徽州传统民居典型外墙热工性能改造优化设计

鲍学芳，胡赛涛

（1.安徽建筑大学 建筑与规划学院，安徽 合肥 230601；2.徽派建筑安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

徽州民居作为徽州传统文化重要的组成部分，是中国地方传统民居重要的文化遗产之一。传统民居因建设年代久远，建筑围护结构热工性能差，急需保护改善。外墙作为建筑重要的围护构件，是建筑能耗损失的主要部位。饶永[1]实测徽州传统民居外墙的平均传热系数为2.66 W/（m2·K），远高于安徽省当地居住建筑节能设计标准中规定的重质结构外墙传热系数1.0 W/（m2·K）（D＞2.5）[2]。本文通过解析徽州传统民居典型外墙构造及其热工性能优化，在不破坏传统建筑风貌、传承原有营造工艺、延续传统民居建筑空间的前提下，寻求适宜改造方法，改善外墙热工性能。

1 徽州地区气候与传统民居室内热环境

徽州地处亚热带湿润季风气候区，按照GB 50352-2005《民用建筑设计通则》，徽州地区属于ⅢB 夏热冬冷热工区[3]。使用Climate Consultant软件对黄山市气候数据进行可视化分析，处理后生成黄山市全年温度范围图（见图1）、焓湿度图（见图2）。由图可知，夏季舒适温度范围为24～27 ℃，而该地区夏季温度普遍高于灰色部分的温度适宜舒适区，原因是夏季太阳高度角大，外墙接受的热辐射多，体感较热；冬季舒适温度范围为20.5～24 ℃，则该地区冬季温度普遍低于舒适区间[4]，原因是冬季空气湿润气温低，体感湿冷，室内外温差大，导致建筑热损失严重，室内平均体感热舒适度偏离正常范围。

图1 黄山市全年温度范围图

图2 黄山市全年湿度图

2 徽州传统民居典型外墙构造特点及改造原则

2.1 徽州传统民居典型外墙构造

徽州传统民居属于穿斗抬梁混合式结构，外墙柱廊两柱之间设置木隔板并与外墙保持5～10 cm间距，相当于增设一层空气间层。该空气间层通过空气的“热升冷降”实现夹层间温度与湿度的“呼吸调节”，此循环过程既能对墙体与木隔板起到很好的隔湿效果，又能提高外墙的热工性能。徽州建筑墙体构造形式多样，按建造材料可分为砖墙、夯土墙、石墙、木板墙；按建筑构造可分为空斗墙与实心墙。徽州传统民居典型外墙主要材料多为青砖、当地黄泥、石灰砂浆、石条、青瓦（见表1）。空斗墙体多以青砖平砌、侧砌或平侧砌交替砌筑形成内部中空墙体，中空墙体内留空腔或空腔内灌注黄泥浆，墙体外侧粉饰石灰砂浆，墙体内侧一般不粉饰，墙基使用石条平砌或青砖实砌，墙顶覆以小青瓦；空斗外墙主要承担建筑外围护结构的功能，只承受自身荷载，不参与结构承重。空斗墙相比于同厚度的实心墙，墙体自重可减少30%～40%[5]，但缺点是整体性差，对地基沉降敏感，只适用于层数少、抗震级别低的民居外墙。综上分析，徽州传统民居外墙由外入内依次为砖砌墙、空气间层与木隔板三层构造（见图3）。

表1 徽州民居外墙常用材料

图3 墙体构造大样图

2.2 典型外墙改造原则

徽州传统民居的改造需遵照相关法律法规的指导。依据安徽省地方标准DB 34/T 5048-2016《徽州传统建筑改造利用技术导则》、DB 34/T 2633-2016《安徽省美丽乡村传统村落保护与利用》，徽州传统民居节能改造利用应最大限度保持传统民居外观原真性和结构构造特点，外墙改造要遵守最大化保护与最小破坏的原则，保持原有墙体外观形象与色彩。若通过附加外墙保温材料、设置垂直通风间层来改善主体围护结构的保温隔热性能，则会破坏徽州建筑的传统风貌，外墙绿化则会破坏传统村落整体风貌。通过剖析徽州传统民居典型外墙构造，针对其特点，增加墙体内保温和“夹芯”保温是适宜的改造策略。

