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门窗的节能技术与措施

门窗是围护结构保温的薄弱环节，从对建筑能耗组成的分析中，人们发现通过房屋外窗所损失的能量是十分严重的，是影响建筑热环境和造成能耗过高的主要原因。传统建筑中，通过窗的传热量占建筑总能耗20%以上；节能建筑中，墙体采用保温材料热阻增大以后，窗的热损失占建筑总能耗的比例更大。导致门窗能量损失的原因是门窗与周围环境进行的热交换，其过程包括：通过玻璃进入建筑的太阳辐射的热量；通过玻璃的传热损失；通过窗格与窗框的热损失；窗洞口热桥造成的热损失；缝隙冷风渗透造成的热损失。
　　据了解，影响门窗热量损耗大小的因素很多，主要有以下几方面：门窗的传热系数。门窗的传热系数是指在单位时间内通过单位面积的传热量。传热系数越大，则在冬季通过门窗的热量损失就越大。门窗的传热系数又与门窗的材料、类型有关。门窗的气密性。门窗的气密性是指在门窗关闭状态下，阻止空气渗透的能力。门窗气密性等级的高低，对热量的损失影响极大，室外风力变化会对室温产生不利的影响，气密性等级越高，则热量损失就越少，对室温的影响也越小。窗墙比系数与朝向。窗墙比例是指外窗的面积与外墙面积之比。通常门窗的传热热阻比墙体的传热热阻要小得多，因此，建筑的冷、热耗量随窗墙面积比的增加而增加。作为建筑节能的一项措施，要求在满足采光通风的条件下确定适宜的窗墙比。一般而言，不同朝向的太阳辐射强度和日照率不同，窗户所获得的太阳辐射热也不相同。门窗节能途径主要是保温隔热。其措施包括：提高门窗的保温性能；提高门窗的隔热性能，提高门窗的气密性。
　　选择节能窗型。窗型是影响节能性能的第一要素。推拉窗的节能效果差，而平开窗和固定窗的节能效果优越。推拉窗在窗框下滑轨来回滑动，上部有较大的空间，下部有滑轮间的空隙，窗扇上下形成明显的对流交换，热冷空气的对流形成较大的热损失，此时，不论采用何种隔热型材作窗框都达不到节能效果。平开窗的窗扇和窗框间一般有橡胶密封压条，在窗扇关闭后，密封橡胶压条压得很紧，几乎没有空隙，很难形成对流，热量流失主要是玻璃、窗扇和窗框型材本身的热传导、辐射散热和窗扇与窗框接触位置的空气掺漏，以及窗框与墙体之间的空气渗漏等。固定窗由于窗框嵌在墙体内，玻璃直接安装在窗框上，玻璃和窗框已采用胶条或者密封胶密封，空气很难通过密封胶形成对流，很难造成热损失。在固定窗上，玻璃和窗框热传导为主要热损失的来源，如果在玻璃上采取有效措施，就可以大大提高节能效果。因此，从结构上讲，固定窗是最节能的窗型。
　　设计合理的窗扇比和朝向。一般来说，窗户的传热系数大于同朝向、同面积的外墙传热系数，因此，采暖耗能热量随着窗墙比例的增加而增加。在采光和通风允许的条件下，控制窗墙比例比设置保温窗帘和窗板更加有效，即窗墙面积比设计越小，热量损耗就越小，节能效果越佳。热量损耗还与外窗的朝向有关，南、北朝向的太阳辐射强度和日照率高，窗户所获得的太阳辐射热多。在《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》中，虽对窗墙面积比和朝向做了有选择性的规定，但还应结合各地的具体情况进行适当调整。有专家提出：考虑到起居室在北向时的采光需要，南、北向的窗墙面积比可取0.3；考虑到目前一些塔式住宅的情况，东、西向的窗墙面积比可取0.35;考虑到南向出现落地窗、凸窗的机会较多，南向的窗墙面积比可取0.45。这样虽然增大了南向外窗的面积，但可充分利用太阳能的辐射热降低采暖能耗，实现既有宽敞明亮的视野又不浪费能源的目的。
