牛勝男 NIU Shengnan 楊 麗 YANG Li

1 既有建筑節(jié)能改造研究背景與策略

21 世紀(jì)是一個(gè)“能源時(shí)代”，各行各業(yè)對(duì)能源的需求不斷增加，資源緊缺已經(jīng)成為世界范圍的問(wèn)題。中國(guó)一直以來(lái)都是能源消費(fèi)大國(guó)，而建筑行業(yè)作為我國(guó)的支柱性經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，更是帶來(lái)了巨大的能源損耗。根據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2018 年）》中統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑行業(yè)在2016 年總計(jì)消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)煤量接近9 億t，占到全國(guó)能源消費(fèi)總量的20.6%[1]。而其中相當(dāng)大一部分能源消費(fèi)與碳排放是來(lái)自于熱工性能較差的舊建筑。我國(guó)對(duì)于既有建筑改造與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)相對(duì)起步較晚。在長(zhǎng)時(shí)間的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式影響下，房屋建設(shè)過(guò)程缺乏節(jié)能考慮，導(dǎo)致目前現(xiàn)存許多既有建筑缺乏保溫措施、熱工性能差、通風(fēng)采光不理想，既增加能耗也不利于建筑舒適度。因此，針對(duì)我國(guó)既有建筑能耗缺口巨大的現(xiàn)狀，對(duì)高能耗、低舒適性的舊建筑進(jìn)行節(jié)能改造更新十分必要。

既有建筑的改造一般會(huì)圍繞建筑結(jié)構(gòu)加固、建筑保溫性能提高、暖通設(shè)備更新、新能源使用以及供熱與供電管網(wǎng)升級(jí)等多個(gè)方面進(jìn)行修繕改造。同時(shí)，由于建筑類(lèi)型、建筑結(jié)構(gòu)、改造預(yù)算以及氣候條件等多方面的差異，不同的既有建筑改造項(xiàng)目在施工手法上也會(huì)有所不同。但就建筑改造項(xiàng)目具體而言，為減少對(duì)建筑內(nèi)部既有使用功能的影響，大多會(huì)選擇對(duì)建筑的外表皮進(jìn)行節(jié)能改造處理，這是最便捷也是相對(duì)實(shí)惠的方法。具體而言，針對(duì)建筑表皮的節(jié)能改造提升主要涉及建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、建筑窗戶改造以及建筑遮陽(yáng)改造三個(gè)方面。

2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造

2.1 增加建筑保溫

大部分建設(shè)年代比較久遠(yuǎn)的舊建筑往往都缺少保溫結(jié)構(gòu)的考量，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)行的建筑熱工性能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)增設(shè)保溫措施的類(lèi)型眾多，根據(jù)保溫層所處位置的差異，主要分為夾芯保溫、內(nèi)保溫與外保溫三種方式。對(duì)比之下，采用夾芯保溫需要將保溫層放置在建筑墻體的內(nèi)部，這勢(shì)必會(huì)破壞既有建筑的原始?jí)w，因此，較少使用于改造項(xiàng)目中。而外保溫在保溫性能上要優(yōu)于內(nèi)保溫，因而選用外保溫居多。外保溫改造主要是在建筑結(jié)構(gòu)層外側(cè)包裹聚苯乙烯板（EPS）、擠塑式聚苯乙烯板（XPS）以及聚氨酯泡沫塑料板等保溫板材，這種改造方式可以避免原建筑的結(jié)構(gòu)層直接與外界接觸，能有效地“斷橋隔熱”，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)；同時(shí)也不會(huì)減少建筑室內(nèi)的使用面積。但外保溫并不是墻面改造的唯一選擇，在部分文保建筑遺產(chǎn)的改造過(guò)程中，也要考慮到保溫層對(duì)建筑立面的影響，只能使用內(nèi)保溫，或者將內(nèi)保溫與外保溫二者結(jié)合使用。例如，在青島德占時(shí)期居住建筑湖北路4號(hào)的改造項(xiàng)目中，在建筑墻體內(nèi)側(cè)增加了30～70mm厚的XPS 聚苯保溫板來(lái)增強(qiáng)保溫性能，避免了原建筑的立面造型的破壞，保護(hù)了歷史建筑遺產(chǎn)的完整性[2]。

2.2 雙層表皮結(jié)構(gòu)

