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摘要:本文论述了外窗功能对建筑的节能、空气质量、热环境、声环境、光环境的影响与改善作用，表明了外窗节能设计的重要性。以供参考。
关健词：建筑能耗；外窗节能；热环境质量
前言
建筑能耗已占社会总能耗的35% ，建筑节能已成为全社会节约能源的重要组成部分，而建筑外窗的总能耗约占建筑物全部能耗的50%左右。根据国家现行政策；无论民用建筑还是公共建筑均需要采取节能措施，也就是说按照节能建筑去设计、施工和选材。因此，在建筑设计中越来越多的使用到各种类型的节能窗。同时节能并不是节能窗的最终目标，节能窗应该赋予更多的功能，提供更安全、更舒适、以及更美观的生活环境。
1空气质量
采取有效地通风换气对确保建筑物内空气质量至关重要。在通风换气概念中，通风是基础，换气是目标。建筑物内特别是居住建筑的居住空间，提倡和推崇自然通风，符合节能、生态、健康、环保的要求。一方面将降低冷热机械负荷，另一方面可提供新鲜空气，提高室内空气质量。窗户是实现和控制自然通风最重要的建筑构件，最大程度的响应建筑的要求。
1.1控制从窗户进入室内的空气质量
设计时应采取措施保证窗户外侧进人室内的空气不受污染。排风窗口和进风窗口在同一建筑立面时，窗户的进风位置是获取新风的必经通道，也是室内新风的主要来源。
如图的处理方法是在完善方案的设计阶段中，满足功能要求的同时，为防止同一窗口或出气口排出的废气再次被吸入室内，采取在多高层建筑中加大下层排气口和上层进风口的距离；在同一垂直线方向的窗口中开启扇或进气口位置尽量错开。
还有一种保证室内的空气不受污染的措施是在窗口或进风口设置过滤装置，一方面缓解气流直接进人室内，保证室内空气流速的舒适性（使室内空气流动速度不大0.3m/s。），另一方面阻碍蚊蝇和沙尘等。但这种方式一次性造价稍高。
1.2利用风压和热压提高通风效果
自然通风最基本的动力来自于建筑外围护结构内外的风压和热压。风压一般在建筑的迎风面上产生正压，气流绕过建筑物侧面和背面时则形成负压区。穿堂风是风压直接作用的结果，有非常好的通风效果，但在冬季热量损失也非常大。热压最主要的特点是热对流所产生的热空气流动，在室内外空气温差所导致的空气密度差。
热压和风压是相互联系共同起作用的，但由于变化因素多，关系比较复杂，热压和风压之间的关系尚无可循的规律。
根据风压和热压的特点，为了有利于新风进人室内，同时又考虑降低能耗，在建筑设计初期就应考虑外窗设计，以便在满足功能、美学的基础上，更科学合理的布置平面和外立面。
2热环境质量
应在提高围护结构的保温隔热性能的同时，有效保证室内环境的舒适度。综合有关资料室内温度舒适性范围冬季为 18~ 24 ℃ ，夏季为 24~ 28 ℃ 。
2.1窗墙面积比
根据 《公共建筑节能设计标准》 GB50189 - 2005 ；《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）JGJ26-95；《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2001 ；《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-2003，外窗的传热系数限值 K〔W / ( m2·k）〕依所处城市的气候分区不同、窗墙面积比不同而不同。
不同地区不同朝向的窗墙比不应超过一定的限值，否则应使用权衡判断法，判定围护结构的总体热工性能是否符合国家规定的节能要求：
