浅谈建筑门窗节能
西安景尚窗业,专业门窗制造商 www.xakingsun.com内容提要：建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，它的长期使用能耗约占整个建筑物长期使用能耗的50%，
我国经济高速发展，然而能源的发展则相对滞后的多。因此，为适应经济发展的需要，缓解能源供应紧张的现状，节约能源势在必行。如何作好建筑节能，不影响经济的持续发展，满足人们对建筑环境舒适性的要求，已成为摆在我们面前的一个重要课题。
建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，它的长期使用能耗约占整个建筑物长期使用能耗的50%，因此，提高门窗保温性能是降低建筑物长期使用能耗的重要途径。为此，国家制定了相关的政策法规，以保证节能工作能够顺利地贯彻执行。我国《建筑节能“九五”计划和2010年规划》目标是：新建采暖居住建筑1996年以前在 1980~1981年当地通用设计能耗水平基础上普遍降低30%为第一阶段；1996年起在达到第一阶段要求的基础上节能30%为第二阶段；2005年起在达到第二阶段要求的基础上再节能30%为第三阶段。为保证建筑节能目标的实现，建设部发布了JGJ26-95《民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）》，对不同地区采暖居住建筑对门窗传热系数限值进行了规定，其中大连地区单层塑料窗传热系数限值为4.7W/（m2.k），单框双玻金属窗传热系数限值4.0W/（m2.k）。下面将对门窗保温性能作以简单介绍，并浅析如何提高门窗保温性能以达到节能目的。
建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，它的长期使用能耗约占整个建筑物长期使用能耗的50%，因此，提高门窗保温性能是降低建筑物长期使用能耗的重要途径。为此，国家制定了相关的政策法规，以保证节能工作能够顺利地贯彻执行。我国《建筑节能“九五”计划和2010年规划》目标是：新建采暖居住建筑1996年以前在 1980~1981年当地通用设计能耗水平基础上普遍降低30%为第一阶段；1996年起在达到第一阶段要求的基础上节能30%为第二阶段；2005年起在达到第二阶段要求的基础上再节能30%为第三阶段。为保证建筑节能目标的实现，建设部发布了JGJ26-95《民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）》，对不同地区采暖居住建筑对门窗传热系数限值进行了规定，其中大连地区单层塑料窗传热系数限值为4.7W/（m2.k），单框双玻金属窗传热系数限值4.0W/（m2.k）。下面将对门窗保温性能作以简单介绍，并浅析如何提高门窗保温性能以达到节能目的。
一、门窗传热情况简介
门窗传热主要有下列主要过程：
1、窗户外表面与外界环境之间的换热。
（1）外表面和附近空气间的对流换热
（2）外表面和周围环境（如：附近建筑物及地面）之间的辐射换热。
（3）外表面和天空之间的长波辐射换热。
以上三者的总和为外表面和附近空气及周围环境的换热，由下式表示
门窗传热主要有下列主要过程：
1、窗户外表面与外界环境之间的换热。
（1）外表面和附近空气间的对流换热
（2）外表面和周围环境（如：附近建筑物及地面）之间的辐射换热。
（3）外表面和天空之间的长波辐射换热。
以上三者的总和为外表面和附近空气及周围环境的换热，由下式表示
q1=a1(θ1-t1) (1)
式中q1——外表面换热（W/m2）
a1——外表面换热系数(W/m2?℃)
θ1——外表面温度（℃）
t1——室外气温（℃）
式中q1——外表面换热（W/m2）
a1——外表面换热系数(W/m2?℃)
θ1——外表面温度（℃）
t1——室外气温（℃）
2、通过玻璃和窗框的传热
通过玻璃的比热流按下式计算
q'=λ(θ2'-θ1')/δ (2)
式中q'——通过玻璃的比热流（W/m2）
λ——玻璃的导热系数（W/m2?℃)
δ——玻璃的厚度（m)
θ2'——玻璃内表面温度（℃）
θ1'——玻璃外表面温度（℃）
