皖南民居墻體熱工性能的計(jì)算分析*

邸 芃，汪珍珍

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安710054)

0 引言

隨著全球性能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，以及生態(tài)節(jié)能理念的提出，建筑作為能源消耗的重要行業(yè)對(duì)資源的消耗巨大，為了緩解世界能源緊張的現(xiàn)狀，建筑的節(jié)能開(kāi)始受到廣泛的重視。王偉認(rèn)為建筑在設(shè)計(jì)和建筑開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)做到合理利用材料和相關(guān)技術(shù)來(lái)創(chuàng)造節(jié)能環(huán)保的生態(tài)建筑［1］;顧天舒等人指出建筑節(jié)能的核心就是對(duì)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及采暖系統(tǒng)進(jìn)行革新［2］。而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，其各個(gè)部位散熱比例為:墻體結(jié)構(gòu)的熱損失占60% ～70%;門窗的熱損失約占20% ～30%;屋面的熱損失約占10%;可見(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)建筑物外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的研究，對(duì)于社會(huì)能耗和建筑能耗的降低具有非常重要的意義。而對(duì)墻體節(jié)能的研究，就必須從墻體的熱工性能出發(fā)。

傳統(tǒng)民居較現(xiàn)代建筑充分詮釋了當(dāng)今提出的生態(tài)節(jié)能理念，通過(guò)獨(dú)特的圍護(hù)構(gòu)造及材料等方面營(yíng)造了良好的室內(nèi)熱環(huán)境。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將研究轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)建筑上。邸芃等人從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能的利用3方面探討了適應(yīng)于新農(nóng)村住宅的草磚建筑的節(jié)能技術(shù)及相應(yīng)的保溫隔熱措施［3］;梁銳等人針對(duì)西北鄉(xiāng)村住宅節(jié)能提出了草磚墻體，稻草鋪設(shè)屋頂?shù)冗m宜性技術(shù)手段，并與傳統(tǒng)住宅比較來(lái)驗(yàn)證生態(tài)適宜技術(shù)的有效性［4］;趙西平等人對(duì)云南傳統(tǒng)民居與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境關(guān)系進(jìn)行研究，并對(duì)新建民居出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)意見(jiàn)［5］;張群等人針對(duì)鄉(xiāng)村民居利用現(xiàn)代建筑技術(shù)，提出適合地方特點(diǎn)的太陽(yáng)能被動(dòng)利用設(shè)計(jì)方案，并在生態(tài)民居設(shè)計(jì)中進(jìn)行了實(shí)踐探索［6］;楊定海等人對(duì)海南島傳統(tǒng)建筑空間形態(tài)進(jìn)行了探析，并總結(jié)了其形態(tài)分異的特點(diǎn)［7］;陳湛等人從傳統(tǒng)民居的用材、保溫隔熱、自然通風(fēng)、太陽(yáng)能利用與遮陽(yáng)等幾個(gè)方面分析了中國(guó)傳統(tǒng)民居中的被動(dòng)節(jié)能技術(shù)［8］;楊祖貴等人研究了傳統(tǒng)鄉(xiāng)土材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，指出對(duì)鄉(xiāng)土材料以現(xiàn)代構(gòu)造技術(shù)改進(jìn)，更能適應(yīng)現(xiàn)代建筑節(jié)能環(huán)保的要求［9］。

吳楨楠從適宜現(xiàn)代生活的角度審視皖南傳統(tǒng)村落的保護(hù)與更新［10］;由清華大學(xué)建筑學(xué)院和安徽建筑工業(yè)學(xué)院合作對(duì)皖南傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)及DeST數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)民居在夏季較熱的室外環(huán)境下仍具有良好的室內(nèi)熱舒適條件的主要原因之一是采用熱慣性小、隔熱作用好的空斗墻和屋頂［11］;陳曉楊等人通過(guò)CFD模擬軟件以及實(shí)測(cè)的方法，對(duì)皖南民居過(guò)渡性季節(jié)的室內(nèi)環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)，其防熱性能好，而保溫性能差也與空斗墻的構(gòu)造有關(guān)［12］。滕明邑通過(guò)軟件模擬以及實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)村鎮(zhèn)空斗墻的性能及節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究，提出空斗墻內(nèi)填充加外保溫情況下的保溫隔熱性能最好［13］;方玲通過(guò)熱流計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)皖南民居中4類墻體的熱工性能進(jìn)行研究，指出采用不同材料及構(gòu)造方式對(duì)墻體的熱工性能影響很大［14］。筆者在前人實(shí)驗(yàn)測(cè)試及軟件模擬的基礎(chǔ)上，以基本的熱阻及傳熱系數(shù)計(jì)算公式為依據(jù)，針對(duì)皖南民居中特殊的空斗墻體提出合理的計(jì)算方法，得到較科學(xué)的計(jì)算公式，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)比找出砌筑方式以及材料與傳統(tǒng)空斗墻熱工性能的關(guān)系，并與實(shí)體墻熱工性能進(jìn)行對(duì)比分析，找出影響墻體熱工性能的因素。

