基于红外热像仪对传统民居的节能保温性能分析——以北京南锣鼓巷雨儿胡同为例

马欣，姜全成，郑天

（1北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144；2北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045）

1 红外热像仪技术及其在建筑节能研究中的应用

红外热像仪（Infrared Thermal Camera）是一种利用红外热成像技术，探测目标物发出的红外辐射能量，然后经过信号处理、光电转换等，将目标温度分布的图像转换成可视图像的设备。红外热成像科技最开始运用于军事，后逐渐转为民用。主要用于研发或工业检测与设备维护中，在防火、夜视以及安防中也有广泛应用。红外热像仪可以将实际探测的热量进行精确地量化，以图像的形式呈现，而且能通过软件分析不同区域温度趋势和获得特定点的具体温度值。由于其工作原理的高效性和易操作性，也常用于建筑节能检测。可以用来分析建筑某一部位是否有缺陷，影响保温节能性能；也可运用于分析建筑不同部位和构件的保温性能差异以及其连接处是否密封良好。

由于建筑的围护结构保温性能不同，在冬季通过建筑围护结构热量流失也会不同，在同一个室内外温差下，围护结构的不同部位内外表面温差不同。建筑围护结构中构件由于内部有缺陷或不同构件之间的连接处存在密封缺陷，会导致局部散热量较高，继而严重影响保温性能，导致局部表面温度的差异。利用红外热像仪可以清晰地拍摄到整个建筑外立面围护结构表面温度值分布情况，从而分析判断各构件及构件连接处的散热情况，分析其保温节能性能。

此次研究是利用红外热像仪，对历史街区传统民居建筑外围护结构保温性能进行分析和研究。由于传统民居建设已久，而且在居住的过程中有居民自发的改造和建设，情况十分复杂，建筑的保温性能和节能要求也很难满足原住民对生活质量的需求，同时也无法满足现行节能相关规范。本次研究以北京南锣鼓巷雨儿胡同为例，对胡同内四合院的建筑进行了红外热像仪的拍摄和分析。

2 北京南锣鼓巷雨儿胡同概况

南锣鼓巷是北京市最古老的街区之一，位于北京北区中轴东侧，与元大都同时建成，至今已有700多年的历史。该区域占地面积约84hm2，南锣鼓巷南北长约786m，将片区分为东西两部分，并以此为主干呈现出鱼骨式的街巷布局。雨儿胡同是位于南锣鼓巷西边南侧的第三条胡同，西端是拐棒胡同，东端是东棉花胡同。雨儿胡同内有齐白石旧居纪念馆、值年旗衙门和达贝子府等历史建筑，一共有30多个院子。

根据相关资料显示，在1976年唐山大地震之后，旧城的四合院内搭建了大量的抗震棚，后来这些抗震棚变成了居民的储物间和厨房。随着人口增长和扩大居住空间的需求引起的住房短缺诱发了传统四合院物质空间形态的改变，四合院大量发生衰败，居民大量的无序加建使得四合院成为了破败的大杂院。同样，雨儿胡同四合院内也有着不同时期不同质量的建筑。现在的雨儿胡同，居民居住的建筑大多较为陈旧杂乱，有的建筑经过居民自己更换门窗和简易修缮，有的建筑还保留了上世纪70-80年代的外围护结构，有的建筑外立面之外进行了简易搭建。

就外围护结构而言，现在雨儿胡同的四合院建筑大致分为两类，一是四合院原始建筑，二是院内加建建筑。原始建筑有着传统的坡屋顶，墙体陈旧，窗户多为原木窗框内装有单层玻璃，多为木门。加建建筑形式多样，有的是连接着原始建筑，有的是在院内单独修建，多为平屋顶，红砖墙体，门窗材料和形式多样，年代不一。

3 雨儿胡同典型民居保温性能测试与分析

3.1 测试仪器与时间

测试仪器为红外热成像仪（型号：FLIR T460）。FLIR T460红外热像仪的红外分辨率为320×240像素，视场角(FOV)/最短焦距25°×19°/0.4m；空间分辨率（IFOV）为1.39mrad，测试时间为2019年1月10日，当天天气为多云间阴天，所测的所有建筑立面均没有接受到太阳光直射，建筑外立面不受太阳辐射影响。测试日的测试时间室外平均温度-5℃。该区域建筑没有集中供暖，有人居住的房间均为空调独立采暖，室内温度一般为16℃-20℃。无人居住的房屋不采暖，室内温度接近-5℃。

