吳月瀅，郭旭焱，蔡 紅

（北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100020）

0 引言

由于近年來(lái)降低建筑能耗已成為減低能耗的重中之重，而外窗又是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的部分，本文通過(guò) BIM 技術(shù)，針對(duì)外窗這一建筑構(gòu)件保溫、隔熱、采光等性能進(jìn)行新設(shè)計(jì)，望新升級(jí)能夠提高外窗保溫隔熱水平，以降低外窗能耗，促進(jìn)智能門(mén)窗發(fā)展，因而開(kāi)展節(jié)能窗技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)居住地的能耗要求越來(lái)越高，建筑能耗成為大眾視野里的新重點(diǎn)，但我國(guó)建筑耗能占全國(guó)能源消耗總量的三分之一，每年有 160 億 m2面積、能源利用率僅 33 % 的高耗能建筑在建。為推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展，降低能耗迫在眉睫。據(jù)調(diào)查，通過(guò)門(mén)窗流失的能耗占到了建筑能耗 51 %，而我國(guó)外窗的質(zhì)量參差不齊，使得門(mén)窗成為我國(guó)建筑能耗一大漏洞。據(jù)測(cè)算，歐洲現(xiàn)行門(mén)窗標(biāo)準(zhǔn) K 值為 1.3，我國(guó)門(mén)窗平均 K 值約為 3.5。全國(guó)城鎮(zhèn)現(xiàn)有建筑住房面積約 430 億 m2，按門(mén)窗占建筑面積的 25 % 計(jì)算，如果實(shí)行歐洲現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤 4.3 億 t，節(jié)能價(jià)值巨大。

我國(guó)現(xiàn)今絕大多數(shù)門(mén)窗都是塑鋼和普通鋁合金門(mén)窗，保溫節(jié)能性能不佳，相對(duì)于較為保溫隔熱的智能門(mén)窗來(lái)說(shuō)，我國(guó)的智能門(mén)窗普及率并不高，而且由于智能門(mén)窗的質(zhì)量不佳，經(jīng)濟(jì)成本高，性價(jià)比低等原因?qū)е略趪?guó)內(nèi)智能門(mén)窗的知名度并不高，而在歐洲，使用高檔節(jié)能門(mén)窗的比例已達(dá)到門(mén)窗總量的 67 %。如今智能門(mén)窗的應(yīng)用主要在一些諸如公共場(chǎng)所和高檔商品房等地方，對(duì)于普通家庭來(lái)說(shuō)成本過(guò)高，因而普及率較低。

外窗作為建筑外圍結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，其性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)建筑物的能耗，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2019 年 1 月 7 日頒布的 JGJ 26－2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，雖然對(duì)于外窗的保溫性能進(jìn)行調(diào)整，但與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍有較大差距，就緯度相差不大的北京與日本北海道地區(qū)比較，有關(guān)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)外窗的規(guī)定，北京為 4.00 W/（m·K），而北海道為 2.33 W/（m·K）。針對(duì)所反映的保溫性能問(wèn)題，本項(xiàng)目運(yùn)用 BIM 技術(shù)在窗戶內(nèi)部面積占比較大的透光部分增加保溫層，以提高外窗的保溫性能。

目前，我國(guó)智能門(mén)窗的發(fā)展重點(diǎn)在于整體的控制系統(tǒng)，防盜系統(tǒng)以及防劫系統(tǒng)，且后期維修成本較高，對(duì)于節(jié)能減排的關(guān)注度較低，針對(duì)降低能耗方向的設(shè)計(jì)和發(fā)展較少。目前我國(guó)建筑智能門(mén)窗體現(xiàn)的問(wèn)題集中于外窗保溫、采光性能水平較低，傳熱系數(shù)較高，自然采光利用率低，因而無(wú)法滿足保溫和降低能耗的要求。

1.2 文獻(xiàn)綜述及研究意義

我國(guó)智能門(mén)窗標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，設(shè)計(jì)水平較低，進(jìn)而影響外窗的舒適度、性價(jià)比、采光、保溫等性能。國(guó)內(nèi)關(guān)于智能門(mén)窗的有關(guān)問(wèn)題已有許多研究與設(shè)計(jì)，可以分為幾部分因素。

1）從智能門(mén)窗未來(lái)的前景分析中，趙亞楠從目前智能技術(shù)在建筑上的研究中認(rèn)為我國(guó)大部分的智能建筑只在某一功能或建筑物的局部結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)，一些智能建筑的功能和技術(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善［1］。

2）對(duì)于降低智能門(mén)窗成本方面，趙浩然等指出基于國(guó)內(nèi)智能門(mén)窗價(jià)格昂貴的原因，從家用智能門(mén)窗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，希望利用單片機(jī)、傳感器等器件，設(shè)計(jì)出一套造價(jià)低廉且可以步入尋常百姓家的兼具智能遙控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防盜等功能的智能門(mén)窗控制系統(tǒng)［2］。

