夏热冬暖地区建筑外窗的选择与节能问题的探讨.doc

夏热冬暖地区建筑外窗的选择与节能问题的探讨迄今为止，我国尚无建筑外窗夏季隔热性能标准和丰采暖地区民用建筑节能设计标准。本文根据华南夏热冬暖地区建筑气候特点和热工设计要求，提出了空调建筑外窗夏季隔热节能综合性能指标体系与措施的建议，以及该地区建筑外窗的选择意见。对于我国中部夏热冬冷地区（以夏季防热为主，兼顾冬季保温）建筑外窗夏季隔热节能，本文亦有参考意义。一、前言窗户作为建筑外围护结构的开口部位，不但要满足人们采光、日照、通风、视野等基本要求，还要具有优良的保温、隔热、隔声性能，才能为人们提供舒适、宁静的室内环境，才能满足人们节约能源、保护环境，改善热舒适条件，提高生活水平，实现社会可持续发展的要求。我国建筑能耗（包括建造能耗和使用能耗）约占全国能源消耗总量的1/4，建筑使用能耗占建筑能耗1/2以上，而采暖、空调能耗又占建筑使用能耗1/2左右。建筑节能的重点就是控制采暖和降温能耗1。窗户是薄壁的轻质构件，是建筑保温、隔热、隔声的薄弱环节。普通单层玻璃窗的能量损失约占建筑物冬季保温或夏季降温能耗的一半以上，其隔声量25dB左右，只有厚重外墙隔声量的一半。因此，窗户是改善室内热、声环境和建筑节能的重中之重。我国地域广阔，从北方严寒的东三省到南国炎热的海南岛，八干燥的西北内陆到潮湿的东南沿海，气候环境差别巨大。只有根据各地建筑气候特点与设计要求，才能正确进行建筑外窗的选择和节能工作的开展。二、夏热冬暖地区建筑气候特点与基本要求夏热冬暖地区，即通常所谓华南地区，是民用建筑热工设计规范GB50176-93（以下简称热工规范规定的热工设计分区之一，属于我国建筑气候区划标准GB50178-93规定的第建筑气候区。该地区位于我国南部，包括海南、台湾全境；福建南部；广东、广西大部以及云南西南部和元江河谷地区，北回归线横贯其北部，属地理学中南亚热带至热带气候。该区长夏无冬，温高温重，气温年较差和日较差均小，由于有海陆风的调节，居民已习惯该地气候，不感到闷热。该区最冷月（1月）平均气温高于10，最热月（7月）平均气温2529，极端最高气温一般低于40，年日平均气温25的日数为100200d，年平均相对湿度为80%。该地区雨量充沛，是我国降水最多的地区，多热带风暴和台风袭击，易有大风暴雨天气；太阳高度角大，日照较少，太阳辐射强烈。对夏热冬暖地区建筑的基本要求是：建筑物必须充分满足夏季防热、通风、防雨要求，冬季可不考虑防寒、保温。三、热工规范对夏季防热与空调建筑外窗热工设计要求建筑物的夏季防热：应采取自然通风、窗户遮阳、围护结构隔热和环境绿化等综合措施。空调建筑的外窗：（1）窗墙面积比当采用单层窗时，不宜超过0.3；当采用双层窗或单框双层玻璃窗时，不宜超过0.4（2）向阳面特别是东、西向窗户，应采取热反射玻璃、反射阳光涂膜、各种固定式和活动式遮阳等有效的遮阳措施（3）气密性等级不应低于国际级水平（qo2.5m3/mh）(4)部分窗扇应能开启。四、国家有关建筑节能设计标准对外窗的要求国家标准旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189-93（以下简称旅馆空调节能标准）对夏热冬暖地区建筑围护结构的一般规定是：应满足夏季遮阳隔热要求。对外窗的热工设计要求是：（1）外窗的面积不宜过大，主体建筑标准层的窗墙面积比不宜大于0.45（2）外窗玻璃的遮阳系数，严寒地区应大于0.80；非严寒地区应小于0.60，或采取外遮阳措施（3）外窗的保温性能，严寒地区不应低于级，寒冷地区不应低于级，其它地区不宜低于级（4）外窗的气密性能不应低于级。其中，保温性能是对我国法定采暖地区的外窗要求，不适于夏热冬暖地区。