寒冷地區建筑外墻節能設計策略分析

李 強

1 寒冷地區氣候現狀

根據《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176-2016）的規定，我國的建筑熱工設計可劃分為5 個地區，包括嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區以及溫和地區。其中，寒冷地區主要氣候特征為冬夏時間較長，春秋時間較短，全年溫差較大，冬季較為干燥，夏季較為濕潤。一般而言，寒冷地區多數干旱少雨，年降雨天數不足百天，且降水量相比南方較少，全年太陽輻射較強。在進行寒冷地區的建筑節能設計時，應充分考慮氣候因素，并結合相關規范標準，確保建筑滿足節能要求。

2 外窗節能設計策略

外窗不僅能夠配合外墻優化建筑自身的保溫隔熱效果，還能協調建筑與周邊環境的關系，是提升建筑室內外溝通的主要橋梁。寒冷地區具有冬夏持續時間長的特點，因此外窗的保溫隔熱作用顯得尤為重要。建筑外窗的主要功能是在獲取足夠日光照射的前提下，保障房屋得到相應的太陽輻射，同時有效減少不必要的熱量流失，通過降低滲透量、削減傳熱量以及減少太陽輻射為基礎進行節能工作。因此，在設計建筑外窗時，一般要滿足傳熱系數以及遮陽系數這2項要求，采用節能技術優化外墻的節能效果[1]。

（1）要注意外窗玻璃的材質與施工工藝。寒冷地區對外窗玻璃保溫要求更加嚴格，不僅要求具備良好的保溫性能，同時還要兼顧透光率，從而最大程度利用太陽能，有效降低寒冷地區建筑內部的寒冷負荷。夏天外窗需要阻擋過強的太陽輻射，降低太陽輻射的透窗率，否則就會導致室內氣溫不斷上升，增加空調的負荷。因此，在寒冷地區，為了有效保障外窗玻璃的節能效果，應加強遮陽措施與采光設施，同時根據不同季節的要求，保障兩者之間能夠相互協調。由于外窗玻璃還需要傳遞熱阻，平衡熱阻與透光性之間的關系，因此需要重點關注熱工指標，以選取最適合當前環境的外窗玻璃。

（2）要注意選擇合適的外窗框。受外窗熱阻影響，外窗玻璃的固定和支撐結構也要根據實際情況進行優化改良，在保證不改變窗框受力強度的前提下，有效減少導熱系數。一般情況下，影響窗框自身熱阻的因素主要有2 個，一是導熱系數，二是隔熱腔室的相關設置。傳統工藝中，木制窗框導熱系數較小，容易受到腐蝕且穩定性較低，因此部分窗框材料采用塑料代替。現代建筑中的窗框材料一般采用鋼制或者鋁制材料，這類材料熱傳導性能較好，但并不能單獨作為窗框節能材料，需要采用噴塑技術提升其他窗框部分的熱阻。隔熱墻類窗框較為常見的為聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）塑料材質，空腔斷面一般分為單腔、雙腔以和三腔幾種結構形式。其中，三腔熱阻能力最強、成本較高，適用于冬季寒冷地區的建筑[2]。而單腔不具備良好的節能效果且不便安裝五金件，因此在寒冷地區建筑中不宜采用。

（3）要注意外窗自身的氣密性。窗戶的主要作用是阻止空氣滲透，而滲透主要發生在窗扇、窗框之間的位置。如果窗戶質量較差，就會造成窗扇與窗框之間的密封性不足，尤其在未使用泡沫絕熱密封的前提下，很容易產生空氣滲漏現象。為了保障寒冷地區建筑自身的節能保溫效果，需要嚴格控制門窗縫隙，保障窗框質量，降低室內熱量耗損，有效減少冷空氣的滲透。為了達到這個目的，需要從以下4 個層面綜合考慮。

第一，要注意選擇符合建筑要求的窗型，受寒冷地區氣候影響，應優先考慮固定窗，然后再考慮平開窗與推拉窗。雖然平開窗比推拉窗造價更高，但是由于其接縫技術更加嚴密，通風面積更大，工藝要求更高，因此整體氣密性優于推拉窗。第二，要注意改進外窗的密封材料，重視密封條抗老化作業，且密封尺寸要符合溝槽尺寸，以免降低密封性。第三，要重視窗框和窗洞之間的銜接設計，避免使用水泥砂漿進行填充。水泥會隨著溫度變化產生開裂或者透空，導致外窗氣密性降低，因此一般采用發泡材料以及密封膏進行密封處理。第四，提升組件之間的精密度，選擇更加優質的配件，增加各個部件之間的銜接量，從而達到有效的密封效果。

