适应严寒气候的既有住宅外围护结构优化设计策略研究——以内蒙古扎兰屯市为例

文／杨琳卓 南京工业大学建筑学院 硕士研究生

胡振宇 南京工业大学建筑学院 教 授 硕士生导师 博 士

引言

扎兰屯市位于内蒙古自治区东部，呼伦贝尔市南端，全市行政区域总面积1.69 万km2，属温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，温差较大。气候条件和建筑形式在内蒙古东部严寒地区极具代表性。扎兰屯市年平均气温3.2℃，冬季气候干冷，冬季最冷月平均气温-17℃，极端最低温度-39.5℃，取暖期长达7 个月[1]。

持续低温对人们的居住、工作、生产、生活等都带来了诸多不利影响。低温环境下要求建筑必须具有良好的冬季防寒、保温、防冻性能。国家对其十分重视，2020 年7 月，中央国务院颁布了全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见。随着技术不断发展，国家颁布了JGJ26-2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》，对照此标准，大量既有住宅不能满足我国现行节能规范要求，节能优化亟待解决。

1 扎兰屯市既有住宅能耗现状及存在问题

1.1 住宅及能耗现状

扎兰屯市既有住宅造型单调，结构形式单一，砖混结构居多。对于墙体采用内保温形式的建筑，往往会受到“热桥”的影响，并且在墙体内部会产生潮湿、结露的现象。经调查统计，20 世纪90 年代以前，扎兰屯市大多数为6 ～7层单元式住宅。490mm 实心粘土砖墙是外墙大多数的选择，还有少数采用370mm 空心砖并加设保温层。屋面形式主要分为平屋面和坡屋面，由于冬季漫长且降雪量大，对建筑屋顶有较高要求。在外窗方面，少数年代较早的住宅采用双框双玻的外窗形式，冬季寒冷天气会在窗内侧表面凝结约5mm 的“冰花”，随后以塑钢双层透明玻璃为代表的单框双玻外窗得到广泛使用，但在极寒天气时“冰花”现象仍会发生。住宅习惯采用封闭阳台，一般分为两类：连接厨房的服务阳台和连接起居室的生活阳台，南北朝向居多。结构上以悬挑的凸阳台为主，出挑深度为900 ～2000mm 之间。早期阳台无保温措施，故无法达到热舒适要求[2]。

1.2 热舒适度调查情况

1.2.1 问卷设计

根据调研的目的和内容，笔者设计了扎兰屯市居民调查问卷，问卷综合考量居民的个体情况和居住情况等多方面影响因素，问卷主要侧重于客观信息采集和主观因素调查。

1.2.2 问卷内容

客观信息采集：（1）个体样本特征。了解被调查者家庭整体情况，包括年龄、性别、文化程度、常住人口数量、家庭收入及来源等。（2）建筑特征。调查当地基本建筑情况，包括建筑年代、朝向、面积、结构形式、保温构造、门窗材料、屋顶类型等。（3）采暖方式及能耗。用于分析能耗与建筑类型等关系，包括采暖设备、用电量等。

主观因素调查：（1）基本信息采集。掌握室内热环境对人体热舒适的影响，包括冬季室内穿衣情况、各个房间冷热状况等。（2）热舒适性调查。掌握居民冬季室内热感觉情况。包括受试者主观热感觉和热期望等，改善热舒适的措施等。

1.2.3 问卷统计分析

本次调查共发放问卷150 份，回收有效问卷142 份，有效率达94.7%。其中回收现场问卷59 份，互联网问卷83 份。问卷调查结果分析如下：

（1）个体样本特征。被访家庭人口数主要集中在3 ～4 人，占样本总数的74.3%，平均家庭人口数为3.27 人。被访者年龄集中在26 ～65 岁，占总数的82.8%。

由于成年人多数在外出打工、经商和工作，家庭组成结构多数为“2 老人+1 儿童”和“2老人+1 成年人+1 儿童”和“2 老人+2 儿童”的结构，因此，对室内舒适度提出了更高的要求。家庭收入方面，当地经济条件较落后，被访人群月收入集中在1000 ～5000 元，在建筑的节能改造上应考虑居民经济状况，追求性价比，运用较低投入达到高舒适度的效果。

（2）建筑特征。抽样调查的住宅中，1990 年之前的住宅占8.6%，1990 ～2000 年的占18.6%，2001—2005 年的占13.6%，2006—2010 年的占22.1%，2010 年以后的占37.1%。

该地区50m2以下的住宅占总数2.1%，50 ～80m2占总数22.9%，80 ～100m2占总数58.6%，100 ～150m2占总数15%，150m2以上占总数1.4%。住宅多集中在50 ～100m2。

平面布局上，该地区住宅以板式住宅为主，住宅单元的平面形状主要以长方形居多，建筑平面形式多为一梯两户形式。每栋多层住宅长度主要在35 ～60m 之间，进深（宽度）尺寸集中在10 ～16m 之间。

（3）围护结构特征。主要分析外墙保温、屋面保温、门窗材料和密闭性、阳台做法和保温性能。该地区住宅多数坐北朝南，占总数的78.6%。

在墙体方面，当地住宅以砖混结构为主（表1），占总数的81.3%。在外窗方面，13.6%住户依旧使用保温隔热性能极差的单框单玻窗，19.3%住户使用早年的双框双玻窗，这类型外窗冷风渗透严重。调查显示，54.4%的住户窗户有结露情况，且由于外窗随年限增长而气密性降低，大大影响室内热舒适。在节能改造上，更换门窗是价格适中、有效降低能耗的方式。

