绿色建筑中节能门窗的应用现状与发展趋势
摘要：[HT5”K]指出了我国门窗的节能标准低下，多数门窗厂家整体技术水平低下，导致我国门窗的保温性能远低于西方发达国家，大量的能耗从门窗洞口等部位流失。分析了我国门窗节能的现状，阐述了国外节能门窗的应用状况，探讨了节能门窗的未来发展趋势。
关键词：[HT5”K]节能门窗；绿色建筑；玻璃
收稿日期：20150325
作者简介：杨宝（1983—），男，陕西西安人，国家一级注册师，主要从事大型城市公共建筑设计方面的研究工作。
中图分类号：[HT5”SS]TU1114
文献标识码：
[JY]文章编号：[HT5”SS]1674994.4（2015）05025003[HK]
1节能形势与新型建材的国家政策
11节能形势与能耗标准
当前我国建筑业发展迅速，“十一五”期间，每年新建建筑面积约10亿m2。据住建部预测，“十二五”期间，我国城镇新增建筑面积预计将达到40～50亿m2。因此，要确保这些建筑达到现有节能标准，已非常不易。特别是目前我国正大力发展更加节能的绿色建筑，节能的任务就更加艰巨。
受经济发展水平影响，我国建筑的节能标准一直很低。据统计，2000年以前我国建设的绝大部分建筑为非节能建筑。特别是北方严寒、寒冷地区的建筑，外围护结构连基本的保温层都没有。目前，我国推行的是65%节能标准，这个标准只相当于欧洲国家20年前的标准。受节能标准低以及能源利用效率低的影响，我国同样的建筑，每年仅采暖就要消耗比西方发达国家更多的煤炭能源。
1.2有关新型建材的国家政策
我国《“十二五”建筑节能专项规划》指出，“十二五”期间，我国要因地制宜、就地取材，结合当地气候特点和资源禀赋，大力发展安全耐久、节能环保、施工便利的新型建材。加快发展防火隔热性能好的建筑保温体系和材料，积极发展包含低辐射镀膜玻璃、断桥隔热门窗等建材和部品。同时，国家将出台相关配套政策以推动节能门窗的发展。
2门窗的功能与矛盾性
2.1门窗的功能与节能
现代建筑的理念是开放式的，无论何种类型的建筑，通透、明亮、舒适等都成为人们追求的目标。在这一趋势下，建筑的外围护结构越来越多地采用大面积玻璃门窗。同时，由于环境和气候影响，室外环境在大部分情况下已经不能满足人们对于舒适度的要求，而要想获得更舒适的室内环境，必然消耗大量的能源，因而产生了门窗功能性和节能性的矛盾。
2.2门窗的设计复杂性
好的设计往往意味着多种矛盾问题的互相平衡，这一点在门窗设计中尤为显著。首先，门窗既要保证吸收适量的的太阳能，又要防止炎热的夏季引入过多的热量导致室内过热；第二，门窗既要给室内提供充足的日照，又要防止因为采光不当引起室内眩光，影响光环境的舒适度；第三，门窗既要保证室内的自然通风，又要防止噪声的侵扰；最后，门窗既要满足人们对于外界环境良好的视野需求，又要保证个人安全与隐私。此外，门窗的设计还受到气候、地区的影响，不同的纬度、不同的朝向也会对门窗的设计产生影响。总之，一系列矛盾需要平衡，这也带来了门窗设计的复杂性和综合性。
3门窗在节能方面存在的问题
31门窗是节能的短板
