东北高寒地区乡村住宅建筑节能关键技术研究

阮志鹏，王子倩，沙扬皓，徐希，何芳芳

（合肥学院 城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

当前我国建筑能耗增长至10.6亿吨标准煤，占能源消耗比重21.81%，将成为全社会能源消耗的首要问题。建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾，有利于加快发展循环经济，实现经济社会的可持续发展，更能提高建筑技术水平，强力促进整个建筑业的发展。建筑能耗过高主要是由于采暖能量过高，其原因在于房屋的保温性能较差，这也是东北高寒地区在建筑节能方面的主要问题，研究和解决这一重要问题具有重要的现实意义和普遍意义。

2 东北高寒地区乡村住宅建筑能耗分析

能耗一词对于我们来说并不陌生，随着中国经济的快速发展，我国对能源的需求也越来越多。特别是对于高寒地区，由于气候的原因，所消耗的能源也相对的更多一些。虽然国家对节能这方面实行了相应的政策，但也面临诸多问题。比如一些大型公共建筑，开发商在追求利益最大化的同时，往往会忽略建筑节能问题，造成能源消耗的浪费，因此在今后的建筑节能方面还需要许多的探索。

东北高寒地区冬季寒冷且持续时间较长，夏季温热持续时间较短，可以说是四季分明。东北高寒地区因为能源消耗很大，所以是我国目前节能的重点对象。

门窗是建筑外围护结构的开口部位，连接屋内外的必要结构，可以满足人们自身对外界的需求，如自然通风、采光、保温隔热，同时也可以开阔视野。但同时它也造成了许多的能量损失。门窗的能耗占建筑围护结构能耗的25%，由于东北高寒地区特殊的地理环境，在窗户的设置多于其他地区，窗户方面的能耗也大于其他地区（见图1），因此增强门窗保温隔热性能，在改善室内环境质量的基础上，提高了建筑节能水平。建筑门窗在使用中的能耗主要通过以下几种途径，分别是通过空隙使得室外的空气进入室内和采光玻璃的辐射与传导所带来的能量损失。所以为了达到建筑节能，提高建筑门窗的保温性能是首要的，下面就从窗框几个方面来分析如何达到建筑节能。

图1 东北高寒地区乡村住宅建筑外窗立面图

3 窗框材料在东北高寒地区乡村住宅中的节能技术研究

3.1 窗框材料

目前市场上主要存在的窗框材质有木材、钢材、铝合金材质、塑料窗框和玻璃，不同的材质也有着不同的特性，从（见表1）可以看出，在保温性方面玻璃、塑料、木材较高，而钢材与铝合金材质偏低，故东北高寒地区乡村住宅建筑外窗应该选用高保温性的材质，以防止热量流失过快，从而达到建筑节能。在耐久性方面，钢材要高于木材与塑料。

常见窗框材质特性比较 表1

3.1.1 木质窗框

木质材料的窗框的优点是可以方面加工，制作出可以完全贴合的窗框，但是由于材料本身性质的原因，在防火和防腐方面有太大的局限性，并且价格比其他的窗框材料偏高，但是其装饰性与保温性也比较优异，所以从古至今一直被使用。

3.1.2 钢质窗框

钢质材料其优点是强度大，但也有许多的缺点，比如长时间可能会生锈褪色密封性差，导致隔音隔热功能性差，不容易加工。

3.1.3 铝合金窗框

铝合金门窗质轻，且可塑性强，可以多种形式加工，但其因为自身材料的性质，呈现热传导性快的特点，所以冬天的时候，保温性会很差，其隔音效果也相继不好（见图2）。

图2 铝合金材质窗框示意图

3.1.4 塑料窗框

塑料窗框是以PVC为主要材料的窗框，始于上世纪50年代末，其导热系数低，有着良好的气密性，故保温性能很优异，但由于是塑料材质，其强度比钢质和铝合金材质要偏低，目前塑料窗框加入了抗风性能，形成了一种新型的窗框材料——塑钢窗框，其缺点是不利于回收。

