建筑节能与塑料门窗在南方炎热地区的应用
王 民 杨忠久
福建亚太建材有限公司门窗研究室（350304）
摘要：本文论述了门窗节能在环境保护与建筑节能中的重要作用，并就塑料门窗在南方炎热地区应用的意义与有关技术要求进行了分析论证，另外还论述了门窗节能可采取的有效措施。
关键词：建筑节能 塑料门窗 南方炎热地区 应用
The application of energy saving plastic doors and windows in building in sweltering area
Wang Min Yang Zhong jiu
(Fujian Atai Building materials Co., Ltd., Fujian 350304)
Abstract The importance of energy saving plastic doors and windows in environmental protection and energy saving in building were described in this article. It studied the importance of plastic doors and windows application in sweltering area such as south of China, and it also discussed the effective measures of how to save energy by plastic doors and windows.
Key words energy saving in building, plastic doors and windows, sweltering area such as south of China, application
1 环境保护与建筑节能
人类正处于一个科学技术日新月异，资源和能源日益短缺的时代。一方面科学技术发展，创造了光辉灿烂的人类文明和美好富裕的物质生活；一方面由于森林和矿石的过度砍伐和开采，大自然向人类进行着肆无忌惮的疯狂报复：土地破坏、植被退化、物种减少、土地荒漠化、风沙肆虐、洪水泛滥、气候变暖、空气污染、疾病从生等一系例灾难性后果正严重威胁着人类的生存。为了挽救地球和人类，维护自然生态平衡，自二十世纪未期，环境保护和节约能源已成为摆在世界，特别是中国人民政府和人民面前的一个严峻课题。《中国二十世纪议程》向世人展示与宣布了中国政府和人民为实现生态平衡和经济协调发展的宏图、决心和信心。
与世界发达国家相比，我国是一个自然资源与能源都极度匮缺的国家。人均能源占有率仅是别国的50%，森林履盖率仅占全国面积的14%，和日本的55-60%相比，有很大差距。同时我国又是一个商品能源增长缓慢（能源年增长率为3.6%），能源消费量又比较大（约30%）的国家。能源消费远远大于能源增长，不仅不利于环境保护，而且严重地制约和影响了我国经济的发展和综合国力的提高。
经济的发展，依赖于能源的充分利用和发展，需要能源提供动力。能源是否充分利用和协调发展又事关自然生态平衡和环境保护。因此节能不仅是关系到生态平衡和环境保护而且是关系到经济发展的一件大事。生态平衡、环境保护和经济可持续发展是目的，节能是手段和必要措施。
据有关资料表明：在社会能源消费中，建筑能源消费，仅指建筑用能源包括采暖空调、热水供应、炊事、照明、家用电器等方面的消费，不含建筑材料生产和建筑施工等方面的消费约占国民经济总能源消费的30%，而且有逐渐增大的趋势。在建筑能源消费中，门窗传热损失能源消费约占28%，空气渗透能源消费约占27%，两者总计占建筑能源消费的50%以上。由此可见节能的关键是建筑节能，建筑节能的关键是门窗节能。
2 门窗节能与节能门窗
为了节约能源，扭转我国严寒地区、寒冷地区居住建筑采暖能源大、热环境质量差的状态，我国在1980-1981年住宅设计能耗水平基础上，于1986年起实施节能第一段即节能30%的节能标准。并通过加强围护结构保温和门窗的气密性以提高采暖供热系统运行效率来实现。根据发展经济、节约能源，实施可持续发展战略目标的需要， 我国于1996年7月1日实施第二阶段节能50%的节能新标准。具体讲就是建筑物的耗热能从原来基础上再降低35%，节约50%的采暖用煤和空调耗电用煤。
参照国家第二阶段节能50%的新标准，各省、各地区依据当地地域特征、气候条件，纷纷制定了本省、本地区民用建筑节能设计标准和实施细则，对门窗物理性能提出了具体节能要求。福建省现阶段门窗节能标准：k＜4.7w/m2 ·k 、 A＜1.5m3/m·h.