我国建筑主要能耗在冬季的采暖和夏季的降温，而冬季采暖能耗又远远多于夏季降温。据测算，在建筑全年能耗中，冬季采暖消耗掉一半以上的能源。而在这部分能耗中，很大部分又是通过门窗洞口等部位流失消耗的。例如，在普通民用建筑外围护结构中，外窗面积一般占到15%～30%左右，而能耗则占到整个围护结构的40%～50%左右，这是因为占外窗主要面积的玻璃热工性能非常差，导致外窗的热工性能比外墙和屋顶差了4倍左右，因而远远不能达到外墙或屋顶的热工性能，成为建筑节能的显著短板。通常外窗由两部分组成，窗框和玻璃，这两个部分都是节能的短板。由于玻璃面积占据绝对的份额，因而降低玻璃外门窗能耗的关键又在于提高玻璃的热工性能上。在理想状态下，如果能够使玻璃的热工性能同外墙相当，那么建筑的保温将形成一个完整均衡的体系，可以认为外围护结构没有能量损耗薄弱环节。
32我国的门窗节能标准
与西方发达国家相比，我国门窗节能标准相对较为落后。例如，近几年来北京市执行的《居住建筑节能标准》要求的外窗传热系数K值（限值，下文同）为28W/（m2·K），这仅仅是德国1984年的标准要求，相差了整整30年。而北京地区还算是执行节能规范比较好的地区，全国多数地区还没到达到28W/（m2·K）的水平。目前，欧盟国家的节能标准对门窗的K值要求是11～13W/（m2·K），德国要求为11W/（m2·K），瑞士则更低，要求低至07W/（m2·K）。这些标准对我国来说，目前几乎是无法实现的，可见差距之大。
33门窗节能标准低下的客观原因
我国门窗节能标准不高的原因是多方面的。一方面，长期以来，人们对于门窗节能的意识本来就薄弱；另一方面，我国门窗设计厂家的技术实力低下、市场混乱，这也是标准难以提高的重要原因。据权威部门统计，我国的门窗厂家数量惊人，但是真正具有节能门窗生产技术的却寥寥无几，行业整体水平低下。相关资料显示，2010年我国具备节能门窗生产能力的厂家尚不足10家，能够生产K值不超过20 W/（m2·K）的厂家仅6家。另外，不仅保温性能低下，我国门窗的使用寿命普遍较短。无论是玻璃还是门窗业相关的框材、胶条、五金件等均缺乏良好性能，这些因素直接导致了门窗寿命短、质量低下。
[BT（1]4[ZK（]发达国家节能门窗的主要类型及应用情况[ZK）][BT）]
41西方发达国家节能门窗的主导产品
西方发达国家的门窗节能标准比我国高出很多，特别是最近十几年来，西方先进门窗技术有了巨大的进步。目前，在我国还是节能应用主体的普通双层充空气玻璃窗（K值一般在28～30W/〔m2·K〕左右），三层充空气玻璃窗（K值一般在20W/〔m2·K〕左右）已经很少使用。目前在西方发达国家，节能门窗的主体早已是Low-E玻璃门窗。早在1991年，欧盟就宣布于1995年强制使用Low-E中空玻璃。1995年，其Low-E玻璃使用率首次突破50%，1998年更是迅速达到80%。目前，在西方各国的公共建筑和普通住宅建筑中，Low-E玻璃门窗成为应用最为广泛的节能门窗。在德国，Low-E玻璃的使用率高达92%，英国和韩国的使用率在85%以上。同样是能耗大国的美国，Low-E玻璃的使用率也高达83%。
随着发达国家节能标准的提高，甚至连普通的双层Low-E充空气玻璃（K值一般在17～20W/〔m2·K〕左右）也已经不能满足节能的需求，目前较为常用的节能门窗玻璃一般为普通双层Low-E充氩气玻璃（K值一般在15W/〔m2·K〕左右）、三层Low-E充空气玻璃（K值一般在10～1.2W/〔m2·K〕左右）；更加节能的三层Low-E充氩气玻璃的K值一般在08W/（m2·K）左右，带有两层Low-E涂层充氩气的三层玻璃窗K值可降至07W/（m2·K），而若是充氪气的话则K值可降至05W/（m2·K）左右。
