寒冷地区建筑外墙节能设计策略分析

李 强

1 寒冷地区气候现状

根据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）的规定，我国的建筑热工设计可划分为5 个地区，包括严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区。其中，寒冷地区主要气候特征为冬夏时间较长，春秋时间较短，全年温差较大，冬季较为干燥，夏季较为湿润。一般而言，寒冷地区多数干旱少雨，年降雨天数不足百天，且降水量相比南方较少，全年太阳辐射较强。在进行寒冷地区的建筑节能设计时，应充分考虑气候因素，并结合相关规范标准，确保建筑满足节能要求。

2 外窗节能设计策略

外窗不仅能够配合外墙优化建筑自身的保温隔热效果，还能协调建筑与周边环境的关系，是提升建筑室内外沟通的主要桥梁。寒冷地区具有冬夏持续时间长的特点，因此外窗的保温隔热作用显得尤为重要。建筑外窗的主要功能是在获取足够日光照射的前提下，保障房屋得到相应的太阳辐射，同时有效减少不必要的热量流失，通过降低渗透量、削减传热量以及减少太阳辐射为基础进行节能工作。因此，在设计建筑外窗时，一般要满足传热系数以及遮阳系数这2项要求，采用节能技术优化外墙的节能效果[1]。

（1）要注意外窗玻璃的材质与施工工艺。寒冷地区对外窗玻璃保温要求更加严格，不仅要求具备良好的保温性能，同时还要兼顾透光率，从而最大程度利用太阳能，有效降低寒冷地区建筑内部的寒冷负荷。夏天外窗需要阻挡过强的太阳辐射，降低太阳辐射的透窗率，否则就会导致室内气温不断上升，增加空调的负荷。因此，在寒冷地区，为了有效保障外窗玻璃的节能效果，应加强遮阳措施与采光设施，同时根据不同季节的要求，保障两者之间能够相互协调。由于外窗玻璃还需要传递热阻，平衡热阻与透光性之间的关系，因此需要重点关注热工指标，以选取最适合当前环境的外窗玻璃。

（2）要注意选择合适的外窗框。受外窗热阻影响，外窗玻璃的固定和支撑结构也要根据实际情况进行优化改良，在保证不改变窗框受力强度的前提下，有效减少导热系数。一般情况下，影响窗框自身热阻的因素主要有2 个，一是导热系数，二是隔热腔室的相关设置。传统工艺中，木制窗框导热系数较小，容易受到腐蚀且稳定性较低，因此部分窗框材料采用塑料代替。现代建筑中的窗框材料一般采用钢制或者铝制材料，这类材料热传导性能较好，但并不能单独作为窗框节能材料，需要采用喷塑技术提升其他窗框部分的热阻。隔热墙类窗框较为常见的为聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）塑料材质，空腔断面一般分为单腔、双腔以和三腔几种结构形式。其中，三腔热阻能力最强、成本较高，适用于冬季寒冷地区的建筑[2]。而单腔不具备良好的节能效果且不便安装五金件，因此在寒冷地区建筑中不宜采用。

（3）要注意外窗自身的气密性。窗户的主要作用是阻止空气渗透，而渗透主要发生在窗扇、窗框之间的位置。如果窗户质量较差，就会造成窗扇与窗框之间的密封性不足，尤其在未使用泡沫绝热密封的前提下，很容易产生空气渗漏现象。为了保障寒冷地区建筑自身的节能保温效果，需要严格控制门窗缝隙，保障窗框质量，降低室内热量耗损，有效减少冷空气的渗透。为了达到这个目的，需要从以下4 个层面综合考虑。

第一，要注意选择符合建筑要求的窗型，受寒冷地区气候影响，应优先考虑固定窗，然后再考虑平开窗与推拉窗。虽然平开窗比推拉窗造价更高，但是由于其接缝技术更加严密，通风面积更大，工艺要求更高，因此整体气密性优于推拉窗。第二，要注意改进外窗的密封材料，重视密封条抗老化作业，且密封尺寸要符合沟槽尺寸，以免降低密封性。第三，要重视窗框和窗洞之间的衔接设计，避免使用水泥砂浆进行填充。水泥会随着温度变化产生开裂或者透空，导致外窗气密性降低，因此一般采用发泡材料以及密封膏进行密封处理。第四，提升组件之间的精密度，选择更加优质的配件，增加各个部件之间的衔接量，从而达到有效的密封效果。

