谈夏热冬冷地区建筑围护结构的构造设计

徐田 席琛

(1.南昌卓筑建筑设计有限公司，江西南昌 330029;2.江西科技师范大学建筑工程学院，江西南昌 330013)

夏热冬冷地区是根据我国建筑气候区划定的一个区域。这个地区气候特点独特，主要表现在:首先是夏季潮湿，湿润多雨;其次是冬冷夏热，四季分明。这一地区盛夏的高温，与全国比较相当突出，夏季的炎热程度往往达到使人难以忍受的地步。该地区由于纬度较低，又多连续晴天，夏天太阳辐射相当强烈，多数地方高于35℃的酷热天气有半个月到1个月之多。同时夏热冬冷地区冬季的相对湿度很高，达到73%～83%，整个冬季雨雪连绵，天气阴沉，因而阴冷寒凉。冬季日照时间较短，日照百分率较低。由于长期以来该地区对建筑围护结构保温隔热性能的忽视，结果造成夏热冬冷地区建筑冬夏两季的热环境都很差，而且由于围护结构设计不合理造成的能源浪费现象比较突出。最近随着可持续发展战略的提出，国家制定了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，并以此为契机，业内开始重新审视夏热冬冷地区建筑的围护结构与构造设计。笔者根据目前国内外出现的一些新材料、新技术，总结以下三点夏热冬冷地区建筑围护结构与构造设计的发展趋势。

1)集成化设计趋势。

随着科学技术的发展，建筑物围护结构的节能设计涉及到越来越多的学科，诸如材料科学、光学、热工学、流体力学等，并在多个领域之间交叉发展。因此，对于建筑围护结构的设计就不能再采用原来亡羊补牢的方式，我们应当彻底的改变把建筑围护结构节能仅仅局限在保温层上的做法，而应该在建筑设计的初始方案阶段就对建筑围护结构进行集成化设计。换句话说，在方案设计阶段，设计师除了考虑建筑的功能和外观等因素之外，还应当充分考虑建筑围护结构的节能效果。

在进行夏热冬冷地区建筑围护结构设计时，最基本的问题就是冬季要减少室内的热损失，夏季要减少太阳辐射以及加快室内热量的散发。因此，如果建筑围护结构采用高效隔热的外保温以及控制窗地比的做法，虽然在冬季时有良好的保温隔热性能，但在夏季，室内热量积蓄现象也会比较突出。这是因为，如果夏季不对建筑内部进行有效的通风排热，高效的隔热措施就会使得建筑变成一个阳光下的集热器;而在建筑物内部使用空调时，必然会消耗大量电能，增加室内空调负荷。这就是在夏热冬冷地区最为突出的一对矛盾:夏季通风与冬季保温之间的矛盾，而解决这一问题的方法之一就是建筑物围护结构的集成化设计。

双层组合式外墙是集成化围护结构设计中比较简单的方式，但其在夏热冬冷地区的节能效果很好，而且采用双层组合式外墙设计的建筑都会有比较丰富的立面，往往也能取得良好的外观效果，因此现在运用的较为广泛。双层组合式外墙就是在距离建筑结构墙体一定距离之外，再做一层附加墙体，其中主墙体宜采用外保温复合墙体;而附加墙体则不需要做特别的保温隔热处理，但在外粉刷时要使用反射性能比较好的颜色(比如白色)，并和主墙体在相应位置布置窗洞。这样，在夏季时，附加墙体能阻挡大部分阳光辐射，起到良好的隔热作用;除此之外，还能起到遮阳的作用，有利于在立面上设计大窗。而在冬季时，其又不影响主墙体的保温作用，同时，附加墙体的设计，大大减少了恶劣环境对于外保温层的影响，延长了其使用寿命。因此，双层组合式外墙较好的适应了夏热冬冷地区的气候特点，在夏热冬冷地区的多层建筑上有良好的发展前景。

