66 67 126 87 85 75采暖期 77 91 85 69 67 77 60 84 92 夏季室内28℃，空气相对湿度60％，冬季室内温度18℃ 表8城 市 上海 南京 合肥 杭州 南昌 成都 重庆 武汉 长沙空调期 40 43 28 57 65 13 69 46 66除湿期 123 122 132 104 115 161 121 128 111采暖期 77 91 85 69 67 77 60 84 92 表中除湿期是一年中，除采暖期和空调期以外，人们根据建筑物内空气湿度的舒适性对室内和进入室内空气进行除湿才能达到人体感受舒适的环境质量的天数。 从以上表中可以看出，夏热冬冷地区随着人们生活水平的提高和我国经济的发展及家电制造业的进步，各种采暖、空调、除湿类家用电器迅速普及，采暖、空调、除湿耗用电时间达200多天，而该地区人口已达5.5亿以上，人均住房已超过8平方米，已向人均15㎡的生活水平迈进，因此，该地区的建筑用能将迅速增加。从而就更加要求选用良好的门窗结构和优良的门窗五金件，提高建筑外窗气密性能，降低因建筑外窗气密性不好，采暖、空调、除湿电耗过高，控制进入建筑物的空气质量，对建筑节能有着非常重要的意义。 7．结论 通过分析，可以看出，应从建筑的整体设计、建筑外窗玻璃的选用、建筑外窗的框、扇形材材质、断面设计、建筑外窗的窗型设计、密封材料的选用和门窗五金配件的合理选用，综合提高建筑外窗的保温、隔热、气密性能，降低建筑采暖、空调、除湿能耗，达到节约能源的目的。 参考文献 1．付祥钊主编《夏热冬冷地区建筑节能技术》 2．许武毅《建筑玻璃的节能特性》 3．廉乐明 李立家 吴家正 谭羽飞编《工程热力学》 4．《夏热冬冷地区建筑节能设计标准》（JGJ）