杨燕萍   

Current architectural Doors and Windows energy saving reconstructions in Hot Summer and Cold Winter Zone

Yanping Yang

[ 浙江省建筑科学设计研究院物理所所长 省建设工程质量检验站副总经理 教授级高工 310012]

Director of the physics department of the Architectural science and design research institute of Zhejiang Province;   Director of the energy conservation centre of the Construction quality inspection station of Zhejiang Province; Senior Engineer 310012

摘要：分析既有建筑围护结构能耗现状, 分析建筑节能改造前后能耗及经济效益，根据夏热冬冷地区气候特点提出门窗节能改造办法。

关键词：既有建筑能耗 外窗的改造 玻璃的选择 能耗的降低

Abstract: Analyses of the current status of outer building protective structure’s energy consumption rate. Analyses of energy consumption and economic benefit before and after the building’s energy saving reconstruction work. Methods regarding architectural Doors and Windows energy saving reconstruction are proposed depending on the climatic characteristics in Hot Summer and Cold Winter Zone.

Keywords: current architectural energy consumption; the reconstruction of the external windows; the choices of glass; the reduction of energy consumption

 

前言：我国目前城乡近400亿立方米既有建筑中属于高耗能的建筑大于90%，随着建筑寿命周期的推进，建筑性能不断衰减，能耗会不断上升，增加了能耗总量。能源问题已成为经济高速发展的重大制约和首要问题，节能工作十分紧迫。为了实现“十一五”规划提出的目标，“十一五”期间，全国城镇建筑节能率将达到50%，其中，各特大城市和部分大城市节能率将达到65%，既有建筑中的25％要进行建筑节能改造，全国将形成一个巨大的建筑节能改造工程市场，节能潜力非常大。

浙江省属夏热冬冷地区，高温持续时间长，大量没有任何节能措施的既有建筑，其保温隔热性能差，设备系统效率低，导致采暖和制冷能耗浪费严重。各地建筑围护结构保温隔热性能普遍很差，80、90年代的建筑传统不透明外墙一般为240实心粘土砖；透明窗户绝大部分采用密封性能较差的单玻钢窗、塑窗、铝窗；公共建筑的透明部分大面积采用了未做任何保温隔热措施的玻璃幕墙。由于本省的气候特点，设计师在以往的门窗的设计中，追求大、通、透，很少考虑节能要求，居住建筑中的窗墙比一般都超过30％，公共建筑的窗墙比较多超过60％，节能建筑面积所占比例很少。据笔者采用CHEC夏热冬冷地区居住建筑节能设计分析计算软件对多幢既有居住建筑围护结构能耗模拟计算分析，80年代前的多层建筑有围护结构产生的能耗在80 kWh/ m²以上。经过50％的节能改造可使能耗降低30％以上。

1.2 外围护中外窗的耗能

据有关资料介绍浙江省既有建筑约 7.5亿平方米，其中居住建筑5亿平方米。夏季用电高峰时，空调负荷最高达到总负荷的一半以上。外围护结构中窗户是围护结构中热工性能较差的部分，在由围护结构引起的能耗中约占45%。公共建筑一般体积都比较大，通过外围护结构（透明幕墙）的传热损失就更大，多数未达到节能标准中的要求，是造成高能耗的主要原因之一。

浙江属夏热冬冷地区，气候总的特点是: 季风显著, 四季分明, 夏季漫长冬季较短，春秋两季过渡不明显，日照充足，全年大部分时间都处于25℃以上。04年~06年，夏季高温酷热加重了干旱，引起水、电需求上升，造成浙江供电严重紧张，杭州等城市不得不启动E级供电方案。杭州等14个气象站观测的日最高气温或日平均气温打破或平历史极端最高记录，全省大部分地区夏季35℃以上，高温日数30天以上，其中丽水、兰溪、武义、义乌超过50 天。

大量的既有建筑在夏冬两季继续不断地浪费着越来越有限的能源，并且向大气中排放着二氧化碳等污染物，增加温室气体浓度。随之而来的是自然灾害如沙尘暴、水灾、旱灾、土地荒漠化等，使人类的生活环境加剧恶化。由此可见，对既有建筑物的节能改造应该及早开展。否则，既有建筑的数量将越积越多，我们国家更难以承受对节能改造的经济支出，使人民生活在越来越不良的大气环境中。因此，对既有建筑进行节能改造，以避免能源资源的浪费，提高建筑热舒适度，还我们一个清澈的蓝天，已成为我国当前紧迫的、必须尽快解决的重大问题。

