適應(yīng)嚴(yán)寒氣候的既有住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略研究
——以內(nèi)蒙古扎蘭屯市為例

文／楊琳卓 南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

胡振宇 南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 教 授 碩士生導(dǎo)師 博 士

引言

扎蘭屯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，呼倫貝爾市南端，全市行政區(qū)域總面積1.69 萬km2，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，溫差較大。氣候條件和建筑形式在內(nèi)蒙古東部嚴(yán)寒地區(qū)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(dá)7 個月[1]。

持續(xù)低溫對人們的居住、工作、生產(chǎn)、生活等都帶來了諸多不利影響。低溫環(huán)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(wù)院頒布了全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，國家頒布了JGJ26-2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對照此標(biāo)準(zhǔn)，大量既有住宅不能滿足我國現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范要求，節(jié)能優(yōu)化亟待解決。

1 扎蘭屯市既有住宅能耗現(xiàn)狀及存在問題

1.1 住宅及能耗現(xiàn)狀

扎蘭屯市既有住宅造型單調(diào)，結(jié)構(gòu)形式單一，磚混結(jié)構(gòu)居多。對于墻體采用內(nèi)保溫形式的建筑，往往會受到“熱橋”的影響，并且在墻體內(nèi)部會產(chǎn)生潮濕、結(jié)露的現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)90 年代以前，扎蘭屯市大多數(shù)為6 ～7層單元式住宅。490mm 實(shí)心粘土磚墻是外墻大多數(shù)的選擇，還有少數(shù)采用370mm 空心磚并加設(shè)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(shù)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(nèi)側(cè)表面凝結(jié)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(xiàn)象仍會發(fā)生。住宅習(xí)慣采用封閉陽臺，一般分為兩類：連接廚房的服務(wù)陽臺和連接起居室的生活陽臺，南北朝向居多。結(jié)構(gòu)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(dá)到熱舒適要求[2]。

1.2 熱舒適度調(diào)查情況

1.2.1 問卷設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研的目的和內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了扎蘭屯市居民調(diào)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(cè)重于客觀信息采集和主觀因素調(diào)查。

1.2.2 問卷內(nèi)容

客觀信息采集：（1）個體樣本特征。了解被調(diào)查者家庭整體情況，包括年齡、性別、文化程度、常住人口數(shù)量、家庭收入及來源等。（2）建筑特征。調(diào)查當(dāng)?shù)鼗窘ㄖ闆r，包括建筑年代、朝向、面積、結(jié)構(gòu)形式、保溫構(gòu)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(guān)系，包括采暖設(shè)備、用電量等。

主觀因素調(diào)查：（1）基本信息采集。掌握室內(nèi)熱環(huán)境對人體熱舒適的影響，包括冬季室內(nèi)穿衣情況、各個房間冷熱狀況等。（2）熱舒適性調(diào)查。掌握居民冬季室內(nèi)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(tǒng)計(jì)分析

本次調(diào)查共發(fā)放問卷150 份，回收有效問卷142 份，有效率達(dá)94.7%。其中回收現(xiàn)場問卷59 份，互聯(lián)網(wǎng)問卷83 份。問卷調(diào)查結(jié)果分析如下：

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

由于成年人多數(shù)在外出打工、經(jīng)商和工作，家庭組成結(jié)構(gòu)多數(shù)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(jié)構(gòu)，因此，對室內(nèi)舒適度提出了更高的要求。家庭收入方面，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件較落后，被訪人群月收入集中在1000 ～5000 元，在建筑的節(jié)能改造上應(yīng)考慮居民經(jīng)濟(jì)狀況，追求性價比，運(yùn)用較低投入達(dá)到高舒適度的效果。

（2）建筑特征。抽樣調(diào)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(qū)50m2以下的住宅占總數(shù)2.1%，50 ～80m2占總數(shù)22.9%，80 ～100m2占總數(shù)58.6%，100 ～150m2占總數(shù)15%，150m2以上占總數(shù)1.4%。住宅多集中在50 ～100m2。

平面布局上，該地區(qū)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(jìn)深（寬度）尺寸集中在10 ～16m 之間。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(qū)住宅多數(shù)坐北朝南，占總數(shù)的78.6%。

在墻體方面，當(dāng)?shù)刈≌源u混結(jié)構(gòu)為主（表1），占總數(shù)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(fēng)滲透嚴(yán)重。調(diào)查顯示，54.4%的住戶窗戶有結(jié)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(nèi)熱舒適。在節(jié)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(tǒng)特征。該地區(qū)住宅建筑采暖以城市集中供熱為主。根據(jù)筆者調(diào)研，集中供熱普及率達(dá)97.9%。當(dāng)?shù)毓┡O(shè)備有暖氣（74.3%）、地暖（23.6%）和燒煤燒柴（2.1%）。當(dāng)?shù)刈≌居秒娏侩S建筑面積增加而增加。當(dāng)?shù)厝∨M(fèi)為26.42 元/m2，2000 ～3000 元/年居多，占總數(shù)的52.1%。