通过窗框的传热比玻璃复杂，但基本原理是一致的。
3、窗户内表面和室内空气及室内环境之间的传热由下式表示
q2=a2(t2-θ2) (3)
式中：q2——内表面换热（W/m2）
a2——内表面换热系数（W/m2?℃)
θ2——内表面温度（℃）
t2——室内气温（℃）
整窗的传热实际上是通过对整窗测定得出的综合结果。在整窗的传热系数中包括了窗户本身的传热以及窗户内外表面和环境的换热。
单位面积的传量可用下式表示：q=k0( t2-t1) (4)
式中：q——整窗的传热（W/m2）
k0——整窗的传热系数（W/m2.℃）
t1、t2——室内、外的空气温度 （℃）
通过玻璃的比热流按下式计算
q'=λ(θ2'-θ1')/δ (2)
式中q'——通过玻璃的比热流（W/m2）
λ——玻璃的导热系数（W/m2?℃)
δ——玻璃的厚度（m)
θ2'——玻璃内表面温度（℃）
θ1'——玻璃外表面温度（℃）
通过窗框的传热比玻璃复杂，但基本原理是一致的。
3、窗户内表面和室内空气及室内环境之间的传热由下式表示
q2=a2(t2-θ2) (3)
式中：q2——内表面换热（W/m2）
a2——内表面换热系数（W/m2?℃)
θ2——内表面温度（℃）
t2——室内气温（℃）
整窗的传热实际上是通过对整窗测定得出的综合结果。在整窗的传热系数中包括了窗户本身的传热以及窗户内外表面和环境的换热。
单位面积的传量可用下式表示：q=k0( t2-t1) (4)
式中：q——整窗的传热（W/m2）
k0——整窗的传热系数（W/m2.℃）
t1、t2——室内、外的空气温度 （℃）
二、门窗保温性能分级
GB/T8484-2002标准“建筑外窗保温性能分级及检测方法”简介如下。
1、术语定义
a、保温性能：在窗户两侧存在空气温差条件下，窗户阻抗从高温一侧向低温一侧传热的能力。窗户保温性能用其传热系数或传热阻表示。
b、传热系数K：在稳定传热条件下，窗户两侧空气温差为1K，单位时间内，通过单位面积的传热量，以W/（m2.K）计。
c、传热阻R0：传热系数的倒数,R0=1/K，以m2.K/W计。
2、分级指标
采用窗户传热系数K值或传热阻R0值作为保温性能分级指标。
表1 外窗保温性能分级
3、检测方法略。
三、增强节能效果的途径
窗户的保温性能不但明显地影响建筑物的采暖能耗，而且对室内热环境、舒适感以及室内的卫生状况也有明显的影响。如果窗户的保温质量不佳，通过窗户的传热热损失和通过窗户缝隙的空气渗透热损失就会显著增加，进而引起采暖能耗显著增加。
随着《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-95）的贯彻执行，保温、隔声、气密、水密和抗风压性能差的25型空腹钢窗和32型实腹钢窗相继被淘汰。当前，具有很高性价比的塑料门窗已经为广大用户所认可。从目前国内生产的各种不同窗户的传热系数与节能效果（见下表）可看出双玻塑料窗节能效果显著，完全能达到建筑设计标准中全国大部分采暖居住节能要求，但距发达国家建筑保温性能还有很大差距（1993年国外发达国家规定建筑外窗传热系数为1.8W/m2.k。同时，塑料门窗其价格也能为消费者所接受。因此，研究开发新型节能门窗是当前的主攻方向。
表2 不同窗户的传热系数与节能效果
从表2中可看出：
a、塑料窗保温性能明显优于金属窗；
b、双玻窗、双层窗的保温性能明显优于同类型型材的单玻窗。
要达到节能目的，首先要搞清楚影响它的主要因素，有针对性加以解决，才能收到较好效果。下面针对塑料门窗谈几点看法：
1、窗墙面积比
建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，因此，塑料门窗面积
不宜过大，否则，会严重影响建筑保温效果（详见表3数据），为此，《民用建筑节能设计标准（JGJ26-95）》对窗墙比进行了规定，不同朝向的窗墙面积比不应超过表4的数值。
表3 窗墙比不同时的耗热比
注：墙体传热系数K为1.56W/m2.k，室内供暖温度为18℃，室外温度为?7℃，塑料窗传热系数K为2.65W/m2.k。
GB/T8484-2002标准“建筑外窗保温性能分级及检测方法”简介如下。