随着人们生活水平的不断提高，为了创造一个舒适的居住环境，室内制冷或采暧方式越来越普遍，门窗作为建筑物的表面围护之一，直接影响到建筑物的节能性能。而既有建筑门窗为建筑物保温性能最薄弱的地位，提高门窗的保温隔热性能是保证建筑物降低能耗的主要途径。

据笔者采用CHEC夏热冬冷地区居住建筑节能设计分析计算软件对多幢既有居住建筑围护结构能耗模拟计算，对采用不同类型墙体、屋顶、外窗、玻璃类型及有无外遮阳情况下的能耗进行了模拟计算,并在此基础上对围护结构改造措施进行了经济性比较。计算和分析结果表明：窗墙比>0.3时，外窗改造后的节能效果较显著，能耗降低15％左右。窗墙比越大，改造效果越好。

对于既有建筑应优先推广的节能措施依次为: 南向增加外遮阳措施,单玻改成中空双层玻璃窗, 架空楼顶板、加铺屋顶外墙保温材料、进行保温改造。可见对既有建筑进行节能改造，门窗是最容易操作实现的，可以先行一步。

3 窗的节能改造

3.1 改造的基本原则

建筑节能的基本原则，是尽可能利用自然条件，采用最小的技术手段和投入，在保证获得适宜的

室内热环境的前提下，得到最大的节能降耗效果。显然节能的投入要讲究经济性。在既有建筑门窗的改造中，还要注意尽可能较少影响或不影响原有建筑的内装修的原则。所以窗的改造更多地应考虑玻璃的更换，通常情况下通过建筑外窗的热量，玻璃得热是第一位，其次是窗缝隙空气渗透传热，窗框所传热量占最少。因此，提高窗的节能特性首先应该从玻璃着手，其次是窗的密封性与窗框的问题。

3.1.1玻璃的选择

　 我们知道，能源的损耗主要是由对流、传导、和辐射三方面的因素。而玻璃主要是热辐射使得能

量的损耗，所以我们在选择建筑门窗玻璃时，要保证整体建筑的节能，就得合理的选择玻璃。建筑门窗使用玻璃，在我们国家来讲，历史较长，技术较为成熟，可根据各地区不同的节能指标，选择不同的性能的玻璃来满足节能的要求（如表1）：

表1

夏热冬冷地区，夏季日照强烈，空调制冷是主要能耗，因此应降低建筑玻璃的遮阳系数，玻璃的遮阳系数越低，透过玻璃传递的太阳光能量越少，越有利于建筑物制冷节能。但玻璃的遮阳系数也不能太低，否则无法达到建筑物白天自然采光的目的。  《公共建筑节能设计标准》GB50189对应用于夏热冬冷地区的建筑玻璃遮阳系数有明确规定。降低玻璃遮阳系数的方法很多，如采用着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃和Low-e玻璃，他们的太阳光谱透过率曲线见图1。

 

 

图1 不同玻璃太阳光谱透过率曲线

 

由图1可见:着色玻璃的遮阳系数可降至0.55—0.85，阳光控制镀膜玻璃的遮阳系数可降至0.25—0.55，由他们组合成的中空玻璃，其遮阳系数可进一步下降，但着色玻璃和阳光控制镀膜玻璃以及由他们组合成的中空玻璃，其传热系数与透明浮法玻璃基本一致。

Low-e中空玻璃，特别是双银Low-e中空玻璃，不但其传热系数低，保温性能优良，而且其遮阳系数也可降至0.30—0.60，隔热性能非常好，可满足《公共建筑节能设计标准》GB50189在任何地区对玻璃传热系数和遮阳系数的要求。
    此外，彩铀玻璃和建筑遮阳系统也可显著降低玻璃的遮阳系数，究竟采用何种遮阳方式，应结合建筑学综合考虑决定。