對(duì)于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，或者部分需要增加空氣腔以達(dá)到被動(dòng)節(jié)能的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，也會(huì)考慮在不破壞原有建筑墻體的情況下，在原始圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)附加一層新的玻璃材質(zhì)表皮，兩者之間預(yù)留一定距離的空氣腔，從而緩沖建筑室內(nèi)與室外的熱量交換。雙層表皮結(jié)構(gòu)根據(jù)是否開(kāi)敞可以分為通風(fēng)型與密封型兩種。而通風(fēng)型雙層表皮結(jié)構(gòu)依據(jù)其通風(fēng)特點(diǎn)又可以分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種（圖1）。其中，內(nèi)循環(huán)式一般外層表皮完全封閉，主要依托建筑內(nèi)部機(jī)械通風(fēng)，多用于冬季寒冷地區(qū)；外循環(huán)式則在外層表皮的上側(cè)與下側(cè)分別開(kāi)設(shè)通風(fēng)口來(lái)引導(dǎo)空氣腔里的空氣流動(dòng)。在炎熱的夏季，使用者將空氣腔的上下兩個(gè)通風(fēng)口全部打開(kāi)，外部空氣從下側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入空氣腔內(nèi)，在光照加熱以后向上流動(dòng)，同時(shí)從上側(cè)通風(fēng)口排出，源源不斷的空氣流動(dòng)從而帶走建筑表層熱量。在冬季，使用者將上下兩個(gè)通風(fēng)口都關(guān)閉，空氣腔內(nèi)充滿光照加熱的空氣，成為一個(gè)封閉的“太陽(yáng)房”，從而達(dá)到保溫效果。

相比之下，內(nèi)循環(huán)式雙層表皮結(jié)構(gòu)需要借用建筑的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，而開(kāi)敞式外循環(huán)雙層表皮結(jié)構(gòu)主要借助自然通風(fēng)，能耗更小，應(yīng)用更為廣泛。例如，在SUVA 辦公樓的改造項(xiàng)目中（圖2、3），赫爾佐格與德梅隆保留了原有建筑的外圍護(hù)磚墻，在其建筑外側(cè)增設(shè)一層玻璃幕墻[3]，從而形成雙層表皮結(jié)構(gòu)，緩沖建筑室內(nèi)外熱量流通。這一設(shè)計(jì)充分利用了雙層表皮的隔熱與通風(fēng)特性，同時(shí)也為舊建筑更換了現(xiàn)代建筑立面樣式[4]。

2.3 其他新型節(jié)能墻體

圖1 雙層表皮分類(lèi)

圖2 SUVA 大樓原貌

除增加保溫層或雙層表皮等常用外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造手法之外，部分建筑也會(huì)選擇鋪設(shè)光伏幕墻、增加相變蓄熱材料或者綠植墻面等新型節(jié)能方式[5]。其中，光伏幕墻主要是以運(yùn)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，將光伏電池同建筑構(gòu)件相結(jié)合[6]。早期的光伏建筑一體化主要是不透明太陽(yáng)能電池板依照太陽(yáng)角度布設(shè)在建筑屋頂或建筑墻面。半透明薄膜太陽(yáng)能電池出現(xiàn)之后，可以同玻璃相結(jié)合，用作建筑墻面圍護(hù)構(gòu)件，在提供綠色能源的同時(shí)也符合現(xiàn)代建筑審美。在建筑改造的方案里，此類(lèi)光伏玻璃既可以替換原始圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)增加建筑保溫性能，也可以借鑒增加雙層表皮的改造方式，將光伏玻璃作為外表皮。一方面，利用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為光能；另一方面，與建筑原有表皮構(gòu)成隔熱空腔。

3 窗戶改造

3.1 改變建筑窗墻比

圖3 SUVA 大樓改造后外貌

窗戶作為建筑表皮中的隔熱薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造是十分必要的。在窗戶改造的過(guò)程中，首先要考慮窗戶的面積比值。開(kāi)窗面積過(guò)大會(huì)影響建筑表皮隔熱性能，增加建筑冷熱負(fù)荷；而開(kāi)窗面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致建筑室內(nèi)采光不足，增加照明帶來(lái)的能源消耗[7]。為此，在既有建筑改造中就要引入建筑的窗墻比參數(shù)。建筑窗墻比是指建筑的某一朝向外窗面積與建筑該朝向立面墻體面積之比。由于早期舊建筑設(shè)計(jì)中很少考慮建筑節(jié)能問(wèn)題，因而會(huì)為追求立面造型而導(dǎo)致開(kāi)窗面積或位置不當(dāng)。門(mén)窗的導(dǎo)熱性能一般大于墻面，同建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比較，門(mén)窗的能量損耗是建筑墻體的4 倍，所以，窗墻比例對(duì)建筑表皮節(jié)能效率的影響極大。窗戶既是建筑的散熱薄弱環(huán)節(jié)，但它在白天能引入陽(yáng)光的熱量，也是建筑物的得熱部件。同時(shí)，窗戶可以開(kāi)闊建筑內(nèi)部的視野，所以一味地選取較大或較小的窗墻比都是不可取的，而是要考慮窗戶的朝向、環(huán)境氣候以及所處季節(jié)來(lái)共同比較選取參數(shù)[8]。