第一步：计算参照建筑在规定条件下的冬季围护结构采暖能耗量指标，将参照建筑冬季围护结构采暖能耗量指标，作为设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标限值；第二步：计算设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标；第三步：将设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标与能耗量指标限值相比较，调整各朝向窗墙面积比。
公共建筑每个朝向的窗墙面积比均不应大于0.7。当窗墙面积比小于0.4时，玻璃的可见光透射比不应小于0.4。不能满足时必须进行权衡判断；屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的20 %，不能满足时必须进行权衡判断，判定围护结构的总体热工性能是否符合国家规定的节能要求。满足总体热工性能和其他强制性条文要求，才可以判定为节能公共建筑设计。
2.2外窗的保温性
提高建筑外窗的保温性能只是保证室内热环境的必要条件之一，只有结合窗户的其他功能，如通风换气、采光、隔声等，同时与建筑整体的系统节能联系起来考虑，才能构成保证室内热环境的充分条件。如果单纯提高建筑物的隔热性能会加重夏季的降温问题，特别对一些写字楼、办公楼类的项目尤其如此。
3声环境质量
建筑物外界噪声主要包括交通噪声、施工噪声、工业噪声、社会噪声等，其中交通噪声所占比例近70%，下表为环境噪声音量：
環境 噪音（dB）
深夜 30
公园花园 40
居室、办公室 50
商场、居民区、娱乐场所 60～70
街头、车站、工业区、闹市 70～80
机场、高速公路、交通非常拥挤道路 85～90
《民用建筑隔声设计规范》GBJ118-88中指出，国际上按一般开窗条件时所作的统一规定为：室外环境噪声（建筑物窗外1m处的噪声）只能高于室内容许噪声标准10dB。国内所做的实际测量，测量条件为窗面积1m2，室内吸声量15 m2，开窗时噪声衰减结果表明室内标准值低于所在区域10dB。由此表明当室外噪声在开窗条件下进人室内时，已经有10dB的绝对噪声量被建筑物所吸收。
声波通过外窗的传播有两种途径：第一经由空气直接传播，即通过窗户的缝隙和开启的窗口传播。第二透过玻璃和窗框的传播。占窗户面积80%左右的玻璃构造是采取隔声措施的主要对象。
如图所示，合理配置的中空玻璃和双层窗有良好的隔热性能，同时也有较大的隔声量。中空玻璃和双层窗中间的空气间层的“弹性变形”起到减振作用，空气间层所产生的隔声量与空气间层的厚度有关，一般情况空气间层厚度大于8cm 时，隔声量值趋于稳定，这一点在设计双层窗时尤为重要。也就是说玻璃的隔音程度是有限的，当玻璃的计权隔声量大于40dB后，再增加玻璃的厚度或夹层的厚度，Rw值的增大并不显著，即隔音方面的性能价格比变差。
中空玻璃或双层窗组成一个振动系统，当其固有频率与入射声波频率相同时发生共振，隔声量显著下降。对人有影响的频率主要在100-2500Hz，因此为保证对100Hz以上的声波有足够的隔声量，中空玻璃或双层窗的固有频率应大于100Hz。玻璃层数至少两层，每层玻璃最好不等厚，因为相同厚度的玻璃本身的偶合作用，在临界频率时将产生隔声低谷，一般产生10dB左右的隔声损失。
同时要提高缝隙处隔声量，就必须保证各缝隙的密封质量，首先采用温度变形小、弹性和防老化性能好的密封材料。如三元乙丙和硅橡胶密封材料，其次减少窗扇处的缝隙长度。由于窗扇处的缝隙和密封结构不同于其他固定部分缝隙的结构，容易产生气密漏声，所以窗扇面积不宜过大，在满足通风换气和消防要求的条件下，过大面积的窗扇并不利于保温隔热和隔声；另外应增加各种缝隙处的密封道数。隔热型材比非隔热型材和单一材质框扇材料有明显的隔声性。
5光环境质量
