浅谈公共建筑节能设计中的外墙自保温技术——以夏热冬暖地区为例

张霞

深圳市龙岗区建筑工务署 广东 深圳 518172

引言

建筑行业的能耗在当前全球能耗中所占比重越来越大，我国在建筑行业的能耗也存在类似的发展趋势。随着《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021的颁布，新建居住建筑和公共建筑平均设计能耗水平在2016年执行的节能设计标准的基础上，分别降低30%和20%，并且规范将建筑碳排放计算作为强制要求。这一系列的强制措施，表明了国家对建筑行业节能低碳目标的重视。2022年3月住房和城乡建设部发布了《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》，将城乡建设绿色低碳技术列为“十四五”规划中制定住房和城乡建设9个重点任务的首位，其中细分9条具体建设任务的研究方向，除低碳能源、低碳发展、低碳建设等关键技术外，重点明确了低碳建材和外墙保温材料2项研究技术的方向。目前我国绿色建筑和建筑节能的设计还处于初级阶段，其中，围护结构的热工性能在节能设计中占重要地位，而建筑外墙在围护结构中的占比非常大。从设计的角度来看，建筑外墙保温和节能显得尤为关键。在实际项目设计中，设计师习惯于接受建筑、结构和水暖电等各专业的提资后进行节能专项设计，没有将节能设计的理念贯穿于全流程来反推和指导设计。在设计中对周边环境和建筑的整体性考虑仍略显不足，被动式建筑设计优化的应用不够深入，导致节能设计一直作为项目的附属专项设计，在后期施工和运营中屡屡发现可以优化改造和提升的空间与余量，造成不必要的重复施工和浪费[1]。

1 外墙保温的四种保温技术

1.1 外墙外保温技术

外墙保温技术根据施工工艺不同一般分为四种方式：外墙外保温、外墙内保温、外墙的内外混合保温和外墙自保温。外墙外保温技术是现阶段全国范围内应用范围最广的一种形式，也是超低耗能建筑外墙常用的保温系统的首选形式。外墙外保温是在结构墙体外侧粘贴保温层或保温隔热涂料，再进行面层的装饰。这种保温方式可以用于新建工程，也可以用于旧建筑的改造、扩建工程。外墙外保温技术一方面可以加强建筑主体的可靠性，也可以结合立面表皮进行设计，对幕墙等有空腔的立面更加适用。同时外保温也避免了室内装修对保温层的破坏。但是根据项目实际施工运营情况，在南方地区尤其等夏热冬暖的湿热气候区，外墙外保温常见存在漏水、空鼓等隐患，也曾出现过外墙外保温材料脱落的事件，近几年来在公建，尤其是学校、医院等人员密集的公共场所设计中，一般建议谨慎采用。外墙外保温技术逐渐被内保温技术或自保温技术所替代[2]。

1.2 外墙内保温技术

外墙内保温技术是指将保温隔热材料放置在外墙内侧，即室内一侧。这种方式在国内的应用时间也相对较长，配套技术和标准都比较完善，其设计标准完备，保温材料也丰富多样，施工技术和检测标准都比较成熟，并且施工过程不受天气影响。在设计当中，保温层厚度建议应控制在30mm以内，超过此厚度对室内空间有一定占用，且厚度过厚，不易施工，施工后也会因室内装饰工程，或者各种日常使用的碰撞而脱落和损坏，不能达到应有的保温效果。尤其在公共建筑当中，人员较为复杂且多样化。学校类公建，学生运动活动频繁；医院类公建，各种仪器设备及人员移动频繁，对外墙内保温的耐久性也有一定影响。

1.3 外墙的内、外混合保温技术

外墙的内、外混合保温技术则是根据不同部位和不同需求进行节能计算后确定，它兼具了内外保温的优势和不足，在此不做赘述。

1.4 外墙自保温技术

外墙自保温的填充墙一般采用蒸压加气混凝土砌块、节能型烧结页岩空心砌块等。加气混凝土一般是以硅质、石英为主要材料，添加铝粉等加气剂，经过混合、发气、成型、养护等加工工艺，制成的一种新型墙体材料。其保温的原理是由于加气剂经过搅拌混合，产生了氢气气泡，气泡的存在使得砌块有一定的隔热特性，自身保温性达到了节能要求，不需要采用其他的保温措施，是一种节能、节材、又易于施工的墙体材料。一般墙体的厚度控制在180～240mm之间。从全生命周期来看其经济效益，虽然外墙自保温材料的生产成本可能比普通外墙略高，但是避免了保温层对室内空间的占用，也避免了保温层的空鼓脱落等，并且在运营中却可以减少空调使用成本，尤其在夏季和冬季的节能效果更为明显。以蒸压加气混凝土砌块为例，可以缩短施工时间、减少工程费用及维修费用，在很大程度上增加了墙体结构和主体建筑结构的使用寿命，同时气孔的存在，使得保温性能较传统混凝土砌块更强大，重量方面比传统砌块轻，降低施工难度和成本。在公建项目中，结合学校、医院等公建项目的施工周期紧张，建成后使用频率高，人员密集等特点，外墙自保温技术值得广泛推广及应用[3]。

2 外墙自保温技术在公建中的应用

外墙自保温技术是指按照一定的建筑构造，采用节能型墙体材料，使得墙体热工性能指标满足相应标准要求。笔者参与调查研究了夏热冬暖地区36个中型公建项目的节能设计，其中有10个项目采用外墙外保温，22个项目为外墙内保温，有4个项目为外墙自保温技术。采用外墙自保温技术的项目占比为11%，这说明在节能设计中，通过合理的设计方式，是完全有可能达到外墙自保温的目标。