3.2 测试样本分类

根据雨儿胡同内建筑现状，本次研究将建筑分为4类。第一类是传统民居四合院建筑，保留着建筑坡屋顶和青砖墙体，经过修缮的门窗和建筑形式相呼应，如7号院正房建筑。建筑的门窗都保留了原有建筑的形制，开窗面积比较大，采用木材窗框和单层玻璃。部分住户出于安全原因，安装上了钢防护网（如图1）。

第二类是保留着传统建筑的结构主体，较大面积更换建筑外围护结构构件，由于居民未能掌握专业知识，往往造成新旧构件之间差异巨大，对比强烈。如14号院内的南向正房，建筑虽然保留着原有的建筑结构，但居民将整个建筑南立面原构件拆除替换上白色塑钢门窗组合。新的建筑立面和原有建筑风貌格格不入，但开窗面积、比例等均符合原有建筑形制（如图2）。

图1 7号院正房

图2 14号院内的南向正房

第三类是院内质量较好的加建建筑，这类建筑多为单独修建在院内，建筑形式简单，多为平屋顶，砌体结构水泥砂浆抹面的单层或两层建筑；功能上多为居住使用。这类建筑是历史进程和社会发展过程中的产物，虽然有一定的价值和意义，但与传统四合院民居风貌不相融合（如图3）。

图3 质量较好的加建建筑

第四类是院内质量较差加建建筑，这类建筑形式功能多样，有的是贴附于原有建筑加建，有的是在院内单独修建；在功能上多作为储藏室和厨房。无论是出于对于建筑风貌的整治还是出于居民使用的安全性，这类建筑都是急需修整或建议拆除。第四类建筑本次不作为测试研究的范围（如图4）。

图4 质量较差加建建筑

本次测试研究根据上述分类在雨儿胡同中，选择20个院落的建筑进行测试，（雨儿胡同院落分布图如图5）每个院落对主要建筑进行正立面的拍摄测试，对于有第四类加建的建筑以及由于加建过于紧密导致建筑外立面前无空间的建筑不进行测试研究。

图5 雨儿胡同院落分布图

3.3 建筑立面保温性能分析

第一类保留传统形式与材料的建筑在雨儿胡同所有建筑中的占比最高。这类建筑虽也经过改造或加建，但是使用了基本与原有建筑同样的材料。其建筑外围护结构基本上采用的是240或370厚灰砖墙，外窗为木框单层玻璃窗。

以7号院正房建筑为例，对建筑的转角进行了测试。测试时，室内温度为18℃，室外气温为-8℃。热成像图中颜色越深的地方，外表面温度越低，与室外气温越接近，证明围护结构热量散失最小；反之，围护结构热量散失越大。由图6可以看出，热成像图颜色在窗玻璃处最亮，证明窗玻璃处的外表面温度最高，最高处Sp1点达到了-1.4℃，其散热量最大，为建筑外围护结构保温最薄弱环节。同为薄弱环节的是窗顶与屋檐下，此处连接部位由于屋架与墙体的连接未能紧密联系，从而导致冷桥的产生。在图中两墙交角处也出现了温度较高的区域。对于砌体结构的转角处，一般由于厚度增加，保温性能应该较好，但此处较差，究其原因，主要是因为两部分不是统一建造，转角处相当于贴建，砖并未互相咬接，随着时间推移，墙体产生变形导致出现裂纹，有些裂缝并非肉眼可见，但却成了热量散失的主要途径。在图中外表面温度最低的位置在阳角的转角窗台处Sp2点，从建筑构造而言，此处是墙体加厚了120mm作为窗台，充分说明了砌体墙的厚度可以有效改善保温性能。

第二类建筑是传统建筑的立面经过较大的修缮，居民将原有的建筑立面拆掉更换为新型材料，改变了传统四合院建筑的基本风貌，这类建筑数量相对较少。本次以14号院正房为例进行了红外热像仪拍摄分析。该建筑将整个南立面更换成白色塑钢的组合门窗，开窗面积较大，窗墙比约0.7。门口处安装布帘以防止人进出时室内热量散失。测试时，室内温度为15℃，室外气温为-8.5℃。通过图7热成像图可以看出，Sp2点保温布帘处的颜色最深与室外温度相近为-8.4℃，充分证明此处由于建筑门外增加的棉布帘有效改善的围护结构的散热，由于布帘其材料的特殊性，使得此处保温性能得以提升。图7中可以明显看出建筑玻璃部分颜色都较亮，其中Sp1点门上护窗玻璃处最亮，该处温度最高，通过的散热量最大，右侧窗户玻璃部分的温度与Sp3点处-4.2℃接近，这说明该建筑玻璃的保温性能差；通过现场观察测量，建筑立面的玻璃均为单层玻璃，保温隔热性能都较差。但同样的玻璃在门上散热量大于在窗的位置，主要原因是现场发现门上玻璃处没有其它设施，而窗的位置内有一层纱窗，同时设有一部分窗帘，由此数据可知，适当的材料的组合，可以在一定程度上改善围护结构保温性能。图7中窗框门框部分的热成像图颜色与玻璃的近似，说明新材料的门窗框保温性能也较差。新型材料具有很多传统材料不具备的优点，比如更加容易加工，更加的轻盈，相比传统材料更结实、便宜等，但正确地选择新型材料至关重要，除了考虑美观和价格还需要结合保温隔热等物理因素进行选择。