3.1.5 玻璃窗框

玻璃材质的窗框一般整体性极强，表现为与窗户连成一个整体，大多在大型公共建筑上有所体现，美观度也非常好，但是因为技术性比较强，且价格过高，一般家庭不会采用。

3.2 窗框材料在东北高寒地区保温性研究

3.2.1 传热系数

传热系数K值是指在稳定传热条件下，围护结构双侧氛围温差为1度（K或℃），单元时候经由进程单元面积通报的热量，单元是瓦/（平方米·度）（W/m·K，此处K可用℃取代），反映了传热进程的强弱。K值数值越低的，就代表窗户的隔热效果越强，那么窗户的保温效果就越好，如果k值的数值越高，就说明窗户的隔热效果不佳，保温效果差。

3.2.2 不同地区窗框传热系数限值

基于表2，可以看出当采暖期室外最低平均温度越低时，其窗户K值就越低，其窗户的隔热效果就越好，然而东北高寒地区乡村住宅要想达到建筑节能，就必须保证热量流失减慢，因此对窗户K值的要求就更加的严格。

《不同地区采暖居住建筑对门窗传热系数K限值》（JGJ26-95） 表2

3.2.3 不同窗框的传热系数与节能效果

从各种不同窗户的传热系数与节能效果（见表3）看出双玻塑料窗节能效果比较优越，而单层窗的节能效果偏低，而且传热系数也偏高，保温机能偏低，不能够到达节能结果。并且在材质方面钢、铝也比木、塑料材质的节能效果低。故在东北高寒地区乡村住宅建筑外窗材料应选取双玻塑料窗，以达到建筑节能的目的。

不同窗户的传热系数与节能效果 表3

3.3 窗框材料的选取以达到东北高寒地区建筑节能

防止室内温度的流失，窗框起着决定性的作用，窗框的材质以及密封的程度都决定着窗户的保温功能。在东北地区由于室内外温度相差很大，通过窗户流失的热量也比其他地区多，因此为了防止热量流失过多而导致的能耗增加，在窗户材料的选取也更应该重视。建筑的保温性能增强的同时，供暖能耗才能相应减少，建筑节能才能够达到。上面对于窗框材料的介绍，对比各种窗框的优缺点；通过引入传热系数作为依据，对比不同窗框的保温性，以此来选取合适于东北高寒地区乡村住宅建筑的窗框材料。

4 窗的开启方式在东北高寒地区乡村住宅中的节能技术研究

如何在结合采光和通风并满足需求的基础上设置合理的窗开启方式，为了保证建筑空间内部的采光通风，窗户开启闭合的过程中会产生热能损失，因此建筑外窗的开启方式会影响建筑内部空间的气密性和保温隔热性能。

4.1 窗的开启方式

4.1.1 固定窗

固定窗无法开启，因此气密性好，热量损失小（见图3）。

图3 固定窗结构示意图

4.1.2 平开窗

平开窗具有通风，安全，便于清洁，实用性强，密封保温性能好等特点。平开窗分为外开窗和内开窗。内开窗的窗扇不会因为高空物件而损坏，同时窗户上的物品不易掉下而砸伤行人，但其会占用一定的室内空间。外开窗不会占用室内空间，但是暴露在外的窗扇易受损（见图4）。

图4 平开窗结构示意图

4.1.3 推拉窗

推拉窗是利用滑轮进行推拉开启的门窗，具有安全，成本低等优点，缺点是滑轮之间很容易有空隙；推拉开启不能很好的密封，所以这种窗型保温隔热效果较差，一般推荐室内使用（见图5）。

图5 推拉窗结构示意图

4.1.4 上下悬窗

上下悬窗分为外开和内开，外开的悬窗防雨好，但由于角度的限制，其通风不好，而内开的悬窗则占用室内空间（见图6）。

图6 上下悬窗结构示意图

4.1.5 中悬转窗

中悬窗分为中悬和中立转，比拟上下悬窗具备最大的开启面积，适用于需要大面积透风的场所，例如厂房和运动场。中悬窗的构造简单形状简练风雅，对空气起到一定的引流作用（见图7）。