（4）要重點關注窗墻面積比。窗墻面積比需要兼顧保溫性和太陽輻射熱2個層面，它會隨著建筑類型差異而發生變化。一般來說，公共建筑與商業建筑外窗面積較大，居住建筑外窗面積則較小，主要為了保障寒冷地區冬季的室內溫度，這是基于當前建筑對于藝術展示效果以及建筑節能設計之間的平衡考慮。寒冷地區傾向于采用保溫隔熱效果更好的玻璃材質，可有效提升太陽輻射的通透性[3]。

窗墻面積比對建筑能耗有直接影響，無論哪個地區，窗墻面積比增大都會導致能耗增加。此外，窗墻朝向也會對建筑能耗產生影響，不同朝向的窗墻面積比敏感度也會產生差異。一般而言，面向北方的外窗對建筑熱負荷影響最大，然后是東方，其次是南方，西方則影響最小。在寒冷地區，西方和南方都是以窗墻面積比值0.4 為臨界點，隨著窗墻面積比的增加導致熱負荷快速增加。

3 外墻節能設計策略

外墻具有承擔建筑物外部環境荷載，保護室內人與物的結構功能。建筑物外墻能夠有效保障建筑物內部安全，有效抵擋外部環境中的風沙或者雨雪侵襲，夏季能夠有效阻擋熱量傳遞，冬季能夠有效防止熱量散發，保證使用者處于安全舒適的生活、工作和學習環境中。

3.1 強化外墻保溫的有效措施

外墻保溫隔熱主要分為自保溫和復合保溫兩個方面，主要由傳統墻體材料、保溫材料以及新型復合墻體材料構成。其中，復合型保溫墻體主要采用更加高效的絕熱材料，以此提升建筑自身的熱工性能。但是由于施工材料更新較快，施工難度也隨之增加，整體建筑的質量風險也會增加，建筑造價相較于普通建筑而言更加昂貴[4]。目前，建筑物外墻保溫可以分為外保溫、內保溫以及夾心保溫3 種形式，下文重點分析寒冷地區建筑的外墻外保溫和內保溫措施。

3.1.1 寒冷地區建筑的外墻外保溫

（1）采用保暖隔熱層。基于當前寒冷地區的氣候變化特點，保暖材質一般會選擇導熱系數較小且蓄熱系數較大的材料，在相同保溫前提下，厚度小有利于提升建筑物的美觀性。因此，要根據當前建筑物的具體功能和使用年限選擇最適宜的保溫材料，同時保障這類材料不會因為外部環境產生不良化學反應，保障施工性能處于較高水平。

（2）重視保溫材質的固定環節。針對不同的外保溫措施要采用不同的固定方法，其中較為常見的是將保溫板粘連或者用釘子固定在基底上；新型材料中的超輕保溫漿料可以直接涂抹在外墻外皮上。

（3）注意強化外墻表層處理。一般情況下，寒冷地區的保溫隔熱材料會選取高分子材料，同時針對保溫隔熱施工后的外墻表面進行強化處理。施工時通常會采用砂漿來處理墻面，這主要是由于砂漿本身具有較好的柔韌性，能夠確保外墻表面不容易開裂，保障建筑物美觀性不受外界影響，確保保溫隔熱層保持室內溫度，保障建筑保溫的持久性。

目前，外墻外保溫主要采用膨脹聚苯乙烯泡沫板系統、擠塑聚苯板系統、巖棉板系統以及硬泡聚氨酯板系統。其中，膨脹聚苯乙烯泡沫板系統的導熱系數為0.041 W/m·K，擠塑聚苯板系統的導熱系數為0.03 W/m·K，巖棉板系統的導熱系數為0.045 W/m·K，硬泡聚氨酯板系統的導熱系數為0.028 W/m·K。外墻外保溫系統的優缺點如圖1 所示，可以根據周邊環境具體情況以及不同系統的優缺點選取合適的外墻外保溫材料完成施工作業[5]。