由此可见,节能门窗不是单纯以材料分类、划分,而是以门窗性能指标，即门窗的保温隔热性能（传热系数）和空气渗透性能（气密性）两项物理性能指标达到（或高于）所在地区民用建筑节能设计标准为依据。各类门窗性能指标见表一：
各类门窗性能表 表一
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门窗类别 |
传热系数w/m2 ·k |
气密性m3/m·h |
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单玻钢窗 |
6.0-6.7 |
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单玻铝窗 |
6.0-6.7 |
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单玻塑料窗 |
4.3-4.6 |
1.20 |
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双玻钢窗 |
3.2-4.6 |
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双玻彩板窗 |
3.1-4.4 |
0.83 |
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双玻铝窗 |
3.9-4.5 |
1.12 |
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双玻断热高效铝合金窗 |
2.2-2.6 |
0.5 |
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双玻塑料窗 |
2.2-3.1 |
0.53 |
由表一知，仅有单层塑料门窗可以达到节能门窗的标准，其它材料门窗双层玻璃亦属节能门窗范畴。故不能以推广某种材料的节能门窗而排斥、甚至贬低其它材料的节能门窗。由于国家发展化学建材产业政策和节能技术政策的要求，塑料门窗生产能耗低，假定塑料单位系数为1、钢则为4.5、铝为8.8，从生产角度讲塑料门窗社会效益和节能效果十分显著。假如每千平方米门窗材料折合6立方米木材，全国6000万平方米门窗有30%采用塑料门窗，可以节约木材约12万平方米。再假如我国北方地区有15%的建筑采用塑料门窗，可节煤14万吨、节电1.3亿度、节钢6.5万吨。可大大缓解建筑对自然资源的需求，对保护生态平衡的意义和作用尤其重大。同时塑料门窗除导热系数低（见表二），隔热性能好的优势外，和其它材料门窗相比，型材截面大，有设置增强、密封、排水装置的空间，单位价值性能比高。因此在节能门窗中，要贯彻优先推广应用塑料门窗的原则。
各类材料、介质导热性能表 表二
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材料 |
铝材 |
钢材 |
玻璃 |
PVC |
空气 |
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导热系数w/㎡·k |
203 |
110.49 |
0.81 |
0.162 |
0.046 |
3南方炎热地区塑料门窗的应用
塑料门窗在南方炎热地区应用有否市场？能否得到全面推广？除国家政策导向外，还与南方炎热地区的地域、气候特征与建筑特点有关。
3-1南方炎热地区的地域气候特征
我国南方炎热地区，包括福州、南宁、广州、澳门、香港、海口、台北、景洪、元江等地区属于夏热冬暖地区，最冷月平均气温＞100C，最热月平均气温25-290C，最高气温达400C，夏季时间长，冬季时间短或无冬季存在。雨量偏多，降雨量多达1300-2200mm。湿度较大，相对湿度均在80%左右。全年日照时间较少，辐射强度大。雷暴雨日数较多，同时大部分地区地处沿海，多热带风暴和台风，风压大。空气中盐碱等腐蚀性介质含量较高。同时由于气温高，湿度大，森林较少，蚊蝇等衍生物也比较多。
3-2南方炎热地区的建筑特点
自国家实行改革开放政策和商品经济政策以来，南方经济发展速度较快。但由于对建筑节能工作的忽视，建筑的隔热、保温状况改善幅度不大。建筑墙体基本上采用24cm的实心粘土砖、或者改良型19cm的粘土空心砖。外墙普遍采用铝合金单层玻璃窗，窗墙面积有增大趋势。室内太阳辐射热量高，门窗气密性差，空气渗透比较严重。居住建筑热工性能与国家标准差距较大，同时为了改善室内热环境，夏季空调降温，冬季采用红外线取暖器、电热器取暖成为一种很普遍的现象。由于建筑围护热工性能差，空调制冷与取暖器取暖的能耗高，电能浪费严重，因此南方炎热地区的建筑节能任务十分艰巨。
