節(jié)能設計在民用建筑設計中的有效應用研究

熊清華

【摘要】本文簡述建筑節(jié)能設計的重要性，以建筑外窗部分為例，探討節(jié)能設計的有效應用，分別從玻璃設計、窗框處理、外窗密封等多個角度入手。以期為相關人士提供參考。

【關鍵詞】民用建筑；節(jié)能設計；外窗

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.096

建筑能耗問題不斷加劇中，采取節(jié)能設計手段已經(jīng)是必然趨勢。在眾多建筑節(jié)能設計工作中，外窗屬于比較重要的部分。從外窗著手，控制能耗量，利于提升總體節(jié)能效果。

1、建筑節(jié)能設計的重要性

首先，節(jié)能設計為整體發(fā)展需求。經(jīng)濟增長借力于能源基礎，需憑借能源獲得動力。而建筑行業(yè)在用能方面，需求量極多。早在九十年代末，我國能源消費量就接近14億噸的標準煤，其中，單就建筑領域，耗能占比超過1/4。而在當前經(jīng)濟成長下，民眾整體生活質(zhì)量不斷提升，對建筑功能有更多要求，空調(diào)等設備逐漸增多，導致建筑能耗量的提升速度遠超過能源產(chǎn)生的上漲速度，特別在電力、熱能等方面，需求規(guī)模持續(xù)擴大。所以說，如果繼續(xù)建設高耗能的工程，勢必會制約整體經(jīng)濟前進。

其次，節(jié)能設計利于減少大氣污染。在全球環(huán)境問題逐漸加劇中，人們隨之關注到顆粒物、部分氧化物等均會對人體造成傷害，并且容易引起酸化、持續(xù)累積二氧化碳，繼而導致全球氣候出現(xiàn)改變。國內(nèi)在能源使用上，煤炭消耗量占整體的75%左右。在城建推進中，建筑上的采暖及空調(diào)不斷增多，大氣污染愈發(fā)嚴重，煤炭類的污染問題，容易引發(fā)塵及酸雨等。并且我國在二氧化碳排放上，在世界排名中始終占據(jù)前幾位，而由建筑引起的此類污染達到國內(nèi)總體的25%左右。倘若依舊采取常規(guī)設計方式，污染程度勢必會加重。

再次，節(jié)能設計利于優(yōu)化熱環(huán)境。國內(nèi)在室溫上的要求日漸突出，主要是由于部分省市四季溫度變化偏大。和同緯度地區(qū)比較。我國的東北地區(qū)，一月份均溫相對偏低14-19攝氏度，而黃河中下游溫差也達到10-14攝氏度左右，長江以南地區(qū)大約低8-10攝氏度，即使是東部沿海城市，也大約低5攝氏度。冬冷夏熱始終是國內(nèi)氣候比較明顯的特點，為使體感溫度更為舒適，需調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，而這均要能源輔助。通過節(jié)能設計，配以合理的能源開發(fā)，才能優(yōu)化整體的熱環(huán)境。

最后，節(jié)能設計為建筑領域成長需求。國家在節(jié)能方面的標準持續(xù)提升中，使得構(gòu)成建筑的門窗、空調(diào)等，均做出調(diào)整，出現(xiàn)大量節(jié)能型的材料及設計理念等。在整個趨勢的帶動下，諸多既有項目開展節(jié)能改造，因此，諸多相關公司，紛紛推出節(jié)能類的產(chǎn)品，促使整個行業(yè)出現(xiàn)大變革。從國內(nèi)建筑節(jié)能落實效果較佳的案例來看，節(jié)能設計并非是負擔，反而應當視其為發(fā)展動力。

2、民用建筑的節(jié)能設計

本文以某地區(qū)居住建筑項目中，外窗節(jié)能設計為例，探討節(jié)能設計實際的有效運用。該地區(qū)四季明顯，降水豐富，雨熱同期，并帶有充足的光照。年均溫度在13.9-14.5攝氏度之間；年降水量有980-1100毫米左右；年均光照時間在2243-2391小時左右；無霜期長達二百余日；全年風向為偏北及東南兩類。另外，該地全年最冷月份，均溫也超過零攝氏度；最熱月份的均溫超過22攝氏度。按照當?shù)叵嚓P節(jié)能設計要求，把建筑劃分成被動與主動兩類。前者不帶有集中式的空調(diào)及供暖設施的節(jié)能建筑；后者基于前者添加集中式空調(diào)及供暖。以主動建筑為例，其體形系數(shù)限值情況，如表1所示。