照明能耗占建筑总能耗的20%~40%，科学合理的采用天然采光可节省照明能耗的50%~80%。而且由灯产生的废热所引起的冷负荷增加占总能耗的3%~5%。夏季热辐射光线无遮挡直接进人室内而增加的制冷能耗占室内制冷能耗的50%以上。
5.1通过窗口适度延长天然光照时间可降低能耗
窗户按照采光所处的位置分为侧窗和天窗，民用建筑主要依靠侧窗采光。落地窗、阳台门联窗、飘窗、幕墙窗等窗户面积有越来越大的趋势，许多窗面积已经大于规范所规定的窗地比和窗墙比的要求。由于采光窗口面积增加，光线的绝对获取量成为主要问题。增加光线在室内进深和使光线均匀分布可以采取以下措施：在进深方向为长度方向的房间尽量采用竖向长方形侧窗和高侧窗，这两种侧窗对房间的采光进深和采光均匀性方面均优于其他方形窗。由于热循环对流垂直方向强化特性和风力的垂直分布特性，竖向长方形侧窗更有利于热循环和自然通风；高侧窗则有利于自然通风和使光线向进深方向延伸。
窗户上部的反光板设计，可延伸室内深度照明和避免光线直射。在窗户高于视线的部分设计横向光线反射装置，细致优化的设计可以为从地板到窗顶距离4倍的房间深处保持均匀的照度；挡板、百页和其他反射装置均有程度不同的同样作用。通过反光获得的照明光线反射到顶部，使光线延伸到房间深处，而且避免了光线在窗口集中产生的强光和不需要的眩光，虽然减少了总的光通量，但进人室内的光线更加柔和，照度更加均匀。
5.2科学合理选择玻璃
建筑玻璃的选择有多重因素考虑，基本可归结为外观颜色选择、节能性选择、舒适性选择和强度选择（这里只涉及节能性和舒适性选择）。
5.2.1节能性选择
建筑玻璃的选择有多项条件和依据，但与节能有关的仅有两个：遮阳系数 Sc和传热系数 K。
遮阳系数直接反映玻璃对阳光的遮蔽效果，它体现的是玻璃的隔热性能。 Sc 高意味着透过玻璃进人室内的太阳辐射热多，玻璃的隔热性能差。
传热系数 K 反映玻璃的温差传热特性，它体现的是玻璃的保温性能。在相同的室内外温差下， K 值低意味着玻璃因温差传热而传递的热能少，玻璃的保温性能好。应尽量选择 K 值低的玻璃产品。
目前还有一些新型玻璃对节能也起了很重要的作用，如中空玻璃、凝胶玻璃、格栅玻璃、蜂窝玻璃等。
5.2.2舒适性选择
舒适性包括自然采光、视线遮挡、隔音性能几方面。玻璃的透光率直接影响到建筑的室内采光，经验表明透光率在40%~50%的范围内，入眼感觉比较舒适。高透光率的玻璃在为室内带来明亮环境的同时，也会透过较多的太阳辐射热，因此必须在采光和节能之间寻找平衡点。
建筑物对室外视线遮蔽性的要求来自两个方面，其一是室内人员的私密性需求，其二是遮蔽内部建筑结构构件的需求。这两方面的需求对玻璃遮蔽程度的要求不同，能否满足遮蔽需求与建筑环境、玻璃光学性能、室内外光照强度等因素有关。
对于私密性的需求，玻璃至少应达到白天不易看清室内，这要求玻璃的反射率尽可能的高些，尤其对透光率50％左右的玻璃，其反射率至少应接近30％。透光率低于30％的玻璃基本都能满足这一需求。实际上能否完全遮蔽视线取决于人眼接受到的反射光和透射光孰强孰弱。
5.2.3遮阳措施
窗户的遮阳是一个古老的话题，最初的作用就是防止过强的阳光直接进人室内，多数的遮阳同时损失的是良好的视野、充足的自然光和一定时间（或時期）内阳光的热量。从室外设置的固定遮阳构件到可调整角度的遮阳装置（遮阳板、遮阳百叶等），从遮阳部分的光线被全部遮蔽到选择性的遮蔽红外线或紫外线都说明遮阳技术有了长足的发展，在建筑设计中有了更多更合适的选择，并且丰富了立面造型。
结束语：
