窗作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其承擔(dān)了節(jié)能的重要任務(wù)。目前，已有的節(jié)能窗在材料和結(jié)構(gòu)方面不斷更新?lián)Q代，其密封性和耐用度逐步提升。但是，窗戶的智能化功能以及外觀設(shè)計(jì)并沒有明顯突破?，F(xiàn)對創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行探索和研究，旨在以窗的節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合智能化技術(shù)，并對窗最終以藝術(shù)美觀的形式呈現(xiàn)提出觀點(diǎn)與建議，為空間文化中窗的節(jié)能、智能及美觀實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合提供更多、更新的思路。

綠色節(jié)能、智能以及美觀，是當(dāng)代社會生活中人們經(jīng)常探討的話題，也是眾多設(shè)計(jì)師的工作目標(biāo)。建筑是人們生活和工作的重要場所，其本身也是多種產(chǎn)品的集合體。圍繞節(jié)能、智能以及美觀的相關(guān)討論是當(dāng)代建筑行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)議題。

窗，在建筑學(xué)意義上是指墻或屋頂上建造的洞口，用以使光線和空氣進(jìn)入室內(nèi)。據(jù)《資治通鑒》記載，早在隋代，洛陽皇宮紫微城內(nèi)的觀文殿就出現(xiàn)了自動開合的窗戶?！墩f文解字》中記載：“在墻曰牅，在屋曰囪。窗，或從穴?！苯陙?，隨著環(huán)保意識的提升，“雙碳”政策的推行，綠色建筑的配套設(shè)施愈發(fā)科技化。窗作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，承擔(dān)了節(jié)能的重要任務(wù)。通常在一座建筑中，門窗面積占房屋建筑面積的比例約為七分之一，而門窗耗能卻占據(jù)了建筑耗能的二分之一以上。因此，分析窗的節(jié)能設(shè)計(jì)、智能化功能以及美觀設(shè)計(jì)既有意義又具有市場應(yīng)用價(jià)值。

窗對建筑節(jié)能的重要意義與做法

在節(jié)能方面，社會能源消耗主要有建筑能耗、交通運(yùn)輸能耗以及工業(yè)能耗，而建筑能耗作為三大能源消耗之首，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆０l(fā)展低能耗建筑配套設(shè)施，可以大幅調(diào)整建筑節(jié)能的用能結(jié)構(gòu)，從根本上減少二氧化碳的排放。節(jié)約能源是解決世界能源消耗問題以及全球溫室氣體排放問題的重大措施，其將會為減緩全球氣候變化作出重大貢獻(xiàn)。

隨著節(jié)能建筑的發(fā)展，門窗等配套設(shè)施也經(jīng)歷了多次變革。我國的建筑外窗經(jīng)歷了老式木窗、鋼窗、鋁合金門窗、斷橋鋁門窗、塑鋼門窗、鋁包木門窗以及節(jié)能窗7種不同形態(tài)的升級。德國節(jié)能窗的發(fā)展起步較早，而且其是超低能耗節(jié)能窗技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國家。我國的很多節(jié)能建筑大多參照德國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)建造。目前，我國自主技術(shù)改良、研發(fā)生產(chǎn)且市面較為常見使用的節(jié)能窗類型有PVC塑料窗、鋁包塑窗、斷橋鋁合窗、木包鋁窗以及玻纖增強(qiáng)聚氨酯窗。

在傳統(tǒng)認(rèn)知中，建筑外窗具有隔絕室內(nèi)外和保溫隔冷的作用，還具有一定的保護(hù)和節(jié)能作用。這些是窗的基本功能。由于材料質(zhì)量和制作工藝的差別，窗具有隔絕溫度這一基本功能的效果有時(shí)差別也很大。在綠色建筑領(lǐng)域，這一難題得以解決，被動式建筑的節(jié)能效果顯著，故而利用科技和新型材料可以使得節(jié)能事半功倍。