2.1 外窗設計原則

建筑外窗的節(jié)能程度，關系到其保溫隔熱效果及氣密度，此外還涉及到抗風水平、隔音降噪等。因而對其的設計，應當注重幾項要素。首先，外窗需符合室內(nèi)采光及通風等要求，在注重節(jié)能程度的同時，也要兼顧基本的舒適度。其次，需合理運用現(xiàn)有相對成熟的工藝，以提升各類現(xiàn)代裝置的能源使用率，優(yōu)化熱工性能及熱環(huán)境。最后，在達到上述要求的前提下，追求經(jīng)濟實用、方便宣傳。

2.2 玻璃節(jié)能選擇

外窗為建筑項目在節(jié)能方面上的重要部分，而玻璃占據(jù)其大部分面積，如今國內(nèi)可接觸到的玻璃類型較多。具體來說，單片透明的玻璃，屬于相對常見的品類之一，其突出優(yōu)點是采光佳，但從另一個角度來說，其遮擋光線的水平偏差，大部分太陽光均能射進室內(nèi)，其中伴隨的熱能，可借助玻璃輻射控制。夏季室外溫度上升，由于隔熱效果有限，導致室溫隨之上升，冬季則正好相反。所以，倘若是單獨應用，并不推薦。單片著色的玻璃，也就是常說的吸熱玻璃，外觀有著差異化的色彩表現(xiàn)。其可以吸收可見光，以弱化陽光強度。此類玻璃的應用問題是吸收光線時，玻璃溫度會隨之提升，形成的熱能可以進入室內(nèi)，同時，因為吸熱，會出現(xiàn)熱漲裂的情況。鍍膜玻璃，在正常玻璃外表，增添金屬及合金等薄膜，調(diào)整其光學性能，以達到特殊要求。其大體上能分成熱反射及低輻射等，兩者對紅外線及紫外線均有較好的反應，可用在玻璃帷幕及交通工具中。而后者由于其強度不高，通常會設計成中空狀態(tài)。

中空玻璃在降噪、隔熱、自重等方面，有著較好的表現(xiàn)，其性能超過常規(guī)的雙層玻璃。玻璃厚度通常在3-12毫米之間，而中空層的厚度則在6-16毫米左右，通過其形成的能量傳遞主要有輻射、對流及傳導。真空玻璃的玻璃縫隙間隔在0.1-0.2毫米之間，將中空層內(nèi)設置為真空狀態(tài)，通常會帶有一片低輻射的玻璃。此類玻璃的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實際設計時，建筑的部分朝向應考慮陽光輻射的情況，根據(jù)該地區(qū)的情況，北朝向的玻璃設計，相對注重保溫方面。低輻射玻璃和普通玻璃對比，傳熱系數(shù)更低小，比較符合東西兩個朝向的應用。但以經(jīng)濟實用設計的角度來說，并不符合民用居住項目的外窗整體需求。而且真空玻璃成本也較高，綜合分析，對于外窗遮陽需求，中空玻璃總體得分更高。

2.3 窗框材料設計

在帶有各類性能的玻璃材料推廣運用中，再加上玻璃保溫效果的部分提升，與之搭配的窗框，在隔熱及保溫上的標準也更加突出。對于整個外窗來講，窗框的面積占比不大，但其在節(jié)能上的貢獻也不能忽略。木材屬于比較傳統(tǒng)的材質(zhì)，以節(jié)能設計的視角來看，該材質(zhì)的窗框，傳熱系數(shù)不高，隔熱保溫效果較佳。但因為會應用大量木料，既不符合環(huán)保要求，還容易發(fā)生變形，一旦遭遇火災，直接成為助燃材料，如今木材極少單獨應用在建筑中。斷熱橋鋁合金材質(zhì)，其克服鋼窗的缺陷，但由于其金屬性質(zhì)，熱量傳導速度快，即便搭配中空玻璃，外窗整體的傳熱系數(shù)也僅有4.5W（m2·K）上下。而斷熱橋形式的此類窗框有三個構(gòu)件組成，內(nèi)外側(cè)均是鋁合金材料，而中部則采用非金屬物質(zhì)，用于連接兩部分金屬，借此優(yōu)化傳熱率，便于加工，同時耐腐及抗壓效果較好。選擇在此類框架，搭配中空玻璃，可收獲較好的隔熱、降噪、保溫的效果，并省去部分制冷與采暖的成本，傳熱系數(shù)不會超過2.5W（m2·K），滿足節(jié)能的需求。

