武漢地區(qū)窗體類型的節(jié)能探討

■ 屈萬英 Qu Wanying 程 唯 Cheng Wei李晚珍 Li Wanzhen

窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，是建筑室內(nèi)外交流的主要渠道,是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能的最薄弱環(huán)節(jié)。近些年武漢地區(qū)住宅建設(shè)有很大的發(fā)展，居住建筑的外窗也在近幾十年間發(fā)生了一系列變化,形成了多種窗型、多種窗材并存的局面。

1 窗體類型及使用現(xiàn)狀

1.1 窗型分類

窗體類型很多，有固定窗、平開窗、上懸窗、中懸窗、下懸窗、立轉(zhuǎn)窗、推拉窗、百頁窗 (圖1)。在歐洲多以平開窗(圖1 b)為主體,特點(diǎn)是利于室內(nèi)換氣又不直接進(jìn)風(fēng)、進(jìn)雨水。北美則流行一種上下提拉窗(圖1 g)，開啟面積占窗的1/2，窗臺(tái)高度900，下扇上提時(shí)有800～900的通風(fēng)高度，恰好是人體活動(dòng)高度。我國建筑中目前廣泛采用的窗型有固定窗、平開窗、上懸窗、中懸窗、推拉窗、百頁窗。

由于平開窗具有窗扇可以全部打開，使用面積大于推拉窗，并且向外的窗扇還能引導(dǎo)空氣進(jìn)入室內(nèi)，形成良好的空氣循環(huán)，同時(shí)當(dāng)窗扇關(guān)閉后與窗框密閉性良好等優(yōu)點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、節(jié)能、美觀的統(tǒng)一。平開窗的缺點(diǎn)是窗幅小，視野不開闊。外開窗開啟要占用墻外的一塊空間，刮大風(fēng)時(shí)易受損；而內(nèi)開窗要占去室內(nèi)的部分空間，開窗時(shí)使用紗窗、窗簾等也不方便，當(dāng)質(zhì)量不過關(guān)時(shí)，還可能滲雨。

圖1 窗體類型

推拉窗是日本最早期一種推拉門窗發(fā)展而來，推拉窗是兩個(gè)窗扇在窗框上下滑軌中，利用窗扇左右滑動(dòng)開啟和關(guān)閉，開窗面積為窗框的一半。推拉窗的優(yōu)點(diǎn)是美觀，簡潔、視野開闊，采光率高，擦洗方便，使用靈活，安全可靠，使用壽命長，占用空間少，安裝紗窗方便等。目前采用最多的就是推拉窗。但其缺點(diǎn)是兩扇窗戶不能同時(shí)打開，最多只能打開一半，通風(fēng)性相對差一些；密封材料的原因?qū)е旅芊庑砸采圆睢?/p>

固定窗是窗框嵌在墻體內(nèi)，玻璃直接安在窗框上，玻璃和窗框的接縫用密封膠，把玻璃和窗框接觸的四邊密封。

懸窗是窗扇繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的窗，水平軸可設(shè)在上部、中部或下部，分別稱為上懸窗、中懸窗和下懸窗。上懸窗和中懸窗用于外窗時(shí)，通風(fēng)和防雨效果較好。大量的應(yīng)用于城市的商住樓、寫字樓、高檔住宅、別墅等中高檔建筑。

立轉(zhuǎn)窗是指窗扇繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的窗，可按通風(fēng)需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。

百頁窗是指安裝有百頁的窗戶，百頁窗一般相對較寬，主要用于室內(nèi)室外遮陽、通風(fēng)。現(xiàn)在所見到的百頁幕墻也是從百頁窗進(jìn)化而來，一般用于高樓建筑。

1.2 使用現(xiàn)狀

武漢地區(qū)現(xiàn)在使用最多的窗型為平開窗和推拉窗。

平開窗因其分格的靈活性比較大，可以將其做出任何線條的立面效果，且對于大分格的落地窗而言，開啟扇只占整窗的很小一部分，故其較適用于對建筑物整體效果要求較嚴(yán)密的高檔樓盤，特別符合建筑師所追求的大分格、寬敞明亮、通透效果好、外觀協(xié)調(diào)流暢的建筑。目前，在武漢的商業(yè)建筑、別墅類的建筑中采用平開窗。

推拉窗因其開扇位只能是水平推拉，故而難以與大分格的固定玻璃相匹配，一般都較適合于橫豎線條較為分明的開業(yè)廠房或鄉(xiāng)村家庭建筑。在武漢新建的大量住宅中均采用了推拉窗。

2 武漢地區(qū)的窗體設(shè)計(jì)