在夏热冬冷的独特环境下，我们在对建筑外表皮进行设计时，不应该仅仅是把其作为一个简单的围护结构，而更多的是考虑其作为环境过滤器的职责，墙面的设计应该满足多功能集成化的要求:窗户、百叶、墙体等组合在一起，发挥透光、遮挡直射阳光、蓄热、通风等多种作用。经过建筑师的精心设计、工程师的精确计算、流体力学运用CFD模拟实际通风效果等一系列完整的集成化设计方法，来确定外表皮的具体形态，以期达到最为合适的围护与节能效果。

2)绿色化设计趋势。

在可持续发展的浪潮之下，越来越多的人们开始关注“绿色建筑”与“生态建筑”。建筑物在其建造过程中所消耗的材料与产品，对环境都有着直接或者间接的影响。因此，我们在进行建筑物的设计时，应该尽量把建筑物对于环境的影响降到最低。其中一种方法就是在建筑围护结构中使用绿色材料，一般来说，节能墙体所使用的材料主要包括墙材、保温层、粉刷层、保护层、装饰层等等。

在中国，现在面临的主要是墙体材料的问题，粘土砖的持续使用对环境的负面影响很大，因此寻找其环保替代品已经成为最有可能快速解决这一问题的方法。而夏热冬冷地区在解决这一问题上有比较大的优势，因为现在比较成熟的绿色墙体大部分都是利用工业废渣和建筑垃圾作为基本原料，比如利用粉煤灰生产粉煤灰烧结砖、粉煤灰蒸压砖;利用煤矸石生产烧结实心砖和空心砖。另外，尾矿类废料和炉渣以及炼铁矿渣都可以作为墙体的原材料。而建筑垃圾经过处理后，也可以成为建筑围护材料。例如把废砖和废混凝土块破碎，作为原料与水泥、砂子和辅助材料进行混合，经振动压制成型和养护制成轻质砌块［1］。这些工业废料和建筑垃圾在夏热冬冷地区都很常见，尤其是在上海、浙江等工业和经济比较发达的省份，都具有利用工业废料开发绿色建材的潜力。

夏热冬冷地区另一种建材绿色化的思路是使用一些基本没有环境成本的材料，如石头与木头等天然建材，这些材料不但可以在使用后完全消解，同时也方便在本地取用，减少运输过程中的能量消耗。除了石材和木材这些可以直接加工使用的材料外，农作物秸秆等农业废料，也可以作为加工建材的基本原料，由这些材料作为添加物生产出的空心砖等产品，都具有比较好的可降解性。同时在夏热冬冷地区，河流湖泊都比较多，可利用河泥、湖泥发展空心砖制品。这些材料都可以在废弃后比较快的降解，对环境的影响也很小，但是我们必须认识到，在我们选用一种材料时，不单单要考虑其带来的节能效益，同时还需要考虑生产这种材料所消耗的能量和对环境的影响，通过全寿命周期评估(LCA)对材料进行全面的分析，在性能和环保两者间进行对比，达到一个最佳的平衡点。譬如含氟利昂和卤代烷等材料的涂料和粘合剂的性能更加优越，但两者都是会破坏臭氧层的材料，因此应该尽量减少使用;同样在砌体结构中最好使用石灰砂浆作为粘结材料，不但对环境的破坏比较小，而且也便于砖头、石板和石块的再回收利用。

除了墙体材料的绿色化外，还有一些真正的“绿色化”设计也同样适合在冬冷夏热地区使用，这就是利用植物来为建筑降温。我这里所指的并不只是屋顶花园这些对于屋顶防水要求比较高，而且很难在旧建筑改建上使用的技术，而是一些更为低技术以及低成本的策略。我们经常看到一些有年头的建筑表皮上会爬有藤蔓植物，这些藤蔓植物不仅仅增加了建筑的外观美感，同时也有其实际功能用途。因为藤蔓植物在盛夏正是生长最为茂盛的时候，不仅为建筑遮挡了大量的阳光，而且通过叶片的水分蒸发，抽取了其与墙体间隙的热量，达到了很好的保温隔热效果。而现在新建建筑由于外保温层以及墙面粉刷的关系，不允许在外墙上直接覆盖藤蔓植物，因此，可以在建筑墙体之外再设一层网架，作为藤蔓植物的落脚点，在建筑的墙体之外形成另一片绿色的表皮，达到节能和绿化的双重效果。

