京西地區(qū)青磚類傳統(tǒng)民居熱工性能現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與外墻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

文/北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 孫 穎 杜思佳 趙騰飛

0 引言

2019年北京工業(yè)大學(xué)課題組受北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局委托，對(duì)北京第一批市級(jí)傳統(tǒng)村落進(jìn)行首次保護(hù)評(píng)估監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前傳統(tǒng)民居保溫節(jié)能普遍較差，當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)提升傳統(tǒng)民居保溫節(jié)能水平訴求強(qiáng)烈。村內(nèi)傳統(tǒng)民居多數(shù)已被不同程度改造，外墻改造居多，一般采用外墻抹灰、外貼保溫板等，做法粗糙，改造隨意。由于缺乏專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)及傳統(tǒng)民居風(fēng)貌保護(hù)意識(shí)，導(dǎo)致改造后傳統(tǒng)民居面目全非，原有風(fēng)貌被嚴(yán)重破壞。傳統(tǒng)民居是傳統(tǒng)村落保護(hù)中最重要的保護(hù)對(duì)象，傳統(tǒng)民居的保護(hù)與傳統(tǒng)村落風(fēng)貌延續(xù)息息相關(guān)。因此針對(duì)傳統(tǒng)民居保溫節(jié)能現(xiàn)狀，探索既能有效提升傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，又能兼顧傳統(tǒng)民居原有風(fēng)貌的外墻優(yōu)化策略。

1 京西地區(qū)青磚類傳統(tǒng)民居

京西地區(qū)傳統(tǒng)民居是指地處北京門頭溝區(qū)和房山區(qū)的傳統(tǒng)民居，本文主要研究墻體以青磚砌筑而成的傳統(tǒng)民居類型。京西地區(qū)傳統(tǒng)民居以合院式為主，在院落形制、開間和進(jìn)深方面較北京中心城區(qū)四合院略小，由于山區(qū)地形與氣候的特殊性，衍生出二合院、三合院、不規(guī)則多進(jìn)院和多進(jìn)跨院等形式。傳統(tǒng)民居正房一般為三開間或五開間，東西廂房為兩開間，因倒座房在現(xiàn)有傳統(tǒng)民居中多已消失，故在此不進(jìn)行研究。正方與東西廂房屋頂皆為硬山形式，傳統(tǒng)民居的承重體系一般為抬梁式木構(gòu)架，外墻為非承重體系，僅屬于圍護(hù)結(jié)構(gòu)。外部由青磚砌筑的墻體作為傳統(tǒng)民居的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通常由山墻、檻墻、后檐墻3部分組成，一般為300mm厚。具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 青磚類傳統(tǒng)民居外墻構(gòu)造

2 青磚類傳統(tǒng)民居熱工性能現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

由于疫情原因無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，故通過ECOTECT軟件模擬進(jìn)行理想狀態(tài)下的傳統(tǒng)民居熱工性能現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。此處理想狀態(tài)指承重結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)完好，且傳統(tǒng)民居構(gòu)件未經(jīng)風(fēng)化與磨損的狀態(tài)。

2.1 傳統(tǒng)民居典型模型建立

選取門頭溝區(qū)馬欄村1座三合院（85號(hào)古民居）正房作為模擬對(duì)象，體形系數(shù)為1.36。該正房面闊3間，屋頂為硬山形式，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如表1所示。該正房?jī)H南側(cè)有窗，窗墻比為0.49。將建筑適當(dāng)簡(jiǎn)化，在ECOTECT中建立正房建筑單體模型（見圖2～4）。

圖2 正房建筑單體模型

圖3 正房建筑平面

圖4 正房建筑南立面

表1 85號(hào)古民居正房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 傳熱系數(shù)U值與建筑能耗

通過ECOTECT模擬得到85號(hào)古民居正房圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U值，將其與GB/T 50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中規(guī)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值相比，正房建筑屋面、墻體和外窗的傳熱系數(shù)U值均超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2倍左右，可見，傳熱系數(shù)越大，越不利于建筑節(jié)能（見表2）。

表2 正房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值對(duì)比

通過ECOTECT熱環(huán)境模擬中逐月能耗計(jì)算可知，正房全年累計(jì)冷負(fù)荷11329.5kW·h，全年累計(jì)熱負(fù)荷170.1kW·h，全年建筑能耗總和達(dá)11499.6kW·h，分析其逐月能耗得知正房建筑在1—4月、10—12月建筑能耗較高，占比合計(jì)達(dá)97.3%（見圖5）。北方山區(qū)冬季寒冷，室外溫度較低，全年建筑能耗主要集中于冬季。夏季建筑能耗相對(duì)較少，傳統(tǒng)民居可通過自然通風(fēng)使室內(nèi)達(dá)到舒適溫度。

