適應嚴寒氣候的既有住宅外圍護結構優化設計策略研究
——以內蒙古扎蘭屯市為例

文／楊琳卓 南京工業大學建筑學院 碩士研究生

胡振宇 南京工業大學建筑學院 教 授 碩士生導師 博 士

引言

扎蘭屯市位于內蒙古自治區東部，呼倫貝爾市南端，全市行政區域總面積1.69 萬km2，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，溫差較大。氣候條件和建筑形式在內蒙古東部嚴寒地區極具代表性。扎蘭屯市年平均氣溫3.2℃，冬季氣候干冷，冬季最冷月平均氣溫-17℃，極端最低溫度-39.5℃，取暖期長達7 個月[1]。

持續低溫對人們的居住、工作、生產、生活等都帶來了諸多不利影響。低溫環境下要求建筑必須具有良好的冬季防寒、保溫、防凍性能。國家對其十分重視，2020 年7 月，中央國務院頒布了全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見。隨著技術不斷發展，國家頒布了JGJ26-2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》，對照此標準，大量既有住宅不能滿足我國現行節能規范要求，節能優化亟待解決。

1 扎蘭屯市既有住宅能耗現狀及存在問題

1.1 住宅及能耗現狀

扎蘭屯市既有住宅造型單調，結構形式單一，磚混結構居多。對于墻體采用內保溫形式的建筑，往往會受到“熱橋”的影響，并且在墻體內部會產生潮濕、結露的現象。經調查統計，20 世紀90 年代以前，扎蘭屯市大多數為6 ～7層單元式住宅。490mm 實心粘土磚墻是外墻大多數的選擇，還有少數采用370mm 空心磚并加設保溫層。屋面形式主要分為平屋面和坡屋面，由于冬季漫長且降雪量大，對建筑屋頂有較高要求。在外窗方面，少數年代較早的住宅采用雙框雙玻的外窗形式，冬季寒冷天氣會在窗內側表面凝結約5mm 的“冰花”，隨后以塑鋼雙層透明玻璃為代表的單框雙玻外窗得到廣泛使用，但在極寒天氣時“冰花”現象仍會發生。住宅習慣采用封閉陽臺，一般分為兩類：連接廚房的服務陽臺和連接起居室的生活陽臺，南北朝向居多。結構上以懸挑的凸陽臺為主，出挑深度為900 ～2000mm 之間。早期陽臺無保溫措施，故無法達到熱舒適要求[2]。

1.2 熱舒適度調查情況

1.2.1 問卷設計

根據調研的目的和內容，筆者設計了扎蘭屯市居民調查問卷，問卷綜合考量居民的個體情況和居住情況等多方面影響因素，問卷主要側重于客觀信息采集和主觀因素調查。

1.2.2 問卷內容

客觀信息采集：（1）個體樣本特征。了解被調查者家庭整體情況，包括年齡、性別、文化程度、常住人口數量、家庭收入及來源等。（2）建筑特征。調查當地基本建筑情況，包括建筑年代、朝向、面積、結構形式、保溫構造、門窗材料、屋頂類型等。（3）采暖方式及能耗。用于分析能耗與建筑類型等關系，包括采暖設備、用電量等。

主觀因素調查：（1）基本信息采集。掌握室內熱環境對人體熱舒適的影響，包括冬季室內穿衣情況、各個房間冷熱狀況等。（2）熱舒適性調查。掌握居民冬季室內熱感覺情況。包括受試者主觀熱感覺和熱期望等，改善熱舒適的措施等。

1.2.3 問卷統計分析

本次調查共發放問卷150 份，回收有效問卷142 份，有效率達94.7%。其中回收現場問卷59 份，互聯網問卷83 份。問卷調查結果分析如下：

（1）個體樣本特征。被訪家庭人口數主要集中在3 ～4 人，占樣本總數的74.3%，平均家庭人口數為3.27 人。被訪者年齡集中在26 ～65 歲，占總數的82.8%。

由于成年人多數在外出打工、經商和工作，家庭組成結構多數為“2 老人+1 兒童”和“2老人+1 成年人+1 兒童”和“2 老人+2 兒童”的結構，因此，對室內舒適度提出了更高的要求。家庭收入方面，當地經濟條件較落后，被訪人群月收入集中在1000 ～5000 元，在建筑的節能改造上應考慮居民經濟狀況，追求性價比，運用較低投入達到高舒適度的效果。

（2）建筑特征。抽樣調查的住宅中，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%。

該地區50m2以下的住宅占總數2.1%，50 ～80m2占總數22.9%，80 ～100m2占總數58.6%，100 ～150m2占總數15%，150m2以上占總數1.4%。住宅多集中在50 ～100m2。

平面布局上，該地區住宅以板式住宅為主，住宅單元的平面形狀主要以長方形居多，建筑平面形式多為一梯兩戶形式。每棟多層住宅長度主要在35 ～60m 之間，進深（寬度）尺寸集中在10 ～16m 之間。

（3）圍護結構特征。主要分析外墻保溫、屋面保溫、門窗材料和密閉性、陽臺做法和保溫性能。該地區住宅多數坐北朝南，占總數的78.6%。

在墻體方面，當地住宅以磚混結構為主（表1），占總數的81.3%。在外窗方面，13.6%住戶依舊使用保溫隔熱性能極差的單框單玻窗，19.3%住戶使用早年的雙框雙玻窗，這類型外窗冷風滲透嚴重。調查顯示，54.4%的住戶窗戶有結露情況，且由于外窗隨年限增長而氣密性降低，大大影響室內熱舒適。在節能改造上，更換門窗是價格適中、有效降低能耗的方式。