3）對(duì)于智能門(mén)窗技術(shù)的問(wèn)題，孫亨通等從供電模塊、控制模塊、灰塵顆粒檢測(cè)模塊、風(fēng)速檢測(cè)模塊等幾方面設(shè)計(jì)，整體圍繞便捷的安裝、功能可擴(kuò)展，低功耗等運(yùn)行為預(yù)期目標(biāo)，根據(jù)需求分析，優(yōu)化了系統(tǒng)方案，確定系統(tǒng)的功能模塊［3］。

4）針對(duì)智能門(mén)窗的監(jiān)視功能，丁琳等基于ZigBee 和 4G 技術(shù)相結(jié)合的門(mén)窗智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)以 CC2530 為微處理器，以 ZigBee 的無(wú)線自組網(wǎng)和 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信方式，實(shí)現(xiàn)了門(mén)窗控制的智能化［4］。

但前期的研究與設(shè)計(jì)大多關(guān)注于智能門(mén)窗的成本問(wèn)題和控制系統(tǒng)，而針對(duì)我國(guó)建筑能耗外窗消耗過(guò)大、外窗保溫性能不高、自然采光利用不佳等問(wèn)題的設(shè)計(jì)并不多，筆者基于 BIM 技術(shù)的外窗保溫構(gòu)造新設(shè)計(jì)在室內(nèi)設(shè)計(jì)的保溫層和折光材料的弧形結(jié)構(gòu)，能讓室內(nèi)溫度與外窗隔離，由此達(dá)到保溫、隔熱、環(huán)保、降低能耗的目的，同時(shí)不影響采光和景觀。采光方面，根據(jù) GB 50033－2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定如為節(jié)省外窗能耗，提高采光水平，應(yīng)選擇采光性能優(yōu)良的材料，建筑外窗的透光折減系數(shù)應(yīng)＞ 0.45。在自然采光利用率不高這個(gè)問(wèn)題上，可在外窗保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)中采用折光材料會(huì)大大提高采光性能，根據(jù)內(nèi)外的光照條件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，外部增加遮光板聚光板，從而提高自然采光的利用率，進(jìn)而減少室內(nèi)人工采光的能源消耗［5-9］。

2 關(guān)于智能門(mén)窗現(xiàn)狀問(wèn)卷以及問(wèn)題調(diào)查分析

2.1 居民對(duì)智能門(mén)窗的認(rèn)知調(diào)查

通過(guò)對(duì)居民對(duì)智能門(mén)窗了解程度情況的調(diào)查，有 12.5 % 的人對(duì)智能門(mén)窗很了解，而有 53.13 % 的人一般了解；經(jīng)過(guò)深入調(diào)查，人與人的生活環(huán)境不同，并且對(duì)于門(mén)窗的智能需求要求不高，并沒(méi)有很了解智能門(mén)窗，有 31.25 % 的人不了解智能門(mén)窗，甚至還有 3.13 % 的人從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)智能門(mén)窗的存在。也是因?yàn)橹悄荛T(mén)窗還沒(méi)有大眾化，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于居民之中，也可能是居民認(rèn)為智能門(mén)窗存在一些安全以及費(fèi)用消耗上有一定的問(wèn)題（見(jiàn)圖 1）。

圖1 居民對(duì)智能門(mén)窗了解程度情況圖

2.2 居民家中智能門(mén)窗的安裝情況調(diào)查

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，僅僅有 9.38 % 的居民家中安裝了智能門(mén)窗，而 90.63 % 的居民家中沒(méi)有安裝智能門(mén)窗。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，智能門(mén)窗在居民家中安裝情況很少，這與居民對(duì)智能門(mén)窗的了解成正比（見(jiàn)圖 2），居民不了解智能門(mén)窗自然不會(huì)去愿意安裝它。

圖2 居民家中智能門(mén)窗的安裝情況圖

2.3 居民對(duì)于安裝智能門(mén)窗獲得的最大便利的情況調(diào)查

有 34.38 % 的居民認(rèn)為最大的便利情況是節(jié)能保溫，有 21.88 % 的居民認(rèn)為是舒適度提高，有 40.63 % 的居民認(rèn)為使用便捷，還有 3.13 % 的居民認(rèn)為采光效果好。由此調(diào)查得知，居民對(duì)于智能門(mén)窗帶來(lái)的便利的理解各有不同，但對(duì)于每一個(gè)好處相對(duì)來(lái)說(shuō)比較平衡，由于大多數(shù)居民對(duì)于采光問(wèn)題不是很了解，所以極少數(shù)人認(rèn)為最大便利是采光效果好（見(jiàn)圖 3）。

