老旧小区住宅外墙低能耗改造策略及模拟分析

南通大学艺术学院（建筑学院）

姜妍  朱耘业  吴丁萌

20世纪90年代及以前建成的居住建筑，多为4~6层的多层砖混结构单元式板楼。受当时设计标准、经济和建造技术等条件的影响，存在建筑密度高、住宅户型小、厨卫空间设计不合理、围护结构保温隔热性能差等问题；老旧小区设计仅以满足基本居住功能为主，缺乏对人体尺度、绿化环境、人文关怀的考虑。体现在建筑构造上，由于围护结构保温隔热性能决定60%~70%的热损失，老旧住宅建筑外墙体侵蚀剥落，木（钢）窗与墙体连接处开裂，使气密性问题加剧，室内热环境差，人体舒适指数低。保温隔热多依赖于室内机械设备调节，导致空调系统运转带来的大量电能消耗。

基于城市化发展现状趋势与居住区实地调研，本文就有待改造的老旧小区提出外墙低能耗改造策略，即利用轻质高效的外保温装饰复合材料，结合外遮阳设计对墙体进行改造。使立面改造过程装配集成化，确保提升保温性能，减少冷/热桥的形成，在外墙结构方面降低建筑能耗水平，促进与其他系统的良性交互。一体化的外保温遮阳装饰表皮还可从材料使用、人工成本、施工速度、环保性等方面提高施工效率。

要实现老旧小区改造的系统化、绿色化、人文化，更好地满足居民的生活要求，就需要在设计伊始确定具有针对性的解决方案、强化综合统筹。就建筑单体而言，虽然结构维护、屋面整修、保温隔热、管线整治、立面美化等，属于建筑改造的不同方面，但若能通过系统性设计，结合处理墙体保温、防晒遮阳、立面出新，即可在实现多重改造目的的同时，减少工序的复杂程度，并缩短工期，节约劳动力成本，减轻翻新过程对居民生活的影响。

本文以江苏省南通某20世纪90年代建造的住宅小区改造工程为例。以预制保温装饰一体板作为外墙改造材料，对保温芯材的选择、保温板与遮阳构件一体化等方面进行策略研究，应用Ecotect软件对改造成果进行模拟。

1  保温材料选择

根据保温材料性质，外墙保温材料分为有机保温材料和无机保温材料两类，其中常用的有机保温材料包括普通聚苯板、石墨聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛泡沫等；常用的无机保温材料包括岩棉板、发泡陶瓷、泡沫玻璃、发泡水泥等。对不同种类保温芯材的性能指标、价格和特点进行对比分析，结果见表1。

表1 外保温板芯材对比分析

通过对比分析发现，发泡陶瓷和泡沫玻璃价格偏高，不适用于老旧小区经济适用类型的改造；发泡水泥和岩棉板虽价格较低，但导热系数较高，在同等条件下保温隔热性能效果较低；酚醛泡沫和挤塑板物理性能较差，不易粘结且易剥落，不适用于外立面保温，因此，选择在同等厚度下保温性能更好、价格更低的石墨聚苯板做外墙改造的保温材料。

2  遮阳构件设计

2000年前建设的住宅小区节能要求不高，遮阳构件普及率很低，低能耗改造中将外墙体保温做法与外遮阳结合处理，可使改造后的建筑室内热环境舒适度最大化，减少建筑能源消耗。

南通地区老旧小区住宅建筑以南北开窗为主。东西两侧少开窗，若需开窗则为小窗。根据GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》，夏热冬冷地区节能工作应结合夏季遮阳和冬季围护结构保温，故本文主要讨论夏至日（6月22日）的住宅建筑南向遮阳。

经计算，夏至日满窗遮阳的构件水平挑出长度L最小为0.21m，厚度D为0.06m。

为确保满足住宅改造中的节能要求，防止连接处产生冷桥、热桥，兼顾保温与装饰的要求，形成一体化效果，遮阳构件可选择与外墙外保温相同的石墨聚苯乙烯板核心材料SEPS该材料自重小，方便施工，安全性好，成本较低；建筑遮阳构件本身就是一种高效的保温材料，能实现保温、遮阳、装饰一体的住宅改造更新效果（图1）。

