武汉地区窗体类型的节能探讨

2012-09-11屈万英QuWanyingChengWei李晚珍LiWanzhen

住宅科技 2012年9期

■ 屈万英 Qu Wanying 程唯 Cheng Wei李晚珍 Li Wanzhen

窗户是建筑围护结构中重要的组成部分，是建筑室内外交流的主要渠道,是建筑围护结构中热工性能的最薄弱环节。近些年武汉地区住宅建设有很大的发展，居住建筑的外窗也在近几十年间发生了一系列变化,形成了多种窗型、多种窗材并存的局面。

1 窗体类型及使用现状

1.1 窗型分类

窗体类型很多，有固定窗、平开窗、上悬窗、中悬窗、下悬窗、立转窗、推拉窗、百页窗 (图1)。在欧洲多以平开窗(图1 b)为主体,特点是利于室内换气又不直接进风、进雨水。北美则流行一种上下提拉窗(图1 g)，开启面积占窗的1/2，窗台高度900，下扇上提时有800～900的通风高度，恰好是人体活动高度。我国建筑中目前广泛采用的窗型有固定窗、平开窗、上悬窗、中悬窗、推拉窗、百页窗。

由于平开窗具有窗扇可以全部打开，使用面积大于推拉窗，并且向外的窗扇还能引导空气进入室内，形成良好的空气循环，同时当窗扇关闭后与窗框密闭性良好等优点，更容易实现通风、节能、美观的统一。平开窗的缺点是窗幅小，视野不开阔。外开窗开启要占用墙外的一块空间，刮大风时易受损；而内开窗要占去室内的部分空间，开窗时使用纱窗、窗帘等也不方便，当质量不过关时，还可能渗雨。

图1 窗体类型

推拉窗是日本最早期一种推拉门窗发展而来，推拉窗是两个窗扇在窗框上下滑轨中，利用窗扇左右滑动开启和关闭，开窗面积为窗框的一半。推拉窗的优点是美观，简洁、视野开阔，采光率高，擦洗方便，使用灵活，安全可靠，使用寿命长，占用空间少，安装纱窗方便等。目前采用最多的就是推拉窗。但其缺点是两扇窗户不能同时打开，最多只能打开一半，通风性相对差一些；密封材料的原因导致密封性也稍差。

固定窗是窗框嵌在墙体内，玻璃直接安在窗框上，玻璃和窗框的接缝用密封胶，把玻璃和窗框接触的四边密封。

悬窗是窗扇绕水平轴转动的窗，水平轴可设在上部、中部或下部，分别称为上悬窗、中悬窗和下悬窗。上悬窗和中悬窗用于外窗时，通风和防雨效果较好。大量的应用于城市的商住楼、写字楼、高档住宅、别墅等中高档建筑。

立转窗是指窗扇绕垂直轴转动的窗，可按通风需要调整旋转角度。

百页窗是指安装有百页的窗户，百页窗一般相对较宽，主要用于室内室外遮阳、通风。现在所见到的百页幕墙也是从百页窗进化而来，一般用于高楼建筑。

1.2 使用现状

武汉地区现在使用最多的窗型为平开窗和推拉窗。

平开窗因其分格的灵活性比较大，可以将其做出任何线条的立面效果，且对于大分格的落地窗而言，开启扇只占整窗的很小一部分，故其较适用于对建筑物整体效果要求较严密的高档楼盘，特别符合建筑师所追求的大分格、宽敞明亮、通透效果好、外观协调流畅的建筑。目前，在武汉的商业建筑、别墅类的建筑中采用平开窗。

推拉窗因其开扇位只能是水平推拉，故而难以与大分格的固定玻璃相匹配，一般都较适合于横竖线条较为分明的开业厂房或乡村家庭建筑。在武汉新建的大量住宅中均采用了推拉窗。

2 武汉地区的窗体设计

2.1 武汉气候特征

武汉初夏是从每年的五月中旬开始，暑期进入盛夏，盛夏最高气温大部分时候在37～39℃，比有些城市要低，但是最低气温比较高，一般在29～30℃。由于武汉水系发达，经过白天的水气蒸发，导致空气湿度大，所以给人很不舒服闷热的感觉。到了九月，气温也可能达到38℃左右，但是最低气温不是很高，十月之后进入初秋，气温会逐渐下降，平均气温在20～25℃，天气干燥，有时候气温也会异常，达到接近或超过30℃。从秋天步入冬天往往很快，只要有冷空气南下，气温下降十分厉害，超过10℃的降温很常见，从12月底到来年2月是冬季，冬季的平均气温一般在1～3℃，天气好时可以达到7～8℃，但是有寒潮或雨雪时常常在0℃以下。武汉大部分家庭没有安装暖气，因此冬季家中觉得比较阴冷。三月后进入初春，气温回升很快，最高气温可以到达20℃，但是低温还是比较低，三月到四月一般会出现倒春寒——常常一夜之间气温下降15～20℃，大雪纷飞。

总体来说，武汉市气候特点是夏热冬冷,夏季高温干旱,夜间闷热无风,“热岛效应”突出；冬季日照少,湿度大,“冷湖效应”显著。根据武汉市近10年的气象资料统计：全年最热月(8月)日平均温度为33.1℃,最冷月(1月)日平均温度为4.1℃[1]。

2.2 窗体设计的特殊性

武汉夏季太阳辐射强烈，气温较高，而国内外大量的调查和测试表明[2]：太阳辐射热通过窗户直接进入室内是这类地区夏季室内过热的主要原因。日本的一组数据表明夏天进入室内的热量53%来自窗户等开口部、28%来自换气、9%来自屋顶。因此应将提高窗户的热工性能和遮阳能力，作为夏季防热、降低空调能耗的一项重要措施。

