京西地区青砖类传统民居热工性能现状评价与外墙优化设计研究

文/北京工业大学城市建设学部 孙 颖 杜思佳 赵腾飞

0 引言

2019年北京工业大学课题组受北京市农业农村局委托，对北京第一批市级传统村落进行首次保护评估监测，发现当前传统民居保温节能普遍较差，当地居民对提升传统民居保温节能水平诉求强烈。村内传统民居多数已被不同程度改造，外墙改造居多，一般采用外墙抹灰、外贴保温板等，做法粗糙，改造随意。由于缺乏专业技术指导及传统民居风貌保护意识，导致改造后传统民居面目全非，原有风貌被严重破坏。传统民居是传统村落保护中最重要的保护对象，传统民居的保护与传统村落风貌延续息息相关。因此针对传统民居保温节能现状，探索既能有效提升传统民居围护结构热工性能，又能兼顾传统民居原有风貌的外墙优化策略。

1 京西地区青砖类传统民居

京西地区传统民居是指地处北京门头沟区和房山区的传统民居，本文主要研究墙体以青砖砌筑而成的传统民居类型。京西地区传统民居以合院式为主，在院落形制、开间和进深方面较北京中心城区四合院略小，由于山区地形与气候的特殊性，衍生出二合院、三合院、不规则多进院和多进跨院等形式。传统民居正房一般为三开间或五开间，东西厢房为两开间，因倒座房在现有传统民居中多已消失，故在此不进行研究。正方与东西厢房屋顶皆为硬山形式，传统民居的承重体系一般为抬梁式木构架，外墙为非承重体系，仅属于围护结构。外部由青砖砌筑的墙体作为传统民居的主要围护结构，通常由山墙、槛墙、后檐墙3部分组成，一般为300mm厚。具体构造如图1所示。

图1 青砖类传统民居外墙构造

2 青砖类传统民居热工性能现状评价

由于疫情原因无法进行现场数据实测，故通过ECOTECT软件模拟进行理想状态下的传统民居热工性能现状评价。此处理想状态指承重结构及围护结构保护完好，且传统民居构件未经风化与磨损的状态。

2.1 传统民居典型模型建立

选取门头沟区马栏村1座三合院（85号古民居）正房作为模拟对象，体形系数为1.36。该正房面阔3间，屋顶为硬山形式，其围护结构构造如表1所示。该正房仅南侧有窗，窗墙比为0.49。将建筑适当简化，在ECOTECT中建立正房建筑单体模型（见图2～4）。

图2 正房建筑单体模型

图3 正房建筑平面

图4 正房建筑南立面

表1 85号古民居正房围护结构构造

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 传热系数U值与建筑能耗

通过ECOTECT模拟得到85号古民居正房围护结构传热系数U值，将其与GB/T 50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》（以下简称《标准》）中规定的围护结构传热系数限值相比，正房建筑屋面、墙体和外窗的传热系数U值均超过标准规定的2倍左右，可见，传热系数越大，越不利于建筑节能（见表2）。

表2 正房建筑围护结构传热系数U值与标准规定限值对比

通过ECOTECT热环境模拟中逐月能耗计算可知，正房全年累计冷负荷11329.5kW·h，全年累计热负荷170.1kW·h，全年建筑能耗总和达11499.6kW·h，分析其逐月能耗得知正房建筑在1—4月、10—12月建筑能耗较高，占比合计达97.3%（见图5）。北方山区冬季寒冷，室外温度较低，全年建筑能耗主要集中于冬季。夏季建筑能耗相对较少，传统民居可通过自然通风使室内达到舒适温度。

图5 正房逐月能耗分析

2.2.2 全年热负荷分布

进一步分析影响正房全年建筑能耗的因素，进行全年最热日和最冷日逐时得、失热分析和被动组分分析（见表3，图6）。

图6 正房被动组分失热分析

表3 正房最冷日、最热日逐时得、失热分析

正房最热日得热主要是太阳直射辐射得热和内扰得热、区域间热传递；正房最冷日失热主要是围护结构热传导失热和冷风渗透失热。综合对比2组数据得出以下结论。

1）2组围护结构热传导数值较大，说明围护结构的热传导性能对建筑得、失热影响显著。最冷日失热数值为最热日得热数值的5倍，故需着重考虑冬季围护结构保温，同时兼顾夏季隔热。

2）太阳直射辐射得热在最冷日数值较大，北方气候夏季多雨，故夏季太阳辐射量较冬季低，可考虑冬季利用太阳能，进而降低其他类型能源消耗。

3）冷风渗透失热在最冷日数值较大，其失热量接近围护结构失热量，说明在正房围护结构保温性能良好的情况下，应对门窗等围护结构构件进行处理。

被动组分失热分析显示其分析结果与逐时得、失热结果一致，冬季围护结构失热与冷风渗透所失热量为最主要失热原因，占全年建筑热量损失的72.2%，其中围护结构失热占比最大，占41.9%。