　　使用节能材料。由于新型材料的发展，组成窗的主材（框料、玻璃、密封件、五金附件以及遮阳设施等）技术进步很快，使用节能材料是门窗节能的有效途径。
　框料：窗用型材约占外窗洞口面积的15%~30%，是建筑外窗中能量流失的另一个薄弱环节，因此，窗用型材的选用也是至关重要的。目前节能窗的框架类型很多，如断热铝材、断热钢材、塑料型材、玻璃钢材及复合材料（铝塑、铝木等）。其中，断热铝材节能效果比较好，使用比较广，它不仅保留了铝型材的优点，同时也大大降低了铝型材传热系数。断热铝材是在铝合金型材断面中使用热桥（冷桥）技术使型材分为内、外两部。目前有两种工艺：一种是注胶式断热技术（即浇注切桥技术），这种技术既可以生产对称型断热型材，也可以生产非对称型材。由于利用浇注式处理流体填补成型空间原理，其成品精度非常高。另一种是断热条嵌入技术，即采用由聚酞胺66和25%%玻璃纤维（PA66GF25)合成断热条，与铝合金型材在外力挤压下嵌合组成断热铝型材。这种型材不仅强度高（接近铝合金），而且它的机械性能好、隔热效果佳。由于隔热条的加入使型材形成多种断面形式，有良好的强度。另外隔热条中的玻璃纤维排列有序，能够长时间承受高拉应力和高剪切应力，隔热条的线形膨胀系数接近铝，有非常好的加工性能；同时内、外型材可以由不同颜色和表面处理方式的型材组成，增强了装饰效果；并且可抗多种酸、碱化学物质的腐蚀。
　　玻璃：在窗户中，玻璃面积占窗户面积的65%~75%。普通玻璃的热阻值很小，而且对远红外热辐射几乎完全吸收，单层普通玻璃是无法达到保温节能效果的。门窗玻璃种类较多。不同种类的玻璃，其透光率、遮阳系数、传热系数是大不相同的。导热性和遮阳性，有着双重性。对于冬天，我们希望太阳辐射得到热量，使室内温度升高。但夏天又希望减少太阳辐射，避免进入室内。
　　因此，对于不同地区，应选择相应传热系数和遮阳系数的玻璃。为了降低导热性和提高遮阳性，目前，门窗玻璃常用的处理方法有：
　　玻璃镀膜。用物理或化学镀膜工艺，改变玻璃表面的热反射特性，将太阳辐射直接反射回去，从而提高玻璃的遮阳隔热性能。镀膜玻璃又分为热反射玻璃（又称阳光控制玻璃）和低辐射玻璃（又称Low-E玻璃），热反射玻璃可通过配置膜层的结构和厚度，在较大范围改变遮阳性能。由于对红外线高反射、不吸热的材料镀膜，Low-E玻璃可反射太阳能波段的热辐射，从而有效地控制了玻璃的遮阳性能，同时也明显降低了玻璃的传热系数。
　　玻璃着色。在制造过程中加入色剂，着色玻璃的遮阳性和隔热性能优于透明玻璃。通过吸收部分阳光的直接透过，从而减少太阳辐射热进入室内；但由于吸收热量使自身温度升高，增加了温差传热，降低了保温效果。
　　中空玻璃。中空玻璃是以两片或多片玻璃，采用间隔条来控制中空玻璃的内外两片的间距。双玻璃周边用密封胶翻结密封，使玻璃层间形成干燥气体，具有隔音、隔热、防结露和降低能耗的作用。