2.4 居民對(duì)于使用智能門(mén)窗所存在的最大障礙的情況調(diào)查

圖3 居民使用智能門(mén)窗所獲得的最大便利的情況圖

有 12.5 % 的居民認(rèn)為最大障礙是使用智能門(mén)與普通門(mén)的區(qū)別不大，這可能是因?yàn)榫用駥?duì)于智能門(mén)窗的了解以及運(yùn)用功能不太了解，有 56.25 % 的人認(rèn)為經(jīng)濟(jì)成本高，現(xiàn)在人與人之間的經(jīng)濟(jì)水平有所偏差，一些家庭沒(méi)有條件安裝智能門(mén)窗，有 21.88 % 的認(rèn)為維修費(fèi)用高，維修費(fèi)用也算是經(jīng)濟(jì)成本中的一部分，所以總的來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題是安裝智能門(mén)窗最大障礙占比 78.13 %，其他的障礙問(wèn)題相對(duì)較小。

2.5 居民對(duì)于智能門(mén)窗未來(lái)發(fā)展的建議

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，居民認(rèn)為智能門(mén)窗未來(lái)發(fā)展應(yīng)該更加節(jié)能隔熱；提高采光、視野等方向上的舒適度和 提高產(chǎn)品質(zhì)量均占一半以上人數(shù)。所以這三個(gè)建議對(duì)于智能門(mén)窗未來(lái)發(fā)展是必不可少的，需要多加改善努力加強(qiáng)來(lái)使智能門(mén)窗更好的融入更多居民的家庭中。

3 針對(duì)智能門(mén)窗存在問(wèn)題的設(shè)計(jì)

從有關(guān)智能門(mén)窗的現(xiàn)狀調(diào)查中可以看出，當(dāng)前智能門(mén)窗的問(wèn)題較多，現(xiàn)狀頗為嚴(yán)峻，針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)智能門(mén)窗的保溫、采光和成本三方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 對(duì)于保溫性能不佳及損失能耗較多的問(wèn)題設(shè)計(jì)

針對(duì)智能門(mén)窗在冬天時(shí)保溫性能不佳這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)資料搜索和研究，在智能門(mén)窗的內(nèi)外增加了保溫層，在窗框材料上本項(xiàng)目采用斷橋鋁材料，斷橋鋁是鋁合金門(mén)窗的升級(jí)改良產(chǎn)品，在鋁合金型材上增加隔熱條就能阻擋室內(nèi)外的熱能傳導(dǎo)以達(dá)到保溫節(jié)能的效果。對(duì)于窗扇部分使用中空玻璃結(jié)構(gòu)，使窗戶顯示出隔熱、保溫的功能，可節(jié)省采暖、制冷費(fèi)用，中空玻璃的節(jié)能效果顯著，其傳熱系數(shù) K 值為 3.17～3.59 W/m2·K。如表 1 所示，首先在材料的保溫隔熱性能上，斷橋鋁的優(yōu)勢(shì)較普通門(mén)窗來(lái)說(shuō)更加卓越，采用隔熱型材內(nèi)外框軟性結(jié)合；而對(duì)保溫層的加固，本項(xiàng)目采用 PA66 尼龍隔熱條，隔熱條負(fù)擔(dān)著門(mén)、窗的水密性和氣密性兩大重任，可以隔絕冷熱空氣、風(fēng)霜雨雪和風(fēng)沙，還能有效地隔絕噪音和節(jié)省能量。通過(guò)完善窗扇和窗框的材料、增加隔熱條可以將熱氣阻擋在室內(nèi)，減少熱量的喪失，以減少能源的消耗；夏天時(shí)將室內(nèi)冷氣阻擋在屋內(nèi)，減少冷氣的流失，以減少空調(diào)用量。

表1 隔熱斷橋鋁合金門(mén)窗與普通鋁合金門(mén)窗優(yōu)劣對(duì)比

表2 透光折減系數(shù)分級(jí)指標(biāo)

3.2 對(duì)于自然采光利用不佳的問(wèn)題設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11976－2002《建筑外窗采光性能分級(jí)及檢測(cè)方法》對(duì)采光性能的定義：建筑外窗在漫射光照射下透過(guò)光的能力。外窗的采光性能用透光折減系數(shù)表示，分為 1～5 級(jí)，如表 2 所示。

式中：Tr為窗的透光折減系數(shù)；Ew為安裝窗試件后光接收器的漫射光照度；E0為窗試件卸下后光接收器的漫射光照；i 為光接受器序號(hào)；j 為數(shù)據(jù)采集次數(shù)序號(hào)；n 為光接收器個(gè)數(shù)；m 為數(shù)據(jù)采集次數(shù)。