目前，通過窗的節(jié)能設(shè)計(jì)提升建筑的能耗節(jié)約是業(yè)內(nèi)普遍達(dá)成的共識，“被動式節(jié)能窗”成為被動式建筑不可或缺的配套設(shè)施。所謂被動窗是指符合國際被動式房屋認(rèn)證的窗產(chǎn)品，整窗具有超強(qiáng)的隔熱保溫系數(shù)、超強(qiáng)的氣密性能，最大有效U值Uw=0.80W/(m²·K)，如果U值超過規(guī)定的0.80W/(m²·K)將無法保證被動式房屋的質(zhì)量。因此，窗的保護(hù)與節(jié)能不僅起到傳統(tǒng)意義上的“隔絕”作用，在隔熱型材應(yīng)用、玻璃質(zhì)量、玻璃與型材的物理連接方式、五金件選配、密封條工藝、窗的比例尺寸以及窗的安裝工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)也要做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。例如，在五金件方面，環(huán)狀鎖點(diǎn)的鎖閉是密封的關(guān)鍵之處；而在安裝環(huán)節(jié)，按照正確的安裝流程，應(yīng)當(dāng)注重室內(nèi)外防水隔、透氣膜的鋪設(shè)施工等，其是保證氣密性的關(guān)鍵所在。

窗的節(jié)能性能一般通過氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性和抗紫外線強(qiáng)度等指標(biāo)衡量。例如，國內(nèi)自主品牌森鷹窗業(yè)，其自主研發(fā)建造的被動式工廠通過使用被動式節(jié)能窗，將冬季室內(nèi)溫度提升3—5℃、夏季室內(nèi)溫度降低3—4℃，并在節(jié)能、防風(fēng)雨、防塵防霾、防低溫結(jié)露以及耐火防盜等方面的性能優(yōu)勢較為突出。另外，隨著我國建筑技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，國內(nèi)自主品牌不斷發(fā)展壯大，門窗質(zhì)量不斷提高，窗的構(gòu)造也日趨復(fù)雜，可以更好地滿足用戶的需求。例如，檔次較高的產(chǎn)品采用Low-E玻璃、雙道橡膠密封條可以保證其最佳的保溫隔熱、防輻射性能，使人們在房間中更加舒適的同時(shí)達(dá)到最佳節(jié)能效果。

窗的智能化發(fā)展趨勢

智能技術(shù)在建筑中的運(yùn)用既體現(xiàn)了建筑科技的發(fā)展和創(chuàng)新，也體現(xiàn)了多重領(lǐng)域融合發(fā)展的趨勢。智能化應(yīng)用與建筑的綠色節(jié)能是相輔相成、相互促進(jìn)的關(guān)系。在自然資源的循環(huán)利用以及提高建筑物使用效能等方面，智能建筑能有效監(jiān)測環(huán)境，具有節(jié)能減排的功能，有利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代建筑的綠色發(fā)展。

在智能化門窗研究方面，陳為軍等（2010）在遮陽防風(fēng)、節(jié)能保溫、智能控制多功能鋁合金卷簾門等領(lǐng)域深入研究，在多功能遮陽、節(jié)能和防盜型組合窗等方面取得了技術(shù)進(jìn)步；楊子靖、蘇俊維（2020）基于物聯(lián)網(wǎng)，針對傳統(tǒng)門窗功能單一和市面智能門窗選擇性少等問題對門窗智能啟閉器系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究；朱孜、鐘應(yīng)（2021）對智能門窗發(fā)展?fàn)顩r、智能門窗發(fā)展趨勢進(jìn)行了梳理，重點(diǎn)分析了智能門窗發(fā)展的意義，論證其能有效將人與建筑融為一體，實(shí)現(xiàn)更安全、更環(huán)保節(jié)能、更便利、更舒適的高品質(zhì)生活空間。