3-3塑料门窗在南方炎热地区应用的意义和要求
塑料门窗具有的其它门窗难以伦比的隔热、保温、密封、隔音、防腐蚀性能优势，对南方炎热地区的建筑有十分显著的社会效益与经济价值，例如夏季在同等条件下，塑料门窗可降低室内温度50C，安装空调可节电30%左右；塑料门窗单玻隔音25分贝，双层玻璃隔音35分贝以上，距离繁华闹市街道3米左右安装塑料门窗的住宅可等同于距离街道10米安装铝合金门窗住宅的隔音效果；塑料门窗密封性好，可以抵御台风暴雨对居室的干扰；塑料门窗耐潮湿、耐腐蚀，尤其适合南方沿海与潮湿环境使用；塑料门窗材质密实度高，外观洁净细腻，在橱房使用易擦洗，不易污染；塑料门窗色调属于暖色，不仅耐老化、反射紫外线，而且能满足人们美化环境，装修居室的要求，给人一种四季如春的视觉感受；塑料门窗寿命长，常年不用防腐维修，基本上与建筑寿命同步，给人们生活带来诸多便利；塑料门窗型材设计有排水空间，利于暴雨天气的排水。因此，推广应用塑料门窗不仅仅是严寒、寒冷地区的事，对南方炎热地区也是建筑节能、改善居室环境刻不容缓的一件大事。同时塑料门窗材料的隔热、隔音、防腐性能，型材截面大有设计密封装置，安装双层三层或中空玻璃的空间等优势，虽然对南方炎热地区建筑节能有利，但由其材料的弹性模量低，抗风压强度差等缺点决定，在南方炎热地区，特别是沿海多层，高层建筑使用时，还必须充分考虑其增强技术措施，进一步提高其密封性能。也就是说南方炎热地区对塑料门窗推广、应用有更高的质量性能要求。因此，塑料门窗在南方炎热地区的生产成本与造价会高于其它地区。但从建筑节能所取得的效益和投入比值来分析，仍然是值得的、必要的。塑料门窗在以上地区的推广应用，对塑料异型材和塑料门窗行业而言，即是无限商机，又是严峻考验。
据笔者多年工作实践认为：塑料门窗在南方炎热地区应用，应在合理确定窗墙比前提下，遵循门窗抗风压性能和隔热密封性能统筹兼顾，优化设计的原则，在异型材规格、壁厚、结构，钢衬规格、形状、壁厚，窗型、密封形式，玻璃性能、层数、间距等方面进行合理选择或技术改进。
3-3-1窗墙面积比
窗户（包括阳台门透光部分）的传热能力比外墙大得多。夏季太阳还通过窗户直接进入室内，窗墙面积比越大，进入室内的太阳辐射热就越大。因此，南方炎热地区建筑在充分满足采光要求前提下，必须限制窗墙面积比（见表三），同时单窗高度不易过高，以减少建筑围护部分易热交换和空气渗透能量损耗面积，提高单窗抗风压强度。
不同朝向的窗墙面积比和气密性要求表 表三
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朝向 |
窗墙面积比 |
气密性（所有外窗） |
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南 |
≦35% |
不应低于国家标CB7107-86Ⅱ级水平，即q1≦1.5m3/m·h（10pa） |
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北 |
≦30% | |
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东 |
≦30% | |
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西 |
≦25% |
3-3-2异型材规格、壁厚与结构
在南方炎热地区应用塑料门窗应依据使用环境与楼层风压值，进行门窗抗风压强度计算，确定选用相应的型材规格、壁厚、结构，钢衬规格、形状、壁厚，窗型、密封形式，玻璃性能、层数、间距等。应选用平开60、推拉80系列以上的型材制作，型材壁厚应≥2.5mm，选用的型材框以三腔，扇以两腔结构为宜。框型材排水腔应尽量窄些，钢衬腔尽量宽一些。如有必要可在保温腔装配副钢衬。框型材排水腔距离框底部10mm左右应设置有分割横筋。以免基建施工合缝压框时，堵塞排水孔，确保排水畅通，无积水现象。扇型材不易设欧式槽，以便节余空间，安装矩型钢衬。如有必要可在承受风压较大的中坚扇轨道槽内装配副钢衬。在对密封有特殊要求的门窗制作时，平开窗应选用三道密封形式型材，推拉窗应选用两道密封形式型材。
3-3-3钢衬规格、形状与壁厚
