建筑外窗的重要性
2026-06-10
在任何建筑项目中，窗户都是最重要的元素之一。无论是建筑围护结构中的开口还是幕墙形式的连续玻璃，窗户通常是建筑物外部的主要特征。窗户可以是高反射的、黑暗的和不透明的，或者提供透明的效果，揭示或隐藏里面发生的事情。窗户反射的颜色、透明度和性质可能会根据一天中的时间和天气条件而变化。
尽管窗户的外观对于建筑外观至关重要，但其传统功能仍然是为居住者提供自然光、景观和新鲜空气。 20世纪上半叶，随着密封、机械通风和电气照明技术被引入商业建筑，窗户在满足建筑居住者需求方面的作用有所下降。然而，人们越来越认识到，尽管可以通过其他方式获得光线和空气，但窗户对人类舒适、健康和生产力的好处仍然显而易见。目前，除了以人为本的设计趋势外，在不久的将来迫切需要大幅提高建筑的能源效率。
在商业建筑中设计幕墙和选择窗户时面临的挑战之一是在设计和人类问题以及众多技术标准和成本之间找到平衡。技术方面包括设计、湿度控制、声学和安全等问题，所有这些都需要艰难的权衡。逐渐地，除了初始投资成本之外，生命周期评估开始考虑窗户的长期运行、维护和更换的成本。将上述所有因素结合在一起的一个新概念是高性能设计，也称为可持续设计或绿色设计。总体而言，高性能设计的目标是确保建筑的长期节能、健康和经济，以及资源的高效利用，减少对环境的影响。实现这些目标的一个重要概念是集成设计，其中整个建筑及其居住者被视为一个单一的交互系统。
为此，有必要对窗户技术的当前进展以及评估其性能的方法有一定的了解。建筑行业需要全面的参考资料，涵盖商业建筑中可操作窗户的选择、设计和性能。本书提供了该领域的重要信息和性能数据，帮助建筑师和工程师了解设计决策如何影响建筑性能。
仅仅了解窗户选择对能源消耗和环境质量的影响是不够的。关键问题是，与其他传统设计决策相比，窗户对这些因素的影响有多大？
高性能门窗和幕墙设计的一个主要障碍是缺乏信息和知识，特别是在早期设计阶段，以及缺乏能让设计师快速了解建筑物复杂且相互关联的特征的工具和工具。创建此类工具和方法所需的部分基础知识必须通过评估实际的现有建筑物来获得。
1 节能
除了决定建筑物的外观和内部环境之外，窗户是影响能源使用、峰值能源需求和环境的最重要的建筑构件之一。通过窗户获得的太阳热量和损失的热量占建筑物供暖和空调负荷的很大一部分。通过提供自然光，如果有效控制照明灯具的调光，窗户可以减少电力照明负载。智能窗户设计和选择可以减少高峰电力需求和空调负荷，从而避免高额电费并减少建造新发电厂的需要。此外，高效窗户对建筑物的公用系统也有影响：它们不仅降低了运营成本，而且还可以缩小设备的尺寸，从而节省资本投资。
商业建筑能耗占美国总能耗的16%（约15.4万亿BTU①，社区总能耗约92.6万亿BTU）。与此同时，商业建筑的供暖和制冷能耗有 1.1 万亿 BTU 通过窗户损失，而照明能耗为 3.83 万亿 BTU。如果我们假设 25% 的照明能耗（约 0.96 万亿 BTU）是由于透过窗户的自然光问题造成的，那么与窗户相关的年度总能耗约为 2 万亿 BTU。这意味着它们约占美国社区总能源消耗的 2% 和商业建筑总能源消耗的 12% 以上。如果算上住宅建筑，通过窗户的总能耗将达到5万亿BTU，占美国社会总能耗的5%以上。
① 注：Quad = 千万亿 BTU = 1015 BTU ≈ 3480 万吨燃料当量。 Btu（Btu）——英国热量单位，将1磅水加热1华氏度所需的热量，1 BTU ≈ 1055 J。
2 以人为本的设计
在美国，许多建筑物继续设计为具有较大的内部空间和相对较小的玻璃面积。过去 50 年来，无窗的办公楼和学校建筑已变得司空见惯。即使有窗户，也很少打开，因此无法提供自然通风。这些窗户通常配备有色或镜面玻璃，以减少眩光和太阳得热，但这也降低了光线的柔和度并限制了室内人员的视野。这种趋势仍在持续，有时甚至还会恶化。例如，眩光会使在计算机屏幕上工作感到不舒服，从而需要使用更暗的玻璃作为对策。
由于现在可以通过电气和机械系统获得光线和空气，窗户的传统作用被削弱，降低了它们在大多数现代商业建筑中的重要性。当然，这种转变忽视了窗户在创造健康、高效、鼓舞人心和有吸引力的室内环境方面所发挥的关键作用，尽管这些因素有时很难量化。自然光具有许多电照明无法替代的特点。光的强度、方向和颜色的变化将我们与天气、季节和一天中的时间联系起来。窗外景观，尤其是野生动物景观，对于维持人们的身心健康、提高方向感和空间感发挥着重要作用。打开窗户呼吸新鲜空气的能力不仅使建筑居住者有一种对其环境的控制感，而且还建立了与外界的联系。事实上，窗户增加了有限空间中所失去的多样性和感官刺激。
在一些欧洲国家，立法要求所有工人与窗户保持一定距离，并且窗户必须可操作。当然，只有通过精心设计才能实现自然光、景观和自然通风等诸多好处，同时还必须预防和控制窗户潜在的负面影响，例如过度眩光和热舒适度降低。现代研究表明，窗户和自然光在创造积极的室内环境方面发挥着重要作用，从而提高生产力和健康。
3 生命周期成本
当然，就成本而言，窗户是建筑物的重要组成部分。窗户的初始投资成本通常高于相同面积的不透明建筑围护结构，但对某些类型窗户的需求或主观要求通常不需要证明是合理的。然而，更重要的问题是如何证明增加玻璃面积和使用高效窗户的额外成本是合理的。建筑物的运营能耗和维护成本通常超过初始投资成本十倍以上。而且，居民的建设成本比建筑物运营期间的成本高出许多倍。窗户的初始成本影响很多决定，但与其他方面相比，它只是一小部分。
由于窗户对建筑运营成本以及居住者的健康、生产力和福祉具有重大影响，因此在选择和设计窗户时有必要采用生命周期方法。生命周期分析包括建筑设计和材料选择对经济、环境和人类福祉的影响。窗框、玻璃和密封剂都有不同的使用寿命，因此耐用性是任何生命周期分析中的关键因素。然而，窗户的预期寿命通常为 20-30 年，并且比其他建筑系统更昂贵且更难以更换，因此在窗户的整个使用寿命期间保持能源效率也是其寿命的一个基本方面。