1、术语定义
a、保温性能：在窗户两侧存在空气温差条件下，窗户阻抗从高温一侧向低温一侧传热的能力。窗户保温性能用其传热系数或传热阻表示。
b、传热系数K：在稳定传热条件下，窗户两侧空气温差为1K，单位时间内，通过单位面积的传热量，以W/（m2.K）计。
c、传热阻R0：传热系数的倒数,R0=1/K，以m2.K/W计。
2、分级指标
采用窗户传热系数K值或传热阻R0值作为保温性能分级指标。
表1 外窗保温性能分级
3、检测方法略。
三、增强节能效果的途径
窗户的保温性能不但明显地影响建筑物的采暖能耗，而且对室内热环境、舒适感以及室内的卫生状况也有明显的影响。如果窗户的保温质量不佳，通过窗户的传热热损失和通过窗户缝隙的空气渗透热损失就会显著增加，进而引起采暖能耗显著增加。
随着《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-95）的贯彻执行，保温、隔声、气密、水密和抗风压性能差的25型空腹钢窗和32型实腹钢窗相继被淘汰。当前，具有很高性价比的塑料门窗已经为广大用户所认可。从目前国内生产的各种不同窗户的传热系数与节能效果（见下表）可看出双玻塑料窗节能效果显著，完全能达到建筑设计标准中全国大部分采暖居住节能要求，但距发达国家建筑保温性能还有很大差距（1993年国外发达国家规定建筑外窗传热系数为1.8W/m2.k。同时，塑料门窗其价格也能为消费者所接受。因此，研究开发新型节能门窗是当前的主攻方向。
表2 不同窗户的传热系数与节能效果
从表2中可看出：
a、塑料窗保温性能明显优于金属窗；
b、双玻窗、双层窗的保温性能明显优于同类型型材的单玻窗。
要达到节能目的，首先要搞清楚影响它的主要因素，有针对性加以解决，才能收到较好效果。下面针对塑料门窗谈几点看法：
1、窗墙面积比
建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，因此，塑料门窗面积
不宜过大，否则，会严重影响建筑保温效果（详见表3数据），为此，《民用建筑节能设计标准（JGJ26-95）》对窗墙比进行了规定，不同朝向的窗墙面积比不应超过表4的数值。
表3 窗墙比不同时的耗热比
注：墙体传热系数K为1.56W/m2.k，室内供暖温度为18℃，室外温度为?7℃，塑料窗传热系数K为2.65W/m2.k。
表4 不同朝向的窗墙面积比
注：如窗墙面积比超过上表规定的数值，则应调整外墙和屋顶等围护结构的传热系数，使建筑物耗热量指标达到规定要求。
2、框型材材质及断面设计
型材材质和断面设计形式是影响门窗保温性能的重要因素之一。框是门窗的支撑体系，由金属型材、非金属型材或复合型材料加工而成，铝的导热系数λ（W/m2?k）为203，钢为58，PVC塑料为0.14，导热系数越大传热能力越强，由此可看出塑料门窗在型材保温方面具有金属材料门窗所难以比拟的优势。
其次，型材断面最好设计为多腔结构，腔壁垂直于热流方向分布，因为型材内的多道腔壁对通过的热流起到多重阻隔作用，腔内传热（对流、辐射和导热）相应被削弱。特别是辐射传热强度随腔数量增加而成倍减少。因此，腔体越多的型材其保温性能越好（表5列出不同框扇结构的门窗传热系数K）。目前，单腔结构和二腔结构的窗框设计已被淘汰，而大多选用三腔结构和四腔结构的设计，甚至五腔结构的型材。
在密封方面，已出现三密封结构的高档型材，在传统两密封结构基础上，增加了一道密封，将水密腔与气密腔完全隔离，提高了门窗的密封性能，大大降低了门窗缝隙渗透耗热量，使其保温性能远远高于两道密封。
在门窗开启形式方面，平开窗保温性能要高于推拉窗20%左右。因为窗户的冷风渗透耗热量在整窗耗热量中占有一定比例（约10%~30%），而平开窗气密性要高于推拉窗1~2个等级，所以，从节能角度考虑，应尽量选用平开窗。
注：如窗墙面积比超过上表规定的数值，则应调整外墙和屋顶等围护结构的传热系数，使建筑物耗热量指标达到规定要求。
2、框型材材质及断面设计
型材材质和断面设计形式是影响门窗保温性能的重要因素之一。框是门窗的支撑体系，由金属型材、非金属型材或复合型材料加工而成，铝的导热系数λ（W/m2?k）为203，钢为58，PVC塑料为0.14，导热系数越大传热能力越强，由此可看出塑料门窗在型材保温方面具有金属材料门窗所难以比拟的优势。