可见，85号古民居正房热工性能较差，围护结构传热系数超过标准要求近1倍，且全年建筑能耗主要集中于冬季，围护结构失热及冷风渗透失热为建筑全年热量损失的主要原因。京西地区地处北方山区，冬季气候寒冷，在设计中需满足建筑保温性能。通过以上分析可知，欲提升正房的保温节能效果，除解决门窗的气密性及各构件的透风漏风问题外，还应提升外墙与屋顶的热工性能，以大幅降低正房全年建筑能耗。

3 外墙热工性能优化设计

根据模拟结果可知，当前传统民居保温节能的薄弱点在于围护结构的热工性能。当前，我国乡村普遍采用外墙外保温技术，虽能提升传统民居的保温节能效果，但对传统民居风貌造成破坏。如图7所示,此三合院内的正房与东厢房未进行保温节能改造，风貌维持原状；西厢房外墙采用外保温技术进行改造，与东厢房相比，传统民居原有风貌被严重破坏。若采用《北京市传统村落修缮技术导则》推荐的外墙内保温技术，虽不会对传统民居风貌造成破坏，但在室内增设保温构造层限制了室内墙面的使用，使墙面无法挂吊重物。当室内湿度较大时易产生结露现象，故此种做法难以推行。针对以上情况，结合传统民居保护先行的特殊性，将夹心墙保温技术应用于传统民居外墙改造中，并结合传统民居外墙原有特点和农村地区的保温材料，提出适宜传统民居外墙改造的夹心墙保温构造做法。该做法既能提升传统民居保温节能效果，又能保持传统民居原有风貌，可广泛应用于破坏严重且需落架大修的二类修缮传统民居和与传统风貌相协调的三类修缮传统民居。

图7 外墙外保温技术在传统民居中的应用

夹心墙由两侧内外叶墙体和中间保温材料构成。外叶墙以传统民居原有青砖为首选，由于传统民居原有青砖可利用数量不多，预估在拆砌过程中亦有损失，因此将仍能达标合格的青砖优先用于夹心墙的外叶墙部分，以延续传统民居风貌。若原有青砖可利用率较低，用仿古青砖代替原有青砖用作改造后夹心墙的外叶墙部分。在农村地区，植物秸秆来源广、造价低，且导热系数极低，是绿色保温材料。以其为原料经过干燥防腐处理后加工的干草板可广泛应用于传统民居外墙。除此之外，调研中发现已进行保温节能改造的传统民居多采用聚苯板作为外墙保温材料。聚苯板分为模塑聚苯板（EPS板）和挤塑聚苯板（XPS板），挤塑聚苯板的抗压性优于模塑聚苯板，但成本略高，常用于屋顶的保温性能优化。外墙保温层对抗压性能要求较低，故选择模塑聚苯板（EPS板），其性价比高，更易于在农村地区推广。

内叶墙材料选用蒸压灰砂砖和蒸压灰砂空心砖。2种材料以砂和石灰为原材料，是目前技术成熟、性能优良的新型节能环保材料。根据以上材料选择，推荐4种夹心墙保温构造做法（见图8）。其中图8a，b做法中，外叶墙为卧砖形式；图8c，d做法中，外叶墙为陡砖形式，可根据不同传统民居外墙形式选择相应的构造做法（见图9）。

图8 4种推荐夹心墙保温构造

图9 卧砖形式和陡砖形式

4 夹心墙保温做法可行性研究

1）外墙热工性能提升 将85号古民居正房按以上4种构造分别进行外墙节能改造，在ECOTECT中替换原有外墙构造层次进行模拟计算，得到改造后外墙传热系数和全年建筑能耗总和。如表4所示，4种方案改造后墙体传热系数均在标准规定限值以内，但其中仅有方案a，b，d全年建筑能耗降低，方案c全年建筑能耗增加。由此可见，并不是外墙的传热系数减小，全年建筑能耗一定下降。对比方案a，b，b较a的传热系数小，节能提升率反而少，说明并非外墙传热系数越小越有利于传统民居建筑的节能。以上4种构造做法中，虽方案a，b，d均可提升正房的节能效果，但在具体选用时，还应考虑传统民居外墙的砌筑方式。

表4 4种夹心保温墙传热系数和全年建筑能耗

2）传统民居风貌延续 85号古民居正房外墙为卧砖形式，故可选用外叶墙同为卧砖形式的构造a和b进行节能改造。上述2种构造的外叶墙相同，故可选择任一种进行改造后建立正房模型，将改造后与改造前的风貌进行对比，如图10所示。对比得知，外墙改造后传统民居的原有风貌得以延续。85号古民居正房按构造a或b进行外墙优化可实现提升保温节能效果与保护传统风貌的双赢目标。同理，构造d同样适用于相应传统民居的外墙优化。

图10 85号古民居正房外墙改造前后风貌对比

5 结语

基于传统村落民居保护优先理念，青砖类传统民居的外墙优化推荐使用夹心墙保温技术并充分利用农村地区特有的绿色材料，提出3种适用于青砖类传统民居节能改造的夹心墙保温构造做法。根据传统民居外墙砌筑方式的不同，选用与之适应的夹心墙构造，既能提升传统民居热工性能，又能与传统民居原有风貌协调，在满足居民诉求的同时延续传统文脉。