圖1 外墻外保溫系統的優缺點（來源：網絡）

3.1.2 寒冷地區建筑的外墻內保溫

（1）關注墻體結構層的保溫效果。外墻內保溫主要是將絕熱材料內置于外墻內側，從外墻最外層由外而內的結構層可以分為外墻面層、基層墻體、界面劑、保溫層、聚合物抗裂砂漿層以及室內抹灰層幾個部分。墻體結構主要包含現澆混凝土、預制混凝土、內澆外砌以及磚混結構等方式，無論采用哪種墻體形式，都應重點關注結構層的保溫性能，以提升外墻的內保溫效果[6]。

（2）關注空氣層的作用。外墻內保溫主要利用隔離層阻止液態水分進入墻體，以避免保溫層受潮。在空氣層的保護下能夠將結構層的冷凝水逐步轉移至室外，同時空氣層還具有增加熱阻、提升保溫效果的作用，因此一般情況下空氣層都會采用易吸水且絕熱程度較高的材料。

（3）關注絕熱材料層的選擇。外墻中絕熱材料層施工時要盡量選取導熱系數小且整體不燃或者難燃的材料，由于這一層接近室內，還要注重采用對人體健康無損害的材料。

（4）注重覆面保護層的保護作用。保護層的主要作用是維持建筑內部溫度，強化保溫層的保溫作用，同時有效阻止水蒸氣滲入保溫層，促使外墻能夠發揮更大的保溫效果。

外墻內保溫需要關注的施工要點較多，加之受寒冷地區氣候變化影響，因此在施工時通常采用干作業手法。這樣不僅能夠保障施工安全，也有助于提升外墻的施工效率，降低勞動強度；同時，注意內飾面材料的選擇，有利于降低室外氣候對室內環境的影響。在采用外墻內保溫技術時，要注意當前室內水蒸氣的外滲情況，水蒸氣一旦在墻體內部形成冷凝水，就會導致外墻保溫層的熱工性能降低。由于內保溫層主要位于外墻內側，會占據建筑內部的使用面積，如果針對老舊房屋進行改造，施工時就要注意協調建筑內部結構。基于內保溫的基本特性，該技術比較適用于對外飾要求較高的建筑類型；同時，由于冷凝水和水蒸氣滲透會影響內保溫的效果，因此該技術不適用于室內較為潮濕的場所，如廚房、廁所以及浴室等。

3.2 外墻節能施工技術

第一，在完成外墻相關施工作業之后，要注意清理墻面，全面整平不平整的地方，并完成相應的防水施工作業。防水作業能夠在有效防止外墻滲透的基礎上提升室內溫度，保障寒冷地區建筑物的室內節能。

第二，外墻表面要進行淺色處理，一般采用顏色較淺的涂料或者面磚完成施工。淺色外墻表面能夠反射更多太陽輻射，有效降低建筑結構對于太陽能的吸收；黑色外墻吸收的太陽輻射更多，表面溫度高于淺色外墻。在適當情況下將外墻顏色進行淺色處理，有助于在夏熱冬冷的寒冷區域有效降低外墻表面吸收的太陽輻射，從而降低墻面溫度。

第三，鋪設擠塑型聚苯乙烯板。這種材料本身膨脹系數極低，因此不需要預留伸縮縫，可以直接鋪設。另外，擠塑型聚苯乙烯板能夠有效避免熱橋效應，增加實體墻的熱容量，從而提升室內的節能效果，通過外部溫度變化保障室內具有更加舒適的熱環境。

第四，采用聚氨酯和聚苯顆粒材料等新型材料形成外墻保溫體系。這類新型材料能夠達到相應的節能要求，不僅能修復外墻易開裂、強度不足的缺陷，而且整體材料具有較強的吸附力，可實現無空腔粘連墻面，促使外墻具備更強的保溫節能屬性。

4 結語

寒冷地區由于受氣候環境限制，建筑節能需要借助外墻設計完成，尤其在較為寒冷的冬季，以及在蒸發效應比較較大的夏季，都應通過優化外墻設計有效降低建筑能源損耗。針對外墻中的外窗與墻體部分進行分析，在優化外墻設計的基礎上，強化節能環保技術的發展，為國家低碳、環保建設提供有效的建設措施。