其次，型材断面最好设计为多腔结构，腔壁垂直于热流方向分布，因为型材内的多道腔壁对通过的热流起到多重阻隔作用，腔内传热（对流、辐射和导热）相应被削弱。特别是辐射传热强度随腔数量增加而成倍减少。因此，腔体越多的型材其保温性能越好（表5列出不同框扇结构的门窗传热系数K）。目前，单腔结构和二腔结构的窗框设计已被淘汰，而大多选用三腔结构和四腔结构的设计，甚至五腔结构的型材。
在密封方面，已出现三密封结构的高档型材，在传统两密封结构基础上，增加了一道密封，将水密腔与气密腔完全隔离，提高了门窗的密封性能，大大降低了门窗缝隙渗透耗热量，使其保温性能远远高于两道密封。
在门窗开启形式方面，平开窗保温性能要高于推拉窗20%左右。因为窗户的冷风渗透耗热量在整窗耗热量中占有一定比例（约10%~30%），而平开窗气密性要高于推拉窗1~2个等级，所以，从节能角度考虑，应尽量选用平开窗。
3、提高玻璃的质量
玻璃是非金属材料，虽然导热系数仅为0.8-1.0W/m2?k，远远低于金属，但由于窗玻厚度为 4-5mm，自身热阻R非常小，可以忽略不计，对于玻璃面积占65-75%的窗户传热量十分可观，因此提高窗玻质量是改善窗户保温性能的重要途径。
（1）改变玻璃结构
窗户玻璃由单玻变成双玻或三玻，玻璃保温性能会明显提高。这并不是玻璃热阻起作用，而是玻璃间的空气层是热阻增加的主要原因，因为静止的空气其导热系数比任何材料都要低。密闭空气层的热阻与空气层厚度的关系见下图：
玻璃是非金属材料，虽然导热系数仅为0.8-1.0W/m2?k，远远低于金属，但由于窗玻厚度为 4-5mm，自身热阻R非常小，可以忽略不计，对于玻璃面积占65-75%的窗户传热量十分可观，因此提高窗玻质量是改善窗户保温性能的重要途径。
（1）改变玻璃结构
窗户玻璃由单玻变成双玻或三玻，玻璃保温性能会明显提高。这并不是玻璃热阻起作用，而是玻璃间的空气层是热阻增加的主要原因，因为静止的空气其导热系数比任何材料都要低。密闭空气层的热阻与空气层厚度的关系见下图：
由上图可知，双玻间距在10mm以下时，间距和热阻几乎成直线关系；当双玻间距在10~30mm时，间距和热阻的关系成曲线；当间距超过30mm时，由于对流与辐射热交换的综合作用，使空气层的热阻增加十分缓慢。
因此，设计应根据热阻的需要和框材的经济尺度，适当确定玻璃的间距，一般不宜小于9mm。为更好的提高门窗的保温性能，可制作三玻。由下表可知玻璃结构对门窗保温性能的影响。
表4 不同玻璃的传热系数
（2）玻璃镀膜
玻璃镀低辐射膜可以大大降低玻璃之间的辐射传热，实验证明，中空玻璃镀膜（其中一块玻璃镀膜）后，中空玻璃的热工性能明显改善，传热系数K(W/m2?K)由普通中空玻璃的3.0~3.1(W/m2?K)降为1.7?2.3，其中空气层厚度为12mm的低辐射中空玻璃作为PVC塑料窗（单块玻璃镀膜）传热系数可降到1.7?2.0W/m2?K。
(3)工艺方面
目前市场常用的中空玻璃为双道密封的中空玻璃，即采用热塑性的丁基胶作内层密封，聚硫胶（较常采用）用于外层密封，同时在支撑框架（铝隔条）内填充防腐剂。由于铝隔条为热的良导体，使中空玻璃周边，传热强度远远大于中部，因此，在制作时，一定要在玻璃与铝条间均匀涂抹丁基胶，因为丁基胶为热的不良导体，可发起到冷桥作用，将玻璃与铝条断热处理。此外，在中空玻璃之间填充惰性气体可降低中空玻璃的导热系数，提高保温性能。
（4）门窗制作及五金配件的选用方面。
冷风渗透耗热是整窗耗热的一个重要方面，所以要严格保证门窗的气密性。门窗制作时，要考虑门窗承受风荷载的能力，防止因强度不够，框扇变形，配合缝隙增大，气密性下降而导致保温性能满足不了要求，同时，应严格控制制作工艺以保证气密性能。此外，五金件、密封条等五金辅配件对门窗密封性能的影响亦不容忽视，应选用完全配套的五金配件并严把质量关。
塑料门窗保温性能还受框玻比等多方面条件的影响，在此不一一赘述。
伴随着国民经济的飞速发展，节能显得尤为重要，我们应该借鉴国外先进技术，结合我国国情进行实际研究，提高门窗档次，以满足建筑节能发展的需要。
