节能建筑中的窗户设计与技术介绍

从能耗角度看，外窗是建筑中最薄弱的环节，也就是建筑外围护结构中U值最高的部位。一套三居室的公寓每年大约有2500 kWh热量从窗流失，从外窗流失的热是从同等面积的墙体中流失的10倍。因此对于节能建筑而言选择低U值的保温窗就非常重要了，新型的保温窗可以避免下沉冷气流。

1）窗的U值

怎样降低窗的U值？

可以用以下方法减少辐射热散失：① 多层玻璃，比如3层玻璃（2+1），4层玻璃或2+2层玻璃（两个窗框里各有2层玻璃）（表2-3）。② 低辐射层（氧化锡或银镀膜），允许室外短波太阳光辐射进入，阻挡室内长波热辐射流出。③ 两层玻璃之间的中空层会影响U值，从节能角度看2.5 cm的空气间层最为合适。④ 在夜间关闭百页，拉上窗帘，关闭通风口。

可以用以下方法减少传导热散失：① 选用隔热窗框，或实木加厚窗框。② 在玻璃之间填充惰性气体（比如氩或氪）可以提高玻璃保温性能，减少对流热散失。

节能窗的总成本并不一定比普通窗高，适度的成本增量是值得的，因为供暖能耗明显下降了。在一些项目中，通过使用节能窗就不再需要暖器片了。更高质量的窗户，比如三层玻璃窗，可使外层玻璃的温度提高。因此冷辐射会减少，达到同样室内舒适度所需的能耗就会相应减少（图2-44、图2-45）。

（1）美观的窗。窗的主要功能是为室内外提供联系。在工作和居住空间都应有日光、空气和景观。各个房间都应该有开窗的可能性（包括浴室），而且窗户应该易于够到以便清洁。住宅应有和室外空气的对流通风。窗户细节的设计十分重要，特别是使用3到4层玻璃时，更需要注意美学形象，窗框上的凹槽线脚尤其重要（图2-46）。

图2-44　热从窗户流失的三种不同方式

防止热损耗的节能窗对节能建筑十分重要。热从窗户流失的三种不同方式：通过窗玻璃的热辐射、通过围护结构和窗框的热传导以及通过玻璃之间的空气对流

图2-45　斯堪的纳维亚最节能的窗户示意图

此窗户由挪威的挪丹（NorDan）公司制造，U值0.7W/（m2·K）。其采用三层玻璃，带Low-E涂层，在玻璃之间填充了氩气，窗框也是保温的。其他生产节能窗的公司还有德国的哈斯勒（Häussler）、瓦瑞泰克（Variotec）和肯耐（Kneer-Süedfenster），波兰的高乐斯（Galux）和瑞典的维尔法克（Velfac）等

表2-3　不同类型窗户的近似U值

图2-46　诺华制药公司办公楼的窗户

该办公楼位于斯德哥尔摩卫星城泰比市（Täby）。对于办公建筑来说，使用彩色遮光玻璃以降低太阳辐射是个不错的办法

（2）隔声窗。有些窗特别设计为可以减弱外界噪音。可以采用2+1型窗，外窗和内窗之间留较大的间距，常常会使用特殊的隔音窗框（图2-47）。在两层窗玻璃之间可以填充降噪材料，现在更常见的方法是采用两片玻璃粘在一片塑料膜上的安全玻璃。

（3）2+2型窗。建筑师本特 海德马克（Bengt Hidemark）已经找到一种设计美观且U值低的窗户的方法，他在每个窗洞都使用2扇双层窗。一扇双层窗放在窗洞的外侧，另一扇放在内侧，这样就在它们之间形成了一个“小温室”或说“展示橱”。在寒冷的冬夜，两扇窗都关闭；当阳光照射进来时，内窗可以打开。在夏天，只使用外窗。因此，窗户中打开的玻璃数量可以根据需要和季节不同而调节。这种窗的另一个优点是春天可以透过外层的双层玻璃听到鸟鸣。本特还设计了好几种不同的样式，使得内侧的双层窗打开时可以嵌入墙体或窗板。他已在自己的设计中采用这些窗很多年了（图2-48至图2-50）。

图2-47　2+1型节能木窗

一些门窗制造商生产美观、平整的2+1型节能木窗，带有锯齿状窗框和窗格以及气窗。丹麦人（Danes）牌窗是这领域的著名代表，但是这种窗其实来自瑞典莱克桑德（Leksand）的Allmogesnickerier公司

图2-48　2+2型窗示意图（一）

夏天，内侧窗滑入墙体或是墙后，仅使用外窗

图2-49　2+2型窗示意图（二）

2+2型窗由建筑师本特 海德马克（Bengt Hidemark）开发。窗户被分为两个独立的窗框，一个在窗户洞口外侧，一个在内侧。这形成了轻巧的设计，在夏天只使用外侧的双层窗，内侧窗可以折叠或滑入墙体收起