圖5 正房逐月能耗分析

2.2.2 全年熱負(fù)荷分布

進(jìn)一步分析影響正房全年建筑能耗的因素，進(jìn)行全年最熱日和最冷日逐時(shí)得、失熱分析和被動(dòng)組分分析（見表3，圖6）。

圖6 正房被動(dòng)組分失熱分析

表3 正房最冷日、最熱日逐時(shí)得、失熱分析

正房最熱日得熱主要是太陽直射輻射得熱和內(nèi)擾得熱、區(qū)域間熱傳遞；正房最冷日失熱主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)失熱和冷風(fēng)滲透失熱。綜合對(duì)比2組數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論。

1）2組圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)數(shù)值較大，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能對(duì)建筑得、失熱影響顯著。最冷日失熱數(shù)值為最熱日得熱數(shù)值的5倍，故需著重考慮冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，同時(shí)兼顧夏季隔熱。

2）太陽直射輻射得熱在最冷日數(shù)值較大，北方氣候夏季多雨，故夏季太陽輻射量較冬季低，可考慮冬季利用太陽能，進(jìn)而降低其他類型能源消耗。

3）冷風(fēng)滲透失熱在最冷日數(shù)值較大，其失熱量接近圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱量，說明在正房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能良好的情況下，應(yīng)對(duì)門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行處理。

被動(dòng)組分失熱分析顯示其分析結(jié)果與逐時(shí)得、失熱結(jié)果一致，冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱與冷風(fēng)滲透所失熱量為最主要失熱原因，占全年建筑熱量損失的72.2%，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比最大，占41.9%。

可見，85號(hào)古民居正房熱工性能較差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)要求近1倍，且全年建筑能耗主要集中于冬季，圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱及冷風(fēng)滲透失熱為建筑全年熱量損失的主要原因。京西地區(qū)地處北方山區(qū)，冬季氣候寒冷，在設(shè)計(jì)中需滿足建筑保溫性能。通過以上分析可知，欲提升正房的保溫節(jié)能效果，除解決門窗的氣密性及各構(gòu)件的透風(fēng)漏風(fēng)問題外，還應(yīng)提升外墻與屋頂?shù)臒峁ば阅埽源蠓档驼咳杲ㄖ芎摹?/p>

3 外墻熱工性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)前傳統(tǒng)民居保溫節(jié)能的薄弱點(diǎn)在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。當(dāng)前，我國(guó)鄉(xiāng)村普遍采用外墻外保溫技術(shù)，雖能提升傳統(tǒng)民居的保溫節(jié)能效果，但對(duì)傳統(tǒng)民居風(fēng)貌造成破壞。如圖7所示,此三合院內(nèi)的正房與東廂房未進(jìn)行保溫節(jié)能改造，風(fēng)貌維持原狀；西廂房外墻采用外保溫技術(shù)進(jìn)行改造，與東廂房相比，傳統(tǒng)民居原有風(fēng)貌被嚴(yán)重破壞。若采用《北京市傳統(tǒng)村落修繕技術(shù)導(dǎo)則》推薦的外墻內(nèi)保溫技術(shù)，雖不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)民居風(fēng)貌造成破壞，但在室內(nèi)增設(shè)保溫構(gòu)造層限制了室內(nèi)墻面的使用，使墻面無法掛吊重物。當(dāng)室內(nèi)濕度較大時(shí)易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，故此種做法難以推行。針對(duì)以上情況，結(jié)合傳統(tǒng)民居保護(hù)先行的特殊性，將夾心墻保溫技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)民居外墻改造中，并結(jié)合傳統(tǒng)民居外墻原有特點(diǎn)和農(nóng)村地區(qū)的保溫材料，提出適宜傳統(tǒng)民居外墻改造的夾心墻保溫構(gòu)造做法。該做法既能提升傳統(tǒng)民居保溫節(jié)能效果，又能保持傳統(tǒng)民居原有風(fēng)貌，可廣泛應(yīng)用于破壞嚴(yán)重且需落架大修的二類修繕傳統(tǒng)民居和與傳統(tǒng)風(fēng)貌相協(xié)調(diào)的三類修繕傳統(tǒng)民居。