在夏热冬冷地区，既有居住或公共建筑的透明外窗多为单玻，保温性能很差。从表1和图1可见

透明玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃单片玻璃的保温性能K值区别不大，遮阳Low-E玻璃的K值降低较多。应积极采用采用遮阳型Low-E中空玻璃，遮阳系数Sc＜0.5，对透过的太阳能衰减较多，而不过多阻挡可见光的透过。这对以空调致冷的南方地区极为适用，夏季可最大限度地限制太阳能进入室内，并阻挡来自室外的远红外热辐射，因为冬季太阳能的强度仅为夏季的1/3左右，因而保温性能并未受到影响。从而节省空调的使用费用。

中空玻璃作为建筑节能材料，因其具有良好的隔热和隔音性能而被广泛应用。同时对中空玻璃的

质量要求越来越高。中空玻璃最大的质量问题就是在使用中空气层结露，原因就是密封性能实效，空气层的露点在使用过程中升高了。既有门窗的单玻改中空是主要的选择，两层玻璃之间的密封一定要做好。按照《中空玻璃生产规程》HBZ/T001-2007的要求，通过选料、加工、环境等各个环节的控制，可以保证空气层在零下40摄氏度以上不结露。否则中空玻璃在使用过程中，当环境温度降低到使玻璃表面温度降低至干燥空气层内的露点时，干燥空气层的表面会产生结露或结霜，而影响中空玻璃的性能。

五金配件在节能门窗里面所起的作用非同小可，不但是对门窗的气密、水密、抗风压息息相关，

在安全等性能上也起着非常重要的作用。节能门窗五金配件应考虑到以下几个方面：

1． 选择材质好的五金配件是节能门窗的基本保证。材质差的五金配件易老化，碎裂,这样就可导

致门窗开启不灵活或无法开启、关闭，这样不但不能保证建筑门窗的气密性能，达到节能，还给人们带来生命安全，因此在选择五金配件时一定要选择有品质保证的品牌产品，不能贪图便宜，以小失大。

2．五金配件的合理配置与设计,应选择锁闭良好的多点锁系统，保证门窗在受风压的作用下，扇、

框变形同步，有效保证密封材料的合理配合，使密封胶条能随时保持受压力的状态下有良好的密封性能，而不能选择便宜、简易的单点锁五金配置，因单点锁五金配置时，在门窗受到正风压，或负风压时，门窗在没有锁闭点的位置就会发生变形。而变形之后无法恢复原位，以而导致扇、框之间产生缝隙，使得热冷空气通过门窗缝隙循环流动，形成对流，不能使门窗达到节能。

 门窗的节能特性只是其众多特性之一，还有抗风压性能、水密性能、气密性能、隔声性能、防雷性能等。尤其是浙江属于沿海台风地区，外窗的抗风压性能与水密性能均有相对较高的要求。外窗的加工组装精度，特别是窗配件，如窗支撑、密封胶条、密封胶，高质量的产品较普通产品的相比，可以大大提高窗的安全使用寿命与密封性能，对于提高节能窗产品的性价比，具有关键性的作用。而施工质量尤其是安装窗框时要避免冷桥的产生等，是节能窗达到预期性能的重要环节。

保温和隔热都是阻止热量传递的方式，也是门窗节能的关键指标，但两者却是有着很大的差别。保温是指外窗在冬季温差较大(一般为大于10℃)条件下，阻止室内向室外的温差传热；隔热是指外窗在夏季隔离太阳辐射得热和阻止室外向室内的 (温差一般为小于10℃)传热，其中太阳辐射得热远大于因温差而产生的得热。