优秀的建筑设计作品并不仅是满足使用功能要求，满足美观要求，满足规范要求，还需要建筑师细致周密的思维，人性化的设计。所以建筑外窗的设计需要认真分析，通过计算，找到一个平衡点，来综合实现各项要求，真正设计出节能、健康、生态、环保的建筑。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关健词：建筑能耗；外窗节能；热环境质量
前言
建筑能耗已占社会总能耗的35% ，建筑节能已成为全社会节约能源的重要组成部分，而建筑外窗的总能耗约占建筑物全部能耗的50%左右。根据国家现行政策；无论民用建筑还是公共建筑均需要采取节能措施，也就是说按照节能建筑去设计、施工和选材。因此，在建筑设计中越来越多的使用到各种类型的节能窗。同时节能并不是节能窗的最终目标，节能窗应该赋予更多的功能，提供更安全、更舒适、以及更美观的生活环境。
1空气质量
采取有效地通风换气对确保建筑物内空气质量至关重要。在通风换气概念中，通风是基础，换气是目标。建筑物内特别是居住建筑的居住空间，提倡和推崇自然通风，符合节能、生态、健康、环保的要求。一方面将降低冷热机械负荷，另一方面可提供新鲜空气，提高室内空气质量。窗户是实现和控制自然通风最重要的建筑构件，最大程度的响应建筑的要求。
1.1控制从窗户进入室内的空气质量
设计时应采取措施保证窗户外侧进人室内的空气不受污染。排风窗口和进风窗口在同一建筑立面时，窗户的进风位置是获取新风的必经通道，也是室内新风的主要来源。
如图的处理方法是在完善方案的设计阶段中，满足功能要求的同时，为防止同一窗口或出气口排出的废气再次被吸入室内，采取在多高层建筑中加大下层排气口和上层进风口的距离；在同一垂直线方向的窗口中开启扇或进气口位置尽量错开。
还有一种保证室内的空气不受污染的措施是在窗口或进风口设置过滤装置，一方面缓解气流直接进人室内，保证室内空气流速的舒适性（使室内空气流动速度不大0.3m/s。），另一方面阻碍蚊蝇和沙尘等。但这种方式一次性造价稍高。
1.2利用风压和热压提高通风效果
自然通风最基本的动力来自于建筑外围护结构内外的风压和热压。风压一般在建筑的迎风面上产生正压，气流绕过建筑物侧面和背面时则形成负压区。穿堂风是风压直接作用的结果，有非常好的通风效果，但在冬季热量损失也非常大。热压最主要的特点是热对流所产生的热空气流动，在室内外空气温差所导致的空气密度差。
热压和风压是相互联系共同起作用的，但由于变化因素多，关系比较复杂，热压和风压之间的关系尚无可循的规律。
根据风压和热压的特点，为了有利于新风进人室内，同时又考虑降低能耗，在建筑设计初期就应考虑外窗设计，以便在满足功能、美学的基础上，更科学合理的布置平面和外立面。
2热环境质量
应在提高围护结构的保温隔热性能的同时，有效保证室内环境的舒适度。综合有关资料室内温度舒适性范围冬季为 18~ 24 ℃ ，夏季为 24~ 28 ℃ 。
2.1窗墙面积比
根据 《公共建筑节能设计标准》 GB50189 - 2005 ；《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）JGJ26-95；《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2001 ；《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-2003，外窗的传热系数限值 K〔W / ( m2·k）〕依所处城市的气候分区不同、窗墙面积比不同而不同。
不同地区不同朝向的窗墙比不应超过一定的限值，否则应使用权衡判断法，判定围护结构的总体热工性能是否符合国家规定的节能要求：
