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，而外窗又是外圍護結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的部分，本文通過 BIM 技術(shù)，針對外窗這一建筑構(gòu)件保溫、隔熱、采光等性能進行新設(shè)計，望新升級能夠提高外窗保溫隔熱水平，以降低外窗能耗，促進智能門窗發(fā)展，因而開展節(jié)能窗技術(shù)的研究與開發(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，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對居住地的能耗要求越來越高，建筑能耗成為大眾視野里的新重點，但我國建筑耗能占全國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。為推動建筑行業(yè)的發(fā)展，降低能耗迫在眉睫。據(jù)調(diào)查，通過門窗流失的能耗占到了建筑能耗 51 %，而我國外窗的質(zhì)量參差不齊，使得門窗成為我國建筑能耗一大漏洞。據(jù)測算，歐洲現(xiàn)行門窗標(biāo)準(zhǔn) K 值為 1.3，我國門窗平均 K 值約為 3.5。全國城鎮(zhèn)現(xiàn)有建筑住房面積約 430 億 m2，按門窗占建筑面積的 25 % 計算，如果實行歐洲現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤 4.3 億 t，節(jié)能價值巨大。

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

外窗作為建筑外圍結(jié)構(gòu)的重點，其性能優(yōu)劣直接影響整個建筑物的能耗，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《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，雖然對于外窗的保溫性能進行調(diào)整，但與國際標(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）。針對所反映的保溫性能問題，本項目運用 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，我國智能門窗的發(fā)展重點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，對于節(jié)能減排的關(guān)注度較低，針對降低能耗方向的設(shè)計和發(fā)展較少。目前我國建筑智能門窗體現(xiàn)的問題集中于外窗保溫、采光性能水平較低，傳熱系數(shù)較高，自然采光利用率低，因而無法滿足保溫和降低能耗的要求。

1.2 文獻綜述及研究意義

我國智能門窗標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，設(shè)計水平較低，進而影響外窗的舒適度、性價比、采光、保溫等性能。國內(nèi)關(guān)于智能門窗的有關(guān)問題已有許多研究與設(shè)計，可以分為幾部分因素。

1）從智能門窗未來的前景分析中，趙亞楠從目前智能技術(shù)在建筑上的研究中認為我國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，一些智能建筑的功能和技術(shù)還有待進一步改進和完善［1］。

2）對于降低智能門窗成本方面，趙浩然等指出基于國內(nèi)智能門窗價格昂貴的原因，從家用智能門窗控制系統(tǒng)的設(shè)計來說，希望利用單片機、傳感器等器件，設(shè)計出一套造價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、防盜等功能的智能門窗控制系統(tǒng)［2］。

3）對于智能門窗技術(shù)的問題，孫亨通等從供電模塊、控制模塊、灰塵顆粒檢測模塊、風(fēng)速檢測模塊等幾方面設(shè)計，整體圍繞便捷的安裝、功能可擴展，低功耗等運行為預(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）針對智能門窗的監(jiān)視功能，丁琳等基于ZigBee 和 4G 技術(shù)相結(jié)合的門窗智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控方式。系統(tǒng)以 CC2530 為微處理器，以 ZigBee 的無線自組網(wǎng)和 4G 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信方式，實現(xiàn)了門窗控制的智能化［4］。

但前期的研究與設(shè)計大多關(guān)注于智能門窗的成本問題和控制系統(tǒng)，而針對我國建筑能耗外窗消耗過大、外窗保溫性能不高、自然采光利用不佳等問題的設(shè)計并不多，筆者基于 BIM 技術(shù)的外窗保溫構(gòu)造新設(shè)計在室內(nèi)設(shè)計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，由此達到保溫、隔熱、環(huán)保、降低能耗的目的，同時不影響采光和景觀。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問題上，可在外窗保溫構(gòu)造設(shè)計中采用折光材料會大大提高采光性能，根據(jù)內(nèi)外的光照條件進行自動調(diào)整，外部增加遮光板聚光板，從而提高自然采光的利用率，進而減少室內(nèi)人工采光的能源消耗［5-9］。

2 關(guān)于智能門窗現(xiàn)狀問卷以及問題調(diào)查分析

2.1 居民對智能門窗的認知調(diào)查

通過對居民對智能門窗了解程度情況的調(diào)查，有 12.5 % 的人對智能門窗很了解，而有 53.13 % 的人一般了解；經(jīng)過深入調(diào)查，人與人的生活環(huán)境不同，并且對于門窗的智能需求要求不高，并沒有很了解智能門窗，有 31.25 % 的人不了解智能門窗，甚至還有 3.13 % 的人從未聽說過智能門窗的存在。也是因為智能門窗還沒有大眾化，并沒有廣泛應(yīng)用于居民之中，也可能是居民認為智能門窗存在一些安全以及費用消耗上有一定的問題（見圖 1）。

圖1 居民對智能門窗了解程度情況圖

2.2 居民家中智能門窗的安裝情況調(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窗，而 90.63 % 的居民家中沒有安裝智能門窗。根據(jù)這個結(jié)果，智能門窗在居民家中安裝情況很少，這與居民對智能門窗的了解成正比（見圖 2），居民不了解智能門窗自然不會去愿意安裝它。

圖2 居民家中智能門窗的安裝情況圖

2.3 居民對于安裝智能門窗獲得的最大便利的情況調(diào)查

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

2.4 居民對于使用智能門窗所存在的最大障礙的情況調(diào)查

圖3 居民使用智能門窗所獲得的最大便利的情況圖

有 12.5 % 的居民認為最大障礙是使用智能門與普通門的區(qū)別不大，這可能是因為居民對于智能門窗的了解以及運用功能不太了解，有 56.25 % 的人認為經(jīng)濟成本高，現(xiàn)在人與人之間的經(jīng)濟水平有所偏差，一些家庭沒有條件安裝智能門窗，有 21.88 % 的認為維修費用高，維修費用也算是經(jīng)濟成本中的一部分，所以總的來說經(jīng)濟問題是安裝智能門窗最大障礙占比 78.13 %，其他的障礙問題相對較小。