武汉春秋时间较短，气候较为舒服，此时应注意通风。

冬季阴冷，对于窗体来说，首先阻隔窗户的传热、减少冷空气渗透，同时争取更多的太阳辐射热进入室内，使室内温度升高，有利于改善冬季居室热环境，降低采暖能耗(图2)。

图2 武汉地区窗户功能与季节的相互关系

3 武汉地区窗体节能

3.1 节能原理

统计表明，建筑物外围护结构中，窗户的面积约占20%，是建筑物热交换最活跃、最敏感的部位。

窗户中的热量流失(交换)分为热量的对流、传导和辐射,这3种方式符合一切热量的交换。对流是在门窗空隙间热冷气流的循环流动，导致气体产生对流带动热量的交换，热空气及冷空气间的对流，产生热量流失。热传导是由分子运动而进行的热量传递，通过物体本身的一个面把热量传导至另一个相对的面。辐射传热是能量以红外线直接传递。不论什么材料制成的窗，如能对上述3种热交换最有效地阻断和利用，才能称为最好的节能窗。

同时，在建筑物的使用能耗中照明能耗为20%～30%，占第二位。

如何减少热量的流失，减少能量的浪费，要从3个主要方面考虑，如何达到减少热量(或冷气)的流失，才能真正起到节能的作用：①首先要从窗的结构设计考虑，由于窗体结构不同，窗型不同，对节能起着最为重要的作用；②窗体散热面大面积是玻璃，玻璃占不同类型窗面积的70%～90%，节能玻璃是关键，平板玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃、LOW--E 玻璃，LOW--E 中空玻璃都有节能效果，只是节能程度大小不同而已。白玻璃只是透光性能好，能把太阳光直接照射在房间内；③最后才是窗框材料的节能[3]。

3.2 武汉地区窗体节能办法

针对武汉地区特殊的气候条件，冬季减少能耗的办法：①利用太阳的红外辐射加热室内空气温度、紫外线辐射杀菌消毒，可见光提供采光(图3)，减少照明能耗；②通过提高窗体结构与墙体之间、玻璃与窗框之间的密封性能，减少热量的对流，减少能耗损失；③通过改善窗框和玻璃的传热系数，减少热量由室内传导到室外。

图3 光线的波长与辐射能力

夏季减少能耗的办法：①利用遮阳措施减少太阳的红外辐射，利用具有低发射率敷层的玻璃避免大量的太阳辐射得热，改善玻璃和窗框的传热性能，确保良好的隔热；②通过提高窗体结构与墙体之间、玻璃与窗框之间的密封性能，减少热空气渗透，从而减少空调能耗；③同时利用太阳的可见光采光，减少照明能耗。

4个基本途径影响武汉地区建筑物耗能,分别是热传递、太阳得热、空气渗透及日照。对窗户的精心设计能够使建筑物耗能减少，一般考虑：①一年四季均应利用日光来减少照明耗能；②利用被动太阳得热和增加窗体保温减少冬季采暖耗能；③利用具有低发射率敷层的玻璃和适度的遮阳避免夏季过量的太阳辐射得热，其中中空低辐射玻璃就是最好的选择种类；④确保良好隔热及低空气渗透[4]。

4 武汉地区不同窗型节能效果对比分析

固定窗，只要密封胶密封得严密，均有良好的水密性和气密性，空气很难通过密封胶形成对流，因此对流热损失极少，玻璃和窗框的热传导是主要损失的源泉。对大面积玻璃和少量窗框型材，在材料和形式上采取有效措施，可以大大提高节能效果。从结构上讲，固定窗是节能效果最理想的窗型。固定窗的缺点是无法通风通气，所以可在固定窗上装小型上翻下翻窗，或在大的固定窗一侧安装小的平开窗，专门作为定时放风通气使用。

推拉窗，在窗体内侧虽有毛条加以密封，但在两个窗扇上面空隙和窗扇下面左右两滑轮间仍有空隙。如在冬天热气从窗扇上面空隙外流，冷气从窗扇下面空隙流入，夏天则反之。不论是铝和金或塑钢材料制成的推拉窗，其节能性能都不理想。推拉窗不论用什么玻璃，什么窗框，其热能对流的损失远远超过窗框和扇框型的热传导和辐射损失，也远远超过玻璃对室内热量热辐射和热传导损失，所以推拉窗的窗型结构就决定了它不是真正理想的节能窗。

平开窗分内外平开窗，是我国传统使用的一种窗型。正规的铝合金平开窗，其窗扇和窗扇间、窗扇和窗扇框间，一般均应用良好的橡胶做密封压条。在窗扇关闭后，密封橡胶压条压得很紧，密封性能很好，很少有空隙，良好的密封条既便有空隙也是微乎其微的，很难形成对流，这种窗型的热量流失主要是玻璃和窗框窗扇型材的热传导和辐射，如果能很好地解决上述玻璃和型材的热传导，平开窗的节能性能会得到有利的保证。

上悬窗在高档的写字楼、别墅、公寓等建筑也逐渐使用，具有良好的通风性能，同时排除了雨水进入室内的可能性。窗扇四周布置的联动五金件和执手在室内操作的各种功能，关闭时窗扇的四周都固定在窗框上，因此安全性和防盗性能极好。通过窗扇周围多点锁闭，保证了门窗的密封、保温效果。

从窗型结构上讲，平开窗和上悬窗是节能较为理想而且使用很方便的窗户类型，节能较差的为推拉窗。