皖南民居墙体热工性能的计算分析*

邸 芃，汪珍珍

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054)

0 引言

随着全球性能源危机和环境问题的出现，以及生态节能理念的提出，建筑作为能源消耗的重要行业对资源的消耗巨大，为了缓解世界能源紧张的现状，建筑的节能开始受到广泛的重视。王伟认为建筑在设计和建筑开发过程中应做到合理利用材料和相关技术来创造节能环保的生态建筑［1］;顾天舒等人指出建筑节能的核心就是对建筑物的围护结构以及采暖系统进行革新［2］。而在围护结构中，根据相关统计，其各个部位散热比例为:墙体结构的热损失占60% ～70%;门窗的热损失约占20% ～30%;屋面的热损失约占10%;可见，加强对建筑物外墙围护结构节能的研究，对于社会能耗和建筑能耗的降低具有非常重要的意义。而对墙体节能的研究，就必须从墙体的热工性能出发。

传统民居较现代建筑充分诠释了当今提出的生态节能理念，通过独特的围护构造及材料等方面营造了良好的室内热环境。近年来，越来越多的学者将研究转移到传统建筑上。邸芃等人从外围护结构、采暖系统和太阳能的利用3方面探讨了适应于新农村住宅的草砖建筑的节能技术及相应的保温隔热措施［3］;梁锐等人针对西北乡村住宅节能提出了草砖墙体，稻草铺设屋顶等适宜性技术手段，并与传统住宅比较来验证生态适宜技术的有效性［4］;赵西平等人对云南传统民居与当地生态环境关系进行研究，并对新建民居出现的问题进行了分析并提出改进意见［5］;张群等人针对乡村民居利用现代建筑技术，提出适合地方特点的太阳能被动利用设计方案，并在生态民居设计中进行了实践探索［6］;杨定海等人对海南岛传统建筑空间形态进行了探析，并总结了其形态分异的特点［7］;陈湛等人从传统民居的用材、保温隔热、自然通风、太阳能利用与遮阳等几个方面分析了中国传统民居中的被动节能技术［8］;杨祖贵等人研究了传统乡土材料的围护结构的热工性能，指出对乡土材料以现代构造技术改进，更能适应现代建筑节能环保的要求［9］。

吴桢楠从适宜现代生活的角度审视皖南传统村落的保护与更新［10］;由清华大学建筑学院和安徽建筑工业学院合作对皖南传统民居室内热环境进行实测及DeST数值模拟分析，发现民居在夏季较热的室外环境下仍具有良好的室内热舒适条件的主要原因之一是采用热惯性小、隔热作用好的空斗墙和屋顶［11］;陈晓杨等人通过CFD模拟软件以及实测的方法，对皖南民居过渡性季节的室内环境研究发现，其防热性能好，而保温性能差也与空斗墙的构造有关［12］。滕明邑通过软件模拟以及实验的方法对村镇空斗墙的性能及节能技术进行了研究，提出空斗墙内填充加外保温情况下的保温隔热性能最好［13］;方玲通过热流计实验测试的方法对皖南民居中4类墙体的热工性能进行研究，指出采用不同材料及构造方式对墙体的热工性能影响很大［14］。笔者在前人实验测试及软件模拟的基础上，以基本的热阻及传热系数计算公式为依据，针对皖南民居中特殊的空斗墙体提出合理的计算方法，得到较科学的计算公式，通过理论计算对比找出砌筑方式以及材料与传统空斗墙热工性能的关系，并与实体墙热工性能进行对比分析，找出影响墙体热工性能的因素。

1 墙体热工计算依据

根据热工原理，墙体的热阻越大，传热系数越小，则其热稳定性越好，保温隔热性能就越好［15］。对此，可通过对皖南地区墙体的热阻R和传热系数K的计算来比较分析它们的热工性能。围护结构在平行于热流方向上由几层不同材料组成时，其热阻计算公式为

式中Rn为各层材料的热阻，m2·K/W;dn为各层材料的厚度，m;λn为各层材料的导热系数，W·(m·K)－1;Ri为内表面换热阻，取 0.11，m2·K/W;Re为外表面换热阻，取0.05，m2·K/W.传热系数计算公式

围护结构内部个别材料层出现由2种以上材料组成的、两向非均质围护结构，该组合壁的平均热阻应按下式计算

式中¯R为平均热阻，m2·K/W;F0为与热流方向垂直的总传热面积，m2;F1，F2，…，Fn为按平行于热流方向划分的各个传热面积，m2;R0.1，R0.2，…，R0.n为各个传热面部位的传热阻，m2·K/W;φ为修正系数，根据不同材料导热系数比，按《民用建筑热工设计规范》采用。

2 墙体热工性能计算及分析

2.1 空斗墙

空斗墙分为无眠空斗墙和有眠空斗墙(包括一眠一斗，一眠二斗，一眠三斗)2种(如图1，2所示)。皖南地区的传统空斗墙多用特制的青砖，砌成有眠空斗或者无眠全斗形式，也有在中空部分用黄泥、碎砖等材料填充。现代的空斗墙体多采用的是粘土砖，可作为低层房屋的承重墙和围护墙。

