基于紅外熱像儀對傳統(tǒng)民居的節(jié)能保溫性能分析
——以北京南鑼鼓巷雨兒胡同為例

馬欣，姜全成，鄭天

（1北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144；2北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045）

1 紅外熱像儀技術(shù)及其在建筑節(jié)能研究中的應(yīng)用

紅外熱像儀（Infrared Thermal Camera）是一種利用紅外熱成像技術(shù)，探測目標(biāo)物發(fā)出的紅外輻射能量，然后經(jīng)過信號處理、光電轉(zhuǎn)換等，將目標(biāo)溫度分布的圖像轉(zhuǎn)換成可視圖像的設(shè)備。紅外熱成像科技最開始運(yùn)用于軍事，后逐漸轉(zhuǎn)為民用。主要用于研發(fā)或工業(yè)檢測與設(shè)備維護(hù)中，在防火、夜視以及安防中也有廣泛應(yīng)用。紅外熱像儀可以將實(shí)際探測的熱量進(jìn)行精確地量化，以圖像的形式呈現(xiàn)，而且能通過軟件分析不同區(qū)域溫度趨勢和獲得特定點(diǎn)的具體溫度值。由于其工作原理的高效性和易操作性，也常用于建筑節(jié)能檢測?？梢杂脕矸治鼋ㄖ骋徊课皇欠裼腥毕?，影響保溫節(jié)能性能；也可運(yùn)用于分析建筑不同部位和構(gòu)件的保溫性能差異以及其連接處是否密封良好。

由于建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能不同，在冬季通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量流失也會不同，在同一個(gè)室內(nèi)外溫差下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同部位內(nèi)外表面溫差不同。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中構(gòu)件由于內(nèi)部有缺陷或不同構(gòu)件之間的連接處存在密封缺陷，會導(dǎo)致局部散熱量較高，繼而嚴(yán)重影響保溫性能，導(dǎo)致局部表面溫度的差異。利用紅外熱像儀可以清晰地拍攝到整個(gè)建筑外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度值分布情況，從而分析判斷各構(gòu)件及構(gòu)件連接處的散熱情況，分析其保溫節(jié)能性能。

此次研究是利用紅外熱像儀，對歷史街區(qū)傳統(tǒng)民居建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能進(jìn)行分析和研究。由于傳統(tǒng)民居建設(shè)已久，而且在居住的過程中有居民自發(fā)的改造和建設(shè)，情況十分復(fù)雜，建筑的保溫性能和節(jié)能要求也很難滿足原住民對生活質(zhì)量的需求，同時(shí)也無法滿足現(xiàn)行節(jié)能相關(guān)規(guī)范。本次研究以北京南鑼鼓巷雨兒胡同為例，對胡同內(nèi)四合院的建筑進(jìn)行了紅外熱像儀的拍攝和分析。

2 北京南鑼鼓巷雨兒胡同概況

南鑼鼓巷是北京市最古老的街區(qū)之一，位于北京北區(qū)中軸東側(cè)，與元大都同時(shí)建成，至今已有700多年的歷史。該區(qū)域占地面積約84hm2，南鑼鼓巷南北長約786m，將片區(qū)分為東西兩部分，并以此為主干呈現(xiàn)出魚骨式的街巷布局。雨兒胡同是位于南鑼鼓巷西邊南側(cè)的第三條胡同，西端是拐棒胡同，東端是東棉花胡同。雨兒胡同內(nèi)有齊白石舊居紀(jì)念館、值年旗衙門和達(dá)貝子府等歷史建筑，一共有30多個(gè)院子。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，在1976年唐山大地震之后，舊城的四合院內(nèi)搭建了大量的抗震棚，后來這些抗震棚變成了居民的儲物間和廚房。隨著人口增長和擴(kuò)大居住空間的需求引起的住房短缺誘發(fā)了傳統(tǒng)四合院物質(zhì)空間形態(tài)的改變，四合院大量發(fā)生衰敗，居民大量的無序加建使得四合院成為了破敗的大雜院。同樣，雨兒胡同四合院內(nèi)也有著不同時(shí)期不同質(zhì)量的建筑?，F(xiàn)在的雨兒胡同，居民居住的建筑大多較為陳舊雜亂，有的建筑經(jīng)過居民自己更換門窗和簡易修繕，有的建筑還保留了上世紀(jì)70-80年代的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有的建筑外立面之外進(jìn)行了簡易搭建。

