京西地區青磚類傳統民居熱工性能現狀評價與外墻優化設計研究

文/北京工業大學城市建設學部 孫 穎 杜思佳 趙騰飛

0 引言

2019年北京工業大學課題組受北京市農業農村局委托，對北京第一批市級傳統村落進行首次保護評估監測，發現當前傳統民居保溫節能普遍較差，當地居民對提升傳統民居保溫節能水平訴求強烈。村內傳統民居多數已被不同程度改造，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。由于缺乏專業技術指導及傳統民居風貌保護意識，導致改造后傳統民居面目全非，原有風貌被嚴重破壞。傳統民居是傳統村落保護中最重要的保護對象，傳統民居的保護與傳統村落風貌延續息息相關。因此針對傳統民居保溫節能現狀，探索既能有效提升傳統民居圍護結構熱工性能，又能兼顧傳統民居原有風貌的外墻優化策略。

1 京西地區青磚類傳統民居

京西地區傳統民居是指地處北京門頭溝區和房山區的傳統民居，本文主要研究墻體以青磚砌筑而成的傳統民居類型。京西地區傳統民居以合院式為主，在院落形制、開間和進深方面較北京中心城區四合院略小，由于山區地形與氣候的特殊性，衍生出二合院、三合院、不規則多進院和多進跨院等形式。傳統民居正房一般為三開間或五開間，東西廂房為兩開間，因倒座房在現有傳統民居中多已消失，故在此不進行研究。正方與東西廂房屋頂皆為硬山形式，傳統民居的承重體系一般為抬梁式木構架，外墻為非承重體系，僅屬于圍護結構。外部由青磚砌筑的墻體作為傳統民居的主要圍護結構，通常由山墻、檻墻、后檐墻3部分組成，一般為300mm厚。具體構造如圖1所示。

圖1 青磚類傳統民居外墻構造

2 青磚類傳統民居熱工性能現狀評價

由于疫情原因無法進行現場數據實測，故通過ECOTECT軟件模擬進行理想狀態下的傳統民居熱工性能現狀評價。此處理想狀態指承重結構及圍護結構保護完好，且傳統民居構件未經風化與磨損的狀態。

2.1 傳統民居典型模型建立

選取門頭溝區馬欄村1座三合院（85號古民居）正房作為模擬對象，體形系數為1.36。該正房面闊3間，屋頂為硬山形式，其圍護結構構造如表1所示。該正房僅南側有窗，窗墻比為0.49。將建筑適當簡化，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號古民居正房圍護結構構造

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 傳熱系數U值與建筑能耗

通過ECOTECT模擬得到85號古民居正房圍護結構傳熱系數U值，將其與GB/T 50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》（以下簡稱《標準》）中規定的圍護結構傳熱系數限值相比，正房建筑屋面、墻體和外窗的傳熱系數U值均超過標準規定的2倍左右，可見，傳熱系數越大，越不利于建筑節能（見表2）。

表2 正房建筑圍護結構傳熱系數U值與標準規定限值對比

通過ECOTECT熱環境模擬中逐月能耗計算可知，正房全年累計冷負荷11329.5kW·h，全年累計熱負荷170.1kW·h，全年建筑能耗總和達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，占比合計達97.3%（見圖5）。北方山區冬季寒冷，室外溫度較低，全年建筑能耗主要集中于冬季。夏季建筑能耗相對較少，傳統民居可通過自然通風使室內達到舒適溫度。

圖5 正房逐月能耗分析

2.2.2 全年熱負荷分布

進一步分析影響正房全年建筑能耗的因素，進行全年最熱日和最冷日逐時得、失熱分析和被動組分分析（見表3，圖6）。

圖6 正房被動組分失熱分析

表3 正房最冷日、最熱日逐時得、失熱分析

正房最熱日得熱主要是太陽直射輻射得熱和內擾得熱、區域間熱傳遞；正房最冷日失熱主要是圍護結構熱傳導失熱和冷風滲透失熱。綜合對比2組數據得出以下結論。

1）2組圍護結構熱傳導數值較大，說明圍護結構的熱傳導性能對建筑得、失熱影響顯著。最冷日失熱數值為最熱日得熱數值的5倍，故需著重考慮冬季圍護結構保溫，同時兼顧夏季隔熱。

2）太陽直射輻射得熱在最冷日數值較大，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，進而降低其他類型能源消耗。

3）冷風滲透失熱在最冷日數值較大，其失熱量接近圍護結構失熱量，說明在正房圍護結構保溫性能良好的情況下，應對門窗等圍護結構構件進行處理。

被動組分失熱分析顯示其分析結果與逐時得、失熱結果一致，冬季圍護結構失熱與冷風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%，其中圍護結構失熱占比最大，占41.9%。

