徽州傳統(tǒng)民居典型外墻熱工性能改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

鮑學(xué)芳，胡賽濤

（1.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.徽派建筑安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

徽州民居作為徽州傳統(tǒng)文化重要的組成部分，是中國地方傳統(tǒng)民居重要的文化遺產(chǎn)之一。傳統(tǒng)民居因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，急需保護(hù)改善。外墻作為建筑重要的圍護(hù)構(gòu)件，是建筑能耗損失的主要部位。饒永[1]實(shí)測(cè)徽州傳統(tǒng)民居外墻的平均傳熱系數(shù)為2.66 W/（m2·K），遠(yuǎn)高于安徽省當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的重質(zhì)結(jié)構(gòu)外墻傳熱系數(shù)1.0 W/（m2·K）（D＞2.5）[2]。本文通過解析徽州傳統(tǒng)民居典型外墻構(gòu)造及其熱工性能優(yōu)化，在不破壞傳統(tǒng)建筑風(fēng)貌、傳承原有營造工藝、延續(xù)傳統(tǒng)民居建筑空間的前提下，尋求適宜改造方法，改善外墻熱工性能。

1 徽州地區(qū)氣候與傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境

徽州地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，按照GB 50352-2005《民用建筑設(shè)計(jì)通則》，徽州地區(qū)屬于ⅢB 夏熱冬冷熱工區(qū)[3]。使用Climate Consultant軟件對(duì)黃山市氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，處理后生成黃山市全年溫度范圍圖（見圖1）、焓濕度圖（見圖2）。由圖可知，夏季舒適溫度范圍為24～27 ℃，而該地區(qū)夏季溫度普遍高于灰色部分的溫度適宜舒適區(qū)，原因是夏季太陽高度角大，外墻接受的熱輻射多，體感較熱；冬季舒適溫度范圍為20.5～24 ℃，則該地區(qū)冬季溫度普遍低于舒適區(qū)間[4]，原因是冬季空氣濕潤氣溫低，體感濕冷，室內(nèi)外溫差大，導(dǎo)致建筑熱損失嚴(yán)重，室內(nèi)平均體感熱舒適度偏離正常范圍。

圖1 黃山市全年溫度范圍圖

圖2 黃山市全年濕度圖

2 徽州傳統(tǒng)民居典型外墻構(gòu)造特點(diǎn)及改造原則

2.1 徽州傳統(tǒng)民居典型外墻構(gòu)造

徽州傳統(tǒng)民居屬于穿斗抬梁混合式結(jié)構(gòu)，外墻柱廊兩柱之間設(shè)置木隔板并與外墻保持5～10 cm間距，相當(dāng)于增設(shè)一層空氣間層。該空氣間層通過空氣的“熱升冷降”實(shí)現(xiàn)夾層間溫度與濕度的“呼吸調(diào)節(jié)”，此循環(huán)過程既能對(duì)墻體與木隔板起到很好的隔濕效果，又能提高外墻的熱工性能?；罩萁ㄖw構(gòu)造形式多樣，按建造材料可分為磚墻、夯土墻、石墻、木板墻；按建筑構(gòu)造可分為空斗墻與實(shí)心墻。徽州傳統(tǒng)民居典型外墻主要材料多為青磚、當(dāng)?shù)攸S泥、石灰砂漿、石條、青瓦（見表1）?？斩穳w多以青磚平砌、側(cè)砌或平側(cè)砌交替砌筑形成內(nèi)部中空墻體，中空墻體內(nèi)留空腔或空腔內(nèi)灌注黃泥漿，墻體外側(cè)粉飾石灰砂漿，墻體內(nèi)側(cè)一般不粉飾，墻基使用石條平砌或青磚實(shí)砌，墻頂覆以小青瓦；空斗外墻主要承擔(dān)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，只承受自身荷載，不參與結(jié)構(gòu)承重?？斩穳ο啾扔谕穸鹊膶?shí)心墻，墻體自重可減少30%～40%[5]，但缺點(diǎn)是整體性差，對(duì)地基沉降敏感，只適用于層數(shù)少、抗震級(jí)別低的民居外墻。綜上分析，徽州傳統(tǒng)民居外墻由外入內(nèi)依次為磚砌墻、空氣間層與木隔板三層構(gòu)造（見圖3）。