就外圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)在雨兒胡同的四合院建筑大致分為兩類，一是四合院原始建筑，二是院內(nèi)加建建筑。原始建筑有著傳統(tǒng)的坡屋頂，墻體陳舊，窗戶多為原木窗框內(nèi)裝有單層玻璃，多為木門。加建建筑形式多樣，有的是連接著原始建筑，有的是在院內(nèi)單獨(dú)修建，多為平屋頂，紅磚墻體，門窗材料和形式多樣，年代不一。

3 雨兒胡同典型民居保溫性能測試與分析

3.1 測試儀器與時(shí)間

測試儀器為紅外熱成像儀（型號：FLIR T460）。FLIR T460紅外熱像儀的紅外分辨率為320×240像素，視場角(FOV)/最短焦距25°×19°/0.4m；空間分辨率（IFOV）為1.39mrad，測試時(shí)間為2019年1月10日，當(dāng)天天氣為多云間陰天，所測的所有建筑立面均沒有接受到太陽光直射，建筑外立面不受太陽輻射影響。測試日的測試時(shí)間室外平均溫度-5℃。該區(qū)域建筑沒有集中供暖，有人居住的房間均為空調(diào)獨(dú)立采暖，室內(nèi)溫度一般為16℃-20℃。無人居住的房屋不采暖，室內(nèi)溫度接近-5℃。

3.2 測試樣本分類

根據(jù)雨兒胡同內(nèi)建筑現(xiàn)狀，本次研究將建筑分為4類。第一類是傳統(tǒng)民居四合院建筑，保留著建筑坡屋頂和青磚墻體，經(jīng)過修繕的門窗和建筑形式相呼應(yīng)，如7號院正房建筑。建筑的門窗都保留了原有建筑的形制，開窗面積比較大，采用木材窗框和單層玻璃。部分住戶出于安全原因，安裝上了鋼防護(hù)網(wǎng)（如圖1）。

第二類是保留著傳統(tǒng)建筑的結(jié)構(gòu)主體，較大面積更換建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由于居民未能掌握專業(yè)知識，往往造成新舊構(gòu)件之間差異巨大，對比強(qiáng)烈。如14號院內(nèi)的南向正房，建筑雖然保留著原有的建筑結(jié)構(gòu)，但居民將整個(gè)建筑南立面原構(gòu)件拆除替換上白色塑鋼門窗組合。新的建筑立面和原有建筑風(fēng)貌格格不入，但開窗面積、比例等均符合原有建筑形制（如圖2）。

圖1 7號院正房

圖2 14號院內(nèi)的南向正房

第三類是院內(nèi)質(zhì)量較好的加建建筑，這類建筑多為單獨(dú)修建在院內(nèi)，建筑形式簡單，多為平屋頂，砌體結(jié)構(gòu)水泥砂漿抹面的單層或兩層建筑；功能上多為居住使用。這類建筑是歷史進(jìn)程和社會發(fā)展過程中的產(chǎn)物，雖然有一定的價(jià)值和意義，但與傳統(tǒng)四合院民居風(fēng)貌不相融合（如圖3）。

圖3 質(zhì)量較好的加建建筑

第四類是院內(nèi)質(zhì)量較差加建建筑，這類建筑形式功能多樣，有的是貼附于原有建筑加建，有的是在院內(nèi)單獨(dú)修建；在功能上多作為儲藏室和廚房。無論是出于對于建筑風(fēng)貌的整治還是出于居民使用的安全性，這類建筑都是急需修整或建議拆除。第四類建筑本次不作為測試研究的范圍（如圖4）。

圖4 質(zhì)量較差加建建筑

本次測試研究根據(jù)上述分類在雨兒胡同中，選擇20個(gè)院落的建筑進(jìn)行測試，（雨兒胡同院落分布圖如圖5）每個(gè)院落對主要建筑進(jìn)行正立面的拍攝測試，對于有第四類加建的建筑以及由于加建過于緊密導(dǎo)致建筑外立面前無空間的建筑不進(jìn)行測試研究。

圖5 雨兒胡同院落分布圖

3.3 建筑立面保溫性能分析

第一類保留傳統(tǒng)形式與材料的建筑在雨兒胡同所有建筑中的占比最高。這類建筑雖也經(jīng)過改造或加建，但是使用了基本與原有建筑同樣的材料。其建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本上采用的是240或370厚灰磚墻，外窗為木框單層玻璃窗。