第三类建筑为四合院内的质量较好的加建建筑，这类建筑数量较多，建筑形式和功能各异，本文以29号院内东侧的两层加建建筑为例分析研究。调研时段建筑室内温度17℃，室外温度-8.2℃，建筑一层为居住功能，二层为储藏室。通过图8的热成像图可以看到建筑的墙体部分颜色较深，外表面温度较低，Sp3处的温度为-3℃，则可以推断出通过墙体的热量散失少，建筑墙体的保温隔热性能良好。通过调研观察也可以看到墙体结构完整，水泥砂浆抹面没有明显裂痕等。图8热成像图中门窗都是高亮区域，说明门窗部分的热量散失较大，图中Sp1处的温度为4.9℃，Sp2处的温度为1.8℃，门窗的外侧面温度与室外空气温度相差很大，因此这类建筑通过门窗处产生了很多的能源浪费。此外门窗安装缝隙处的颜色最亮，温度最高，热量散失也最多。通过对几个院落的加建建筑的测量结果的分析得出结论：影响质量较好的加建建筑的保温性能的主要因素是建筑门窗安装质量和门窗本身的保温性能。

图6 7号院正房建筑热成像图

图7 14号院正房热成像图

图8 29号院内东侧两层建筑热成像图

通过对雨儿胡同内不同建筑现状和各类建筑的红外热成像图分析可以发现：雨儿胡同内传统民居以及加建建筑的保温隔热性能相对于居住质量的要求和现行的节能要求均有较大差距。各种建筑随着时间的发展都或多或少地经过原住居民的修缮和整改，但由于缺乏专业知识和技能，都未能实质性地提高居住质量。主要问题集中在门窗的保温性能、门窗的安装施工质量和墙体间连接处的缝隙。与之同时，居民自发的改善方式对围护结构散热问题和建筑的美观性有一定的改善。

3.4 基于传统民居改造的建议

传统民居改造的重点是在保护传统民居风貌的基础上提高居民的居住质量，改善房屋的节能性能。其改造方案宜根据建筑的现状特点进行区别对待，不宜千篇一律。

针对第一、二类保留的传统民居建筑应在最大可能保护现状风貌的基础上对外围护结构进行有限更改。这类建筑最主要的问题是门窗问题，对于立面门窗的选择，一方面在材料和色彩上需要与原有建筑相搭配，另一方面需要提高其保温性能。应优先选择双层中空玻璃或三层中空玻璃，窗框建议使用铝木复合型材，开窗方式为外平开，提高气密性，外面为木制形式，保持了传统风貌。针对造价较高的问题，可以采用双层窗，现有木制单玻外平开窗仅进行饰面装饰，内部新增一层塑钢推拉窗，同时兼顾了保温性能和价格因素。对于现有部分转角处和新旧衔接处的构造问题，可以采用加厚转角的做法，结合立面形体，在转角处和冷桥处增加围护结构厚度来改善保温性能。

对于第三、四类加建的建筑，需要结合现居民的实际情况进行评估，对于建筑质量较差的严重影响整体风貌的加建建筑建议拆除，恢复传统四合院的布局。对于建筑质量较好且现有人居住的建筑应更换保温性能好的门窗，同时对加厚墙体，采用夹芯墙的方式，既保证了外立面的传统风格效果，又引入保温性能好的材料有效改善外围护结构的性能。与之同时，改变现有门窗的安装缝隙的密闭性，门窗的安装尽量采用副框安装，提高连接的紧密性。

4 结语

传统民居由于涉及多方面而存在改造困难的情况，同时也是由于影响因素过多，导致改造时不知从何下手。本文以雨儿胡同部分民居节能保温性能分析为例，探寻其主要矛盾。而实际在民居改造中，要针对每一个建筑进行详细测试，寻找问题，才能有针对性地改善节能性能。与之同时还要充分发挥居民的主观能动性，根据居民生活习惯的特点，在设计施工上，为居民悬挂外门帘、窗帘等构件留有条件，也可以为持续改善节能性能提供基础条件。只有建立从测试分析到全寿命设计的观念，才能真正改善传统民居的节能性能，也才能真正改善居民生活条件。