行业标准民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）JGJ26-95是适用于严寒和寒冷地区，也不适于夏热冬暖地区。五、国家建筑外窗性能标准要求我国建筑外窗性能国家标准共有六项：（1）抗风压性能（GB7106-86）；（2）空气渗透性能（GB7107-86）；（3）雨水渗漏性能(GB7108-86);(4)保温性能（GB8484-87）；（5）空气声隔声性能（GB8485-87）；（6）采光性能（GB11976-89）。建筑外窗的保温性能指标是在模拟冬季采暖建筑室内、外温差条件（室内18；室外：单层窗检测为-10，双层窗或单框双玻窗检测为-20，风速为3.0m/s下，测得的窗户冬季传热系数K值（W/m2K）（不包括窗缝隙的传热），不能直接作为窗的夏季传热系数，不能作为建筑外窗的夏季隔热性能指标，只能作为窗的传热性能比较参考。保温和隔热是有区别的。保温是指外窗在冬季几十度的温差条件下，阻止室内向室外的温差传热；隔热是指外窗在夏季隔离太阳辐射热和阻止室外向室内的温差（10，）传热，其中因太阳辐射产生的热量远比因温差产生的热量大2。根据窗的传热系数计算公式K=1/（1/ai+Rw+1/ae），内表面换热系数ai，冬季和夏季为同样取值8.7（W/m2K）2。现假设以窗体本身传热阻Fw=1/6.4带入以上公式，分别带入冬季和夏季外表面换热系数ae计算，则可得出冬季窗的传热系数K冬=3.2；夏季窗的传热系数K夏=3.1，由此可见窗的传热系数K值冬季与夏季是不一样的。按美国ASHRAE标准条件计算窗的传热系数U值（即K值：冬季夜间Uw值是在室外温度-18，室内温度21，风速为24kph，无日光条件下计算；夏季白天Us值是在室外温度32，室内温度24，日光强度为789W/T，风速为12kph条件下计算。5mm透明浮法玻璃Uw值6.25，Us值5.85；6mm透明浮法玻璃Uw值6.19，Us值5.85。六、建筑外窗隔热性能指标夏季空调建筑中，通过窗户进入室内的热量包括室内外温差得热和太阳辐射得热两部分，由于夏季时室内、外平均计算温差通常仅6左右，因此，通过窗户的温差得热所占比例较小；而通过向阳面窗户特别是东、西向窗户的太阳辐射得热是窗的总得热的主要部分，是构成空调负荷的主体。空调建筑中窗户的隔热功能就在于减少窗户的太阳辐射得热和室内外温差得热3。因此，应将窗玻璃的遮阳系数（实际透过窗玻璃的太阳辐射得热与透过透明窗玻璃的太阳辐射得热之比值）和窗户的夏季传热系数K作为窗户的隔热性能指标。显然，遮阳系数和传热系数愈小，则窗户的隔热性能愈好，反之亦然。目前，我国尚未有建筑外窗隔热性能标准和外窗夏季传热系数的试验实测数据；旅馆空调节能标准规定“非严寒地区，外窗玻璃的遮阳系数应小于0.60，或采取外遮阳措施” ；其它有关标准尚未有我国南方地区外窗玻璃遮阳系数值的具体规定。但窗玻璃的生产厂家一般在产品说明书中给出玻璃的遮阳系数，如深圳南玻集团给出的数据：6mm单片透明玻璃遮阳系数Sc=0.99；6+12A+6透明中空玻璃Sc=0.87；6mm单片热反射CTS240绿色镀膜玻璃Sc=0.45；6mmCTS240+12+6mm热反射中空玻璃Sc=0.31。七、建筑外窗隔热节能措施建筑节能的原则，应考虑尽可能利用自然条件，采用最小的技术手段和投入，在保证获得适宜的室内热环境的前提下，得到最大的节能降耗效果。1.确定适宜的室内空调温度国家标准采暖通风与空气调节设计规范GBJ19-87（以下简称采暖空调规范）规定的舒适性空气调节设计计算参数为：温度2428，相对湿度4065%，风速不大于0.3m/s。