4.2德国节能玻璃门窗的发展应用状况
在德国，以前门窗也被普遍认为是节能的薄弱环节，德国也经历过门窗传热系数是外墙倍数的时代，所以，和现在的中国一样，德国早些年也通过采取立法的手段限制建筑门窗洞口所占墙面的比例。门窗小了，造成的负面影响之一就是采光的严重损失，同时利用太阳能的机会也大大减小。随着近些年来以德国为代表的西方发达国家在门窗节能上取得了巨大的技术进步，门窗已经不再是外围护结构的薄弱环节。德国市场上很多类型的节能门窗其整体保温性能要优于外墙、屋顶等其它主要围护结构部分，以至于其通过门窗得到的太阳能大于通过其散失的热量，因而使门窗成为净得热的部位而不是节能的短板。因此，对于近些年来西方各国建筑中出现的大面积玻璃门窗，当我们认为其是散失热量浪费能源时，实际上其正是利用大量的门窗得热而减少了采暖能耗。当然，外门窗节能取得的成就除了有以Low-E玻璃为代表的玻璃产品的进步外，还离不开窗框产品隔热性能的进步。
5建筑门窗市场上常用节能玻璃类型
[HJ11mm]
5.1普通中空玻璃的应用及问题
普通中空玻璃是我国目前普遍采用的门窗节能玻璃。中空玻璃由两层或两层以上玻璃组成，中间有一层或者多层的间隔，根据不同的要求，中空玻璃间隔内可以充空气或者氩气、氦气等惰性气体，内充惰性气体的中空玻璃成本相对较高，但保温性能更好。由于气体的传热系数远低于玻璃和窗框，因而在两层或者多层玻璃之间形成一个较为稳定的缓冲气体层，阻挡了热量的散失。一般情况下，与普通玻璃相比，中空玻璃传热系数可以降低40%左右，从而降低了能耗。普通中空玻璃的传热系数通常在20～30 W/（m2·K）之间，刚好能够满足我国大部分地区的节能要求。对于一些节能要求较高的地区，一般通过三玻充氩气或者其它惰性气体就能基本满足节能标准的要求。
普通中空玻璃门窗的劣势在于其节能效率已经不能适应我国日益提高的节能要求。前文已述，我国的节能标准相比于西方发达国家已经大幅度落后了，随着我国节能减排任务加重、产业升级加快、大力发展绿色建筑，必然使门窗的节能标准大幅度提高，到时候，普通中空玻璃的劣势将会凸显。节能标准的提高必将对门窗K值限值提出更严格的要求，对于普通的中空玻璃来说，降低K值的方法基本上就是增加玻璃层数，但增加玻璃层数将导致门窗自重增加、采光损失、加工制作工艺复杂化等一系列问题。总之，普通中空玻璃门窗自身提高保温性能的潜力非常有限。
5.2Low-E玻璃的应用及问题
Low-E玻璃又称低辐射镀膜玻璃，原理是在玻璃表面镀上金属薄膜（低辐射材料银及金属氧化物膜），Low-E膜通过降低玻璃表面半球辐射率大大提高了玻璃的保温隔热性能，同时也有选择地降低遮阳系数Sc，全面改善玻璃的节能性能。Low-E玻璃门窗的传热系数一般在20 W/（m2·K）以内。Low-E玻璃根据不同设计与应用环境，分为“高透型”和“遮阳型”两大系列。以冬季采暖为主的北方地区，适合高透型Low-E玻璃，以夏季空调制冷为主的南方地区，适合采用遮阳型Low-E玻璃。根据构造层次的不同，Low-E玻璃又分为单银型和双银型Low-E玻璃，其中单银高透型Low-E玻璃适用于北方寒冷地区，单银遮阳型Low-E玻璃，不仅适用于南方地区，也适用于北方地区；而双银Low-E玻璃为高级Low-E玻璃，其膜层中有双层银层，属于遮阳型Low-E玻璃，其解决了高可见光透过率与低太阳能透过率不能兼顾的矛盾，因而综合节能效果远优于普通Low-E玻璃。