表1 徽州民居外墻常用材料

圖3 墻體構(gòu)造大樣圖

2.2 典型外墻改造原則

徽州傳統(tǒng)民居的改造需遵照相關(guān)法律法規(guī)的指導(dǎo)。依據(jù)安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 34/T 5048-2016《徽州傳統(tǒng)建筑改造利用技術(shù)導(dǎo)則》、DB 34/T 2633-2016《安徽省美麗鄉(xiāng)村傳統(tǒng)村落保護(hù)與利用》，徽州傳統(tǒng)民居節(jié)能改造利用應(yīng)最大限度保持傳統(tǒng)民居外觀原真性和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，外墻改造要遵守最大化保護(hù)與最小破壞的原則，保持原有墻體外觀形象與色彩。若通過附加外墻保溫材料、設(shè)置垂直通風(fēng)間層來改善主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，則會(huì)破壞徽州建筑的傳統(tǒng)風(fēng)貌，外墻綠化則會(huì)破壞傳統(tǒng)村落整體風(fēng)貌。通過剖析徽州傳統(tǒng)民居典型外墻構(gòu)造，針對(duì)其特點(diǎn)，增加墻體內(nèi)保溫和“夾芯”保溫是適宜的改造策略。

3 典型外墻構(gòu)造熱工性能優(yōu)化策略

3.1 保溫材料的選擇

徽州傳統(tǒng)民居典型外墻主要有實(shí)心墻和空斗墻兩種形式。若在空斗墻內(nèi)填充保溫材料，填充物應(yīng)選擇質(zhì)地輕、密度小、絕熱、耐高溫、防火、耐水性強(qiáng)的材料，減少對(duì)原墻體的荷載。依據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》、DB 34/T 5048-2016《徽州傳統(tǒng)建筑改造利用技術(shù)導(dǎo)則》等法規(guī)篩選符合條件的常用保溫材料，得到硅酸鋁復(fù)合保溫涂層、膨脹玻化微珠砂漿、硅酸鋁復(fù)合保溫涂層、無機(jī)輕集料保溫漿料I 型、聚氨酯顆粒、聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡劑等，或研制改性黃泥。改性黃泥以當(dāng)?shù)攸S泥為主要材料，添加爐渣、植物纖維、石灰、減水劑、膠凝材料等，通過合理配比，使其達(dá)到優(yōu)于單一黃泥的材料特性，可作為改善民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的主體材料。以上添加劑材料價(jià)格適中，且改性黃泥易施工，不會(huì)改變建筑的原真性，便于建筑營造工藝溯源。

3.2 典型外墻構(gòu)造熱工性改善措施

徽州傳統(tǒng)建筑外墻熱工性能改造采取因地制宜、最大限度保護(hù)原有外墻風(fēng)貌的原則，結(jié)合徽州傳統(tǒng)建筑外墻的構(gòu)造特點(diǎn)，考慮材料與構(gòu)件的保溫性能，提出以下改造措施。

措施一：空斗墻空腔灌注新型保溫材料

（1）材料選擇。無機(jī)輕集料保溫漿料I 型、聚氨酯顆粒、膨脹玻化微珠砂漿等質(zhì)地輕、密度小、絕熱、保溫、耐高溫防火、吸水率低、耐水性好的材料或改性黃泥漿。

（2）施工方式。施工方法按照工序，分為“抽、灌、復(fù)”3 步，每步具體方法如下：

①布點(diǎn)抽磚：墻體由下至上，橫向間隔3 塊斗磚，長度約0.9 m；縱向間距3 層磚高，約0.45 m。為保護(hù)墻體穩(wěn)定，縱向抽磚時(shí)應(yīng)交叉錯(cuò)位抽取，每次抽離的水平磚塊不得超過5 層，縱向抽空點(diǎn)不得超過2 層。

②灌漿：斗磚抽離后，緩慢勻速灌入新型保溫材料，注意控制震動(dòng)速度和功率，防止震裂墻體。待灌入的改性泥漿凝固并發(fā)揮材料性能之后，方可將原抽離磚原位封堵，上層則可繼續(xù)抽磚灌注。

③封磚還原：待灌入的改性泥漿凝固，材料性能趨于穩(wěn)定，將抽離的磚塊使用原石灰砂漿回砌復(fù)位，最后進(jìn)行墻體的整體風(fēng)格修正復(fù)原（見圖4）。

圖4 布點(diǎn)抽磚灌漿示意圖

措施二：空斗墻墻體內(nèi)灌注改性黃泥

施工方法參照措施一，將改性黃泥灌入墻體。

措施三：內(nèi)墻粉刷保溫材料

徽州傳統(tǒng)民居的內(nèi)墻多為清水磚墻，未粉刷內(nèi)墻空隙，存在冷風(fēng)滲透現(xiàn)象。冷風(fēng)滲透會(huì)加大墻體對(duì)流換熱的熱損失，因此，內(nèi)墻粉刷保溫材料可以有效改善其熱工性能。粉刷材料可選前述的改性泥漿，粉刷時(shí)調(diào)整流動(dòng)性與和易性，再涂抹粉飾；如需高標(biāo)準(zhǔn)提升外墻熱工性能，則可以選用新型無機(jī)保溫砂漿替換改性黃泥，如膨脹?；⒅楸厣皾{等。