图1 无眠全斗空斗墙Fig.1 Cavity wall with no sleep bricks

图2 一眠一斗空斗墙Fig.2 Cavity wall with no sleep bricks and standup bricks

由于空斗墙特殊的构造形式，根据复合墙壁的导热计算，可以把空斗墙看作复合平壁，将砌体沿平行于热流方向上分成若干个不同的均质材料组成的计算部分。无眠空斗墙热工计算模型如图3所示，计算方法如下

假设砌体砖块的尺寸为a×b×c，导热系数为λ，墙体的长度为L，计算一块砖高面积上的导热，则总面积F0=bL.每a+c长度的水平方向就有一个纵向斗砖，则总的计算面积上一共含有n=L/a+c块纵向斗砖。每块纵向斗砖的传热面积为Fzd=bc，则热阻Rzd=a/λ;空气层的面积Fk与围护空气间层的横向斗砖Fhd面积相等，即Fk=Fhd=F0－nFzd;则热阻值分别为Rhd=c/λ;Rk=Rag(其中，Rag为垂直空气间层的热阻值，可根据空气间层的宽度a－2c值，由规范附表A.0.4－4得到);将上述各项代入公式(4)，则全眠空斗墙体的平均热阻为

图3 空斗墙的计算图Fig.3 Calulation model of the cavity wall

在计算有眠空斗墙时，由于眠砖与垂直于热流方向的斗砖及其围合的空气间层方向不同，应先分别计算出眠砖的热阻，以及斗砖及围合部分的平均热阻，并反推出相应的导热系数，最后整个墙体的平均导热系数按下式计算

式中Fn为在该层中按平行于热流方向划分的各个传热面积，m2;λn为各个传热面积上材料的导热系数，W·(m·K)－1.

空斗墙的热工计算以常见的青砖和粘土砖为例，为统一变量且方便计算，考虑到砖之间由砂浆连接的，砖的尺寸取240 mm×120 mm×60 mm，并忽略外墙粉刷层厚度，分别计算青砖空斗墙和粘土砖空斗墙在不同砌筑方式以及不同夹层材料的情况下的传热系数值，结合公式(3)(5)(6)，计算结果见表1，其中空气阻:Rag=0.18(m2·K)/W.

2.2 实体墙

传统民居实体墙使用的青砖很薄，厚度不一，平砌易被压坏且不易找平，所以采用立砌，有少量青砖为避免通缝而平砌于每皮立砌青砖之间。新民居中粘土砖实体墙是相邻两皮砖丁顺交替砌筑，不留空腔，所以承重效果好。青砖实体墙及粘土砖实体墙由公式(1)(2)(3)得到的热工计算结果见表2.

表1 青砖空斗墙和粘土砖空斗墙平均热阻及传热系数Tab.1 Average thermal resistance and heat transfer coefficient of grey bricks and clay bricks cavity wall

表2 不同材料的实体墙热阻及传热系数值Tab.2 Average thermal resistance and heat transfer coefficient of the solid walls

3 计算结果对比分析

由表1分析得到:①由青砖空斗墙的不同砌筑方式下的传热系数值比较可知，4种不同砌筑方式下的传热系数关系:全斗无眠﹥一眠三斗﹥一眠二斗﹥一眠一斗，而粘土砖空斗墙传热系数值也遵循这个规律，即对于同一种材料不同砌筑方式下，空斗墙体的热阻值并不随着空气间层在墙体中所占比例的增大而增大，反而有较明显的降低趋势，由此可见，空斗墙的热阻与空腔所占墙体的比例有关，但无正比关系;②对于同种墙体材料以及相同的砌筑方式下，比较填有黄泥的空斗墙和空气间层空斗墙，前者的热阻值较后者平均能提高约16%，说明空斗墙的热阻值和平均传热系数不仅与空腔所占墙体比例有关，而空腔中的材料种类即填充材料的性能对其影响更大，填充材料的导热系数越小，墙体的热阻值就越大;③对于相同空腔填充材料以及同一种砌筑方式，青砖空斗墙的热阻比粘土砖墙的热阻高出10%，即同样的空斗砌筑，青砖空斗墙要比粘土砖空斗墙热稳定性强，保温性能更好。

由表2计算结果得到，相比粘土砖实体墙，青砖实体墙的热阻高出14%.结合表1，2分析可知，无论青砖还是粘土砖，空斗墙比实体墙的热阻有明显的提高，因此，对于同一种墙体材料，空斗墙的保温隔热性能优于实体墙;无论哪种类型的墙体，青砖热稳定性都要比粘土砖好。

4 结论

1 )不同砌筑方式的空斗墙体，其传热系数值规律:全斗无眠﹥一眠三斗﹥一眠二斗﹥一眠一斗，即墙体的热工性能随空腔所占墙体比例大小(即空腔的体积)而变化，但无正比关系;

2 )空斗墙体空腔中的填充材料的性能是影响墙体热工性能的主要因素，填充材料的导热系数越小，墙体的热阻值就越大即墙体热工性能越好;

3 )同种墙体材料，空斗墙比实体墙的热稳定性强，保温性能好;

4 )青砖比粘土砖的热阻值高出10%，青砖较粘土砖更为节能;

5 )新建民居的粘土砖空斗墙可填空稻壳(热阻值可提高2倍多)或者秸秆来提高保温隔热性能，实体墙可通过加保温板来改善热工性能，这2种墙体可在当地提倡广泛使用。

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