（4）要重点关注窗墙面积比。窗墙面积比需要兼顾保温性和太阳辐射热2个层面，它会随着建筑类型差异而发生变化。一般来说，公共建筑与商业建筑外窗面积较大，居住建筑外窗面积则较小，主要为了保障寒冷地区冬季的室内温度，这是基于当前建筑对于艺术展示效果以及建筑节能设计之间的平衡考虑。寒冷地区倾向于采用保温隔热效果更好的玻璃材质，可有效提升太阳辐射的通透性[3]。

窗墙面积比对建筑能耗有直接影响，无论哪个地区，窗墙面积比增大都会导致能耗增加。此外，窗墙朝向也会对建筑能耗产生影响，不同朝向的窗墙面积比敏感度也会产生差异。一般而言，面向北方的外窗对建筑热负荷影响最大，然后是东方，其次是南方，西方则影响最小。在寒冷地区，西方和南方都是以窗墙面积比值0.4 为临界点，随着窗墙面积比的增加导致热负荷快速增加。

3 外墙节能设计策略

外墙具有承担建筑物外部环境荷载，保护室内人与物的结构功能。建筑物外墙能够有效保障建筑物内部安全，有效抵挡外部环境中的风沙或者雨雪侵袭，夏季能够有效阻挡热量传递，冬季能够有效防止热量散发，保证使用者处于安全舒适的生活、工作和学习环境中。

3.1 强化外墙保温的有效措施

外墙保温隔热主要分为自保温和复合保温两个方面，主要由传统墙体材料、保温材料以及新型复合墙体材料构成。其中，复合型保温墙体主要采用更加高效的绝热材料，以此提升建筑自身的热工性能。但是由于施工材料更新较快，施工难度也随之增加，整体建筑的质量风险也会增加，建筑造价相较于普通建筑而言更加昂贵[4]。目前，建筑物外墙保温可以分为外保温、内保温以及夹心保温3 种形式，下文重点分析寒冷地区建筑的外墙外保温和内保温措施。

3.1.1 寒冷地区建筑的外墙外保温

（1）采用保暖隔热层。基于当前寒冷地区的气候变化特点，保暖材质一般会选择导热系数较小且蓄热系数较大的材料，在相同保温前提下，厚度小有利于提升建筑物的美观性。因此，要根据当前建筑物的具体功能和使用年限选择最适宜的保温材料，同时保障这类材料不会因为外部环境产生不良化学反应，保障施工性能处于较高水平。

（2）重视保温材质的固定环节。针对不同的外保温措施要采用不同的固定方法，其中较为常见的是将保温板粘连或者用钉子固定在基底上；新型材料中的超轻保温浆料可以直接涂抹在外墙外皮上。

（3）注意强化外墙表层处理。一般情况下，寒冷地区的保温隔热材料会选取高分子材料，同时针对保温隔热施工后的外墙表面进行强化处理。施工时通常会采用砂浆来处理墙面，这主要是由于砂浆本身具有较好的柔韧性，能够确保外墙表面不容易开裂，保障建筑物美观性不受外界影响，确保保温隔热层保持室内温度，保障建筑保温的持久性。

目前，外墙外保温主要采用膨胀聚苯乙烯泡沫板系统、挤塑聚苯板系统、岩棉板系统以及硬泡聚氨酯板系统。其中，膨胀聚苯乙烯泡沫板系统的导热系数为0.041 W/m·K，挤塑聚苯板系统的导热系数为0.03 W/m·K，岩棉板系统的导热系数为0.045 W/m·K，硬泡聚氨酯板系统的导热系数为0.028 W/m·K。外墙外保温系统的优缺点如图1 所示，可以根据周边环境具体情况以及不同系统的优缺点选取合适的外墙外保温材料完成施工作业[5]。