（5）居民主觀感覺特征。半數(shù)以上居民表示室內(nèi)不舒適，有過冷或過熱的現(xiàn)象。對于室內(nèi)干濕感覺情況，72.2%的居民感覺室內(nèi)較干或非常干，5.7%的居民表示室內(nèi)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(yán)重；40%的居民覺得供暖不足，室內(nèi)不舒適；僅35%的居民表示供暖恰當(dāng)，價格合理，室內(nèi)舒適。

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

1.3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在的問題

通過對當(dāng)?shù)鼐用裾{(diào)查問卷結(jié)果和實(shí)地調(diào)研的系統(tǒng)分析，總結(jié)得出節(jié)能優(yōu)化改造中存在的主要問題。

1.3.1 20 世紀(jì)90 年代以前住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，無法有效應(yīng)對氣候變化

當(dāng)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(dá)到穩(wěn)定且舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，對氣候變化的抵抗能力較弱，室內(nèi)溫度波動較大。主要原因是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能遠(yuǎn)低于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 冬季室內(nèi)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(diào)查結(jié)果來看：部分住宅存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能差導(dǎo)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(dǎo)致的溫度過高且室內(nèi)過于干燥的情況。

1.3.3 居民節(jié)能意識薄弱，限制節(jié)能計(jì)劃實(shí)施

對于既有住宅，當(dāng)?shù)鼐用翊蠖鄶?shù)注重居住舒適度，節(jié)能意識較為薄弱。由于受到經(jīng)濟(jì)文化因素制約，居民并不理解節(jié)能優(yōu)化帶來的長期效益，導(dǎo)致限制了節(jié)能優(yōu)化實(shí)施。

2 扎蘭屯市既有住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

2.1 外墻保溫節(jié)能改造

在整個建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗中，外墻占25.6%，居主導(dǎo)地位[3]。外墻外保溫較之其他外墻保溫構(gòu)造形式而言，有較多優(yōu)點(diǎn)。由于保溫材料放置在建筑物外墻的外側(cè)，可以避免產(chǎn)生熱橋，能夠比內(nèi)保溫?zé)釗p失減少約15%。而且外保溫的保溫材料置于外墻外側(cè)，不會占用室內(nèi)空間。采用外墻外保溫進(jìn)行節(jié)能改造時，由于施工是在室外進(jìn)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(yōu)化方案。

2.2 屋面節(jié)能改造

屋面保溫主要以采用輕質(zhì)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(jié)能等要素。嚴(yán)寒地區(qū)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(dǎo)致保溫層失效。根據(jù)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(jié)能改造

門窗是住宅建筑中能耗損失最為嚴(yán)重的部位，無論是傳熱損失還是冷風(fēng)滲透都占有較大比例。因此，設(shè)計(jì)時在滿足日照、采光、通風(fēng)和觀景等要求的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步增強(qiáng)門窗的氣密性。在優(yōu)化過程中，除了盡量縮小門窗面積外，還應(yīng)該選擇適宜的窗墻面積比。在選擇窗時，應(yīng)考慮到窗的自重，自重較大會因?yàn)樽陨碇亓繉?dǎo)致窗框與墻之間形成肉眼不可見的縫隙，出現(xiàn)冷風(fēng)滲透的現(xiàn)象。

中空玻璃由兩片或多片玻璃復(fù)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(qiáng)、高氣密性復(fù)合黏結(jié)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(nèi)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(jié)霜功能的玻璃。

2.4 陽臺節(jié)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(wù)陽臺（北陽臺）。陽臺欄桿薄，不僅導(dǎo)致冬季北陽臺窗戶結(jié)霜，而且影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。在優(yōu)化過程中，服務(wù)陽臺受太陽直射少，應(yīng)盡量減少熱損失。陽臺地面采用蓄熱系數(shù)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(jié)語

節(jié)約能源是我國的基本國策，是建設(shè)節(jié)約型社會的根本要求。文章指出了當(dāng)前扎蘭屯市住宅節(jié)能優(yōu)化中存在的問題，并根據(jù)扎蘭屯市的氣候特點(diǎn)，提出扎蘭屯市既有住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的策略。既有住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造是一個整體性優(yōu)化的過程。目前，對既有住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造的關(guān)鍵是采用先進(jìn)的保溫材料。居民對既有住宅節(jié)能改造的認(rèn)識需要進(jìn)一步提高。能否有效進(jìn)行節(jié)能改造，前提是對于節(jié)能改造的宣傳。節(jié)能優(yōu)化是在改進(jìn)原有形式的基礎(chǔ)上，對不合適的舊建筑盡可能節(jié)省能耗，營造良好的建筑熱環(huán)境，提高熱舒適度，實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。