图1 保温、遮阳、装饰一体化构造示意

3模拟分析

模拟分析对象主体为一个典型老旧小区砖混结构6层住宅，住宅套型室内面积有58m2和63m2两种，标准层平面如图2所示。

图2 标准层平面示意

   3.1 遮阳改造前后室内采光对比

取住宅南向卧室为研究对象（图2），在同样分析网格区间内模拟，以等值线更为直观地显示结果（图3）。可看到夏至日正午南向卧室无遮阳构件的情况下，自然采光区域显著大于有遮阳构件的室内，且无遮阳构件采光照度峰值（25.0%）高出有遮阳（20.6%）近5个百分点，而平均值（7.97%）高出有遮阳（6.42%）1.52个百分点。

根据计算，遮阳构件长度L为0.21m时，夏至日正午满窗遮阳。模拟中对构件的伸出长度进行对比分析，分别采用L=0.21m和L=0.40m。经计算可看出，伸出长度增加的情况下，自然采光区域有所减小，但峰采光照度的峰值和平均值并无明显变化。

图3 遮阳改造前后室内采光对比（计算机截图）

（a）无遮阳；（b）遮阳构件L=0.21m；（c）遮阳构件L=0.40m

遮阳构件的尺度可根据地区日照条件，通过计算满足建筑采光设计及节能设计标准，而无需盲目增加无效尺寸导致材料浪费。

3.2 整体改造前后住宅单元能耗对比

取住宅单体中的一个单元（图2）为研究对象，进行月度热/冷能耗模拟。选取改造前（图4a）砖混结构外墙、无遮阳进行能耗计算，得出年度总能耗为3653.6kW·h；然后用150mm厚石墨聚苯乙烯板和遮阳构件进行外墙外保温改造，年度总能耗为3104kW·h，（图4b）；再调整不同方向墙体石墨聚苯乙烯板的厚度进行对比分析（南向厚150mm，其他方向厚200mm），算得年度总能耗为3106.4kW·h（图4c）。

从改造前后能耗分析（图5）可见，采用150mm厚的SEPS进行墙体外保温后，住宅单元年度总能耗比改造前节约15%；而增加保温层厚度，能耗无明显改变。若建筑南向墙体外保温厚度为150mm，将东西北三向调整为200mm，该住宅的单元能耗与各方向保温厚度均为150mm并无明显差别。因此，老旧建筑虽需增加外保温层来减小建筑能耗，并增加室内环境舒适度，但应根据建筑所在地区的地理位置和其他综合条件，经模拟计算制订具有针对性的外墙保温改造策略。

图4 整体改造前后住宅能耗对比（计算机截图）

（a）改造前能耗模拟；（b）改造后能耗模拟；（c）不同保温层厚度能耗模拟

图5 改造前后住宅能耗分析（计算机截图）

注：图中各柱子从左到右依次为改造前，改造后（保温厚度相同），改造后（保温厚度不同）。

4结束语

老旧小区改造中，减少能耗是主要的设计原则之一。要做到低能耗，在项目实施初期就要综合多方面因素进行科学规划设计。建筑围护结构的保温系统和遮阳系统对减少能量损失具有重要意义，保温芯材的和遮阳系统的效用是实现低能耗节能效果的保障。

本文以江苏南通市老旧小区为研究对象，通过保温材料的指标性能比较，选择出性价比高、各方面性能优越的石墨聚苯乙烯作外墙外保温的核心材料，同时对南向房间进行保温遮阳装饰一体化设计；利用Ecotect软件进行改造前后采光和能耗模拟对比，量化低能耗改造效果，助力老旧住宅改造全面推进。

本文选自《建筑技术》2021年10期