以7號院正房建筑為例，對建筑的轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測試。測試時(shí)，室內(nèi)溫度為18℃，室外氣溫為-8℃。熱成像圖中顏色越深的地方，外表面溫度越低，與室外氣溫越接近，證明圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量散失最小；反之，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量散失越大。由圖6可以看出，熱成像圖顏色在窗玻璃處最亮，證明窗玻璃處的外表面溫度最高，最高處Sp1點(diǎn)達(dá)到了-1.4℃，其散熱量最大，為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫最薄弱環(huán)節(jié)。同為薄弱環(huán)節(jié)的是窗頂與屋檐下，此處連接部位由于屋架與墻體的連接未能緊密聯(lián)系，從而導(dǎo)致冷橋的產(chǎn)生。在圖中兩墻交角處也出現(xiàn)了溫度較高的區(qū)域。對于砌體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處，一般由于厚度增加，保溫性能應(yīng)該較好，但此處較差，究其原因，主要是因?yàn)閮刹糠植皇墙y(tǒng)一建造，轉(zhuǎn)角處相當(dāng)于貼建，磚并未互相咬接，隨著時(shí)間推移，墻體產(chǎn)生變形導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，有些裂縫并非肉眼可見，但卻成了熱量散失的主要途徑。在圖中外表面溫度最低的位置在陽角的轉(zhuǎn)角窗臺處Sp2點(diǎn)，從建筑構(gòu)造而言，此處是墻體加厚了120mm作為窗臺，充分說明了砌體墻的厚度可以有效改善保溫性能。

第二類建筑是傳統(tǒng)建筑的立面經(jīng)過較大的修繕，居民將原有的建筑立面拆掉更換為新型材料，改變了傳統(tǒng)四合院建筑的基本風(fēng)貌，這類建筑數(shù)量相對較少。本次以14號院正房為例進(jìn)行了紅外熱像儀拍攝分析。該建筑將整個(gè)南立面更換成白色塑鋼的組合門窗，開窗面積較大，窗墻比約0.7。門口處安裝布簾以防止人進(jìn)出時(shí)室內(nèi)熱量散失。測試時(shí)，室內(nèi)溫度為15℃，室外氣溫為-8.5℃。通過圖7熱成像圖可以看出，Sp2點(diǎn)保溫布簾處的顏色最深與室外溫度相近為-8.4℃，充分證明此處由于建筑門外增加的棉布簾有效改善的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱，由于布簾其材料的特殊性，使得此處保溫性能得以提升。圖7中可以明顯看出建筑玻璃部分顏色都較亮，其中Sp1點(diǎn)門上護(hù)窗玻璃處最亮，該處溫度最高，通過的散熱量最大，右側(cè)窗戶玻璃部分的溫度與Sp3點(diǎn)處-4.2℃接近，這說明該建筑玻璃的保溫性能差；通過現(xiàn)場觀察測量，建筑立面的玻璃均為單層玻璃，保溫隔熱性能都較差。但同樣的玻璃在門上散熱量大于在窗的位置，主要原因是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)門上玻璃處沒有其它設(shè)施，而窗的位置內(nèi)有一層紗窗，同時(shí)設(shè)有一部分窗簾，由此數(shù)據(jù)可知，適當(dāng)?shù)牟牧系慕M合，可以在一定程度上改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能。圖7中窗框門框部分的熱成像圖顏色與玻璃的近似，說明新材料的門窗框保溫性能也較差。新型材料具有很多傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如更加容易加工，更加的輕盈，相比傳統(tǒng)材料更結(jié)實(shí)、便宜等，但正確地選擇新型材料至關(guān)重要，除了考慮美觀和價(jià)格還需要結(jié)合保溫隔熱等物理因素進(jìn)行選擇。

第三類建筑為四合院內(nèi)的質(zhì)量較好的加建建筑，這類建筑數(shù)量較多，建筑形式和功能各異，本文以29號院內(nèi)東側(cè)的兩層加建建筑為例分析研究。調(diào)研時(shí)段建筑室內(nèi)溫度17℃，室外溫度-8.2℃，建筑一層為居住功能，二層為儲藏室。通過圖8的熱成像圖可以看到建筑的墻體部分顏色較深，外表面溫度較低，Sp3處的溫度為-3℃，則可以推斷出通過墻體的熱量散失少，建筑墻體的保溫隔熱性能良好。通過調(diào)研觀察也可以看到墻體結(jié)構(gòu)完整，水泥砂漿抹面沒有明顯裂痕等。圖8熱成像圖中門窗都是高亮區(qū)域，說明門窗部分的熱量散失較大，圖中Sp1處的溫度為4.9℃，Sp2處的溫度為1.8℃，門窗的外側(cè)面溫度與室外空氣溫度相差很大，因此這類建筑通過門窗處產(chǎn)生了很多的能源浪費(fèi)。此外門窗安裝縫隙處的顏色最亮，溫度最高，熱量散失也最多。通過對幾個(gè)院落的加建建筑的測量結(jié)果的分析得出結(jié)論：影響質(zhì)量較好的加建建筑的保溫性能的主要因素是建筑門窗安裝質(zhì)量和門窗本身的保溫性能。

