建筑细部几何对历史砌体墙热性能的影响——波兰Rybnik历史精神病院综合体案例研究

《Energies》：Influence of Architectural Detail Geometry on the Thermal Performance of Historic Masonry Walls: A Case Study

　　

历史建筑的节能改造需要既能改善热性能又能保持其建筑特征的解决方案。本研究以波兰Rybnik历史精神病院综合体为案例，研究建筑细部几何对历史砌体墙热性能的影响。分析了四类特征性建筑细部，包括檐口、砖砌凸出体、半圆拱和钢筋混凝土檐口。对每个细部考虑四种构造变体，考虑不同墙厚以及是否存在空气腔，形成16个二维数值模型。热分析采用基于有限元法（finite element method, FEM）的THERM 7.6软件进行。采用温度分布和选定热参数评估细部几何对局部热条件的影响。结果表明，建筑细部可显著改变局部温度场和表面温度，而其对整体热参数的影响可能较不明显。所分析案例表明，在历史砌体墙的热评估中，尤其当规划需保留既有立面的能效改善措施时，应考虑所保留建筑细部的实际几何。

研究背景与问题：历史建筑构成既有建筑存量的一部分且许多仍在使用，提高其能效是降低能耗和改善使用者条件的重要环节，但改造必须同时考虑能源要求与建筑历史、建筑价值。综述研究指出，历史建筑节能改造是复杂过程，需要同时考虑热性能、使用者舒适、既有建筑构造状况和遗产保护要求。对历史立面而言，标准外保温可能因需保留原貌和建筑价值而受限，外保温可能改变立面外观并造成历史特征损失；内保温可保留立面，但会改变既有砌体墙内的热湿条件。历史砌体墙的构造、材料和技术状况可能显著不同于当代围护结构，因此需要个别评估内保温效果，研究温度分布、热湿条件和局部热湿扰动。尤其应关注几何或构造变化区域，因为这些区域可能改变热流和局部表面温度，包括热桥、构件连接和其他局部几何变化。既有研究已广泛讨论历史砌体的热桥和局部热湿扰动，尤其是构件连接和内保温；但所分析几何特征通常被视为热桥或构造节点，而非保留的建筑细部实际几何，因此既有建筑细部特定几何对局部热条件的影响仍不足。研究对象为波兰Rybnik临床精神病院历史综合体，其起源可追溯至19世纪末，1886年开放，最初包括18栋建筑和7个患者亭，随后扩建；该综合体保存了历史砌体建筑和多样建筑形式，适合分析在保持建筑价值同时改善热性能的问题。研究目的是评估选定建筑细部几何对历史砌体墙热行为的影响，并确定这些元素在历史建筑节能改造背景下的意义；新颖性在于对既有历史建筑综合体中保留建筑细部的实际几何进行对比评估，并在相同边界条件下分析16个二维数值变体。

研究人员开展的研究、结论与意义：研究分析Rybnik医院综合体中四类特征性细部，即檐口、砖砌凸出体、半圆砖拱和钢筋混凝土檐口；每个细部考虑四种构造变体，涵盖1.5砖与2砖墙以及有无空气腔，共16个二维数值模型。热分析采用THERM 7.6基于有限元法（FEM）进行，采用温度分布和选定热参数评估细部几何对局部热条件的影响。结果表明，建筑细部可显著改变局部温度场和表面温度，而其整体热参数影响可能较不明显；所分析案例表明，在历史砌体墙热评估中应考虑保留建筑细部的实际几何，尤其在规划需保留既有立面的能效改善时。其意义在于强调历史建筑围护构件含建筑细部时不应仅做一维主墙段分析，细部实际几何可能影响局部热条件，应在评估改造方案时纳入。

关键技术方法（不超过250字）：研究对象为波兰Rybnik临床精神病院历史综合体，源于19世纪末、1886年开放，最初18栋含7个患者亭。研究人员通过现场清单、照片记录和几何测量，测定历史砖尺寸26×12×6.5 cm、灰缝10/12 mm，并确认4 cm不通风空气腔；建立4类细部×4种构造变体（1.5砖/2砖墙、有无空气腔）共16个二维模型。采用THERM 7.6基于有限元法（FEM）进行稳态热分析，室内20 °C、室外?20 °C、室内相对湿度55%，按EN ISO 10211进行详细热桥计算，按EN ISO 6946表示空气腔；用QFM（Quad Tree Mesh Parameter）5—8进行网格敏感性评估，并以EN ISO 10211附录A Benchmark Test No.1验证数值程序。

