談夏熱冬冷地區建筑圍護結構的構造設計

徐田 席琛

(1.南昌卓筑建筑設計有限公司，江西南昌 330029;2.江西科技師范大學建筑工程學院，江西南昌 330013)

夏熱冬冷地區是根據我國建筑氣候區劃定的一個區域。這個地區氣候特點獨特，主要表現在:首先是夏季潮濕，濕潤多雨;其次是冬冷夏熱，四季分明。這一地區盛夏的高溫，與全國比較相當突出，夏季的炎熱程度往往達到使人難以忍受的地步。該地區由于緯度較低，又多連續晴天，夏天太陽輻射相當強烈，多數地方高于35℃的酷熱天氣有半個月到1個月之多。同時夏熱冬冷地區冬季的相對濕度很高，達到73%～83%，整個冬季雨雪連綿，天氣陰沉，因而陰冷寒涼。冬季日照時間較短，日照百分率較低。由于長期以來該地區對建筑圍護結構保溫隔熱性能的忽視，結果造成夏熱冬冷地區建筑冬夏兩季的熱環境都很差，而且由于圍護結構設計不合理造成的能源浪費現象比較突出。最近隨著可持續發展戰略的提出，國家制定了《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》，并以此為契機，業內開始重新審視夏熱冬冷地區建筑的圍護結構與構造設計。筆者根據目前國內外出現的一些新材料、新技術，總結以下三點夏熱冬冷地區建筑圍護結構與構造設計的發展趨勢。

1)集成化設計趨勢。

隨著科學技術的發展，建筑物圍護結構的節能設計涉及到越來越多的學科，諸如材料科學、光學、熱工學、流體力學等，并在多個領域之間交叉發展。因此，對于建筑圍護結構的設計就不能再采用原來亡羊補牢的方式，我們應當徹底的改變把建筑圍護結構節能僅僅局限在保溫層上的做法，而應該在建筑設計的初始方案階段就對建筑圍護結構進行集成化設計。換句話說，在方案設計階段，設計師除了考慮建筑的功能和外觀等因素之外，還應當充分考慮建筑圍護結構的節能效果。

在進行夏熱冬冷地區建筑圍護結構設計時，最基本的問題就是冬季要減少室內的熱損失，夏季要減少太陽輻射以及加快室內熱量的散發。因此，如果建筑圍護結構采用高效隔熱的外保溫以及控制窗地比的做法，雖然在冬季時有良好的保溫隔熱性能，但在夏季，室內熱量積蓄現象也會比較突出。這是因為，如果夏季不對建筑內部進行有效的通風排熱，高效的隔熱措施就會使得建筑變成一個陽光下的集熱器;而在建筑物內部使用空調時，必然會消耗大量電能，增加室內空調負荷。這就是在夏熱冬冷地區最為突出的一對矛盾:夏季通風與冬季保溫之間的矛盾，而解決這一問題的方法之一就是建筑物圍護結構的集成化設計。

雙層組合式外墻是集成化圍護結構設計中比較簡單的方式，但其在夏熱冬冷地區的節能效果很好，而且采用雙層組合式外墻設計的建筑都會有比較豐富的立面，往往也能取得良好的外觀效果，因此現在運用的較為廣泛。雙層組合式外墻就是在距離建筑結構墻體一定距離之外，再做一層附加墻體，其中主墻體宜采用外保溫復合墻體;而附加墻體則不需要做特別的保溫隔熱處理，但在外粉刷時要使用反射性能比較好的顏色(比如白色)，并和主墻體在相應位置布置窗洞。這樣，在夏季時，附加墻體能阻擋大部分陽光輻射，起到良好的隔熱作用;除此之外，還能起到遮陽的作用，有利于在立面上設計大窗。而在冬季時，其又不影響主墻體的保溫作用，同時，附加墻體的設計，大大減少了惡劣環境對于外保溫層的影響，延長了其使用壽命。因此，雙層組合式外墻較好的適應了夏熱冬冷地區的氣候特點，在夏熱冬冷地區的多層建筑上有良好的發展前景。