调查测试表明，许多人都以为，夏季室内温度定得越低越好，将室内设计状态点选定在规定范围的高标准侧24，结果导致夏季室内过冷，要穿外套。实际上，这并不符合华南地区的气候特点和人们对地方气候的适应能力及生活习惯。根据多年考察测定，当辐射温度27.829.7、相对湿度8490%、气流速度0.050.2m/s、人体皮肤温度29.732.0时，而室内温度2729是感到舒适的。因而认为：2829是舒适温度，3032是人体可忍受的温度，33以上是人体感到过热的温度。温度每提高1，可减少空调器用电量510%，空调房间温度标准提高23可节省大量电能。而且可防止目前华南地区人们从空调房到室外由于相对温差过大引起冷伤风等症状的“空调病”。2.窗户遮阳空调建筑中，窗的遮阳是不可少的，它对防止因太阳直射室内，避免室内过热，减少空调机冷负荷效果很大。外遮阳效果最好。根据对广州西向房间的试验观测资料4，在闭窗情况下，有无遮阳，室温最大差值达2，平均差值达1.4；在开窗情况下，有无遮阳，室温最大差值达1.2，平均差值为1。室外遮阳可比单层玻璃窗的透过能量下降88%。夏热冬暖地区应采用活动式遮阳。对广州地区主要考虑东、西向窗的活动结构的挡板式遮阳，南向窗户上部的水平遮阳板实际上主要是作了窗口防雨构件，试验实测证明5，夏季水平遮阳板的伸出长度对室温没有什么影响，而在冬季遮阳板会使室内热环境变差，因此，对广州地区可以不用水平遮阳板。窗内遮阳最方便。室外的活动式遮阳设施由于易受风雨损坏、安装和维修较困难等缺点，所以，一般情况下，最方便和最经济有效的方法是采用室内悬挂浅色窗帘，可隔离40%左右的太阳辐射热。表16给出了几种隔热窗帘的“遮阳系数”。3.采用隔热节能玻璃通过建筑外窗的热量中，占窗面积80%左右的玻璃得热是第一位，其次是窗缝隙空气渗透传热，而窗框所传热量占第三位。因此，使用既隔热又隔声的采光玻璃是提高窗户热学、声学和光学性能的关键。（1）热反射镀膜玻璃：又称阳光控制镀膜玻璃，能透过可见光，而又能将4080%的太阳辐射热阻隔在室外，同时减少眩光和色散，使外观显现不同的色彩，还具有单向透视性，装饰效果好。其隔热反射性能用遮阳系数表示，遮阳系数越小，镀膜的性能越好。但是，单片热反射镀膜玻璃仅降低了玻璃的遮阳系数，对传热系数影响不到，隔声效果也无影响，但可见光透过率有所下降。表1 室内遮阳设施的遮阳系数 （2）中空玻璃：由2片（或3片）玻璃与空气间层组合而成，空气间层中充入干燥气体或惰性气体。普通透明中空玻璃的特点，是其传热系数比单层玻璃降低一半，保温性能好；隔声量比单玻提高5dB，可达3040dB，隔声性能好；但其遮阳系数降低很小，对太阳辐射热的隔热反射性改善不大。（3）热反射中空玻璃：将热反射镀膜玻璃与普通透明玻璃合成中空玻璃，集热反射镀膜玻璃与中空玻璃的两种优点与一身，传热系数和遮阳系数都降低，而隔声量高，保温、隔热、隔声综合性能优良。（4）低辐射（Low-E）镀膜中空玻璃：Low-E玻璃是一种含有超薄银层的真空镀膜玻璃，只能中空后使用。具有极低的表面辐射率（E0.15）和极高的远红外线（热辐射）反射率，可见光透过率适中（3075%）的特性。它吸收和二次辐射出的热量少；对太阳光中的红外线热辐射有较高的反射率；能有效地阻止室外汽车、道路及建筑物发出的远红外线热辐射进入室内。采用适于南方地区使用的遮阳系数低的Low-E玻璃做成中空玻璃，又具有很好的遮阳和阻隔温差热传导效果，而冬季亦能保持室内热量改善室内舒适度。采光、隔热、保温综合节能效果好的Low-E中空玻璃是目前世界上最理想的窗玻璃材料。几种常用窗玻璃的性能参数见表2。4.提高窗框隔热性能铝合金窗框的冬季传热系数约为PVC塑料窗框的1.5倍，并不等同于铝合金型材与PVC塑料型材材料导热系数之比的1250倍。