3)智能化设计趋势。

由于技术和材料上的局限，集成化设计和绿色化设计一般仅仅适用于多层建筑，而夏热冬冷地区经济发达，高层建筑发展很快，已经成为除了住宅建筑外的又一能耗大户。虽然大部分高层建筑都采用了一些节能措施，但由于其功能要求非常复杂，而且多用玻璃幕墙来获得出众的外观效果，因此高层建筑的能源消耗居高不下，被大家讽刺为“戴了节能帽子的高能耗建筑”。即使是使用了新型low-e玻璃和对建筑外露结构进行了断桥处理的新型高层建筑，其能耗依然普遍偏高。而大多数高层建筑的新技术都引自欧美发达国家，对于冬冷夏热的气候有一定的不适应性，比如在国外有上佳表现的双层玻璃幕墙，在华东地区就水土不服;在冬天效果还不错，但到了夏天，两层玻璃幕墙之间的空气温度急剧升高，而且由于夏热冬冷地区静风率高，原先设想的通风效果很难达到。

因此，运用多种手段，采取智能化干预的方式，对建筑表皮进行控制将会是夏热冬冷地区高层建筑围护结构发展的又一趋势。夏热冬冷地区气候复杂，天气变化比较快，这就需要一套智能化的建筑外围护控制系统。随着计算机以及自动化技术的飞速发展，建筑围护系统的智能化已经成为现实，在这一领域，欧洲和美国正走在世界的前列。其中比较有代表性的有英国BRE的智能绿色住宅，在这座建筑的内部，工程师布置了大量的传感器和控制系统，通过无线网络以及数据线连接起来，并且最终将所有的信息汇总到安装在墙板内的智能装置控制中心内。智能装置控制中心可以根据阳光的强弱自动调节遮阳卷帘的开启程度以及整座房屋的采暖、通风、灯光以及音频系统;另外，主人还可以使用遥控器进行自行调节，整座建筑真正达到了自我控制，不需要人工干预就能获得良好的节能效果。这些年欧美的实践表明，智能化控制系统已经从实验室走向工地，并开始真正在建筑中发挥作用。

而正在研制的智能化节能墙体将更为先进，它会把信息技术和仿生学结合起来，建筑物的表皮将会像生物的表皮一样，随外界环境的变化而产生反应。天气炎热时中央控制器自动关闭墙体的热通道，温度过低则通过阳光反射、启动外表皮热循环等方式尽量获得外界的热量。而改进后的双层玻璃幕墙的遮阳系统，能够在计算机的控制下随着太阳角度的变化而自动调整，并且感知风向和气压，控制通风系统的自动闭合，从而达到最佳的节能效果。这样的智能化建筑围护结构具有良好的环境适应性，对于夏热冬冷地区多变的气候环境有良好的适应性，但其造价过高、系统复杂，比较适合在高层建筑上使用。

夏热冬冷地区由于其气候环境的特殊性，必须要对其建筑围护结构进行特殊的设计。一方面，我们要去学习新的、更加高效的保温节能技术;另一方面，我们并不能照搬这些技术，而是需要结合夏热冬冷地区的实际状况，对其进行技术上的改良，以期能够获得最好的使用效果。同时，在这些技术的基础之上，发展出真正从特殊的气候地理条件出发，完全符合要求的新的建筑围护结构。在开发新技术的同时，我们也不能忽视一些低技术的策略，这些策略虽然在实际效果上逊于高新技术，但是，在可实施性，费效比等等方面都更适合今天的环境。因此在夏热冬冷地区建筑围护结构的发展趋势上，或许，上海烟草公司的高技术策略和上海马陆葡萄园的低技术方法正代表了这一地区的两个发展方向。

［1］ 刘 岩，朱浮声，张继平.我国新型墙体的发展现状及趋势展望［J］.辽宁建材，2002(2):14-16.