圖7 外墻外保溫技術(shù)在傳統(tǒng)民居中的應(yīng)用

夾心墻由兩側(cè)內(nèi)外葉墻體和中間保溫材料構(gòu)成。外葉墻以傳統(tǒng)民居原有青磚為首選，由于傳統(tǒng)民居原有青磚可利用數(shù)量不多，預(yù)估在拆砌過程中亦有損失，因此將仍能達(dá)標(biāo)合格的青磚優(yōu)先用于夾心墻的外葉墻部分，以延續(xù)傳統(tǒng)民居風(fēng)貌。若原有青磚可利用率較低，用仿古青磚代替原有青磚用作改造后夾心墻的外葉墻部分。在農(nóng)村地區(qū)，植物秸稈來源廣、造價(jià)低，且導(dǎo)熱系數(shù)極低，是綠色保溫材料。以其為原料經(jīng)過干燥防腐處理后加工的干草板可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)民居外墻。除此之外，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)已進(jìn)行保溫節(jié)能改造的傳統(tǒng)民居多采用聚苯板作為外墻保溫材料。聚苯板分為模塑聚苯板（EPS板）和擠塑聚苯板（XPS板），擠塑聚苯板的抗壓性優(yōu)于模塑聚苯板，但成本略高，常用于屋頂?shù)谋匦阅軆?yōu)化。外墻保溫層對(duì)抗壓性能要求較低，故選擇模塑聚苯板（EPS板），其性價(jià)比高，更易于在農(nóng)村地區(qū)推廣。

內(nèi)葉墻材料選用蒸壓灰砂磚和蒸壓灰砂空心磚。2種材料以砂和石灰為原材料，是目前技術(shù)成熟、性能優(yōu)良的新型節(jié)能環(huán)保材料。根據(jù)以上材料選擇，推薦4種夾心墻保溫構(gòu)造做法（見圖8）。其中圖8a，b做法中，外葉墻為臥磚形式；圖8c，d做法中，外葉墻為陡磚形式，可根據(jù)不同傳統(tǒng)民居外墻形式選擇相應(yīng)的構(gòu)造做法（見圖9）。

圖8 4種推薦夾心墻保溫構(gòu)造

圖9 臥磚形式和陡磚形式

4 夾心墻保溫做法可行性研究

1）外墻熱工性能提升 將85號(hào)古民居正房按以上4種構(gòu)造分別進(jìn)行外墻節(jié)能改造，在ECOTECT中替換原有外墻構(gòu)造層次進(jìn)行模擬計(jì)算，得到改造后外墻傳熱系數(shù)和全年建筑能耗總和。如表4所示，4種方案改造后墻體傳熱系數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值以內(nèi)，但其中僅有方案a，b，d全年建筑能耗降低，方案c全年建筑能耗增加。由此可見，并不是外墻的傳熱系數(shù)減小，全年建筑能耗一定下降。對(duì)比方案a，b，b較a的傳熱系數(shù)小，節(jié)能提升率反而少，說明并非外墻傳熱系數(shù)越小越有利于傳統(tǒng)民居建筑的節(jié)能。以上4種構(gòu)造做法中，雖方案a，b，d均可提升正房的節(jié)能效果，但在具體選用時(shí)，還應(yīng)考慮傳統(tǒng)民居外墻的砌筑方式。

表4 4種夾心保溫墻傳熱系數(shù)和全年建筑能耗

2）傳統(tǒng)民居風(fēng)貌延續(xù) 85號(hào)古民居正房外墻為臥磚形式，故可選用外葉墻同為臥磚形式的構(gòu)造a和b進(jìn)行節(jié)能改造。上述2種構(gòu)造的外葉墻相同，故可選擇任一種進(jìn)行改造后建立正房模型，將改造后與改造前的風(fēng)貌進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。對(duì)比得知，外墻改造后傳統(tǒng)民居的原有風(fēng)貌得以延續(xù)。85號(hào)古民居正房按構(gòu)造a或b進(jìn)行外墻優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)提升保溫節(jié)能效果與保護(hù)傳統(tǒng)風(fēng)貌的雙贏目標(biāo)。同理，構(gòu)造d同樣適用于相應(yīng)傳統(tǒng)民居的外墻優(yōu)化。

圖10 85號(hào)古民居正房外墻改造前后風(fēng)貌對(duì)比

5 結(jié)語

基于傳統(tǒng)村落民居保護(hù)優(yōu)先理念，青磚類傳統(tǒng)民居的外墻優(yōu)化推薦使用夾心墻保溫技術(shù)并充分利用農(nóng)村地區(qū)特有的綠色材料，提出3種適用于青磚類傳統(tǒng)民居節(jié)能改造的夾心墻保溫構(gòu)造做法。根據(jù)傳統(tǒng)民居外墻砌筑方式的不同，選用與之適應(yīng)的夾心墻構(gòu)造，既能提升傳統(tǒng)民居熱工性能，又能與傳統(tǒng)民居原有風(fēng)貌協(xié)調(diào)，在滿足居民訴求的同時(shí)延續(xù)傳統(tǒng)文脈。