以其中的某学校为例，其保温措施具体为：屋顶倒置式屋面，采用挤塑聚苯板80mm；外墙采用200mm加气混凝土砌块；热桥梁、柱采用30mm发泡水泥板；外窗采用断热铝合金窗6+12+6Low-E。外墙并未采用玻化微珠等保温措施，仅热桥部分做保温层，使得整个项目的经济性和施工便利性有了很大提升，并且在后期使用当中也不会出现保温层老化、空鼓、脱落等现象。其优点显而易见，外墙自保温的采用大面积减少了保温构造措施，简化施工工序，伴随主体施工，与建筑同寿命；项目整体施工时效性高、经济性较好。笔者经过深入分析上述采用外墙自保温技术4个项目的节能设计，梳理并总结了建筑节能达到外墙自保温目标的以下3个要点，仅供参考。

3 外墙自保温技术的设计要点

3.1 全流程的节能设计理念

首先，应当树立全流程的节能设计观念。节能不是单纯的一个设计附属专项，应该是贯穿整个项目设计中的一个目标，节能设计对规划、建筑、机电等都有着巨大的影响。在具体的节能设计中，先要确立节能、能耗目标及评价方法；其次，全面、客观分析当地的地理环境、人文特征、气象水文、生活习惯、资源与限制等条件。从日照、水源、气候、风向、湿热条件等因素出发，做到因地制宜，科学合理地进行项目的规划和布局，将自然条件充分考虑在内，建立能源分析模型。在设计中采用被动式建筑设计优化，力求对节能设计的各方面进行深入探讨和研究；同步进行机电系统能耗优化和可再生能源系统优化、运行与控制策略优化等。由于项目地处夏热冬暖地区，湿度大，日照强。在这几所公建的设计中，均充分考虑了当地的气候环境特征，并从岭南传统村落及建筑中汲取设计灵感，大量采用冷巷和庭院等空间组合布局，结合夏季常年主导风向，有利于形成热压拔风和穿堂风，能够很好地改善建筑的自然通风，对后续的节能设计打下良好的基础。需要注意的是，在节能设计过程，应根据方案及各专业的修改，对节能设计进行反复迭代和方案确立；根据施工图节点，对节能设计进行细节控制；同时要注重对施工单位培训，施工过程质量控制；竣工后进行系统调适及验收；在运营中保持长期监测和运行优化；进行后评估，形成要点，反馈给节能设计作为参考，以便对下一次节能设计进行优化和指导[4]。

3.2 被动式建筑设计优化

在方案设计的初始阶段，节能设计就应当介入，遵循因地制宜的原则，提前收集项目现场的环境资料、气象资料等，深入分析后，确立节能的设计思路，并确定被动式建筑节能设计的主要方向。以其中某学校为例，项目地处夏热冬暖地区，室外常年为较高气温，日光充足，在设计时应注重建筑布局和朝向，建筑形体尽量垂直于夏季风主导风向，同时调整窗墙比，强化围护结构热工性能，使得建筑利用周边环境气候降低自身的能耗水平；增加开窗面积、门窗尺寸和开启扇等，并在迎风面设计大量的进风口，便于形成室内穿堂风等。在风压差作用下，可以持续向室内补充新鲜冷空气，向室外排出热空气，维持室内舒适温度，从而降低空调系统的使用频率等。同时结合立面设计，巧妙布置外遮阳等措施，避免夏季太阳光直射进入室内，减少热辐射的影响。

在初步设计阶段，节能建模粗算，进行材料构造选型，尤其关注围护结构热工性能等参数，根据粗算结果对外遮阳、雨棚、窗户面积及开启扇等进行修改调整，使得建筑进一步降低能耗。在施工图阶段，模型根据建筑施工图设计，进一步细化，以确保模型能够最真实反应建筑最终形态。尤其在墙体、屋面等部位，避免构造不完善，例如种植屋面、屋面光伏光热、空气间层、装饰面层等；另外注意根据建筑的立面色彩、材质等确认太阳辐射吸收系数取值，不同色彩材质的系数取值不一样；最后对外立面等细节，进行建模细化，例如凸出的遮阳、雨棚、花池、造型等，进行模型细抠，避免出现模型的外遮阳不全、设置错误和无效设置等情况。

3.3 节能软件的选用

目前市面上有很多节能软件，但每种软件都各有所长，也各有限制，在实际设计过程中要根据不同软件的特点进行选用。PKPM、斯维尔、天正节能等软件是覆盖面较广的节能软件，易用性较强，但也存在一定限制，其中斯维尔对机电系统的设置精度有限，pkpm的输入端输出端不够便捷，计算不透明等。其他的通用型软件，如DeST、eQuest、EnergyPlus、IES VE、ESP-R、TRNSYS、DesignBuilder、OpenStudio等，对复杂的形体建模又有一定限制。设计中应根据项目当地的节能要求，项目的不同类型，项目的不同阶段，选用不同软件进行模拟计算，计算结果应进行对比修正[5]。

4 结束语

综上所述，在节能设计中应树立全流程的节能设计理念，严格遵循被动式建筑设计优化原则，熟悉不同的节能软件的特性及适用范围，以便能在节能设计中达到外墙自保温的目标。随着社会进步和经济发展，对节能要求会越来越高，应充分结合地域特点，大力发展和推广外墙自保温技术。我国目前处于自保温技术发展的初期阶段，需从设计入手，充分结合地域气候特点以及材料来源，提高自保温墙体的性价比，实现节能效果的同时保证经济性。另外在施工中，为充分发挥自保温墙体的优势，对各施工要点进行严格监督，加强施工人员的专业能力，确保墙体自保温的安全和质量。