　　密封材料：洞口密封材料的质量，既影响着房屋的保温节能效果也关系到墙体的防水性能，应正确选用洞口密封材料。目前钢塑门窗框的四边与墙体之间的空隙，通常使用聚氨酯发泡体进行填充。此类材料不仅有填充作用，而且还有很好的密封保温和隔热性能。另外应用较多的密封材料还有硅胶、三元乙丙胶条。其他部分的密封用密封条，密封条分为毛条和胶条。密封胶条用于玻璃和扇及框之间的密封，在塑钢门窗中起着水密、气密及节能的重要作用。密封胶条必须具有足够的拉伸强度、良好的弹性、良好的耐温性和耐老化性，断面结构尺寸要与塑钢门窗型材匹配。质量不好的胶条耐老化性差，经太阳长期暴晒，胶条老化后变硬，失去弹性，容易脱落，不仅密封性差，而且造成玻璃松动产生安全隐患。密封毛条主要用于框和扇之间的密封，毛条的安装部位一般在门窗扇上，框扇的四周围或密封桥（挡风块）上，增强框与扇之间的密封，毛条规格是影响推拉门窗的气密性能的重要因素，也是影响门窗开关力的重要因素。毛条规格过大或竖毛过高，不但装配困难，而且使门窗移动阻力增大，尤其是开启时的初阻力和关闭时的最后就位阻力较大；规格过小或竖毛条高度不够，易脱出槽外，使门窗的密封性能大大降低。毛条需经过硅化处理，质量合格的毛条外观平直，底板和竖毛光滑，无弯曲，底板上没有麻点。胶条、毛条都起着密封、隔音、防尘、防冻、保暖的作用。其质量的好坏直接影响门窗的气密性和长期使用的节能效果。
　门窗节能的关键是在满足其使用功能的前提下，具有较高的保温性和隔热性能。门窗节能最重要的是解决好门窗型材断热问题和选配热阻值小的玻璃问题，使门窗具有高强度、高气密性、高水密性、高精度性、优异的隔热、隔音性能。
　　只要从门窗的设计、加工、安装等各个细微环节上下工夫，就完全可以设计、制造出适应保温节能要求的门窗。近些年来，我国在节能门窗的研究开发和技术引进方面做了大量工作，总体上说门窗节能水平有所提高，但与先进国家相比，仍有较大差距。随着建筑节能标准的制订实施，国家也正采取有效措施，形势迫使我国的门窗、幕墙行业迅速发展进步。目前，在门窗节能问题上，我们还需要在以下几方面做更多的研究和实践。建立综合性节能指标体系，如窗的夏季传热系数、窗玻璃的遮阳系数、空气渗透性能、窗户采光性能等。建立符合地区特点的门窗节能指标和技术；尽量通过加强建筑物的保温隔热能力，满足人们对室内舒适度的要求，降低建筑能耗；加强节能技术宣传，建立正确的全民节能观念。
　　五金附件：门窗是靠五金配件来完成开启、关闭功能的，它是建筑门窗中最易磨损和持续活动的部分，其功能的有效性不仅直接导致安全问题，而且影响建筑门窗的保温性能以及水密性、气密性。没有高性能的五金配件作保证，是无法制作出高性能的节能门窗的。门窗五金配件主要包括：执手、滑撑、撑挡、拉手、窗锁、滑轮等。对平开窗而言，按照密封性能来分类，大体可分为两类：多锁点五金件和单锁点五金件。多锁点五金件的锁点和锁坐分布在整个门窗的四周；当门窗锁闭后锁点、锁坐牢牢地扣在一起，与铰链或滑撑配合，共同产生强大的密封压紧力，使密封条弹性变形，从而提供给门窗足够的密封性能，使窗扇、窗框形成一体；而单锁点密封性相对来说就要差得多。因此，采用多锁点窗锁，可以大大减少门窗扇的变形，提高密封性能。就其它配件而言，滑撑铰链应采用不锈钢材料，对宽度超过1米的推拉窗，或安装双层玻璃的门窗，应采用双滑轮或选用滚动滑轮。
　　优化门窗框型材的断面结构。新材料出现后如果没有相应的结构配合，则它发挥的作用也就有局限性。同样的材料采用的结构不同，在性能上相差是很大的，如框采用多腔隔热条、密封采用多道密封和玻璃、附件配套，使K值大幅度降低。
　　由此可知，要提高框架的热阻，就须加大隔热条的宽度或连接内外铝框的隔热芯子的厚度。为了框架断面的紧凑，根据热流长度原理，在隔热条同样宽度下，可设计成“弓”形，由于热流的长度增加，也就提高了热阻R,使K值进一步降低。