图2-50　2+2型窗

这是建筑师卡琳（Karin）和耶特 温高（Gert Wingård）位于瑞典西约塔兰省（Bohuslän）托夫塔（Tofta）家中的2+2型窗

图2-51　电致变色玻璃窗示意图

它可以通过调节镀膜层的电压使玻璃变暗，从而遮挡阳光，因此不会太热

图2-52　带遮阳片的玻璃

图2-53　真空保温玻璃窗示意图

这种类型的窗户用肉眼几乎看不见垫片。资料源于《建筑细部（Detail）》，英文版2009年第1期(www.xing528.com)

2）新型玻璃和窗

节能窗的发展迅速，对于玻璃、玻璃涂层以及填充在玻璃之间替代空气的气体都进行了大量研究。新概念的窗扩展了建筑的可能性。节能玻璃的性能毫无疑问正变得更好，遮光玻璃可以阻挡多余的热量进入房间，防火玻璃可用于有防火要求的窗。

（1）中空玻璃。节能窗采用3—4层玻璃，造成结构沉重，而且有很多层玻璃需要清洗。因此中空玻璃的使用越来越常见，它是由2—3层玻璃和垫片组成，在玻璃之间有空气间层，依靠密封条的帮助空气间层可以不受外界环境的影响。放在玻璃之间的吸湿材料可以吸收少量渗入的湿气。间层中的空气也可以由其他气体替代，较大分子的气体和较慢的对流可以进一步降低U值。中空玻璃窗的一个问题是它们的使用寿命，目前还不确定玻璃之间的密封条能使用多长时间。

（2）电致变色玻璃。电致变色玻璃窗的颜色和透明度可以通过调节电压而改变（图2-51）。窗内有一个电致变色镀膜，连着低压电源，改变电压值，电镀层会变暗并改变颜色和深浅以调节窗户的透明度，由于电压不同透明度可以在7%—75%之间调节。这种技术的目的是夏季减少空调的使用，比如在办公建筑中仍要保持向外看景观的可能性。

（3）热致变色玻璃。这种技术已经应用在一些太阳镜和车窗上。这些窗玻璃的颜色不会由于人的干涉改变。这种窗户由两层玻璃以及它们之间的一层热敏材料组成。在较低温度时，材料是透明的，而在高温时则会变得不透明。

（4）带遮阳片的玻璃。冬季太阳高度角较小时，人们希望更多的阳光进入；而夏季太阳高度角较大时，人们又希望阻挡阳光。这种要求可以通过设在窗户内的遮阳片达到（图2-52）。遮阳片由玻璃和金属组成，就像保温窗两层玻璃之间的第三块板。

（5）超薄真空玻璃。为了保证双层或三层玻璃的保温性能需要留出较大的中空厚度，而真空玻璃可以避免由于空腔内气体导热和对流而造成的热量流失，因此可以减小玻璃窗的厚度（图2-53）。在德国维尔茨堡（Würtzburg）的巴伐利亚应用能源研究中心（Bavarian Centre for Applied Energy Research，ZAE），采用这种构造的双层玻璃不到10mm厚就可以达到0.5W/（m2· K）的U值。从2011年起，真空玻璃的价格就跟普通三层玻璃的价格不相上下了。

（6）棱镜玻璃。这种玻璃只准许某个角度的直射阳光进入，而其他角度的光线会被反射走，而漫射光则可以穿过。这种玻璃还可以作为外部软百叶使用，根据需要及想屏蔽的光照角度进行调节（图2-54、图2-55）。

（7）透光保温层。一种有趣的保温材料已经被生产出来，可以用来改进被动式太阳能采暖。这种材料是透光的，可以让阳光穿过，而同时保温并阻止热量从建筑中流失。举例来说，透光保温材料可以用于太阳能吸热墙，这样它们可以用于为建筑提供间接太阳能；或是用于南墙保温，让热和光直接进入建筑。在夏天需要屏蔽透光保温层以避免过高温度（图2-56、图2-57）。

（8）二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶（Silica Aerogel）是放置在两层玻璃之间的材料。这种材料非常脆弱并且不透光，它吸收90%的光。使用硅胶的窗户不能作为普通窗户使用，因为不能通过它清楚地看到外界。它们可以作为新的建筑元素，用于一种保温不透光的玻璃表面且仍可以保持内部热量。Nanogel®是卡波特（Cabot）公司的二氧化硅气凝胶产品的注册商标。如果天窗玻璃的夹层空间里充满二氧化硅气凝胶，可获得柔和的漫射光并可比普通玻璃具有更好的U值。其他公司也有类似的产品，例如Kalwall+Nanogel，两层玻璃间充满了透明保温纳米凝胶，U值为0.28 W/（m2· K）。