可見，85號古民居正房熱工性能較差，圍護結構傳熱系數超過標準要求近1倍，且全年建筑能耗主要集中于冬季，圍護結構失熱及冷風滲透失熱為建筑全年熱量損失的主要原因。京西地區地處北方山區，冬季氣候寒冷，在設計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能效果，除解決門窗的氣密性及各構件的透風漏風問題外，還應提升外墻與屋頂的熱工性能，以大幅降低正房全年建筑能耗。

3 外墻熱工性能優化設計

根據模擬結果可知，當前傳統民居保溫節能的薄弱點在于圍護結構的熱工性能。當前，我國鄉村普遍采用外墻外保溫技術，雖能提升傳統民居的保溫節能效果，但對傳統民居風貌造成破壞。如圖7所示,此三合院內的正房與東廂房未進行保溫節能改造，風貌維持原狀；西廂房外墻采用外保溫技術進行改造，與東廂房相比，傳統民居原有風貌被嚴重破壞。若采用《北京市傳統村落修繕技術導則》推薦的外墻內保溫技術，雖不會對傳統民居風貌造成破壞，但在室內增設保溫構造層限制了室內墻面的使用，使墻面無法掛吊重物。當室內濕度較大時易產生結露現象，故此種做法難以推行。針對以上情況，結合傳統民居保護先行的特殊性，將夾心墻保溫技術應用于傳統民居外墻改造中，并結合傳統民居外墻原有特點和農村地區的保溫材料，提出適宜傳統民居外墻改造的夾心墻保溫構造做法。該做法既能提升傳統民居保溫節能效果，又能保持傳統民居原有風貌，可廣泛應用于破壞嚴重且需落架大修的二類修繕傳統民居和與傳統風貌相協調的三類修繕傳統民居。

圖7 外墻外保溫技術在傳統民居中的應用

夾心墻由兩側內外葉墻體和中間保溫材料構成。外葉墻以傳統民居原有青磚為首選，由于傳統民居原有青磚可利用數量不多，預估在拆砌過程中亦有損失，因此將仍能達標合格的青磚優先用于夾心墻的外葉墻部分，以延續傳統民居風貌。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。在農村地區，植物秸稈來源廣、造價低，且導熱系數極低，是綠色保溫材料。以其為原料經過干燥防腐處理后加工的干草板可廣泛應用于傳統民居外墻。除此之外，調研中發現已進行保溫節能改造的傳統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于模塑聚苯板，但成本略高，常用于屋頂的保溫性能優化。外墻保溫層對抗壓性能要求較低，故選擇模塑聚苯板（EPS板），其性價比高，更易于在農村地區推廣。

內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，是目前技術成熟、性能優良的新型節能環保材料。根據以上材料選擇，推薦4種夾心墻保溫構造做法（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，可根據不同傳統民居外墻形式選擇相應的構造做法（見圖9）。

圖8 4種推薦夾心墻保溫構造

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號古民居正房按以上4種構造分別進行外墻節能改造，在ECOTECT中替換原有外墻構造層次進行模擬計算，得到改造后外墻傳熱系數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均在標準規定限值以內，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減小，全年建筑能耗一定下降。對比方案a，b，b較a的傳熱系數小，節能提升率反而少，說明并非外墻傳熱系數越小越有利于傳統民居建筑的節能。以上4種構造做法中，雖方案a，b，d均可提升正房的節能效果，但在具體選用時，還應考慮傳統民居外墻的砌筑方式。

表4 4種夾心保溫墻傳熱系數和全年建筑能耗

2）傳統民居風貌延續 85號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造a和b進行節能改造。上述2種構造的外葉墻相同，故可選擇任一種進行改造后建立正房模型，將改造后與改造前的風貌進行對比，如圖10所示。對比得知，外墻改造后傳統民居的原有風貌得以延續。85號古民居正房按構造a或b進行外墻優化可實現提升保溫節能效果與保護傳統風貌的雙贏目標。同理，構造d同樣適用于相應傳統民居的外墻優化。

圖10 85號古民居正房外墻改造前后風貌對比

5 結語

基于傳統村落民居保護優先理念，青磚類傳統民居的外墻優化推薦使用夾心墻保溫技術并充分利用農村地區特有的綠色材料，提出3種適用于青磚類傳統民居節能改造的夾心墻保溫構造做法。根據傳統民居外墻砌筑方式的不同，選用與之適應的夾心墻構造，既能提升傳統民居熱工性能，又能與傳統民居原有風貌協調，在滿足居民訴求的同時延續傳統文脈。