第一步：计算参照建筑在规定条件下的冬季围护结构采暖能耗量指标，将参照建筑冬季围护结构采暖能耗量指标，作为设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标限值；第二步：计算设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标；第三步：将设计建筑冬季围护结构采暖能耗量指标与能耗量指标限值相比较，调整各朝向窗墙面积比。
公共建筑每个朝向的窗墙面积比均不应大于0.7。当窗墙面积比小于0.4时，玻璃的可见光透射比不应小于0.4。不能满足时必须进行权衡判断；屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的20 %，不能满足时必须进行权衡判断，判定围护结构的总体热工性能是否符合国家规定的节能要求。满足总体热工性能和其他强制性条文要求，才可以判定为节能公共建筑设计。
2.2外窗的保温性
提高建筑外窗的保温性能只是保证室内热环境的必要条件之一，只有结合窗户的其他功能，如通风换气、采光、隔声等，同时与建筑整体的系统节能联系起来考虑，才能构成保证室内热环境的充分条件。如果单纯提高建筑物的隔热性能会加重夏季的降温问题，特别对一些写字楼、办公楼类的项目尤其如此。
3声环境质量
建筑物外界噪声主要包括交通噪声、施工噪声、工业噪声、社会噪声等，其中交通噪声所占比例近70%，下表为环境噪声音量：
環境 噪音（dB）
深夜 30
公园花园 40
居室、办公室 50
商场、居民区、娱乐场所 60～70
街头、车站、工业区、闹市 70～80
机场、高速公路、交通非常拥挤道路 85～90
《民用建筑隔声设计规范》GBJ118-88中指出，国际上按一般开窗条件时所作的统一规定为：室外环境噪声（建筑物窗外1m处的噪声）只能高于室内容许噪声标准10dB。国内所做的实际测量，测量条件为窗面积1m2，室内吸声量15 m2，开窗时噪声衰减结果表明室内标准值低于所在区域10dB。由此表明当室外噪声在开窗条件下进人室内时，已经有10dB的绝对噪声量被建筑物所吸收。
声波通过外窗的传播有两种途径：第一经由空气直接传播，即通过窗户的缝隙和开启的窗口传播。第二透过玻璃和窗框的传播。占窗户面积80%左右的玻璃构造是采取隔声措施的主要对象。
如图所示，合理配置的中空玻璃和双层窗有良好的隔热性能，同时也有较大的隔声量。中空玻璃和双层窗中间的空气间层的“弹性变形”起到减振作用，空气间层所产生的隔声量与空气间层的厚度有关，一般情况空气间层厚度大于8cm 时，隔声量值趋于稳定，这一点在设计双层窗时尤为重要。也就是说玻璃的隔音程度是有限的，当玻璃的计权隔声量大于40dB后，再增加玻璃的厚度或夹层的厚度，Rw值的增大并不显著，即隔音方面的性能价格比变差。
中空玻璃或双层窗组成一个振动系统，当其固有频率与入射声波频率相同时发生共振，隔声量显著下降。对人有影响的频率主要在100-2500Hz，因此为保证对100Hz以上的声波有足够的隔声量，中空玻璃或双层窗的固有频率应大于100Hz。玻璃层数至少两层，每层玻璃最好不等厚，因为相同厚度的玻璃本身的偶合作用，在临界频率时将产生隔声低谷，一般产生10dB左右的隔声损失。
同时要提高缝隙处隔声量，就必须保证各缝隙的密封质量，首先采用温度变形小、弹性和防老化性能好的密封材料。如三元乙丙和硅橡胶密封材料，其次减少窗扇处的缝隙长度。由于窗扇处的缝隙和密封结构不同于其他固定部分缝隙的结构，容易产生气密漏声，所以窗扇面积不宜过大，在满足通风换气和消防要求的条件下，过大面积的窗扇并不利于保温隔热和隔声；另外应增加各种缝隙处的密封道数。隔热型材比非隔热型材和单一材质框扇材料有明显的隔声性。
5光环境质量
照明能耗占建筑总能耗的20%~40%，科学合理的采用天然采光可节省照明能耗的50%~80%。而且由灯产生的废热所引起的冷负荷增加占总能耗的3%~5%。夏季热辐射光线无遮挡直接进人室内而增加的制冷能耗占室内制冷能耗的50%以上。