图7 中悬转窗结构示意图

4.2 窗的开启方式应用于东北高寒地区建筑节能的研究

在所有列举的窗开启方式中，固定窗的保温性和气密性最好，但在我国最为常见的窗户开启是平开窗和推拉窗，因其制作简单，成本低，生产材料简单可得，所以生产量大，使用普遍。

但是相比来说推拉窗的气密性较差，开窗时有用面积小，通风效果较差。平开窗的密闭性能好，能对室内起到保温隔热的效果，而且有用开启面积大，通风面积也大。

5 遮阳设备的加设在东北高寒地区乡村住宅中的节能技术研究

5.1 东北高寒地区夏季建筑能耗分析

东北高寒地区冬季漫长寒冷，持续时间占全年的1/3以上，冻土期长、冻土深、多风雪；夏季短促且不炎热。虽然东北地区的夏季短暂且不炎热，我们依旧不能忽视夏季耗能问题。东北高寒地区的乡村建筑最重要的使用作用是保温隔热，而在夏季人们的居住需求是散热。所以我们在无法改变建筑本身结构的基础上加设遮阳设备以达到夏季人们的居住需求，并达到节约能耗的目的。

5.2 降低夏季建筑能耗的解决方法

在夏季和全国各地的建筑一样，东北高寒地区乡村建筑的窗户和特定屋面也需要进行适当的遮阳，其目的在于阻止阳光直射透过玻璃进入室内，防止阳光过多照射和加热建筑围护结构，并且防止阳光直射而造成强烈的眩光。根据遮阳的位置可将遮阳设备分为外遮阳和内遮阳两种类型。建筑外遮阳是将遮阳设备设置在玻璃幕墙外侧，内遮阳是将遮阳产品设置在室内玻璃幕墙或者是窗户内侧。虽然内遮阳设备控制较为方便，价格也较为便宜；但内遮阳设备仅仅能盖住光线，并不能挡住热量，隔热效率较低。

同时对冬夏温差很大的地域，这些必要在夏日遮阳的玻璃墙面和屋面又必要在冬日进光得热，若是彻底采取固定式遮阳，那将无益于冬日保温得热。所以对于此类地区来说；采取能开启或折叠的外遮阳卷帘、能折叠或扭转的遮阳百是较好的选择。

从表4可以看出以上都为窗式遮阳百叶，窗式遮阳百叶对于东北高寒地区的乡村建筑来说性价比是极高的。其安置在窗户外侧的百叶，不但可以在夏季隔热，冬季还对窗户起到防护作用并起到一定的防盗作用，也能让建筑物避免寒风侵袭。居民可以根据自家的建筑物现状以及自身家庭情况选择不同类型的外遮阳百叶。

不同遮阳设备的样图 表4

6 总结

本文分析东北高寒地区气候特征、乡村住宅的外围结构图以及参照建筑规范标准，总结出门窗的能耗占建筑围护结构能耗的25%，是建筑能耗流失不可缺少的一部分，因此本文着重分析通过窗户的改变以达到建筑节能。

在窗框材料上面，我们首先通过分析不同窗框材料的优缺点，总结出来目前市场上存在的性价比最高的窗框材料是塑料材质；接着通过引入传热系数K值，分析不同地区窗框传热系数限值，以及不同窗框的节能效果，总结出东北高寒地区的窗框K值普遍低于其他地区，然而单框双玻塑料窗也是目前节能效果比较好。

在窗框材料确定的同时也可以通过改变窗的开启方式以达到进一步节能，我们通过研究分析，虽然固定窗的保温性最好，但是由于不能够开启，在使用方面不便捷，所以不被大众所接受。现今我国的较为常见的窗户开启方式是平开窗和推拉窗，其平开窗的保温性也更好，更利于严寒地区建筑节能。

然而东北高寒地区夏季的能耗也不容忽视，通过加设遮阳设备，可以达到建筑进一步节能。我们通过研究分析，对比发现内遮阳并不能够达到建筑节能，因此应该选取外遮阳，在窗户外侧加设能够开启或折叠的外遮阳卷帘、能旋转或折叠的遮阳百叶，最后通过对比不同中的外遮阳设备，其窗式遮阳百叶对于东北高寒地区乡村住宅建筑性价比最高，节能效果最好。