3 典型外墙构造热工性能优化策略

3.1 保温材料的选择

徽州传统民居典型外墙主要有实心墙和空斗墙两种形式。若在空斗墙内填充保温材料，填充物应选择质地轻、密度小、绝热、耐高温、防火、耐水性强的材料，减少对原墙体的荷载。依据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》、DB 34/T 5048-2016《徽州传统建筑改造利用技术导则》等法规筛选符合条件的常用保温材料，得到硅酸铝复合保温涂层、膨胀玻化微珠砂浆、硅酸铝复合保温涂层、无机轻集料保温浆料I 型、聚氨酯颗粒、聚氨酯木质纤维发泡剂等，或研制改性黄泥。改性黄泥以当地黄泥为主要材料，添加炉渣、植物纤维、石灰、减水剂、胶凝材料等，通过合理配比，使其达到优于单一黄泥的材料特性，可作为改善民居外围护结构热工性能的主体材料。以上添加剂材料价格适中，且改性黄泥易施工，不会改变建筑的原真性，便于建筑营造工艺溯源。

3.2 典型外墙构造热工性改善措施

徽州传统建筑外墙热工性能改造采取因地制宜、最大限度保护原有外墙风貌的原则，结合徽州传统建筑外墙的构造特点，考虑材料与构件的保温性能，提出以下改造措施。

措施一：空斗墙空腔灌注新型保温材料

（1）材料选择。无机轻集料保温浆料I 型、聚氨酯颗粒、膨胀玻化微珠砂浆等质地轻、密度小、绝热、保温、耐高温防火、吸水率低、耐水性好的材料或改性黄泥浆。

（2）施工方式。施工方法按照工序，分为“抽、灌、复”3 步，每步具体方法如下：

①布点抽砖：墙体由下至上，横向间隔3 块斗砖，长度约0.9 m；纵向间距3 层砖高，约0.45 m。为保护墙体稳定，纵向抽砖时应交叉错位抽取，每次抽离的水平砖块不得超过5 层，纵向抽空点不得超过2 层。

②灌浆：斗砖抽离后，缓慢匀速灌入新型保温材料，注意控制震动速度和功率，防止震裂墙体。待灌入的改性泥浆凝固并发挥材料性能之后，方可将原抽离砖原位封堵，上层则可继续抽砖灌注。

③封砖还原：待灌入的改性泥浆凝固，材料性能趋于稳定，将抽离的砖块使用原石灰砂浆回砌复位，最后进行墙体的整体风格修正复原（见图4）。

图4 布点抽砖灌浆示意图

措施二：空斗墙墙体内灌注改性黄泥

施工方法参照措施一，将改性黄泥灌入墙体。

措施三：内墙粉刷保温材料

徽州传统民居的内墙多为清水砖墙，未粉刷内墙空隙，存在冷风渗透现象。冷风渗透会加大墙体对流换热的热损失，因此，内墙粉刷保温材料可以有效改善其热工性能。粉刷材料可选前述的改性泥浆，粉刷时调整流动性与和易性，再涂抹粉饰；如需高标准提升外墙热工性能，则可以选用新型无机保温砂浆替换改性黄泥，如膨胀玻化微珠保温砂浆等。

措施四：空气夹层填充及隔板堵缝

针对徽州传统建筑外墙构造特有的空气层，首先为其清理，后添加具有保温性能的填充材料，如聚氨酯木质纤维发泡剂，利用其密度低、导热系数小、施工简便等优点。改造时，在室内侧木质隔板开孔，喷入木质发泡材料，待发泡剂定型后，使用木塞封堵孔洞，复原木质隔板。同时，传统建筑外墙的内侧隔板通常存在拼接缝隙，此时可同步对隔板缝隙进行堵缝处理，以提高墙体气密性，增强其抵抗冷风渗透的能力。材料可选用当地麻丝，刷桐油或木蜡油。

措施五：提高门窗的性能

门窗构件是围护结构保温隔热的薄弱部位。徽州传统民居大多使用木窗，因日晒风蚀变形，以致密闭性差。为保留徽州传统建筑窗格窗型的特色、降低窗户对建筑立面造型的影响，门窗节能改造在新技术新材料方面有一定的局限性，可以对原门窗采取修缮层面的方法，如进行缝隙密封，减少对流传热；置换高性能门窗玻璃提升玻璃热阻，如使用隔热型low-E 玻璃、商品镀膜玻璃或贴膜等。

3.3 墙体热工性能优化验证

3.3.1 模拟软件的选用

斯维尔BECS2020 系统搭载AutoCAD 平台，能够进行建筑节能计算、审查和能耗评估。运行时设置墙体构造参数，选择不同构造或附加不同保温材料进行对比模拟研究，可算得围护结构的传热系数K 值。因斯维尔节能设计BECS2020 软件未录入空斗墙构造，措施四中墙体空腔填保温材料的热阻计算只能通过理论分析与公式计算[6]。