1 墻體熱工計(jì)算依據(jù)

根據(jù)熱工原理，墻體的熱阻越大，傳熱系數(shù)越小，則其熱穩(wěn)定性越好，保溫隔熱性能就越好［15］。對(duì)此，可通過(guò)對(duì)皖南地區(qū)墻體的熱阻R和傳熱系數(shù)K的計(jì)算來(lái)比較分析它們的熱工性能。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在平行于熱流方向上由幾層不同材料組成時(shí)，其熱阻計(jì)算公式為

式中Rn為各層材料的熱阻，m2·K/W;dn為各層材料的厚度，m;λn為各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)－1;Ri為內(nèi)表面換熱阻，取 0.11，m2·K/W;Re為外表面換熱阻，取0.05，m2·K/W.傳熱系數(shù)計(jì)算公式

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部個(gè)別材料層出現(xiàn)由2種以上材料組成的、兩向非均質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該組合壁的平均熱阻應(yīng)按下式計(jì)算

式中ˉR為平均熱阻，m2·K/W;F0為與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2;F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n為按平行于熱流方向劃分的各個(gè)傳熱面積，m2;R0.1，R0.2，…，R0.n為各個(gè)傳熱面部位的傳熱阻，m2·K/W;φ為修正系數(shù)，根據(jù)不同材料導(dǎo)熱系數(shù)比，按《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》采用。

2 墻體熱工性能計(jì)算及分析

2.1 空斗墻

空斗墻分為無(wú)眠空斗墻和有眠空斗墻(包括一眠一斗，一眠二斗，一眠三斗)2種(如圖1，2所示)。皖南地區(qū)的傳統(tǒng)空斗墻多用特制的青磚，砌成有眠空斗或者無(wú)眠全斗形式，也有在中空部分用黃泥、碎磚等材料填充?，F(xiàn)代的空斗墻體多采用的是粘土磚，可作為低層房屋的承重墻和圍護(hù)墻。

圖1 無(wú)眠全斗空斗墻Fig.1 Cavity wall with no sleep bricks

圖2 一眠一斗空斗墻Fig.2 Cavity wall with no sleep bricks and standup bricks

由于空斗墻特殊的構(gòu)造形式，根據(jù)復(fù)合墻壁的導(dǎo)熱計(jì)算，可以把空斗墻看作復(fù)合平壁，將砌體沿平行于熱流方向上分成若干個(gè)不同的均質(zhì)材料組成的計(jì)算部分。無(wú)眠空斗墻熱工計(jì)算模型如圖3所示，計(jì)算方法如下

假設(shè)砌體磚塊的尺寸為a×b×c，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，墻體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，計(jì)算一塊磚高面積上的導(dǎo)熱，則總面積F0=bL.每a+c長(zhǎng)度的水平方向就有一個(gè)縱向斗磚，則總的計(jì)算面積上一共含有n=L/a+c塊縱向斗磚。每塊縱向斗磚的傳熱面積為Fzd=bc，則熱阻Rzd=a/λ;空氣層的面積Fk與圍護(hù)空氣間層的橫向斗磚Fhd面積相等，即Fk=Fhd=F0－nFzd;則熱阻值分別為Rhd=c/λ;Rk=Rag(其中，Rag為垂直空氣間層的熱阻值，可根據(jù)空氣間層的寬度a－2c值，由規(guī)范附表A.0.4－4得到);將上述各項(xiàng)代入公式(4)，則全眠空斗墻體的平均熱阻為

圖3 空斗墻的計(jì)算圖Fig.3 Calulation model of the cavity wall

在計(jì)算有眠空斗墻時(shí)，由于眠磚與垂直于熱流方向的斗磚及其圍合的空氣間層方向不同，應(yīng)先分別計(jì)算出眠磚的熱阻，以及斗磚及圍合部分的平均熱阻，并反推出相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，最后整個(gè)墻體的平均導(dǎo)熱系數(shù)按下式計(jì)算

式中Fn為在該層中按平行于熱流方向劃分的各個(gè)傳熱面積，m2;λn為各個(gè)傳熱面積上材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)－1.