2.5 居民對于智能門窗未來發(fā)展的建議

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，居民認為智能門窗未來發(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)。所以這三個建議對于智能門窗未來發(fā)展是必不可少的，需要多加改善努力加強來使智能門窗更好的融入更多居民的家庭中。

3 針對智能門窗存在問題的設(shè)計

從有關(guān)智能門窗的現(xiàn)狀調(diào)查中可以看出，當(dāng)前智能門窗的問題較多，現(xiàn)狀頗為嚴峻，針對以上問題，本文對智能門窗的保溫、采光和成本三方面進行改進。

3.1 對于保溫性能不佳及損失能耗較多的問題設(shè)計

針對智能門窗在冬天時保溫性能不佳這個問題，通過資料搜索和研究，在智能門窗的內(nèi)外增加了保溫層，在窗框材料上本項目采用斷橋鋁材料，斷橋鋁是鋁合金門窗的升級改良產(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)以達到保溫節(jié)能的效果。對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)勢較普通門窗來說更加卓越，采用隔熱型材內(nèi)外框軟性結(jié)合；而對保溫層的加固，本項目采用 PA66 尼龍隔熱條，隔熱條負擔(dān)著門、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 隔熱斷橋鋁合金門窗與普通鋁合金門窗優(yōu)劣對比

表2 透光折減系數(shù)分級指標(biāo)

3.2 對于自然采光利用不佳的問題設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11976－2002《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》對采光性能的定義：建筑外窗在漫射光照射下透過光的能力。外窗的采光性能用透光折減系數(shù)表示，分為 1～5 級，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；j 為數(shù)據(jù)采集次數(shù)序號；n 為光接收器個數(shù)；m 為數(shù)據(jù)采集次數(shù)。

本項目構(gòu)思在智能門窗室內(nèi)一側(cè)增加了一個可拆卸的弧形構(gòu)件，利用弧形反射板反射自然光，從而提高室內(nèi)采光（見圖 4、圖 5）。提高采光對于智能門窗玻璃的透光率要求也很高，首先，在立面上門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，門窗在立面分格按一定規(guī)律設(shè)計體現(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（見圖 6、圖 7）。

圖4 窗戶模擬立體圖（1）

圖5 門模擬立體圖（2）

圖6 弧形構(gòu)件側(cè)面示意圖

3.3 對于智能門窗成本過高的問題設(shè)計

圖7 弧形構(gòu)件位置示意圖

在生活中常見的門窗大致有實木門窗、鋁合金門窗、塑鋁門窗等，材質(zhì)不同，價格肯定也不同。比如實木門窗，不可能說用的全是一種木材，也有高端的木材，比如具有防水、防潮、防腐蝕等優(yōu)勢，也有相對低檔的，可能就沒有那么多的優(yōu)勢特點，而鋁合金門窗用的是高端鋁合金擠壓而成，兩者之間無論是色澤度還是手感肯定都存在著很大的差距，所以價格也一樣會有差距。現(xiàn)在家庭中常用實木門窗，鋁合金門窗等，是因為它們的價格相對來說居民可以接受，現(xiàn)今智能門窗之所以沒有廣泛地應(yīng)用于居民家中是因為智能門窗的成本過高。智能門窗可以設(shè)計多種款式，比如斷橋鋁門窗，隨著環(huán)保意識的深入，節(jié)能環(huán)保的家裝材質(zhì)越來越受歡迎，而斷橋鋁門窗則是這樣的環(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，同時也存在通風(fēng)性欠佳，開啟的角度不能隨意控制，密封性差的缺點，但是它的好處相對較多。沒有一種材料是完美的，所以弊處是每個門窗都會存在的問題。還可以使用鋁木復(fù)合門窗，隨著人們對居住舒適度和室內(nèi)裝飾要求的提高，衍生出了鋁木復(fù)合門窗。鋁包木門窗保溫隔熱性能好，環(huán)保健康。除此之外，還有很多不同的材料可以應(yīng)用到智能門窗中，這樣可以使人們在經(jīng)濟與需求方面有更多的選擇性，既可以滿足人們對智能門窗性能的需求也可以有靈活的價格供人們選擇，這樣就解決了人們對于價格的顧慮。除此之外可以運用智能窗膜，其可以自動變暗時阻隔和吸收紅外線減少熱量傳遞，可以節(jié)省居民大筆的錢花在空調(diào)上。

4 結(jié)語

智能家居帶來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代的來臨，作為智能家具子系統(tǒng)的智能門窗是智能家居推廣的基礎(chǔ)，但智能門窗存在保溫性能不佳、自然采光的利用率不佳、能耗、國內(nèi)外智能門窗發(fā)展和設(shè)計水平差距較大較多等問題。

本文對于智能門窗節(jié)能保溫，降低能耗的改進，無論是對每個家庭甚至整個社會，都有特殊的意義，不僅能降低能耗，節(jié)約能源，提高智能門窗性價比，實現(xiàn)外窗的最佳保溫性能，還可以降低我國整體的建筑能耗，提高社會的經(jīng)濟效益，減少經(jīng)濟損失，踐行習(xí)近平總書記提出的節(jié)約能源和水土資源，從源頭上減少污染物排放，提高我國經(jīng)濟發(fā)展綠色水平。