塑料门窗采用的钢衬规格应与型材主内腔尺寸一致，间隙以1mm为宜。与框、扇联接时，螺栓间距应低于300mm为宜。应尽量采用惯性距较大的矩形钢衬。钢衬厚度依据楼层高度，抗风压计算而定，最低不得低于1.5mm。钢衬装配进框、扇内主腔，如有必要可在其角部穿插可调、角式连接件，待型材焊接后，用螺栓与钢衬固定为一体，以提高整窗抗风压强度。
3-3-4窗型与密封形式
在南方炎热地区应用的塑料门窗窗型，应尽量采用整体式窗型设计，窗扇较大时应采用中梃分割。组合窗或带式窗应采用增强拼管拼接。建筑物楼层较低时，可选用单扇推拉窗，以减少空气渗透缝隙。
平开门窗框扇搭接密封，或扇与玻璃密封采用弹性与延伸率较好的橡塑胶条密封。制作时每扇应采用整根胶条，不允许两根胶条拼接。胶条长度在装配时应有一定的过盈量，不允许在拉伸状态装入扇槽内。推拉门窗框扇搭接密封应采用不易倒伏的硅化毛条。扇与玻璃密封采用的胶条质量和装配要求同上。装配玻璃时应采用玻璃胶密封，不仅可以提高扇与玻璃密封职能，还可以提高扇与玻璃协调抗风压职能。框与墙体安装后，其间隙应采用聚氯脂发泡剂填充，再用胶塑封盖和密封胶合缝。以适应门窗框在墙洞内长年使用、热胀冷缩无渗透的封闭要求。
3-3-5玻璃性能、层数与间距
门窗热损失大致有三个途径：①门窗框扇的热传导；②门窗框扇之间、扇与玻璃之间、框与墙体之间的空气渗透热交换；③窗玻璃的热辐射。在某种条件下，玻璃的热辐射是导致室内温度升高的主要因素。因此在对门窗热传导与空气渗透热交换，采取相应密封技术措施同时，为进一步提高门窗节能效果与效率，还必须重视窗户玻璃性能、层数与间距。
玻璃属于非金属材料，虽然其导热系数仅有0.8-1.0W/㎡·k，但由于玻璃厚度一般为3-5mm，自身的热阻非常小，对于占窗户约65-75%的面积而言，传热量十分可观。要改善窗户的隔热性能，采用双层、三层或中空玻璃，确定合理的玻璃间距，无疑是一个十分重要的途径。
玻璃的种类很多，一般可分为普通建材玻璃、浮法玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃等。镀膜玻璃又分为低幅射膜玻璃、反幅射膜玻璃。从平整度与透视角度讲，浮法玻璃优于普通玻璃。从隔热性能讲，中空玻璃与镀膜玻璃效果最佳。
窗户安装两层、三层或中空玻璃之所以隔热性能显著提高，并不是玻璃的厚度增加的缘故，而是在玻璃之间密闭的静止空气具有优异的隔热性能所致（空气导热系数为0.046 W/㎡·k），同时其热阻作用随空气层的厚度变化而变化，因此在窗扇截面允许的条件下合理确定玻璃间距，可以获得良好的隔热效果。其间距一般为10mm左右为宜。
镀膜玻璃是由双玻三玻或中空玻璃发展而来的。其中玻璃镀低辐射膜可以显著降低玻璃之间的辐射传热。中空玻璃（其中一块玻璃）镀低辐射膜后，中空玻璃的热工性能明显改善，传热系数K（W/m2·k）由普通玻璃约3.0-3.1降至1.7-2.3。玻璃镀热反射膜可以减少85-90%阳光对窗户的辐射能量。
对于我国南方炎热地区，如果在中空玻璃的外层玻璃镀热反射膜，内层玻璃镀低辐射膜不但可以将辐射在玻璃上的太阳辐射热反射回去，而且中空玻璃传热能力明显减弱，对改善室内热环境，降低空调负荷有十分显著的作用，有效提高了窗户的节能效果。虽然中空镀膜玻璃的价格较贵，每平方米130-160元左右，但将窗户单片玻璃改为中空镀膜玻璃后，窗户的隔热性能得到明显改善，每平方米每年可节省冷暖空调用电约25度，拆合人民币15元。如外窗面积为10m2时，全年可节约电费150元。在改善室内热环境，有利于人们工作和生活，延长空调工作寿命的同时，仅用几年时间，便可将多投入的成本收回。双层玻璃、中空玻璃、三层玻璃以及玻璃镀膜玻璃的节能效果见表四。
双玻、三玻以及镀膜玻璃节能效果表 表四
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玻璃结构 |
玻璃镀膜状况 |
玻璃辐射系数C （W/m2·k4） |
当量辐射系数Cn（W/m2·k4） |
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不镀膜玻璃 |
镀膜玻璃 |
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双层 |
两玻均不镀膜 |
4.9 |
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4.29 |
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任意一块玻璃镀膜 |