表1 各年代住宅墻體（表格來源：作者自繪、自攝）

（4）采暖系統特征。該地區住宅建筑采暖以城市集中供熱為主。根據筆者調研，集中供熱普及率達97.9%。當地供暖設備有暖氣（74.3%）、地暖（23.6%）和燒煤燒柴（2.1%）。當地住宅冬季用電量隨建筑面積增加而增加。當地取暖費為26.42 元/m2，2000 ～3000 元/年居多，占總數的52.1%。

（5）居民主觀感覺特征。半數以上居民表示室內不舒適，有過冷或過熱的現象。對于室內干濕感覺情況，72.2%的居民感覺室內較干或非常干，5.7%的居民表示室內比較潮濕。對于冬季供暖，25%的居民表示冬季供暖過多，價格貴，耗能嚴重；40%的居民覺得供暖不足，室內不舒適；僅35%的居民表示供暖恰當，價格合理，室內舒適。

對于建筑節能改造方式，32.8%的居民希望通過增強建筑本身的保溫效果來進行保溫；31.4%的居民希望通過更換門窗來防止房屋漏風；35.7%的居民希望能夠增加供暖使室內溫度升高，達到住宅保溫的效果。

1.3 外圍護結構存在的問題

通過對當地居民調查問卷結果和實地調研的系統分析，總結得出節能優化改造中存在的主要問題。

1.3.1 20 世紀90 年代以前住宅圍護結構熱工性能差，無法有效應對氣候變化

當下，1990 年以前的扎蘭屯市住宅存在的突出問題是能耗較高而舒適度不足，即使消耗大量采暖能耗，也不能達到穩定且舒適的室內熱環境，對氣候變化的抵抗能力較弱，室內溫度波動較大。主要原因是圍護結構熱工性能遠低于節能標準。

1.3.2 冬季室內熱舒適不平衡，居民舒適度感覺相差巨大

住宅采暖無法平衡。從滿意度調查結果來看：部分住宅存在圍護結構性能差導致的冬季溫度過低的情況，而部分住宅存在由于能耗過多導致的溫度過高且室內過于干燥的情況。

1.3.3 居民節能意識薄弱，限制節能計劃實施

對于既有住宅，當地居民大多數注重居住舒適度，節能意識較為薄弱。由于受到經濟文化因素制約，居民并不理解節能優化帶來的長期效益，導致限制了節能優化實施。

2 扎蘭屯市既有住宅外圍護結構優化策略

2.1 外墻保溫節能改造

在整個建筑外圍護結構能耗中，外墻占25.6%，居主導地位[3]。外墻外保溫較之其他外墻保溫構造形式而言，有較多優點。由于保溫材料放置在建筑物外墻的外側，可以避免產生熱橋，能夠比內保溫熱損失減少約15%。而且外保溫的保溫材料置于外墻外側，不會占用室內空間。采用外墻外保溫進行節能改造時，由于施工是在室外進行，故不會影響居民的正常生活和工作，有利于舊房改造和豐富建筑外立面，所以外墻外保溫是目前比較理想的優化方案。

2.2 屋面節能改造

屋面保溫主要以采用輕質高效且吸水率低的保溫材料作為保溫隔熱層為主，屋面在選擇保溫材料時，要綜合考慮屋面的重量、厚度、保溫、防水和節能等要素。嚴寒地區建筑大多采用卷材防水平屋面，防水層在使用時間過長時會導致保溫層失效。根據既有住宅屋面防水狀況選擇擠塑聚苯板作為保溫層的倒置式屋面，能夠有效延長保溫層的使用壽命。

2.3 門窗節能改造

門窗是住宅建筑中能耗損失最為嚴重的部位，無論是傳熱損失還是冷風滲透都占有較大比例。因此，設計時在滿足日照、采光、通風和觀景等要求的基礎上，要進一步增強門窗的氣密性。在優化過程中，除了盡量縮小門窗面積外，還應該選擇適宜的窗墻面積比。在選擇窗時，應考慮到窗的自重，自重較大會因為自身重量導致窗框與墻之間形成肉眼不可見的縫隙，出現冷風滲透的現象。

中空玻璃由兩片或多片玻璃復合而成，周邊用空腹金屬框和硅膠密封；玻璃之間充入干燥潔凈的空氣或惰性氣體；具有良好的隔熱、隔聲性能。中空玻璃是用高強、高氣密性復合黏結劑，將兩片或多片玻璃與周邊墊入的間隔鋁框粘接密封，形成空腔，在其內充入干燥氣體或惰性氣體，并填入除濕劑而制成的具有較好隔熱、隔聲及防結霜功能的玻璃。

2.4 陽臺節能改造

扎蘭屯市陽臺多為封閉凸陽臺，通常每戶有生活陽臺（南陽臺）和服務陽臺（北陽臺）。陽臺欄桿薄，不僅導致冬季北陽臺窗戶結霜，而且影響室內熱環境質量。在優化過程中，服務陽臺受太陽直射少，應盡量減少熱損失。陽臺地面采用蓄熱系數較大的材料，如深色石材、地磚等；生活陽臺與房間之間的墻體用深色木材包邊，有利于蓄存太陽輻射熱量。

結語

節約能源是我國的基本國策，是建設節約型社會的根本要求。文章指出了當前扎蘭屯市住宅節能優化中存在的問題，并根據扎蘭屯市的氣候特點，提出扎蘭屯市既有住宅外圍護結構優化的策略。既有住宅外圍護結構節能改造是一個整體性優化的過程。目前，對既有住宅圍護結構實現節能改造的關鍵是采用先進的保溫材料。居民對既有住宅節能改造的認識需要進一步提高。能否有效進行節能改造，前提是對于節能改造的宣傳。節能優化是在改進原有形式的基礎上，對不合適的舊建筑盡可能節省能耗，營造良好的建筑熱環境，提高熱舒適度，實現人居環境和生態的可持續發展。