現(xiàn)有的塑料窗框，材質(zhì)是U-PVC，抗風及保溫、防水等效果較佳。根據(jù)材質(zhì)，能分成PVC及玻璃鋼兩類，前者實現(xiàn)重復、生產(chǎn)節(jié)能，性價比較好，但抗老化水平不高，一旦廢棄后，會污染環(huán)境。后者則使用復合材料，目前在諸多領域均有使用。復合窗框是借助塑料型材，把外側(cè)的兩層金屬材質(zhì)結(jié)合起來，此結(jié)構(gòu)克服鋁合金的缺陷以及推拉窗密封的問題。型材窗框在厚度相同的條件下，以斷面角度而言，腔體分格數(shù)量和隔熱保溫效果呈正相關。從造價方面來看，多空窗框制作難度高，資金投入量大。同時，并非全部型材均是多腔結(jié)構(gòu)更佳，也許考慮材料本身的性能，節(jié)能設計中，應按照需求選擇。

2.4 外窗密封處理

現(xiàn)有密封處理會用到密封條或者密封膏。前者按照用途分成玻密封、門扇門套的密封以及毛條，其材質(zhì)通常是PVC、三元乙丙等，后者極少會出現(xiàn)在民用居住項目的外窗上。外窗密封性在建筑整體節(jié)能效果上，有較大干擾。針對本文所述地區(qū)的實際情況來看，需落實幾項舉措：首先，提升窗框尺寸的設定精度，保證現(xiàn)場安全精準；其次，縮小開啟縫尺寸，強化外窗密封效果；最后，使用的五金配件，要巧妙應用，確保配件品質(zhì)。在窗戶開啟方式的設計中，開扇面積一致時，分格及窗縫越大，實際能耗更多，并且開扇形狀越貼合正方形，窗縫更短，能耗便相對變小。總之，對于開扇方式的設計，應當在滿足換氣頻率的前提下，盡可能縮小開啟的面積，并且嵌入的玻璃，需減少分格。

2.5 窗墻比例設計

外窗不同朝的窗墻比例，對室內(nèi)能耗的干擾程度不一。朝南墻體，該比例偏高，制冷能耗多，采暖能耗少?？紤]到采暖能耗量相對偏高，所以，朝南外窗能適當擴大，使得在冬季時，能有更多陽光進入室內(nèi)，實現(xiàn)降低冬季采暖需求。而北面朝向，主要功能是采光及通風，并且朝北外窗沒有過多陽光射入，冬季會出現(xiàn)熱量損失，因此，節(jié)能設計中，在達到采光與通風需要的基礎上，盡量縮小其面積。剩下東西兩個朝向，設計中，重點分析制冷能耗的問題，其面積和能耗為同向變動，因此，也應采取小窗結(jié)構(gòu)。

2.6 外窗其他設計

本文列舉地區(qū)全年溫度條件屬于夏熱冬冷，控制窗戶傳熱系數(shù)，可在冬季有較大感受。對于夏季在制冷空調(diào)上的能耗處理，可借助提高窗戶遮陽效果實現(xiàn)。假設直接降低窗戶遮陽系數(shù)，達到控制光線射入的目的，雖然可保證夏季的節(jié)能需要，但會導致冬季在采暖方面的能耗，不利于保持全年的舒適度。對此，可選擇活動式的遮陽處理。另外，在自然能源上的充分使用，也是現(xiàn)代節(jié)能設計的重要一項。以通風為例，適度通風可優(yōu)化人體感受。內(nèi)部氣體流動會對室溫、朝向、濕度等有明顯影響。在夏季，可借助通風，帶走室內(nèi)熱量，降低制冷能耗。在冬季，通過控制室內(nèi)外氣體流動，避免熱損失。因而，節(jié)能設計中，朝北窗戶開扇面積可適當縮小。同時，室內(nèi)氣體流動路線也影響通風成效，因而應格外重視進出風口的設計。假設風口偏高，采取高進高出、高進低出的形式，無法在人體所處高度區(qū)間形成氣體流動，通風效果不佳。反之，采取低進低出、低進高出，便可收獲較好的通風效果。

結(jié)語：

上文結(jié)合某地區(qū)的情況，分析建筑外窗的設計問題?？偨Y(jié)來看，外窗的傳熱系數(shù)、氣密讀、玻璃及窗框材質(zhì)等，均會影響到室內(nèi)的能耗量。因此，節(jié)能設計中，需對比各類結(jié)構(gòu)形式、材料性能等，結(jié)合當?shù)貧夂驐l件，優(yōu)化設計，更容易達到節(jié)能的目的。

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