研究结果：3. Results（结果）。通过16个二维稳态FEM模型计算综合热参数，并获得温度场、等温线和热流密度分布及特征点温度。结果显示，增加墙厚可降低热透射率（thermal transmittance, U）、热流率（heat flow rate, Φ）和二维热耦合系数（thermal coupling coefficient, L_2D）；但细部几何会显著改变局部温度场和表面温度。Detail No. 1（细部1，檐口）的f_Rsi由变体V1的0.818增至V4的0.890；Detail No. 2（细部2，砖砌凸出体）由0.805增至0.893；Detail No. 3（细部3，半圆砖拱）由0.818增至0.890；Detail No. 4（细部4，钢筋混凝土檐口）由0.545增至0.645，且所有变体均低于0.72。所有分析变体的U值均未低于0.20 W/(m²·K)。通过16个变体比较得出，局部热条件不仅取决于墙厚，还取决于细部几何与构造；Detail No. 4热条件最不利。

讨论部分总结：4. Discussion（讨论）指出，围护构件热性能受基本结构参数和建筑细部局部几何共同影响；增厚可降低U、Φ和L_2D，但仅改变厚度不足以全面评估局部热性能。檐口、壁柱、拱和楼层元素周围等温线弯曲，表明一维热流受扰动，远离细部后等温线趋于平行。含空气腔变体表明截面构造可独立于厚度影响局部温度分布。Detail No. 1热流扰动主要在细部及砖砌连接附近；Detail No. 2受影响区更广；Detail No. 3与檐口类似；Detail No. 4因几何变化和不同材料界面而热条件最不利，所有变体f_Rsi均低于0.72。低内表面温度可能增加表面凝结风险，长期潮湿可导致砌体劣化及相邻构件退化或腐蚀；但应按稳态边界和材料属性解释。线性热透射率（linear thermal transmittance, ψ_e）有正有负，局部温度扰动不一定对应较大附加线性热流，仅凭ψ_e可能不能完全反映局部热条件；U虽随墙厚降低，但无保温层增厚不足以达到当代0.20 W/(m²·K)参考水平，且与当代要求比较不应解释为整体改造可行性评估。历史建筑改造应主要依据局部温度场、最小内表面温度（minimum internal surface temperature, θ_si,min）和f_Rsi，并进行二维建模。4.1. Scope and Limitations of the Study（研究范围与局限性）指出：仅针对单一历史医院综合体，四个细部为特征性但非普遍代表；二维稳态模型不涵盖瞬态温度、太阳得热、砌体蓄热和时变湿传递；数值程序用EN ISO 10211基准测试和选定构型网格细化评估，热流率和U稳定，θ_si,min和f_Rsi在三种更细网格下稳定，但未证明全部16个变体网格独立；无现场实测验证；材料热物性来自文献和参考数据，对应假定中湿条件，因保护限制未实验取样；未进行材料属性敏感性或不确定性分析；未考虑层间缺陷、空隙、砂浆接触不完美和抹灰脱落；未包括附加保温或其他改造变体。4.2. Influence of Air Cavity Modelling on the Calculated Thermal Performance（空气腔建模对计算热性能的影响）比较Detail No. 1变体3的两种空气腔表示：按EN ISO 6946模型取R=0.18 m²·K/W时，U=1.06 W/(m²·K)、Φ=41.30 W、θ_si,min=14.7 °C；以静止空气λ=0.025 W/(m·K)表示时，U=0.81 W/(m²·K)、Φ=31.50 W、θ_si,min=15.6 °C；前者U高0.25 W/(m²·K)、Φ高9.80 W、θ_si,min低0.9 °C。最终模型采用EN ISO 6946表示，原因是与标准方法一致，而非获得更有利热性能指标；该比较仅限一个变体，差异不应推广至所有细部，16个变体结果应结合该空气腔表示解释。

5. Conclusions（结论）翻译：数值分析确定了选定建筑细部的几何和构造对历史砌体围护构件局部热条件的影响。基于所得结果形成以下结论：1）建筑细部几何影响历史围护构件的局部热条件，其重要性取决于细部形状、厚度和构造。2）增加围护构件厚度可改善其保温，但本身不能确保满足当代热透射率（U）要求；所有分析变体的U值均未低于0.20 W/(m²·K)。3）采用的不通风空气腔表示影响计算热参数；Detail No. 1变体3比较显示，基于EN ISO 6946的模型与替代静止空气模型在U、Φ和θ_si,min上存在差异；由于该比较仅针对一个变体，这些差异的大小不应推广至所有分析细部；16个变体的结果应结合最终模型所采用的空气腔表示解释。4）历史围护构件的热评估需要个别考虑其实际几何和构造，尤其应关注几何变化和材料界面区域；Detail No. 4结果表明其热性能仍属临界：所有分析变体的f_Rsi均低于0.72。