本項(xiàng)目構(gòu)思在智能門(mén)窗室內(nèi)一側(cè)增加了一個(gè)可拆卸的弧形構(gòu)件，利用弧形反射板反射自然光，從而提高室內(nèi)采光（見(jiàn)圖 4、圖 5）。提高采光對(duì)于智能門(mén)窗玻璃的透光率要求也很高，首先，在立面上門(mén)窗立面在主視部位的視線高度范圍內(nèi)（1.5～1.8 m 左右）不設(shè)置橫框和豎框，以免遮擋視線；其次，門(mén)窗在立面分格按一定規(guī)律設(shè)計(jì)體現(xiàn)變化，并且窗戶分格線條疏密有度，分割比例協(xié)調(diào)；弧形構(gòu)件可拆卸，不會(huì)影響窗戶的采光，弧形構(gòu)件反射自然光提高室內(nèi)的采光效果（見(jiàn)圖 6、圖 7）。

圖4 窗戶模擬立體圖（1）

圖5 門(mén)模擬立體圖（2）

圖6 弧形構(gòu)件側(cè)面示意圖

3.3 對(duì)于智能門(mén)窗成本過(guò)高的問(wèn)題設(shè)計(jì)

圖7 弧形構(gòu)件位置示意圖

在生活中常見(jiàn)的門(mén)窗大致有實(shí)木門(mén)窗、鋁合金門(mén)窗、塑鋁門(mén)窗等，材質(zhì)不同，價(jià)格肯定也不同。比如實(shí)木門(mén)窗，不可能說(shuō)用的全是一種木材，也有高端的木材，比如具有防水、防潮、防腐蝕等優(yōu)勢(shì)，也有相對(duì)低檔的，可能就沒(méi)有那么多的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，而鋁合金門(mén)窗用的是高端鋁合金擠壓而成，兩者之間無(wú)論是色澤度還是手感肯定都存在著很大的差距，所以價(jià)格也一樣會(huì)有差距?，F(xiàn)在家庭中常用實(shí)木門(mén)窗，鋁合金門(mén)窗等，是因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)居民可以接受，現(xiàn)今智能門(mén)窗之所以沒(méi)有廣泛地應(yīng)用于居民家中是因?yàn)橹悄荛T(mén)窗的成本過(guò)高。智能門(mén)窗可以設(shè)計(jì)多種款式，比如斷橋鋁門(mén)窗，隨著環(huán)保意識(shí)的深入，節(jié)能環(huán)保的家裝材質(zhì)越來(lái)越受歡迎，而斷橋鋁門(mén)窗則是這樣的環(huán)保材質(zhì)，其具有保溫、隔音隔熱、防火防盜、不易被腐蝕，環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在通風(fēng)性欠佳，開(kāi)啟的角度不能隨意控制，密封性差的缺點(diǎn)，但是它的好處相對(duì)較多。沒(méi)有一種材料是完美的，所以弊處是每個(gè)門(mén)窗都會(huì)存在的問(wèn)題。還可以使用鋁木復(fù)合門(mén)窗，隨著人們對(duì)居住舒適度和室內(nèi)裝飾要求的提高，衍生出了鋁木復(fù)合門(mén)窗。鋁包木門(mén)窗保溫隔熱性能好，環(huán)保健康。除此之外，還有很多不同的材料可以應(yīng)用到智能門(mén)窗中，這樣可以使人們?cè)诮?jīng)濟(jì)與需求方面有更多的選擇性，既可以滿足人們對(duì)智能門(mén)窗性能的需求也可以有靈活的價(jià)格供人們選擇，這樣就解決了人們對(duì)于價(jià)格的顧慮。除此之外可以運(yùn)用智能窗膜，其可以自動(dòng)變暗時(shí)阻隔和吸收紅外線減少熱量傳遞，可以節(jié)省居民大筆的錢(qián)花在空調(diào)上。

4 結(jié)語(yǔ)

智能家居帶來(lái)的科技感正在滲透建筑行業(yè)，而隨著智能家具的大眾化時(shí)代的來(lái)臨，作為智能家具子系統(tǒng)的智能門(mén)窗是智能家居推廣的基礎(chǔ)，但智能門(mén)窗存在保溫性能不佳、自然采光的利用率不佳、能耗、國(guó)內(nèi)外智能門(mén)窗發(fā)展和設(shè)計(jì)水平差距較大較多等問(wèn)題。

本文對(duì)于智能門(mén)窗節(jié)能保溫，降低能耗的改進(jìn)，無(wú)論是對(duì)每個(gè)家庭甚至整個(gè)社會(huì)，都有特殊的意義，不僅能降低能耗，節(jié)約能源，提高智能門(mén)窗性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)外窗的最佳保溫性能，還可以降低我國(guó)整體的建筑能耗，提高社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益，減少經(jīng)濟(jì)損失，踐行習(xí)近平總書(shū)記提出的節(jié)約能源和水土資源，從源頭上減少污染物排放，提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綠色水平。