（9）GlassX水晶。这是在一个功能单元中整合了四个系统：透明保温、防过热、节能和热储存。三层保温玻璃构造提供U值低于0.5 W/（m2· K）的保温性能。在玻璃之间安装有菱形花纹玻璃，可反射入射角高于40℃的太阳光（夏季阳光高照时的角度）。另一方面，冬季阳光可以全部通过。GlassX水晶的内芯是蓄热模块，可接受和储存太阳能，过一段时间后，再把热量以舒适的辐射方式释放出去。以氢氧化盐形式存在的PCM（相变材料）被用作蓄热材料。通过熔化PCM热量被储存，当PCM冷却时储存的热量再次被释放出来。氢氧化盐密封在涂成灰色的聚碳酸酯容器里，以提高吸收效率。在内表面，模块被6 mm厚的钢化玻璃密封，可以印上任意的陶瓷丝网印刷花纹（图2-58）。

（10）电热玻璃。电热玻璃并不节能，但是可以提高某区域的舒适水平，特别是当人们要在大面积玻璃面附近逗留很久时。这种玻璃内有电热丝，电热丝肉眼看不见，正负极放在框里也不可见。恒温器可以保证玻璃温度和房间温度相一致。

（11）自洁玻璃。当玻璃外表面涂上了二氧化钛时会出现这种现象：氧气和空气中的水蒸气与二氧化钛发生反应，在太阳光中紫外线的帮助下形成自由基，自由基的活性很强，可以和空气中的污物结合，比如有机微尘和一氧化氮，形成相对无害的物质，不会影响玻璃，并很容易被雨水冲走（图2-59）。

3）窗的特性

窗需要满足多种功能要求。在需要时让太阳光和热进入，即使在寒冷的冬季也可以提供景观而保证热量不流失。有时太阳辐射过强导致温度过高，需要遮挡光照。有时又需要更多的光线和热，这时，可以用反射器强化阳光的收集。当非常寒冷时，关上保温窗可以将窗户变为一面墙。总之，有许多不同的方法使用各种装置来加强窗的性能而不是窗本身。

（1）遮阳。在夏季通过遮阳可以避免建筑内部过热，特别是利用被动式太阳能时。遮阳板可以被设计成建筑的永久构件，如屋顶天棚或门廊顶棚，在一年的特定时候可以完全遮蔽窗户。固定遮阳板也造成了进入建筑日光量的减少，因此使用活动遮阳同样重要，比如遮阳棚、滚轴百叶和通风百叶。为了提高遮阳效率，活动遮阳应放在窗户外侧（图2-60）。它们要便于操作和维护，还需要定期清洁，遮阳棚尤其易受风压影响。两层玻璃之间或室内的窗帘或软百叶对于遮挡阳光也很有帮助，它们阻挡了直射阳光，但仍允许热量进入。另一种遮阳方法是种植落叶植物，冬天树木落叶时可以让阳光进入，夏天有树叶时可以遮蔽建筑。

图2-54　棱镜玻璃示意图

资料源于Siteco

图2-55　德国Sparkasse银行的棱镜玻璃

资料源于Siteco

图2-56　透光保温材料

图2-57　马歇（Marché）公司总部办公楼

该办公楼位于瑞士坎普哈尔（Kemptthal），使 用 了90m2的 GlassX水晶模块，获得了2007年瑞士太阳能奖

图2-58　生态乌托邦（Ecotopia）教育中心

该教育中心位于瑞典斯莫兰省（Småland）阿讷比市（Aneby）。其使用了透光保温材料，同时还使用了砖和多种阔叶树木材

图2-59　自洁玻璃的工作原理

涂上了二氧化钛的玻璃在阳光下将氧气和水蒸气变为自由基。像O2-或OH-这样的自由基活性很强，容易和空气中的污染物比如一氧化氮或有机微尘结合，形成相对无毒的物质并可以被雨水冲走。资料源于CSTB，根据《新技术》杂志绘制

图2-60　荷兰阿默斯福特（Amerstoort）纽兰（Nieuwland）的居住建筑

该建筑使用整合了太阳能电池的可调式遮阳板

（2）阳光反射器。当需要更多日光时可以采用室外的光线反射器，比如用反射材料在墙或地板上做的反光面，可以根据一年中的时间和太阳热量需求量调节。反射器同样可以用来提供特定角度的景观。反射软百叶可以阻挡光线或反射直射到屋顶的日光，因此可以在提供光照的同时防止眩光。挡光板是一个安置在窗户上方的反射体，它在遮蔽工作间窗户的同时可以将日光反射到天花板（图2-61）。

（3）保温。因为窗的U值不如墙体的U值，可以利用活动式保温改进窗的U值，比如，在寒冷的冬夜。可选择保温百叶、保温窗帘或保温卷帘。保温百叶应该放在窗外侧以避免结霜和玻璃冷凝。保温窗帘应该放在玻璃之间或窗内侧以避免对流。保温卷帘应放在窗外侧同时作为防盗措施。

（4）调节日光。当阳光太强烈时，有时需要降低进入的日光量但又不完全遮住视线，这可以靠软百叶、可收放的卷帘或遮阳幕帘系统实现（图2-62）。在巴黎的阿拉伯研究中心，建筑师让 努维尔设计了精妙的装置，它的开口可以根据日光亮度调节。通过不同方法满足遮阳、保温、反光和调节等多种功能。