空斗墻的熱工計(jì)算以常見(jiàn)的青磚和粘土磚為例，為統(tǒng)一變量且方便計(jì)算，考慮到磚之間由砂漿連接的，磚的尺寸取240 mm×120 mm×60 mm，并忽略外墻粉刷層厚度，分別計(jì)算青磚空斗墻和粘土磚空斗墻在不同砌筑方式以及不同夾層材料的情況下的傳熱系數(shù)值，結(jié)合公式(3)(5)(6)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，其中空氣阻:Rag=0.18(m2·K)/W.

2.2 實(shí)體墻

傳統(tǒng)民居實(shí)體墻使用的青磚很薄，厚度不一，平砌易被壓壞且不易找平，所以采用立砌，有少量青磚為避免通縫而平砌于每皮立砌青磚之間。新民居中粘土磚實(shí)體墻是相鄰兩皮磚丁順交替砌筑，不留空腔，所以承重效果好。青磚實(shí)體墻及粘土磚實(shí)體墻由公式(1)(2)(3)得到的熱工計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 青磚空斗墻和粘土磚空斗墻平均熱阻及傳熱系數(shù)Tab.1 Average thermal resistance and heat transfer coefficient of grey bricks and clay bricks cavity wall

表2 不同材料的實(shí)體墻熱阻及傳熱系數(shù)值Tab.2 Average thermal resistance and heat transfer coefficient of the solid walls

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

由表1分析得到:①由青磚空斗墻的不同砌筑方式下的傳熱系數(shù)值比較可知，4種不同砌筑方式下的傳熱系數(shù)關(guān)系:全斗無(wú)眠﹥一眠三斗﹥一眠二斗﹥一眠一斗，而粘土磚空斗墻傳熱系數(shù)值也遵循這個(gè)規(guī)律，即對(duì)于同一種材料不同砌筑方式下，空斗墻體的熱阻值并不隨著空氣間層在墻體中所占比例的增大而增大，反而有較明顯的降低趨勢(shì)，由此可見(jiàn)，空斗墻的熱阻與空腔所占?jí)w的比例有關(guān)，但無(wú)正比關(guān)系;②對(duì)于同種墻體材料以及相同的砌筑方式下，比較填有黃泥的空斗墻和空氣間層空斗墻，前者的熱阻值較后者平均能提高約16%，說(shuō)明空斗墻的熱阻值和平均傳熱系數(shù)不僅與空腔所占?jí)w比例有關(guān)，而空腔中的材料種類即填充材料的性能對(duì)其影響更大，填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，墻體的熱阻值就越大;③對(duì)于相同空腔填充材料以及同一種砌筑方式，青磚空斗墻的熱阻比粘土磚墻的熱阻高出10%，即同樣的空斗砌筑，青磚空斗墻要比粘土磚空斗墻熱穩(wěn)定性強(qiáng)，保溫性能更好。

由表2計(jì)算結(jié)果得到，相比粘土磚實(shí)體墻，青磚實(shí)體墻的熱阻高出14%.結(jié)合表1，2分析可知，無(wú)論青磚還是粘土磚，空斗墻比實(shí)體墻的熱阻有明顯的提高，因此，對(duì)于同一種墻體材料，空斗墻的保溫隔熱性能優(yōu)于實(shí)體墻;無(wú)論哪種類型的墻體，青磚熱穩(wěn)定性都要比粘土磚好。

4 結(jié)論

1 )不同砌筑方式的空斗墻體，其傳熱系數(shù)值規(guī)律:全斗無(wú)眠﹥一眠三斗﹥一眠二斗﹥一眠一斗，即墻體的熱工性能隨空腔所占?jí)w比例大小(即空腔的體積)而變化，但無(wú)正比關(guān)系;

2 )空斗墻體空腔中的填充材料的性能是影響墻體熱工性能的主要因素，填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，墻體的熱阻值就越大即墻體熱工性能越好;

3 )同種墻體材料，空斗墻比實(shí)體墻的熱穩(wěn)定性強(qiáng)，保溫性能好;

4 )青磚比粘土磚的熱阻值高出10%，青磚較粘土磚更為節(jié)能;

5 )新建民居的粘土磚空斗墻可填空稻殼(熱阻值可提高2倍多)或者秸稈來(lái)提高保溫隔熱性能，實(shí)體墻可通過(guò)加保溫板來(lái)改善熱工性能，這2種墻體可在當(dāng)?shù)靥岢珡V泛使用。

References

［1］ 王 偉，盧 淵.節(jié)能建筑技術(shù)應(yīng)用研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(4):485 －489.