措施四：空氣夾層填充及隔板堵縫

針對(duì)徽州傳統(tǒng)建筑外墻構(gòu)造特有的空氣層，首先為其清理，后添加具有保溫性能的填充材料，如聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡劑，利用其密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。改造時(shí)，在室內(nèi)側(cè)木質(zhì)隔板開孔，噴入木質(zhì)發(fā)泡材料，待發(fā)泡劑定型后，使用木塞封堵孔洞，復(fù)原木質(zhì)隔板。同時(shí)，傳統(tǒng)建筑外墻的內(nèi)側(cè)隔板通常存在拼接縫隙，此時(shí)可同步對(duì)隔板縫隙進(jìn)行堵縫處理，以提高墻體氣密性，增強(qiáng)其抵抗冷風(fēng)滲透的能力。材料可選用當(dāng)?shù)芈榻z，刷桐油或木蠟油。

措施五：提高門窗的性能

門窗構(gòu)件是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的薄弱部位?；罩輦鹘y(tǒng)民居大多使用木窗，因日曬風(fēng)蝕變形，以致密閉性差。為保留徽州傳統(tǒng)建筑窗格窗型的特色、降低窗戶對(duì)建筑立面造型的影響，門窗節(jié)能改造在新技術(shù)新材料方面有一定的局限性，可以對(duì)原門窗采取修繕層面的方法，如進(jìn)行縫隙密封，減少對(duì)流傳熱；置換高性能門窗玻璃提升玻璃熱阻，如使用隔熱型low-E 玻璃、商品鍍膜玻璃或貼膜等。

3.3 墻體熱工性能優(yōu)化驗(yàn)證

3.3.1 模擬軟件的選用

斯維爾BECS2020 系統(tǒng)搭載AutoCAD 平臺(tái)，能夠進(jìn)行建筑節(jié)能計(jì)算、審查和能耗評(píng)估。運(yùn)行時(shí)設(shè)置墻體構(gòu)造參數(shù)，選擇不同構(gòu)造或附加不同保溫材料進(jìn)行對(duì)比模擬研究，可算得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K 值。因斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)BECS2020 軟件未錄入空斗墻構(gòu)造，措施四中墻體空腔填保溫材料的熱阻計(jì)算只能通過理論分析與公式計(jì)算[6]。

3.3.2 模擬對(duì)象及參數(shù)的設(shè)置

模擬參數(shù)中的地理位置選擇安徽省黃山市，采用DB 34/1466-2019《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，空斗墻磚塊尺寸選擇300 mm×150 mm×50 mm，使用三斗一眠砌筑方式，墻外抹石灰砂漿20 mm，墻厚320 mm，外墻與內(nèi)木質(zhì)隔板夾層寬100 mm。將該典型外墻設(shè)置為對(duì)照組，首先，在對(duì)照組構(gòu)造的基礎(chǔ)上，分別增加墻體內(nèi)側(cè)粉刷硅酸鋁復(fù)合保溫涂料、內(nèi)側(cè)粉刷聚苯顆粒保溫漿料、內(nèi)側(cè)粉刷膨脹?；⒅楸厣皾{等不同保溫涂料，模擬對(duì)熱工性能的影響；其次，在對(duì)照組構(gòu)造基礎(chǔ)上改變墻體構(gòu)造，分別為在墻內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)層與木質(zhì)隔板之間的空氣夾層灌入聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡材料（均勻充滿夾層），在空斗墻內(nèi)填充無機(jī)輕集料保溫漿料I 型或聚氨酯顆粒并還原墻體，基于不同空氣間層填充材料的，模擬分析其對(duì)墻體熱工性能（K 值）的影響；最后，在對(duì)照組基礎(chǔ)上集合多項(xiàng)改造措施，研究墻體綜合熱工性能的提升效果。模擬材料的熱工指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和斯維爾材料庫，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 常用建筑墻體保溫材料熱工指標(biāo)

對(duì)墻體傳熱模型做出合理假設(shè)：（1）空斗墻內(nèi)與墻體與內(nèi)木隔板間的空氣間層為封閉空氣間層，其傳熱過程設(shè)為當(dāng)量化處理；（2）忽略其他砌塊之間的接觸熱阻，且忽略空氣層接觸部分與搭接磚的熱傳遞；（3）墻體中使用的材料均為內(nèi)部特性分布均勻材料層[8]。