在夏熱冬冷的獨特環境下，我們在對建筑外表皮進行設計時，不應該僅僅是把其作為一個簡單的圍護結構，而更多的是考慮其作為環境過濾器的職責，墻面的設計應該滿足多功能集成化的要求:窗戶、百葉、墻體等組合在一起，發揮透光、遮擋直射陽光、蓄熱、通風等多種作用。經過建筑師的精心設計、工程師的精確計算、流體力學運用CFD模擬實際通風效果等一系列完整的集成化設計方法，來確定外表皮的具體形態，以期達到最為合適的圍護與節能效果。

2)綠色化設計趨勢。

在可持續發展的浪潮之下，越來越多的人們開始關注“綠色建筑”與“生態建筑”。建筑物在其建造過程中所消耗的材料與產品，對環境都有著直接或者間接的影響。因此，我們在進行建筑物的設計時，應該盡量把建筑物對于環境的影響降到最低。其中一種方法就是在建筑圍護結構中使用綠色材料，一般來說，節能墻體所使用的材料主要包括墻材、保溫層、粉刷層、保護層、裝飾層等等。

在中國，現在面臨的主要是墻體材料的問題，粘土磚的持續使用對環境的負面影響很大，因此尋找其環保替代品已經成為最有可能快速解決這一問題的方法。而夏熱冬冷地區在解決這一問題上有比較大的優勢，因為現在比較成熟的綠色墻體大部分都是利用工業廢渣和建筑垃圾作為基本原料，比如利用粉煤灰生產粉煤灰燒結磚、粉煤灰蒸壓磚;利用煤矸石生產燒結實心磚和空心磚。另外，尾礦類廢料和爐渣以及煉鐵礦渣都可以作為墻體的原材料。而建筑垃圾經過處理后，也可以成為建筑圍護材料。例如把廢磚和廢混凝土塊破碎，作為原料與水泥、砂子和輔助材料進行混合，經振動壓制成型和養護制成輕質砌塊［1］。這些工業廢料和建筑垃圾在夏熱冬冷地區都很常見，尤其是在上海、浙江等工業和經濟比較發達的省份，都具有利用工業廢料開發綠色建材的潛力。

夏熱冬冷地區另一種建材綠色化的思路是使用一些基本沒有環境成本的材料，如石頭與木頭等天然建材，這些材料不但可以在使用后完全消解，同時也方便在本地取用，減少運輸過程中的能量消耗。除了石材和木材這些可以直接加工使用的材料外，農作物秸稈等農業廢料，也可以作為加工建材的基本原料，由這些材料作為添加物生產出的空心磚等產品，都具有比較好的可降解性。同時在夏熱冬冷地區，河流湖泊都比較多，可利用河泥、湖泥發展空心磚制品。這些材料都可以在廢棄后比較快的降解，對環境的影響也很小，但是我們必須認識到，在我們選用一種材料時，不單單要考慮其帶來的節能效益，同時還需要考慮生產這種材料所消耗的能量和對環境的影響，通過全壽命周期評估(LCA)對材料進行全面的分析，在性能和環保兩者間進行對比，達到一個最佳的平衡點。譬如含氟利昂和鹵代烷等材料的涂料和粘合劑的性能更加優越，但兩者都是會破壞臭氧層的材料，因此應該盡量減少使用;同樣在砌體結構中最好使用石灰砂漿作為粘結材料，不但對環境的破壞比較小，而且也便于磚頭、石板和石塊的再回收利用。

除了墻體材料的綠色化外，還有一些真正的“綠色化”設計也同樣適合在冬冷夏熱地區使用，這就是利用植物來為建筑降溫。我這里所指的并不只是屋頂花園這些對于屋頂防水要求比較高，而且很難在舊建筑改建上使用的技術，而是一些更為低技術以及低成本的策略。我們經常看到一些有年頭的建筑表皮上會爬有藤蔓植物，這些藤蔓植物不僅僅增加了建筑的外觀美感，同時也有其實際功能用途。因為藤蔓植物在盛夏正是生長最為茂盛的時候，不僅為建筑遮擋了大量的陽光，而且通過葉片的水分蒸發，抽取了其與墻體間隙的熱量，達到了很好的保溫隔熱效果。而現在新建建筑由于外保溫層以及墻面粉刷的關系，不允許在外墻上直接覆蓋藤蔓植物，因此，可以在建筑墻體之外再設一層網架，作為藤蔓植物的落腳點，在建筑的墻體之外形成另一片綠色的表皮，達到節能和綠化的雙重效果。