WANG Wei，LU Yuan.Application of energy-saving building techniques［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(4):485 －489.

［2］ 顧天舒，謝連玉，陳 革.建筑節(jié)能與墻體保溫［J］.工程力學(xué)，2006，23(2):167 －184.

GU Tian-shu，XIE Lian-yu，CHEN Ge.Building energy conservatian and wall thermal insulatian［J］.Engineering Mechanics，2006，23(2):167 －184.

［3］ 邸 芃，呂秀焱，羅 靜.生態(tài)草磚建筑節(jié)能技術(shù)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(4):643 －645.

DI Peng，LV Xiu-yan，LUO Jing.Energy-saving technology of ecological straw-bale buildings［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28(4):643－645.

［4］ 梁 銳，張 群，劉加平.西北鄉(xiāng)村民居適宜性生態(tài)建筑技術(shù)實(shí)踐研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(3):345－350.

LIANG Rui，ZHANG Qun，LIU Jia-ping.Practice of appropriate technologies of ecological buildings in rural areas of northwest China［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(3):345 －350.

［5］ 趙西平，徐海濱，劉加平.傳統(tǒng)民居的環(huán)境適宜性分析［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(3):334 －338.

ZHAO Xi-ping，XU Hai-bin，LIU Jia-ping.Analysis of environmental adaptability for traditional dwellings［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2006，26(3):334 －338.

［6］ 張 群，梁 銳，劉加平.鄉(xiāng)村民居被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)與熱環(huán)境分析［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(2):172－176.

ZHANG Qun，LIANG Rui，LIU Jia-ping.Practice and thermal environment analysis of passive solar house for rural areas in Ningxia［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(2):172 －176.

［7］ 楊定海，肖大威.海南島漢族傳統(tǒng)建筑空間形態(tài)探析［J］.建筑學(xué)報(bào)，2013(10):140 －143.

YANG Ding-hai，XIAO Da-wei.Study on the spatial morphology of han traditional architecture in Hainan island［J］.Architecture Journal，2013(10):140 － 143.

［8］ 陳 湛，張三明.中國(guó)傳統(tǒng)民居中的被動(dòng)節(jié)能技術(shù)［J］.華中建筑，2008，26(12):204 －207.

CHEN Zhan，ZHANG San-ming.The passive techniques about energy efficiency in Chinese traditional dwellings［J］.Huazhong Architecture，2008，26(12):204 －207.

［9］ 楊祖貴，劉 碩.鄉(xiāng)土材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)及熱工性能研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，36(6):269 －270.

YANG Zu-gui，LIU Shuo.Research on nativematerial retaining structure and its thermal performance［J］.Sichuan Building Science，2010，36(6):269 －270.

［10］吳楨楠.從適宜現(xiàn)代生活的角度審視皖南傳統(tǒng)村落的保護(hù)與更新［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

WU Zhen-nan.Look at the suitable for modern life from the perspective of the traditional village’s protection and renewal in the west of Anhui［D］.Hefei:Hefei University of Technology，2010.

［11］林波榮，唐剛.皖南民居夏季熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，42(8):1 071 －1 074.

LIN Bo-rong，TANG Gang.Field study of thermal environment in Wannan traditional residential of buildings in the summer［J］.Journal of Tsinghua University，2002，42(8):1 071－1 074.

［12］陳曉揚(yáng)，仲德崑.宏村徽州傳統(tǒng)民居過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)環(huán)境分析［J］.建筑學(xué)報(bào)，2009(S2):68－70.

CHEN Xiao-yang，ZHONG De-kun.Interior environment analysis of Huizhou traditional residence of hongcun viliage in mild season［J］.Architectural Journal，2009，(S2):68－70.

［13］滕明邑.村鎮(zhèn)住宅空斗墻體熱工性能分析及節(jié)能技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2008.

TENG Ming-yi.Thermal performance and energy conservation analysis of cavity wall building in village and small town［D］.Changsha:Hunan University，2008.

［14］方 玲.皖南民居建筑熱環(huán)境及維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

FANG Ling.Research on the residential thermal environment and the thermal performance of envelopes of Anhui southern dwellings［D］.Hefei:Hefei University of Technology，2011.

［15］陳仲林，唐鳴放.建筑物理(圖解版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

CHEN Zhong-lin，TANG Ming-fang.Building physics(Graphic Edition)［M］.Beijing:China Architecture and Building Press，2009.