4.9 |
0.5 |
0.49 |
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两块玻璃同时镀膜 |
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0.5 |
0.26 |
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三层 |
三块玻璃均不镀膜 |
4.9 |
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2.15 |
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中间一块玻璃镀膜 |
4.9 |
0.5 |
0.25 |
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|
任意一块边玻镀膜 |
4.9 |
0.5 |
0.47 |
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4门窗可采取的有效节能措施
塑料门窗在南方炎热地区应用的节能效益，主要体现在节约制冷能耗上。节约制冷能耗除了门窗的隔热密封等职能外，采用专门的通风换气装置，减少室外热空气对室内的换热面积和对流通道，以及对门窗进行遮盖，有效抵挡阳光对门窗的热辐射，无疑也是一个有效途径。
4-1呼吸窗
窗户在建筑围护中有一个重要的职能：通风换气。通风换气又使一部分冷风或热气进入室内，严重影响建筑室内热环境，造成室内热损失或致使室温升高，不仅浪费能源，而且对人体不利；不通风换气，不排除室内污垢空气和二氧化碳，同样对人体不利。因此人们有史以来一直在建筑密封与通风换气的两难境地进行艰难选择。
据有关消息报导，目前一些建筑已开始使用呼吸窗，将提高居室通风换气质量（气体纯度与温度），减少通风换气热损失，实现24小时/日连续不间断定向换气，通风换气可进行进出气热交换并依据居室人数变化定量调节，以满足人们室内生活卫生和身体健康的需要。无可违言呼吸窗的应用，可以大大减少室内其它窗户的开启空间、频率与时间，对建筑节能发挥重大作用。
4-2可调、可换式百叶窗
在南方炎热地区不少建筑门窗安装有可调式百叶窗。通过百叶窗可以遮盖阳光对窗户的辐射热，调整室内光线和视觉，对建筑节能发挥一定作用。如果将百叶窗百叶制作成可换式的。夏天天气炎热时，装配白色百叶以增加反射阳光效果，冬天天气寒冷时装配深色百叶，以充分吸收阳光热量，供提高室内温度使用。在节能的同时又利用了太阳能。
4-3窗户遮阳蓬
在建筑物窗户上架设玻璃钢或白色塑料及热反辐布遮阳蓬，可有效遮挡太阳对住宅窗户的辐射。热反射布是在一定的化纤布表面镀上厚度不足千分之一毫米的特种金属制成。镀有金属一面为银白色光泽，另一面颜色、图案、花纹则多种多样，能够拆叠，外观质感与普通布料相似。采用热反射布做遮阳蓬不仅可以隔热，而且美化了住宅环境。
4-4百叶窗帘与热反射窗帘
百叶窗帘目前正被越来越多的家庭采用。百叶窗帘可以用布料、塑料、木料或金属制成，又可分为垂直或水平两种叶片形式。百叶窗不仅有保温、隔热、阻隔窗外视线，调解室内亮光的职能，亦可以装饰房间、美化住宅环境，同时用反射布做窗帘亦可以发挥以上作用。
4-5保温窗板
在住宅窗内侧设置一个用膨胀聚苯乙烯材料制作的窗板。在需要保温或者隔热时拉出来封闭窗户，以阻止室外热气内流或室内热气外流。在需要采光时可以推进窗缝空间存放，也不失一种建筑节能的好办法。
综上所述，围绕门窗与建筑节能的方法还有很多。诸如在建筑的前庭后院广种树木、花草或者种植爬墙植物（俗称爬墙虎），环绕建筑墙体栽培，以遮挡阳光对建筑的热辐射；依山旁水的建筑，利用山间或窑洞的冷风或水源对室内热空气进行置换；利用化工厂驰放的废气，供建筑采暖或做饭、清洁使用，充分利用一切可利用的自然资源造福于人类等等，在此不再一一赘述。值得说明的是，上述许多节能方法和措施并非笔者一家之言，而是前人共同实践的结晶，仅是本文为了阐明论点，借来一用而已。总之建筑和门窗节能的途径是广阔的，值得人们认真寻找，积极实践，从而使有限的能源和自然资源最大限度地、有效地为人类服务。
参考文献：
1、《提高建筑门窗性能途径》2001年《全国塑料门窗行业年会专辑》
2、《建筑节能怎么办》中国计划出版社
3、《福建省夏热冬暖地区居住节能指导意见》编写说明