復(fù)合墻體傳熱系數(shù)由改造后墻體熱阻計(jì)算得出：在空斗墻內(nèi)填充無機(jī)輕集料保溫漿料 I 型后的墻體總熱阻值R=2.51 （m2·K）/W；在空斗墻內(nèi)填充聚氨酯顆粒后的總熱阻值R=10.49 （m2·K）/W；在空斗墻內(nèi)填充聚氨酯顆粒同時(shí)在墻體與木質(zhì)隔板之間的空氣夾層灌入聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡材料，此復(fù)合墻體熱阻值R=14.24 （m2·K）/W；在空斗墻內(nèi)填充無機(jī)輕集料保溫漿料 I 型，并在墻體內(nèi)側(cè)抹10 mm 硅酸鋁復(fù)合保溫涂料，且向墻體與木質(zhì)隔板之間灌入木質(zhì)纖維發(fā)泡材料的復(fù)合墻墻體總熱阻R=6.72 （m2·K）/W。

3.3.3 模擬結(jié)論與分析

增加墻體內(nèi)粉刷材料與模擬對(duì)照組的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)（見表3），空斗墻墻體構(gòu)造層填充材料改變后經(jīng)理論計(jì)算得出墻體傳熱系數(shù)K 值數(shù)據(jù)（見表4）。

表3 基于斯維爾BECS2020 軟件輸出外墻熱工節(jié)能改造K 值表

表4 徽州民居外墻空斗墻節(jié)能改造墻體K 值計(jì)算統(tǒng)計(jì)表（單位：厚度mm；K 值W/m2·K；R 值（m2·K）/W）

模擬可信度論證由對(duì)照組軟件模擬熱阻值與實(shí)測(cè)對(duì)照組墻體熱阻值對(duì)比得出。對(duì)照組墻體軟件模擬熱阻值為0.43 （m2·K）/W，實(shí)測(cè)熱阻值為0.38 （m2·K）/W，相對(duì)誤差為11%，模擬研究與實(shí)際情況數(shù)值上可能存在誤差，但不影響節(jié)能改造效果的客觀判斷。對(duì)比相關(guān)規(guī)范，經(jīng)軟件模擬計(jì)算，墻體內(nèi)側(cè)粉刷硅酸鋁復(fù)合保溫涂料13 mm，或聚苯顆粒保溫漿料35 mm，或膨脹?；⒅楸厣皾{42 mm 后，墻體熱工性能達(dá)到規(guī)定的保溫要求；對(duì)比使用“夾芯”材料，聚氨酯顆粒比無機(jī)輕集料保溫漿料 I 型熱阻提高3.18 倍，效果顯著；在墻體與木隔板之間的夾層填充聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡材料，能使墻體熱阻值提高至4.36 （m2·K）/W，性能提升明顯；模擬發(fā)現(xiàn)墻體在內(nèi)部填充保溫材料和空氣夾層填充聚氨酯木質(zhì)纖維發(fā)泡材料的前提下，墻體內(nèi)側(cè)再附加保溫層的節(jié)能效果提升不再明顯。

4 結(jié)論與不足

本文通過調(diào)查研究徽州傳統(tǒng)民居外墻的構(gòu)造、材料，得出傳統(tǒng)民居外墻的典型構(gòu)造模型，梳理傳統(tǒng)民居建筑節(jié)能改造的理論，并提出適宜徽州傳統(tǒng)民居建筑外墻節(jié)能改造的合理措施，借助節(jié)能模擬軟件進(jìn)一步論證可行性，為徽州傳統(tǒng)民居建筑外墻修繕實(shí)踐及熱工性能優(yōu)化改造提供參考，為徽州傳統(tǒng)民居建筑營造技術(shù)的傳承、再生和發(fā)展提供技術(shù)思路。本文的不足之處在于，基于保護(hù)傳統(tǒng)民居，墻體采用的內(nèi)保溫節(jié)能優(yōu)化策略難以滿足“進(jìn)難出易”的傳濕理論，冬季墻體內(nèi)部可能產(chǎn)生凝結(jié)水；其次，徽州傳統(tǒng)民居典型墻體的構(gòu)造模型單一，研究結(jié)論難以全面指導(dǎo)民居建筑的節(jié)能改造，希望在后續(xù)研究中進(jìn)一步拓展與完善，形成相對(duì)系統(tǒng)的徽州傳統(tǒng)民居外墻節(jié)能改造方法與策略。