在炎热的南方沿海地区，为节省空调电耗，窗的隔热比保温更为重要。窗户的隔热性是指太阳辐射得热通过窗户进入室内的能力。《公共建筑节能设计标准》中用遮阳系数SC作为窗户隔热性能的设计依据。有遮阳时，遮阳系数SC=玻璃的遮阳系数х外遮阳的遮阳系数；无遮阳时，遮阳系数SC=玻璃的遮阳系数。根据DOE-2软件模拟计算，笔者在对数幢楼房的节能设计与计算中，通过改换外窗不同的保温和隔热系数，得出非常有意思的结果，以某建筑为例：节能计算面积为3502 m²，体形系数0.256，窗墙比（南北同为0.29，东为0.1，西为0.04），原有建筑能耗为114.6(kWh/m²)，如果窗的传热降低一半，对降低能耗的贡献（2.1%，2.4(kWh/m²)，而将窗的遮阳系数降低一半，对降低能耗的贡献为每平方米（5%，5.82(kWh/m²)。将外墙的传热降低一半，对降低能耗的贡献（5.67%，6.5(kWh/m²)。由于辐射得热量较温差传热得热量大得多，隔热性能评价遮阳系数SC显得更重要些。因此在选用节能窗时，我们不仅要看传热系数K值，更要看其遮阳系数SC值。

从节能角度讲，遮阳越好的窗户，隔热保温性能相应也好。除了选择遮阳玻璃方式外， 外窗采取遮阳等措施，降低夏季外窗的太阳辐射透过率，不但可以可大幅度降低空调设备的能耗，还可以明显改善自然通风条件下的室内热环境。现场实测表明：有效的遮阳，可以使室内空气最高温度降低1.4℃，平均温度降低0.7℃，使室内各表面温度降低1.2℃，从而延长采用自然通风的时间，减少使用空调的时间，获得显著的节能效果。

模拟计算表明，仅夏季采取遮阳一项措施，该建筑的改造使空调耗电量比相同围护结构条件下，降低约19.0％以上。 因此窗户外遮阳是浙江地区居住建筑节能的最主要的技术措施。当外窗夏季的辐射透过率不大于0.3，再辅以墙体隔热和提高空调设备能效比等措施，就可以达到国家建筑节能50％的指标要求。但在冬天，太阳辐射得热又是提高室内热环境质量的一个有利因素。因此选择合适的建筑开窗朝向，增加外窗的遮阳是减少外窗得热的最直接有效的手段。

遮阳可分室内外遮阳：室内居民喜欢使用镀膜窗帘，冬季，镀层使热量在室内循环以减少供热用能；夏季，可防止强烈的太阳辐射而减少制冷用能。室内挂窗帘既方便又有装饰效果，但低垂的窗帘挡住了光线，热量还是留在室内，所以不是最好的选择。有条件应选择室外遮阳或室外窗帘。

 历史久远的木质窗板，有单扇和对开的，有全木板和百叶式的，设在窗外。使用时关上，不用时打开，并有牢固的固定设施，对建筑物的外观没有任何影响。现在发达国家在这方面又发展为集遮阳、保温、隔热与防盗为一体的外窗帘板，有的是铝质或塑料百叶，有的用钢卷帘或布卷帘，也有横向推拉式的遮阳装置。

在既有门窗改造的同时，不要轻视遮阳，他将起到事半功倍的效果。而且应该优先考虑外遮阳，采用内遮阳时，应选择浅色窗帘。同时还应充分考虑冬季利用太阳辐射改善室内热环境。窗玻璃的冬季辐射透过率应尽可能地大。这就意味着窗玻璃太阳辐射透过率应按季节进行调整。因此夏季设置外遮阳进行隔热时，遮阳设施应是活动的。冬季时可将其移离窗口，避免外窗的遮阳对太阳辐射的阻碍。

4 门窗节能改造可选用下列技术

既有建筑门窗一般为钢窗、单玻窗、铝合金塑钢窗，气密性差，传热系数高，因此有必要将原门窗改造或调换成中空窗扇。调换门窗可能会影响室内装潢材料的完好性，亦可在原门窗外加一道门窗而达到节能改造的要求，外窗节能改造可选用下列技术：