表1 各年代住宅墙体（表格来源：作者自绘、自摄）

（4）采暖系统特征。该地区住宅建筑采暖以城市集中供热为主。根据笔者调研，集中供热普及率达97.9%。当地供暖设备有暖气（74.3%）、地暖（23.6%）和烧煤烧柴（2.1%）。当地住宅冬季用电量随建筑面积增加而增加。当地取暖费为26.42 元/m2，2000 ～3000 元/年居多，占总数的52.1%。

（5）居民主观感觉特征。半数以上居民表示室内不舒适，有过冷或过热的现象。对于室内干湿感觉情况，72.2%的居民感觉室内较干或非常干，5.7%的居民表示室内比较潮湿。对于冬季供暖，25%的居民表示冬季供暖过多，价格贵，耗能严重；40%的居民觉得供暖不足，室内不舒适；仅35%的居民表示供暖恰当，价格合理，室内舒适。

对于建筑节能改造方式，32.8%的居民希望通过增强建筑本身的保温效果来进行保温；31.4%的居民希望通过更换门窗来防止房屋漏风；35.7%的居民希望能够增加供暖使室内温度升高，达到住宅保温的效果。

1.3 外围护结构存在的问题

通过对当地居民调查问卷结果和实地调研的系统分析，总结得出节能优化改造中存在的主要问题。

1.3.1 20 世纪90 年代以前住宅围护结构热工性能差，无法有效应对气候变化

当下，1990 年以前的扎兰屯市住宅存在的突出问题是能耗较高而舒适度不足，即使消耗大量采暖能耗，也不能达到稳定且舒适的室内热环境，对气候变化的抵抗能力较弱，室内温度波动较大。主要原因是围护结构热工性能远低于节能标准。

1.3.2 冬季室内热舒适不平衡，居民舒适度感觉相差巨大

住宅采暖无法平衡。从满意度调查结果来看：部分住宅存在围护结构性能差导致的冬季温度过低的情况，而部分住宅存在由于能耗过多导致的温度过高且室内过于干燥的情况。

1.3.3 居民节能意识薄弱，限制节能计划实施

对于既有住宅，当地居民大多数注重居住舒适度，节能意识较为薄弱。由于受到经济文化因素制约，居民并不理解节能优化带来的长期效益，导致限制了节能优化实施。

2 扎兰屯市既有住宅外围护结构优化策略

2.1 外墙保温节能改造

在整个建筑外围护结构能耗中，外墙占25.6%，居主导地位[3]。外墙外保温较之其他外墙保温构造形式而言，有较多优点。由于保温材料放置在建筑物外墙的外侧，可以避免产生热桥，能够比内保温热损失减少约15%。而且外保温的保温材料置于外墙外侧，不会占用室内空间。采用外墙外保温进行节能改造时，由于施工是在室外进行，故不会影响居民的正常生活和工作，有利于旧房改造和丰富建筑外立面，所以外墙外保温是目前比较理想的优化方案。

2.2 屋面节能改造

屋面保温主要以采用轻质高效且吸水率低的保温材料作为保温隔热层为主，屋面在选择保温材料时，要综合考虑屋面的重量、厚度、保温、防水和节能等要素。严寒地区建筑大多采用卷材防水平屋面，防水层在使用时间过长时会导致保温层失效。根据既有住宅屋面防水状况选择挤塑聚苯板作为保温层的倒置式屋面，能够有效延长保温层的使用寿命。

2.3 门窗节能改造

门窗是住宅建筑中能耗损失最为严重的部位，无论是传热损失还是冷风渗透都占有较大比例。因此，设计时在满足日照、采光、通风和观景等要求的基础上，要进一步增强门窗的气密性。在优化过程中，除了尽量缩小门窗面积外，还应该选择适宜的窗墙面积比。在选择窗时，应考虑到窗的自重，自重较大会因为自身重量导致窗框与墙之间形成肉眼不可见的缝隙，出现冷风渗透的现象。

中空玻璃由两片或多片玻璃复合而成，周边用空腹金属框和硅胶密封；玻璃之间充入干燥洁净的空气或惰性气体；具有良好的隔热、隔声性能。中空玻璃是用高强、高气密性复合黏结剂，将两片或多片玻璃与周边垫入的间隔铝框粘接密封，形成空腔，在其内充入干燥气体或惰性气体，并填入除湿剂而制成的具有较好隔热、隔声及防结霜功能的玻璃。

2.4 阳台节能改造

扎兰屯市阳台多为封闭凸阳台，通常每户有生活阳台（南阳台）和服务阳台（北阳台）。阳台栏杆薄，不仅导致冬季北阳台窗户结霜，而且影响室内热环境质量。在优化过程中，服务阳台受太阳直射少，应尽量减少热损失。阳台地面采用蓄热系数较大的材料，如深色石材、地砖等；生活阳台与房间之间的墙体用深色木材包边，有利于蓄存太阳辐射热量。

结语

节约能源是我国的基本国策，是建设节约型社会的根本要求。文章指出了当前扎兰屯市住宅节能优化中存在的问题，并根据扎兰屯市的气候特点，提出扎兰屯市既有住宅外围护结构优化的策略。既有住宅外围护结构节能改造是一个整体性优化的过程。目前，对既有住宅围护结构实现节能改造的关键是采用先进的保温材料。居民对既有住宅节能改造的认识需要进一步提高。能否有效进行节能改造，前提是对于节能改造的宣传。节能优化是在改进原有形式的基础上，对不合适的旧建筑尽可能节省能耗，营造良好的建筑热环境，提高热舒适度，实现人居环境和生态的可持续发展。