2.1 武漢氣候特征

武漢初夏是從每年的五月中旬開始，暑期進(jìn)入盛夏，盛夏最高氣溫大部分時(shí)候在37～39℃，比有些城市要低，但是最低氣溫比較高，一般在29～30℃。由于武漢水系發(fā)達(dá)，經(jīng)過白天的水氣蒸發(fā)，導(dǎo)致空氣濕度大，所以給人很不舒服悶熱的感覺。到了九月，氣溫也可能達(dá)到38℃左右，但是最低氣溫不是很高，十月之后進(jìn)入初秋，氣溫會(huì)逐漸下降，平均氣溫在20～25℃，天氣干燥，有時(shí)候氣溫也會(huì)異常，達(dá)到接近或超過30℃。從秋天步入冬天往往很快，只要有冷空氣南下，氣溫下降十分厲害，超過10℃的降溫很常見，從12月底到來年2月是冬季，冬季的平均氣溫一般在1～3℃，天氣好時(shí)可以達(dá)到7～8℃，但是有寒潮或雨雪時(shí)常常在0℃以下。武漢大部分家庭沒有安裝暖氣，因此冬季家中覺得比較陰冷。三月后進(jìn)入初春，氣溫回升很快，最高氣溫可以到達(dá)20℃，但是低溫還是比較低，三月到四月一般會(huì)出現(xiàn)倒春寒——常常一夜之間氣溫下降15～20℃，大雪紛飛。

總體來說，武漢市氣候特點(diǎn)是夏熱冬冷,夏季高溫干旱,夜間悶熱無風(fēng),“熱島效應(yīng)”突出；冬季日照少,濕度大,“冷湖效應(yīng)”顯著。根據(jù)武漢市近10年的氣象資料統(tǒng)計(jì)：全年最熱月(8月)日平均溫度為33.1℃,最冷月(1月)日平均溫度為4.1℃[1]。

2.2 窗體設(shè)計(jì)的特殊性

武漢夏季太陽輻射強(qiáng)烈，氣溫較高，而國內(nèi)外大量的調(diào)查和測試表明[2]：太陽輻射熱通過窗戶直接進(jìn)入室內(nèi)是這類地區(qū)夏季室內(nèi)過熱的主要原因。日本的一組數(shù)據(jù)表明夏天進(jìn)入室內(nèi)的熱量53%來自窗戶等開口部、28%來自換氣、9%來自屋頂。因此應(yīng)將提高窗戶的熱工性能和遮陽能力，作為夏季防熱、降低空調(diào)能耗的一項(xiàng)重要措施。

武漢春秋時(shí)間較短，氣候較為舒服，此時(shí)應(yīng)注意通風(fēng)。

冬季陰冷，對于窗體來說，首先阻隔窗戶的傳熱、減少冷空氣滲透，同時(shí)爭取更多的太陽輻射熱進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高，有利于改善冬季居室熱環(huán)境，降低采暖能耗(圖2)。

圖2 武漢地區(qū)窗戶功能與季節(jié)的相互關(guān)系

3 武漢地區(qū)窗體節(jié)能

3.1 節(jié)能原理

統(tǒng)計(jì)表明，建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，窗戶的面積約占20%，是建筑物熱交換最活躍、最敏感的部位。

窗戶中的熱量流失(交換)分為熱量的對流、傳導(dǎo)和輻射,這3種方式符合一切熱量的交換。對流是在門窗空隙間熱冷氣流的循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)致氣體產(chǎn)生對流帶動(dòng)熱量的交換，熱空氣及冷空氣間的對流，產(chǎn)生熱量流失。熱傳導(dǎo)是由分子運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞，通過物體本身的一個(gè)面把熱量傳導(dǎo)至另一個(gè)相對的面。輻射傳熱是能量以紅外線直接傳遞。不論什么材料制成的窗，如能對上述3種熱交換最有效地阻斷和利用，才能稱為最好的節(jié)能窗。

同時(shí)，在建筑物的使用能耗中照明能耗為20%～30%，占第二位。

如何減少熱量的流失，減少能量的浪費(fèi)，要從3個(gè)主要方面考慮，如何達(dá)到減少熱量(或冷氣)的流失，才能真正起到節(jié)能的作用：①首先要從窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，由于窗體結(jié)構(gòu)不同，窗型不同，對節(jié)能起著最為重要的作用；②窗體散熱面大面積是玻璃，玻璃占不同類型窗面積的70%～90%，節(jié)能玻璃是關(guān)鍵，平板玻璃、中空玻璃、鍍膜玻璃、LOW--E 玻璃，LOW--E 中空玻璃都有節(jié)能效果，只是節(jié)能程度大小不同而已。白玻璃只是透光性能好，能把太陽光直接照射在房間內(nèi)；③最后才是窗框材料的節(jié)能[3]。

3.2 武漢地區(qū)窗體節(jié)能辦法

針對武漢地區(qū)特殊的氣候條件，冬季減少能耗的辦法：①利用太陽的紅外輻射加熱室內(nèi)空氣溫度、紫外線輻射殺菌消毒，可見光提供采光(圖3)，減少照明能耗；②通過提高窗體結(jié)構(gòu)與墻體之間、玻璃與窗框之間的密封性能，減少熱量的對流，減少能耗損失；③通過改善窗框和玻璃的傳熱系數(shù)，減少熱量由室內(nèi)傳導(dǎo)到室外。