在應(yīng)用方面，目前市面上常見的節(jié)能窗在材料和結(jié)構(gòu)上不斷更新?lián)Q代，其密封性和材料的耐用度性能逐步提升，但是窗戶的智能化功能以及外觀設(shè)計(jì)并沒有明顯突破。在智能化功能的研究和應(yīng)用中，王佳宇等（2018）結(jié)合單片機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)研究設(shè)計(jì)窗的控制系統(tǒng)，采用溫度、風(fēng)速、雨滴和紅外等傳感器，控制窗的開啟，這種由技術(shù)提供支撐的設(shè)計(jì)構(gòu)想為本項(xiàng)目提供了一定借鑒與思路。但是相關(guān)研究大多將重點(diǎn)放在門窗的開啟、防火防盜預(yù)警以及遠(yuǎn)程監(jiān)控操縱等方面，而有針對性地與節(jié)能環(huán)保相結(jié)合的實(shí)用性研究還有更多的突破空間。

在課題設(shè)計(jì)的構(gòu)想和研究中，根據(jù)已有研究成果和技術(shù)圍繞節(jié)約能耗這一核心目標(biāo)提出以下概念方案。

一是環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示。人是建筑的使用者，通過窗這一連接外界的媒介讀取室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，可以使人們直觀、快捷地了解生活環(huán)境和工作環(huán)境情況。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括溫濕度、風(fēng)力、PM2.5、PM10、紫外線指數(shù)等常用數(shù)據(jù)，將LED屏幕鑲嵌于合適的監(jiān)測窗位，連接互聯(lián)網(wǎng)客戶端，人們便可以在電腦軟件或手機(jī)App上隨時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

二是傳感器搭載。應(yīng)用傳感技術(shù)，如碰撞傳感器、光感傳感器、溫度傳感器以及人體紅外線傳感器等技術(shù)，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷節(jié)能指標(biāo)，適時(shí)提供使用建議，控制空調(diào)與新風(fēng)系統(tǒng)以及窗的開啟和使用，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

三是Low-E玻璃搭配智能窗簾達(dá)到阻隔效果。Low-E玻璃的鍍膜可對中遠(yuǎn)紅外線起到高反射作用，降低熱輻射，這是第一重節(jié)能防護(hù)。在監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示室內(nèi)外溫差較大的情況下，智能窗簾的開啟和閉合可以形成第二道屏障。這不僅可以使目前市面上較為流行的智能電動窗簾很好地與節(jié)能目標(biāo)相結(jié)合，還可以完善建筑的智能系統(tǒng)，讓智能的最終目的指向節(jié)能、環(huán)保與健康。

窗的藝術(shù)設(shè)計(jì)使建筑更具藝術(shù)性

將藝術(shù)審美與實(shí)用功能合理搭配是使建筑成為藝術(shù)品的關(guān)鍵所在。我國著名建筑理論學(xué)者吳煥加曾在書中寫道：“建筑藝術(shù)存在于房屋之中，建筑的藝術(shù)性以實(shí)用工程物為載體?！辈徽撌侵袊鴤鹘y(tǒng)建筑和園林中窗的別致造型，還是西方古典教堂中的彩色玫瑰花窗，都表明窗既是建筑中不可或缺的用于采光與通風(fēng)的洞口結(jié)構(gòu)，也是建筑物外觀的審美著眼點(diǎn)。

由此可見，窗的藝術(shù)設(shè)計(jì)很早便已出現(xiàn)。先秦時(shí)期，《考工記》記載：“天有時(shí)，地有氣，材有美，工有巧。合此四者，然后可以為良?！辈拿拦で墒切纬闪嘉锏谋匾獥l件，這也是當(dāng)代設(shè)計(jì)既節(jié)能環(huán)保又具備科技智能的建筑門窗的生產(chǎn)理念。根據(jù)調(diào)研國內(nèi)品牌窗市場和調(diào)查用戶反饋，品牌實(shí)力強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)的節(jié)能門窗廠家非常注重材料選用和生產(chǎn)工藝。例如，選用高透亮且環(huán)保的Low-E玻璃、進(jìn)口可焊接非金屬間隔條、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）等；制作中配套高精度生產(chǎn)線，不論是斷橋鋁合金窗、鋁包木窗還是高玻纖聚氨酯窗，都要保證生產(chǎn)工藝精良嚴(yán)密。同時(shí)，對門窗成品的安裝施工也有嚴(yán)格的流程標(biāo)準(zhǔn)，要保證在安裝過程中不對產(chǎn)品造成損傷。