图1 外墙外保温系统的优缺点（来源：网络）

3.1.2 寒冷地区建筑的外墙内保温

（1）关注墙体结构层的保温效果。外墙内保温主要是将绝热材料内置于外墙内侧，从外墙最外层由外而内的结构层可以分为外墙面层、基层墙体、界面剂、保温层、聚合物抗裂砂浆层以及室内抹灰层几个部分。墙体结构主要包含现浇混凝土、预制混凝土、内浇外砌以及砖混结构等方式，无论采用哪种墙体形式，都应重点关注结构层的保温性能，以提升外墙的内保温效果[6]。

（2）关注空气层的作用。外墙内保温主要利用隔离层阻止液态水分进入墙体，以避免保温层受潮。在空气层的保护下能够将结构层的冷凝水逐步转移至室外，同时空气层还具有增加热阻、提升保温效果的作用，因此一般情况下空气层都会采用易吸水且绝热程度较高的材料。

（3）关注绝热材料层的选择。外墙中绝热材料层施工时要尽量选取导热系数小且整体不燃或者难燃的材料，由于这一层接近室内，还要注重采用对人体健康无损害的材料。

（4）注重覆面保护层的保护作用。保护层的主要作用是维持建筑内部温度，强化保温层的保温作用，同时有效阻止水蒸气渗入保温层，促使外墙能够发挥更大的保温效果。

外墙内保温需要关注的施工要点较多，加之受寒冷地区气候变化影响，因此在施工时通常采用干作业手法。这样不仅能够保障施工安全，也有助于提升外墙的施工效率，降低劳动强度；同时，注意内饰面材料的选择，有利于降低室外气候对室内环境的影响。在采用外墙内保温技术时，要注意当前室内水蒸气的外渗情况，水蒸气一旦在墙体内部形成冷凝水，就会导致外墙保温层的热工性能降低。由于内保温层主要位于外墙内侧，会占据建筑内部的使用面积，如果针对老旧房屋进行改造，施工时就要注意协调建筑内部结构。基于内保温的基本特性，该技术比较适用于对外饰要求较高的建筑类型；同时，由于冷凝水和水蒸气渗透会影响内保温的效果，因此该技术不适用于室内较为潮湿的场所，如厨房、厕所以及浴室等。

3.2 外墙节能施工技术

第一，在完成外墙相关施工作业之后，要注意清理墙面，全面整平不平整的地方，并完成相应的防水施工作业。防水作业能够在有效防止外墙渗透的基础上提升室内温度，保障寒冷地区建筑物的室内节能。

第二，外墙表面要进行浅色处理，一般采用颜色较浅的涂料或者面砖完成施工。浅色外墙表面能够反射更多太阳辐射，有效降低建筑结构对于太阳能的吸收；黑色外墙吸收的太阳辐射更多，表面温度高于浅色外墙。在适当情况下将外墙颜色进行浅色处理，有助于在夏热冬冷的寒冷区域有效降低外墙表面吸收的太阳辐射，从而降低墙面温度。

第三，铺设挤塑型聚苯乙烯板。这种材料本身膨胀系数极低，因此不需要预留伸缩缝，可以直接铺设。另外，挤塑型聚苯乙烯板能够有效避免热桥效应，增加实体墙的热容量，从而提升室内的节能效果，通过外部温度变化保障室内具有更加舒适的热环境。

第四，采用聚氨酯和聚苯颗粒材料等新型材料形成外墙保温体系。这类新型材料能够达到相应的节能要求，不仅能修复外墙易开裂、强度不足的缺陷，而且整体材料具有较强的吸附力，可实现无空腔粘连墙面，促使外墙具备更强的保温节能属性。

4 结语

寒冷地区由于受气候环境限制，建筑节能需要借助外墙设计完成，尤其在较为寒冷的冬季，以及在蒸发效应比较较大的夏季，都应通过优化外墙设计有效降低建筑能源损耗。针对外墙中的外窗与墙体部分进行分析，在优化外墙设计的基础上，强化节能环保技术的发展，为国家低碳、环保建设提供有效的建设措施。