3.3.2 模拟对象及参数的设置

模拟参数中的地理位置选择安徽省黄山市，采用DB 34/1466-2019《安徽省居住建筑节能设计标准》，空斗墙砖块尺寸选择300 mm×150 mm×50 mm，使用三斗一眠砌筑方式，墙外抹石灰砂浆20 mm，墙厚320 mm，外墙与内木质隔板夹层宽100 mm。将该典型外墙设置为对照组，首先，在对照组构造的基础上，分别增加墙体内侧粉刷硅酸铝复合保温涂料、内侧粉刷聚苯颗粒保温浆料、内侧粉刷膨胀玻化微珠保温砂浆等不同保温涂料，模拟对热工性能的影响；其次，在对照组构造基础上改变墙体构造，分别为在墙内侧结构层与木质隔板之间的空气夹层灌入聚氨酯木质纤维发泡材料（均匀充满夹层），在空斗墙内填充无机轻集料保温浆料I 型或聚氨酯颗粒并还原墙体，基于不同空气间层填充材料的，模拟分析其对墙体热工性能（K 值）的影响；最后，在对照组基础上集合多项改造措施，研究墙体综合热工性能的提升效果。模拟材料的热工指标数据来源于GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》[7]和斯维尔材料库，详细数据如表2所示。

表2 常用建筑墙体保温材料热工指标

对墙体传热模型做出合理假设：（1）空斗墙内与墙体与内木隔板间的空气间层为封闭空气间层，其传热过程设为当量化处理；（2）忽略其他砌块之间的接触热阻，且忽略空气层接触部分与搭接砖的热传递；（3）墙体中使用的材料均为内部特性分布均匀材料层[8]。

复合墙体传热系数由改造后墙体热阻计算得出：在空斗墙内填充无机轻集料保温浆料 I 型后的墙体总热阻值R=2.51 （m2·K）/W；在空斗墙内填充聚氨酯颗粒后的总热阻值R=10.49 （m2·K）/W；在空斗墙内填充聚氨酯颗粒同时在墙体与木质隔板之间的空气夹层灌入聚氨酯木质纤维发泡材料，此复合墙体热阻值R=14.24 （m2·K）/W；在空斗墙内填充无机轻集料保温浆料 I 型，并在墙体内侧抹10 mm 硅酸铝复合保温涂料，且向墙体与木质隔板之间灌入木质纤维发泡材料的复合墙墙体总热阻R=6.72 （m2·K）/W。

3.3.3 模拟结论与分析

增加墙体内粉刷材料与模拟对照组的模拟结果数据（见表3），空斗墙墙体构造层填充材料改变后经理论计算得出墙体传热系数K 值数据（见表4）。

表3 基于斯维尔BECS2020 软件输出外墙热工节能改造K 值表

表4 徽州民居外墙空斗墙节能改造墙体K 值计算统计表（单位：厚度mm；K 值W/m2·K；R 值（m2·K）/W）

模拟可信度论证由对照组软件模拟热阻值与实测对照组墙体热阻值对比得出。对照组墙体软件模拟热阻值为0.43 （m2·K）/W，实测热阻值为0.38 （m2·K）/W，相对误差为11%，模拟研究与实际情况数值上可能存在误差，但不影响节能改造效果的客观判断。对比相关规范，经软件模拟计算，墙体内侧粉刷硅酸铝复合保温涂料13 mm，或聚苯颗粒保温浆料35 mm，或膨胀玻化微珠保温砂浆42 mm 后，墙体热工性能达到规定的保温要求；对比使用“夹芯”材料，聚氨酯颗粒比无机轻集料保温浆料 I 型热阻提高3.18 倍，效果显著；在墙体与木隔板之间的夹层填充聚氨酯木质纤维发泡材料，能使墙体热阻值提高至4.36 （m2·K）/W，性能提升明显；模拟发现墙体在内部填充保温材料和空气夹层填充聚氨酯木质纤维发泡材料的前提下，墙体内侧再附加保温层的节能效果提升不再明显。

4 结论与不足

本文通过调查研究徽州传统民居外墙的构造、材料，得出传统民居外墙的典型构造模型，梳理传统民居建筑节能改造的理论，并提出适宜徽州传统民居建筑外墙节能改造的合理措施，借助节能模拟软件进一步论证可行性，为徽州传统民居建筑外墙修缮实践及热工性能优化改造提供参考，为徽州传统民居建筑营造技术的传承、再生和发展提供技术思路。本文的不足之处在于，基于保护传统民居，墙体采用的内保温节能优化策略难以满足“进难出易”的传湿理论，冬季墙体内部可能产生凝结水；其次，徽州传统民居典型墙体的构造模型单一，研究结论难以全面指导民居建筑的节能改造，希望在后续研究中进一步拓展与完善，形成相对系统的徽州传统民居外墙节能改造方法与策略。