5.1通过窗口适度延长天然光照时间可降低能耗
窗户按照采光所处的位置分为侧窗和天窗，民用建筑主要依靠侧窗采光。落地窗、阳台门联窗、飘窗、幕墙窗等窗户面积有越来越大的趋势，许多窗面积已经大于规范所规定的窗地比和窗墙比的要求。由于采光窗口面积增加，光线的绝对获取量成为主要问题。增加光线在室内进深和使光线均匀分布可以采取以下措施：在进深方向为长度方向的房间尽量采用竖向长方形侧窗和高侧窗，这两种侧窗对房间的采光进深和采光均匀性方面均优于其他方形窗。由于热循环对流垂直方向强化特性和风力的垂直分布特性，竖向长方形侧窗更有利于热循环和自然通风；高侧窗则有利于自然通风和使光线向进深方向延伸。
窗户上部的反光板设计，可延伸室内深度照明和避免光线直射。在窗户高于视线的部分设计横向光线反射装置，细致优化的设计可以为从地板到窗顶距离4倍的房间深处保持均匀的照度；挡板、百页和其他反射装置均有程度不同的同样作用。通过反光获得的照明光线反射到顶部，使光线延伸到房间深处，而且避免了光线在窗口集中产生的强光和不需要的眩光，虽然减少了总的光通量，但进人室内的光线更加柔和，照度更加均匀。
5.2科学合理选择玻璃
建筑玻璃的选择有多重因素考虑，基本可归结为外观颜色选择、节能性选择、舒适性选择和强度选择（这里只涉及节能性和舒适性选择）。
5.2.1节能性选择
建筑玻璃的选择有多项条件和依据，但与节能有关的仅有两个：遮阳系数 Sc和传热系数 K。
遮阳系数直接反映玻璃对阳光的遮蔽效果，它体现的是玻璃的隔热性能。 Sc 高意味着透过玻璃进人室内的太阳辐射热多，玻璃的隔热性能差。
传热系数 K 反映玻璃的温差传热特性，它体现的是玻璃的保温性能。在相同的室内外温差下， K 值低意味着玻璃因温差传热而传递的热能少，玻璃的保温性能好。应尽量选择 K 值低的玻璃产品。
目前还有一些新型玻璃对节能也起了很重要的作用，如中空玻璃、凝胶玻璃、格栅玻璃、蜂窝玻璃等。
5.2.2舒适性选择
舒适性包括自然采光、视线遮挡、隔音性能几方面。玻璃的透光率直接影响到建筑的室内采光，经验表明透光率在40%~50%的范围内，入眼感觉比较舒适。高透光率的玻璃在为室内带来明亮环境的同时，也会透过较多的太阳辐射热，因此必须在采光和节能之间寻找平衡点。
建筑物对室外视线遮蔽性的要求来自两个方面，其一是室内人员的私密性需求，其二是遮蔽内部建筑结构构件的需求。这两方面的需求对玻璃遮蔽程度的要求不同，能否满足遮蔽需求与建筑环境、玻璃光学性能、室内外光照强度等因素有关。
对于私密性的需求，玻璃至少应达到白天不易看清室内，这要求玻璃的反射率尽可能的高些，尤其对透光率50％左右的玻璃，其反射率至少应接近30％。透光率低于30％的玻璃基本都能满足这一需求。实际上能否完全遮蔽视线取决于人眼接受到的反射光和透射光孰强孰弱。
5.2.3遮阳措施
窗户的遮阳是一个古老的话题，最初的作用就是防止过强的阳光直接进人室内，多数的遮阳同时损失的是良好的视野、充足的自然光和一定时间（或時期）内阳光的热量。从室外设置的固定遮阳构件到可调整角度的遮阳装置（遮阳板、遮阳百叶等），从遮阳部分的光线被全部遮蔽到选择性的遮蔽红外线或紫外线都说明遮阳技术有了长足的发展，在建筑设计中有了更多更合适的选择，并且丰富了立面造型。
结束语：
优秀的建筑设计作品并不仅是满足使用功能要求，满足美观要求，满足规范要求，还需要建筑师细致周密的思维，人性化的设计。所以建筑外窗的设计需要认真分析，通过计算，找到一个平衡点，来综合实现各项要求，真正设计出节能、健康、生态、环保的建筑。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。