无隔热的铝型材传热系数K为6.0（W/m2K）左右，而采用隔热条的铝型材传热系数K值可降到1.83.5（W/m2K）。铝合金型材对紫外线、可见光、红外线有很好的反射能力，其表面的反射能力与表面状态和颜色有关，对热辐射的反射能力最高可达90%，这对于阻隔太阳辐射热是很有利的。表2 窗玻璃的传热系数、遮阳系数与隔声量注：表2中K值为冬季传热系数，作为夏季传热系数参考铝合金隐框玻璃窗是很好的隔热节能窗。采用这种铝合金隐框玻璃幕墙结构上用的隐框窗，太阳光不能直接照射在铝合金窗框架上，玻璃与铝型材之间起结构性粘接作用的固化后的有机硅酮橡胶，自然成为玻璃与铝合金之间的断热桥，其导热系数低于硬质PVC塑料型材。高强度、高弹性模量、抗臭氧和紫外线、耐热、非燃烧性的硅酮结构胶，是理想的建筑外窗绝热材料。采用单层热反射镀膜玻璃的铝合金隐框玻璃窗就具有较好的隔热性能，这已经得到证实。国内已有专门的隐框推拉铝合金窗产品推出。5.确保窗的负压气密性目前，我国的建筑外窗气密性能分级及检测，是按窗的室外压力大于室内压力10Pa下的空气渗透量qo评定与检测的，即是“正压气密性”。而空调通风制冷房间中，通常是保持室内正压（50Pa），即室内压力大于室外压力，这对外窗要求的就是“负压气密性”。这样，目前我国使用最多的外开式平开窗和一些外侧单向密封的推拉窗型，即“正压气密性”的窗型，就不一定能满足空调建筑外窗“负压气密性”的要求。正在修订的国家标准GB7107建筑外窗空气渗透性能分级及检测方法（修改稿）已经增加了“检测负压差下空气渗透率”的内容。因此，双向密封的推拉窗型和内开式平开窗型，对防止夏季空调房间的空气渗透能量损失会更有利。6.适当考虑窗的通风换气和散热夏热冬暖地区的建筑围护结构，要求白天隔热好，晚上散热快，以利于降低冷负荷。特别是许多白天使用的办公楼、学校、商业建筑等间歇使用空空调的公共建筑，晚上人走之后又要关窗，所以窗户的隔热密性要求太高也没必要。而且 在我国目前建筑物内尚未能普遍设置机械换气设备如微量通风器等的条件下，还要靠可调节换气、能开启的外窗等自然通风手段来改善室内空气质量。旅馆空调节能标准对占全国旅游馆总数70%的四级旅游旅馆规定，其空调房间的空调设施，可不设新风供给系统，可采取设置开启的外窗等自然通风措施。所以，夏热冬暖地区建筑外窗的窗墙面积比（南向）和窗的可开扇比例大一些，有利于充分利用窗及其缝隙的自然通风和晚间散热作用，处理好隔热和散热的矛盾。7.满足采光要求，确保建筑照明节能建筑使用能耗中，照明能耗为2030%，是占第二位的。因此，在考虑窗的隔热节能时，要满足窗的采光要求。否则，如果窗洞面积较小、窗杠遮光面积大，玻璃的可光透射率太低，自然采光不足，造成白天都要开灯，这就增加了照明能耗，而照明放热又造成室内得热，从而又加大了空调冷负荷，增加了空调能耗。塑料窗的粗大框架遮光，不少塑料窗的窗框窗洞面积比高达40%左右。洞品、窗型相同时，塑料窗比铝合金窗的采光系数小11%左右，采光性能和视野效果较差。八、围护结构及外窗隔热设计标准热工规范规定，围护结构隔热设计标准是：在房间自然通风情况下，建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度，应不高于当地夏季室内计算最高值即：0i.maxte.max，实际上就是要求大体上达到24砖墙的隔热水平。（24砖墙的传热系数K为2.43.2W/m2.K；广州夏季室外计算温度最高值为35.6，低于夏热冬冷地区的城市如：南京37.1，武汉36.9，重庆38.9，长沙37.9）采暖空调规范规定，舒适性空气调节房间围护结束构最大传热系数K；屋盖1.0；外墙1.5。旅馆空调节能蒜准规定“外窗玻璃的遮阳系数。