　　采取多空腔的隔热条设计，以降低K值。虽然加宽隔热条可有效降低K值，也只能适当加宽，若加得太大，会造成结构不紧凑，必须还要寻求提高热阻的措施。根据热传导原理，可将热传导的面设计成叠加的多空腔以提高热阻。
　　加宽隔热条填充发泡材料，并用多头腔密封条配套，进一步降低K值。为一步降低K值，可加宽隔热条、填充发泡材料，用多头密封形成空腔与之性能配套。
　　密封结构应与框架等性能配套。门窗有一个开启问题，这样关闭时的缝隙密封处理是一个薄弱环节，因密封不好产生对流损失的热量。因此，在框架和玻璃都采取有效办法降低K值后，必须解决密封性能的问题，窗的密封构造设计除解决上述对流热损失问题外，还要考虑解决热传导的损失问题，因此密封条的设计除考虑密封性能外还需考虑多头密封空腔，形成多腔空间，以求得K值与其他部分配套。
　　目前常用的遮阳设施有：活动式外遮阳。活动式外遮阳设施是阻隔太阳辐射的良好屏障。活动式遮阳百叶装置安装在开放式铝板幕墙内部，在室内可控制百叶升降进行合理遮阳，不用时百叶可上升进入幕墙内面。这种装置能阻隔太阳辐射于室外。但这种装置造价高，对居住建筑来说并不适合；而简单外遮阳又带来建筑外观和清洁等问题，所以居住建筑大多选用室内遮阳，然而，室内遮阳节能效果又不够理想，因而出现了百叶中空玻璃。
　百叶中空玻璃窗遮阳设施。百叶中空玻璃窗是将百叶安装在中空玻璃两片玻璃间，可代替普通中空玻璃装于各种窗框上，通过磁力控制百叶翻转和升降动作，以达到遮阳和保温效果。当百叶处在垂直位置时能有效降低中空玻璃内的热传导，遮挡阳光直射，并有效降低中空玻璃的遮阳系数；当百叶处在水平位置时，既可采光，又可起到遮阳作用；当百叶处在收起位置时就有和普通中空玻璃一样的效果。同时百叶在中空玻璃内也解决了清洁维护问题。这种百叶中空玻璃窗集隔热、保温、隔声、隐私性、装饰性于一体，适合于我国广大地区应用，实为节能的好产品。
　　提高创作和安装水平。安装是窗结构的重要组成部分，窗的安装对窗是否能获得良好的质量，具有决定性的作用。测试性能好的窗，不等于安装上墙后其性能也好。如何将一个公差以毫米计的窗，安装在公差以厘米计的墙洞口上，把窗和墙体部分连成一个系统，使窗和墙体之间天衣无缝并满足一定的功能要求是一个重要问题。
　　窗安装上墙需满足的功能如下：在各种温度的影响下，窗的各项功能运转自如；对窗的外力能可靠分解，尤其将正负风压有效转移到墙体上去；窗不受墙体内部的各种运动以及尺寸变形的影响（沉降、振动、热胀冷缩等）；安装的各向应力应排除，窗开启自如；窗与墙体连接处的防水、隔声的密封性能；窗与墙体连接处的隔热性能。要达到这些要求，必须进行科学、规范、严密的施工。节能门窗安装除符合一般门窗安装的技术规定外，还应注意以下几点。门窗的品种、型号、规格、性能、开启方向及门窗的密封处理等必须符合设计要求。门窗安装必须采用预留洞口的方法，严禁边安装边砌口或先安装后砌口。节能门窗的安装应根据不同的材料情况，采用焊接、膨胀螺栓或射钉等方法固定，但砖墙上严禁用射钉固定。不论采用何种固定方法，门窗安装均必须牢固。增加窗户开启缝隙的搭接量，减小开启缝的宽度。按所用材料、断面形状、装置部位，采用各种密封条进行密封，以提高外窗的气密性水平。门窗上压缝条、密封条的安装应顺直，与门窗结合应牢固严密。当采用塑料门窗时，与塑料型材紧密接触的各种五金件、紧固件、密封条、间隔条、垫块、密封材料和保温材料等，在性能上应与PVC材性相容。塑料门窗对温度比较敏感，故门窗进入现场后应在50摄氏度以下的库房（棚）内存放，并远离热源。要注意塑料门窗及玻璃的安装，应避免在低温下进行施工。