3)智能化設計趨勢。

由于技術和材料上的局限，集成化設計和綠色化設計一般僅僅適用于多層建筑，而夏熱冬冷地區經濟發達，高層建筑發展很快，已經成為除了住宅建筑外的又一能耗大戶。雖然大部分高層建筑都采用了一些節能措施，但由于其功能要求非常復雜，而且多用玻璃幕墻來獲得出眾的外觀效果，因此高層建筑的能源消耗居高不下，被大家諷刺為“戴了節能帽子的高能耗建筑”。即使是使用了新型low-e玻璃和對建筑外露結構進行了斷橋處理的新型高層建筑，其能耗依然普遍偏高。而大多數高層建筑的新技術都引自歐美發達國家，對于冬冷夏熱的氣候有一定的不適應性，比如在國外有上佳表現的雙層玻璃幕墻，在華東地區就水土不服;在冬天效果還不錯，但到了夏天，兩層玻璃幕墻之間的空氣溫度急劇升高，而且由于夏熱冬冷地區靜風率高，原先設想的通風效果很難達到。

因此，運用多種手段，采取智能化干預的方式，對建筑表皮進行控制將會是夏熱冬冷地區高層建筑圍護結構發展的又一趨勢。夏熱冬冷地區氣候復雜，天氣變化比較快，這就需要一套智能化的建筑外圍護控制系統。隨著計算機以及自動化技術的飛速發展，建筑圍護系統的智能化已經成為現實，在這一領域，歐洲和美國正走在世界的前列。其中比較有代表性的有英國BRE的智能綠色住宅，在這座建筑的內部，工程師布置了大量的傳感器和控制系統，通過無線網絡以及數據線連接起來，并且最終將所有的信息匯總到安裝在墻板內的智能裝置控制中心內。智能裝置控制中心可以根據陽光的強弱自動調節遮陽卷簾的開啟程度以及整座房屋的采暖、通風、燈光以及音頻系統;另外，主人還可以使用遙控器進行自行調節，整座建筑真正達到了自我控制，不需要人工干預就能獲得良好的節能效果。這些年歐美的實踐表明，智能化控制系統已經從實驗室走向工地，并開始真正在建筑中發揮作用。

而正在研制的智能化節能墻體將更為先進，它會把信息技術和仿生學結合起來，建筑物的表皮將會像生物的表皮一樣，隨外界環境的變化而產生反應。天氣炎熱時中央控制器自動關閉墻體的熱通道，溫度過低則通過陽光反射、啟動外表皮熱循環等方式盡量獲得外界的熱量。而改進后的雙層玻璃幕墻的遮陽系統，能夠在計算機的控制下隨著太陽角度的變化而自動調整，并且感知風向和氣壓，控制通風系統的自動閉合，從而達到最佳的節能效果。這樣的智能化建筑圍護結構具有良好的環境適應性，對于夏熱冬冷地區多變的氣候環境有良好的適應性，但其造價過高、系統復雜，比較適合在高層建筑上使用。

夏熱冬冷地區由于其氣候環境的特殊性，必須要對其建筑圍護結構進行特殊的設計。一方面，我們要去學習新的、更加高效的保溫節能技術;另一方面，我們并不能照搬這些技術，而是需要結合夏熱冬冷地區的實際狀況，對其進行技術上的改良，以期能夠獲得最好的使用效果。同時，在這些技術的基礎之上，發展出真正從特殊的氣候地理條件出發，完全符合要求的新的建筑圍護結構。在開發新技術的同時，我們也不能忽視一些低技術的策略，這些策略雖然在實際效果上遜于高新技術，但是，在可實施性，費效比等等方面都更適合今天的環境。因此在夏熱冬冷地區建筑圍護結構的發展趨勢上，或許，上海煙草公司的高技術策略和上海馬陸葡萄園的低技術方法正代表了這一地區的兩個發展方向。

［1］ 劉 巖，朱浮聲，張繼平.我國新型墻體的發展現狀及趨勢展望［J］.遼寧建材，2002(2):14-16.