非严寒地区应小于0.60，或采取外遮阳措施”，并规定了法定采暖地区的保温性能棗冬季传热系数，尚未有对其它地区夏季传热系数的具体规定。因此可见，目前我国有关的标准规范尚无空调建筑外窗隔热设计标准棗窗的夏季传热系数的规定。文献（6）作星通过对国内已有工程的调查研究并总结国外建筑的情况，认为在现阶段，高层民用建筑夏季“外墙的传热系数不宜大于0.9；屋面不宜大于0.65；外窗必须采用密封性能良好的双层中空玻璃，其平均传热系数不宜大于3.5”。按外窗夏委传热系数3.5（W/m2.K）的要求，单层玻璃的铝合金窗和塑料窗都达不到；采用中空玻璃的单框铝合金窗，以其可达到的科季传热系数3.53.9（W/m2.K）参考，应可以符合该要求；而隔热型铝合金中空玻璃窗和单框中空玻璃塑料窗的冬季传热系数均在3.0（W/m2.K）以下，已达到24砖墙2.43.2（W/m2.K）的隔热水平。九、建筑外窗节能指标笔者认为，夏热冬暖地区空调建筑外窗节能指标应是综合性的指标；窗的夏季传热系数，窗玻璃的遮阳系数（或窗内、窗外遮阳系数），空气渗透性能（包括负压下指标），采光性能。从广义的节能意义考虑，窗的抗风压和水密性能也就应是节能指标，如果窗户和室内设施因台风和暴雨遭到破坏和损坏，则需维修和重新更换窗及室内设施所消耗的能源和资源亦是造成不必要的能源浪费。十、建筑外窗的选择建筑外窗是实现建筑外围护结构综合功能的重要构件，应按不同地区建筑气候，以窗的综合性能指标为准，考虑整窗的、长期的、技术与经济的综合效果。根据夏热冬暖地区的建筑气候特点，建筑外窗首先要满足抗风压强度和雨水密封性能，确保基本的安全性，还必须考虑防雷、防火安全性，其次是采光、隔热、节能和隔声性，抗日晒、耐腐蚀及色彩装饰效果的耐久性，清洗和维修更换的方便性与安全性（特别是高层建筑），产品的经济性，总之，从窗的立面分格、开启方式、玻璃与框格的质感色彩，到窗的物理性能，要符合适用、安全、美观、耐久、经济的综合要求。鉴于夏热科暖地区高风压、多暴雨、太阳辐射强烈的特点，抗风压强度和雨水密封性能较低、有日晒老化现象的PVC塑料窗，不适宜本地区建筑外窗使用，特别是高层建筑；因为含氯的PVC塑料火灾作用下会放出有毒气体，不适用于公寓式住宅和公共建筑。而且，不导电的PVC塑料窗不能解决高层建筑防侧雷击的问题。这些就是为什么塑料窗在广东以至整个华南地区推不开的根本原因，而其产品价格比铝窗贵的原因则在其次。适合夏热冬暖地区气候特点的建筑外窗是铝合金窗。铝窗与塑料窗相比不足之处，是窗框隔热性差和耐化学腐蚀性差及与其它金属间的电化学腐蚀问题；采用隔热铝型材和进行电泳涂漆、粉末喷涂及喷氟碳和丙烯酸漆等表面处理，就有效地克服了以上两个缺点，而其它方面的所有性能，铝合金窗都优于塑料窗。本地区冬天都要开窗通风换气，夏季窗户的改善室内热环境而又节能的主要问题在于隔强烈的太阳辐射热，这主要靠玻璃和室外、室内的有效遮阳来解决；窗的温差和缝隙传热是次要的。塑料窗框的温差传热阻大、冬季保温性能好的特点对本地区意义不大。十一、结束语1.空调建筑外窗夏季隔热与采暖建筑保温不同，前者主要是太阳辐射热，温差热和空气渗透传热是次要的；后者主要是温差传热和空气渗透传热（各占一半）。不能将窗的冬季保温性能指标棗冬季传热系数等同于夏季传热系数，作为窗的夏季隔热性能指标。2.改善夏季室内热环境必须从建筑物总体防热即室外环境减热、围护结构隔热与散热、自然通风带走热、窗外遮阳挡住热等综合措施考虑、充分利用自然手段节能降耗。3.夏热冬暖地区必须充分满足夏季防热要求，可不考虑冬季保温，但也应考虑适当的冬季太阳的热和采光，保持一定的冬季室内热、光环境、考虑全面节能效果。4.夏热冬暖地区夏季防热，特别