圖3 光線的波長與輻射能力

夏季減少能耗的辦法：①利用遮陽措施減少太陽的紅外輻射，利用具有低發(fā)射率敷層的玻璃避免大量的太陽輻射得熱，改善玻璃和窗框的傳熱性能，確保良好的隔熱；②通過提高窗體結(jié)構(gòu)與墻體之間、玻璃與窗框之間的密封性能，減少熱空氣滲透，從而減少空調(diào)能耗；③同時(shí)利用太陽的可見光采光，減少照明能耗。

4個(gè)基本途徑影響武漢地區(qū)建筑物耗能,分別是熱傳遞、太陽得熱、空氣滲透及日照。對窗戶的精心設(shè)計(jì)能夠使建筑物耗能減少，一般考慮：①一年四季均應(yīng)利用日光來減少照明耗能；②利用被動(dòng)太陽得熱和增加窗體保溫減少冬季采暖耗能；③利用具有低發(fā)射率敷層的玻璃和適度的遮陽避免夏季過量的太陽輻射得熱，其中中空低輻射玻璃就是最好的選擇種類；④確保良好隔熱及低空氣滲透[4]。

4 武漢地區(qū)不同窗型節(jié)能效果對比分析

固定窗，只要密封膠密封得嚴(yán)密，均有良好的水密性和氣密性，空氣很難通過密封膠形成對流，因此對流熱損失極少，玻璃和窗框的熱傳導(dǎo)是主要損失的源泉。對大面積玻璃和少量窗框型材，在材料和形式上采取有效措施，可以大大提高節(jié)能效果。從結(jié)構(gòu)上講，固定窗是節(jié)能效果最理想的窗型。固定窗的缺點(diǎn)是無法通風(fēng)通氣，所以可在固定窗上裝小型上翻下翻窗，或在大的固定窗一側(cè)安裝小的平開窗，專門作為定時(shí)放風(fēng)通氣使用。

推拉窗，在窗體內(nèi)側(cè)雖有毛條加以密封，但在兩個(gè)窗扇上面空隙和窗扇下面左右兩滑輪間仍有空隙。如在冬天熱氣從窗扇上面空隙外流，冷氣從窗扇下面空隙流入，夏天則反之。不論是鋁和金或塑鋼材料制成的推拉窗，其節(jié)能性能都不理想。推拉窗不論用什么玻璃，什么窗框，其熱能對流的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過窗框和扇框型的熱傳導(dǎo)和輻射損失，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玻璃對室內(nèi)熱量熱輻射和熱傳導(dǎo)損失，所以推拉窗的窗型結(jié)構(gòu)就決定了它不是真正理想的節(jié)能窗。

平開窗分內(nèi)外平開窗，是我國傳統(tǒng)使用的一種窗型。正規(guī)的鋁合金平開窗，其窗扇和窗扇間、窗扇和窗扇框間，一般均應(yīng)用良好的橡膠做密封壓條。在窗扇關(guān)閉后，密封橡膠壓條壓得很緊，密封性能很好，很少有空隙，良好的密封條既便有空隙也是微乎其微的，很難形成對流，這種窗型的熱量流失主要是玻璃和窗框窗扇型材的熱傳導(dǎo)和輻射，如果能很好地解決上述玻璃和型材的熱傳導(dǎo)，平開窗的節(jié)能性能會(huì)得到有利的保證。

上懸窗在高檔的寫字樓、別墅、公寓等建筑也逐漸使用，具有良好的通風(fēng)性能，同時(shí)排除了雨水進(jìn)入室內(nèi)的可能性。窗扇四周布置的聯(lián)動(dòng)五金件和執(zhí)手在室內(nèi)操作的各種功能，關(guān)閉時(shí)窗扇的四周都固定在窗框上，因此安全性和防盜性能極好。通過窗扇周圍多點(diǎn)鎖閉，保證了門窗的密封、保溫效果。

從窗型結(jié)構(gòu)上講，平開窗和上懸窗是節(jié)能較為理想而且使用很方便的窗戶類型，節(jié)能較差的為推拉窗。

5 結(jié)語

隨著全球能源緊缺形勢的加劇，建筑節(jié)能的重要性會(huì)提到更為重要的高度，那么窗戶的節(jié)能顯得更為重要，窗型的選擇也將作為重點(diǎn)來加以考慮。隨著窗體技術(shù)的不斷發(fā)展，改進(jìn)的窗型或新型的窗型將不斷涌現(xiàn)，從而也將新技術(shù)不斷運(yùn)用到建筑節(jié)能中，達(dá)到改善室內(nèi)熱環(huán)境同時(shí)節(jié)約能源的目的。

[1]黃俊鵬，李崢嶸.建筑節(jié)能計(jì)算機(jī)評估體系研究[J].暖通空調(diào),2004,34(11)：31-32.

[2]付祥劍. 夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施[J].建筑節(jié)能(36)28.

[3]魏玲，何嘉鵬.南京地區(qū)冬季窗節(jié)能研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2002,23(3)：336-339.

[4]王建華，建筑外窗節(jié)能的問題與技術(shù)措施[J].工業(yè)建筑,2006,36(1)：9-13.