圖6 7號院正房建筑熱成像圖

圖7 14號院正房熱成像圖

圖8 29號院內(nèi)東側(cè)兩層建筑熱成像圖

通過對雨兒胡同內(nèi)不同建筑現(xiàn)狀和各類建筑的紅外熱成像圖分析可以發(fā)現(xiàn)：雨兒胡同內(nèi)傳統(tǒng)民居以及加建建筑的保溫隔熱性能相對于居住質(zhì)量的要求和現(xiàn)行的節(jié)能要求均有較大差距。各種建筑隨著時(shí)間的發(fā)展都或多或少地經(jīng)過原住居民的修繕和整改，但由于缺乏專業(yè)知識和技能，都未能實(shí)質(zhì)性地提高居住質(zhì)量。主要問題集中在門窗的保溫性能、門窗的安裝施工質(zhì)量和墻體間連接處的縫隙。與之同時(shí)，居民自發(fā)的改善方式對圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱問題和建筑的美觀性有一定的改善。

3.4 基于傳統(tǒng)民居改造的建議

傳統(tǒng)民居改造的重點(diǎn)是在保護(hù)傳統(tǒng)民居風(fēng)貌的基礎(chǔ)上提高居民的居住質(zhì)量，改善房屋的節(jié)能性能。其改造方案宜根據(jù)建筑的現(xiàn)狀特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)別對待，不宜千篇一律。

針對第一、二類保留的傳統(tǒng)民居建筑應(yīng)在最大可能保護(hù)現(xiàn)狀風(fēng)貌的基礎(chǔ)上對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限更改。這類建筑最主要的問題是門窗問題，對于立面門窗的選擇，一方面在材料和色彩上需要與原有建筑相搭配，另一方面需要提高其保溫性能。應(yīng)優(yōu)先選擇雙層中空玻璃或三層中空玻璃，窗框建議使用鋁木復(fù)合型材，開窗方式為外平開，提高氣密性，外面為木制形式，保持了傳統(tǒng)風(fēng)貌。針對造價(jià)較高的問題，可以采用雙層窗，現(xiàn)有木制單玻外平開窗僅進(jìn)行飾面裝飾，內(nèi)部新增一層塑鋼推拉窗，同時(shí)兼顧了保溫性能和價(jià)格因素。對于現(xiàn)有部分轉(zhuǎn)角處和新舊銜接處的構(gòu)造問題，可以采用加厚轉(zhuǎn)角的做法，結(jié)合立面形體，在轉(zhuǎn)角處和冷橋處增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度來改善保溫性能。

對于第三、四類加建的建筑，需要結(jié)合現(xiàn)居民的實(shí)際情況進(jìn)行評估，對于建筑質(zhì)量較差的嚴(yán)重影響整體風(fēng)貌的加建建筑建議拆除，恢復(fù)傳統(tǒng)四合院的布局。對于建筑質(zhì)量較好且現(xiàn)有人居住的建筑應(yīng)更換保溫性能好的門窗，同時(shí)對加厚墻體，采用夾芯墻的方式，既保證了外立面的傳統(tǒng)風(fēng)格效果，又引入保溫性能好的材料有效改善外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。與之同時(shí)，改變現(xiàn)有門窗的安裝縫隙的密閉性，門窗的安裝盡量采用副框安裝，提高連接的緊密性。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)民居由于涉及多方面而存在改造困難的情況，同時(shí)也是由于影響因素過多，導(dǎo)致改造時(shí)不知從何下手。本文以雨兒胡同部分民居節(jié)能保溫性能分析為例，探尋其主要矛盾。而實(shí)際在民居改造中，要針對每一個(gè)建筑進(jìn)行詳細(xì)測試，尋找問題，才能有針對性地改善節(jié)能性能。與之同時(shí)還要充分發(fā)揮居民的主觀能動性，根據(jù)居民生活習(xí)慣的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)施工上，為居民懸掛外門簾、窗簾等構(gòu)件留有條件，也可以為持續(xù)改善節(jié)能性能提供基礎(chǔ)條件。只有建立從測試分析到全壽命設(shè)計(jì)的觀念，才能真正改善傳統(tǒng)民居的節(jié)能性能，也才能真正改善居民生活條件。