目前，我国Low-E玻璃门窗的市场占有率非常低。这其中有很多复杂原因，主要原因在于我国门窗厂家虽然众多，但是整体技术水平低下，能够生产Low-E玻璃门窗这种较高档次节能门窗的厂家数量稀少。技术水平整体低下，导致我国的节能标准中对于门窗的保温节能要求非常低。而标准低下反过来[JP3]又导致像Low-E玻璃门窗这样相对高端的节能产品相对成本高，在市场上难以普遍推广，应用范围十分有限。但是，随着我国大力推进绿色建筑、加大对绿色节能产品的政策支持与投入，原本混乱低端的门窗市场将在新一轮的绿色建筑浪潮中洗牌。可以预见，我国节能标准中门窗传热系数K值将很可能在几年内降低至20 W/（m2·K）以下，这时Low-E玻璃门窗的节能优势将真正体现出来，Low-E玻璃门窗将迎来一个巨大的发展机遇。[JP]
5.3真空玻璃的应用及问题
真空玻璃是目前节能领域前景最为看好的一个玻璃种类。真空玻璃的产品早在2008年杜塞尔多夫玻璃技术博览会上就已经推出，据估计，将来其材料的价格低于普通中空三玻，因而应用前景十分看好。
真空玻璃的保温原理类似于保温瓶原理，将玻璃四周进行密封处理，在玻璃之间形成01～02mm厚的极薄真空层。真空层内几乎没有任何气体，热量无法传递，因而保温效果明显。真空玻璃中间中空部分压力可降至300～1000Pa，玻璃外侧压力大，因而需要在内部设置隔片。真空玻璃的内表面还有透明低辐射膜，更加提高了其热工性能。相比于其它玻璃，真空玻璃传热系数K值可以低至06 W/（m2·K）以下，根据窗框材料的不同，整窗传热系数可低至15 W/（m2·K）（断桥铝合金型材）、11 W/（m2·K）（PVC型材）、08 W/（m2·K）（实木型材），节能效果显著。据测算，在北方严寒、寒冷地区使用时，冬季节能可达50%以上。真空玻璃的计权隔声量在36dB以上，当采用复合真空玻璃时，更是可以达到40dB以上，这样的隔声水平，对于室内降噪、改善声环境具有很好的效果。真空玻璃不仅保温、隔声性能能好，还能够防止结露，提高室内舒适度。由于真空玻璃门窗有效减少了玻璃层数，因而不会像三层中空玻璃窗那样自重大且耗费框料，从而进一步降低了施工成本。
6结语
近几年，国外先进节能玻璃门窗发展迅速，各种涂层技术的迅速发展使节能玻璃产品的性价比越来越高，再加上窗框的热工性能大幅度改进，在西方发达国家，很多门窗产品K值已经达到08 W/（m2·K）及以下水平。根据国外研究经验，今后外窗节能技术的发展重点将基于以下几个方面：优化Low-E玻璃的涂层，不断改进其光谱选择性；大力发展真空技术，解决真空玻璃相关各种工艺问题，降低热损失；不断发展窗框技术，优化窗框的热工性能和密封性。
我国是世界上人口最多的国家，同时也是能源最大的生产国与消费国。能源是国家经济发展和人民生活基本保障的基础，而我国更是面临着越来越严峻的能源短缺挑战，节约能源已经成为我国社会的迫切需要。对于建筑物来讲，室内外温差大，为了保证必要的舒适性，能源消耗巨大。因此，发展优质、高效的保温节能门窗，不仅能够有效保证室内舒适性，达到节能减排的作用，还可以对建筑物外围护结构形成保护，有效增加建筑物的使用寿命。
[HT5H]参考文献：[HT6SS]
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