在市場現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目組做出了概念設(shè)計(jì)的提案，主要體現(xiàn)在以下方面。

一是注重與建筑空間環(huán)境整體風(fēng)格的搭配。眾所周知，環(huán)境設(shè)計(jì)以及裝飾風(fēng)格經(jīng)過不斷發(fā)展形成了一些固定的搭配模式。當(dāng)下較為常見的建筑空間設(shè)計(jì)風(fēng)格有新中式風(fēng)格、現(xiàn)代簡約風(fēng)格、歐式簡約風(fēng)格、侘寂風(fēng)格或美式風(fēng)格等。而窗框的顏色、質(zhì)感，窗框分隔形式以及窗欞的樣式等，也會影響建筑空間環(huán)境整體風(fēng)格的呈現(xiàn)。

二是對于窗框的選擇不拘泥于直角矩形，還可以適當(dāng)選用圓角矩形。首先，人眼對所接收的圖形信息會有所篩選，對圓角矩形的認(rèn)知會優(yōu)于直角矩形。由于人眼結(jié)構(gòu)中辨識力最強(qiáng)的部位會優(yōu)先識別圖形的視覺中心，因此圓角矩形會使人更易識別。其次，生活中的棱角或尖角非常鋒利，無形中給人一種壓迫感，而圓角可以避免給人造成尖銳角度的冰冷感，使人感覺到溫暖。窗可以為人們帶來舒適感和安全感，所以圓角矩形可以作為窗框的優(yōu)先選擇。

三是顏色可以進(jìn)行適當(dāng)突破。在木窗作為主要窗材的年代，人們翻新窗戶的主要做法就是用油漆粉刷。人們可以根據(jù)自己的喜好調(diào)配漆的顏色。在塑鋼窗取代木窗之后的一段時(shí)間內(nèi)，窗框顏色由常見的白色逐步轉(zhuǎn)為深色。其中，建筑配套的固定選擇搭配是其發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因之一。但是當(dāng)客戶有更換窗戶的需求并且希望進(jìn)行個(gè)性化搭配時(shí)，由于顏色樣板的選擇范圍較小，則無法滿足其需求。因此，只有創(chuàng)新設(shè)計(jì)窗與建筑空間的搭配風(fēng)格，才能更好地滿足不同客戶的多樣化需求。

“雙碳”戰(zhàn)略的提出具有重要?dú)v史意義和可持續(xù)發(fā)展意義。2022年8月18日，科技部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部、中科院、工程院、國家能源局共同研究制定的《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》中提出，大力支持和鼓勵(lì)創(chuàng)新綠色低碳科技，提高我國產(chǎn)業(yè)競爭力。

立足于窗，運(yùn)用智能化科技，大力推廣綠色低碳生活方式，將節(jié)能、智能與美觀三者實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。這既是為助力國家碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也是順應(yīng)消費(fèi)升級趨勢，以服務(wù)生活作為建筑設(shè)計(jì)的核心主題，更是傳承中華民族勤儉節(jié)約傳統(tǒng)美德和弘揚(yáng)社會主義核心價(jià)值觀的重要體現(xiàn)。

本文的研究目的在于提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，力求設(shè)計(jì)一款在傳統(tǒng)門窗基礎(chǔ)上具有智能化性能的新型節(jié)能建筑配套設(shè)備，且功能實(shí)用，用戶操作方便，以打造舒適的宜居空間為設(shè)計(jì)理念，化繁為簡。節(jié)能設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人們對綠色健康生活的追求，智能化性能體現(xiàn)了節(jié)能門窗設(shè)計(jì)師從人性化的角度出發(fā)，讓節(jié)能化、智能化和美觀化的生活理念真正走進(jìn)當(dāng)代生活。

本文為2022年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃校創(chuàng)立項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號2022cxcy082。

（作者單位：浙江科技學(xué)院）