4.1   拆换原窗改造

4.1.1 当原窗为钢窗、木窗、铝合金窗损坏时，拆换整窗调换节能窗；

4.1.2 当原窗为塑料窗，可较为方便地拆换窗扇压条改造成中空玻璃窗扇调换。

4.1.3 当原窗为铝合金窗时，可加大窗扇玻璃槽口，拆换窗扇改造成中空玻璃窗扇调换。

4.2   加窗改造

4.2.1．当原窗完好，可根据现场实测值设计加窗的位置和方法，加窗可为单层或中空窗。

4.2.2．贴隔热膜改造

当原窗完好，尤其是玻璃幕墙改造时，可在玻璃面贴隔热膜。

5  建筑节能改造前后能耗及经济分析

对既有建筑节能改造后究竟会产生怎样的效果呢？

我们以一幢20层的高层建筑的改造为例，(建筑面积)为9545 m²，240混凝土墙，外墙采用

采用粘土实心砖砌体，玻璃马赛克饰面，且已有剥落现象，空鼓率达30%左右，窗户采用塑料单玻

窗。屋面采用珍珠岩保温，防水层采用防水涂料。对其进行围护结构改造：外墙使用聚氨酯彩色防

水保温系统，改造前后保温隔热性能对比见表2。

表2 改造前后传热系数

 

门窗在该建筑所占面积比为24％，改造前后的传热系数降低大于50％。改造前后的能耗分析采用CHEC建筑能耗分析软件计算。改造前的能耗为85.4 kWh/ m²，节能计算面积按《居住建筑节能设计标准》的要求，计算的参照建筑的能耗为58.2 kWh/ m²。能耗与原有建筑相比降低了32％。

上述指标远优于夏热冬冷地区目前对节能改造所提出的指标要求。节能效果明显。该工程住宅节能改造费用每平方米小于120元，所需资金见表3。

表3    9545 m²住宅节能改造所需资金

据模拟计算分析：该工程经过节能改造后，年节约煤34吨，每年每百平方节煤0.36（t/100m²） 。

相当于每年节电27.2kWh/ m²，节约电费按0.65元/kWh计算， 每年每平方米节约电费17.68元/ m²。

6～7年节约的电费可以交付改造的费用。

6．既有建筑节能改造政策研究

6.1存在问题

既有建筑节能改造的任务十分艰巨，居住建筑涉及面广，难度大，特别是高层建筑，普遍存在

着如下中问题：

 6.1.1 外墙饰面大都采用马赛克和面砖，受到冻融温差的冲击较大，外墙抹面层的空鼓率达

30%左右。贴面材料高空坠落的情况时有发生。

6.1.2门窗幕墙的五金件缺失严重，玻璃的破损、胶条的老化和密封的失效情况较多。

6.1.3 既有建筑建造年代的不同，在使用过程中损坏程度不同，其安全状况也参差不齐，

6.1.4 既有建筑的材料和施工方法的陈旧使能源消耗日渐增大。

6.2 节能改造程序

6.2.1既有建筑的节能改造工程宜按一定的程序，从检测→立项→评估认可→实施→检测→

到验收，才能保证节能改造的效果。

6.2.2改造前可由建设单位委托有条件的专业检测机构对围护结构的质量和热工性能进行检测

或模拟计算并进行评估，以便确认房屋状况进行节能性能评级。可将其分成节能（50%及以上）、一

般耗能（节能30%~50%）、高耗能（30%以下）住宅。对一般耗能和高耗能建筑设计合理的节能改造

方案。

6.2.3节能改造方案应根据不同的建筑设计包括：节能评估报告、节能设计方案（由建设单位委

托设计单位设计）、施工组织设计、技术经济分析、节能验收要求等。

6.2.4改造后的对施工质量和节能达标的验收，是保证工程质量的关键手段，应达到节能50%或

更高要求。

6.3节能改造政策

6.3.1政府将采取支持、鼓励的政策，引导重点节能技术改造项目实施，支持节能潜力诊断、可

行性方案认证、节能效果评价、节能项目融资等节能服务产业的发展，鼓励推广合同能源管理。

6.3.2免费为重点用能单位开展用能消费合理性诊断和用能分析，找出节能降耗的潜力及解决途

径；帮助企业融资，与有关银行协调，优惠贷款利率，支持企业加大技术改造力度。

结语

针对以上既有建筑节能改造所面临的问题，外窗的改造相对容易操作，对门窗企业来说，要重视

改造施工工艺，根据既有建筑的建造年代、损坏程度、安全状况等实施分期分批份方案的改造。使既

有住宅建筑的能耗降低、居民住宅的舒适度增加，同时能耗支出的降低又能让居民享受到真正的实惠。

使国家和用户都能在节能改造中受益，也使门窗幕墙行业能在建筑节能改造中取得巨大的收益。