由于我國(guó)處于北半球，太陽(yáng)光照都來(lái)自于南向，對(duì)于朝向正南、正北的建筑物來(lái)說(shuō)，在滿足使用要求的情況下盡量縮小東向、西向與北向的窗墻比，可以減少建筑物的夏季空調(diào)與冬季采暖總能耗。但對(duì)于南側(cè)的窗戶設(shè)置來(lái)說(shuō)，由于陽(yáng)光的滲入，建筑夏季的冷負(fù)荷會(huì)增大，但冬季的熱負(fù)荷會(huì)相對(duì)減小，建筑全年總能耗可能會(huì)根據(jù)建筑窗墻比的增加而呈現(xiàn)先減小后增加的特點(diǎn)，所以需要根據(jù)案例具體比較分析[9]。

3.2 更換玻璃材質(zhì)

門(mén)窗的熱絕緣性性能要比墻體薄弱，在舊建筑改造過(guò)程中也要對(duì)門(mén)窗的材質(zhì)隔熱性與氣密性進(jìn)行改造提升。評(píng)判玻璃節(jié)能特性的指標(biāo)主要包括傳熱系數(shù)（K）與遮蔽系數(shù)（SC）兩個(gè)。其中，傳熱系數(shù)主要是指1h內(nèi)，1m2玻璃分隔的建筑室外與室內(nèi)在相差1℃時(shí)傳遞的熱量，傳熱系數(shù)越高則熱量越容易在玻璃兩側(cè)傳導(dǎo)，也就意味著玻璃的隔熱性能越差。而遮蔽系數(shù)主要是指太陽(yáng)輻射實(shí)際穿透玻璃傳遞的熱量與穿透3mm 普通平板玻璃所傳遞熱量之比。遮陽(yáng)系數(shù)越小，代表玻璃阻隔陽(yáng)光輻射的性能越強(qiáng)，而相應(yīng)的節(jié)能效率也就越高。目前的節(jié)能玻璃材料種類(lèi)十分多樣，并各自具有不同的節(jié)能性能。其中最常見(jiàn)的主要包括：低輻射玻璃（Low-E玻璃）、吸熱玻璃、中空玻璃以及熱反射玻璃等幾種類(lèi)型[10]。吸熱玻璃主要是在玻璃內(nèi)部增加膠體著色劑，從而得以吸收太陽(yáng)光能，減弱建筑室內(nèi)太陽(yáng)熱能透入，達(dá)到節(jié)能效果。熱反射玻璃與低輻射玻璃（Low-E 玻璃）兩種類(lèi)型都是在玻璃表面增加涂層薄膜來(lái)改變玻璃的光學(xué)特性。不同的是，熱反射玻璃主要是在表面鍍金屬或金屬氧化物來(lái)降低玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)，同時(shí)，玻璃也會(huì)因金屬離子而呈現(xiàn)不同色彩，還能有一定的建筑裝飾效果。低輻射玻璃（Low-E 玻璃）同樣也屬于鍍膜玻璃，但除了金屬氧化物之外，低輻射玻璃還會(huì)鍍一層銀膜，增強(qiáng)其反射長(zhǎng)波紅外線的性能，從而降低玻璃的K 值。中空玻璃則是在其他節(jié)能玻璃的基礎(chǔ)上，將兩層或多層玻璃密封連接，并在中間的密封空腔里沖入惰性氣體，從而降低窗戶傳熱。除此之外，還有美國(guó)韶華公司推出了性能極佳的熱鏡中空玻璃材質(zhì)。這種玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)（K 值）可達(dá)到0.91，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通玻璃的傳熱系數(shù)，但由于造價(jià)高昂，目前并不普及。一般來(lái)說(shuō)，舊建筑的窗戶玻璃材質(zhì)節(jié)能性能較差，大多需要更替，但出于經(jīng)濟(jì)因素與玻璃性能的考慮，目前既有建筑改造項(xiàng)目中，最為常見(jiàn)的還是使用低輻射中空玻璃搭配鋁合金斷橋隔熱來(lái)提高窗戶隔熱性能。

4 增加建筑遮陽(yáng)

為避免陽(yáng)光輻射直接通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)，設(shè)置建筑遮陽(yáng)阻擋輻射，既可以減少建筑能耗，同時(shí)也能避免室內(nèi)眩光。但對(duì)于部分舊建筑來(lái)說(shuō)，在建筑方案設(shè)計(jì)階段較少考慮建筑遮陽(yáng)問(wèn)題，從而影響建筑能耗與室內(nèi)熱舒適度。建筑遮陽(yáng)形式依據(jù)遮陽(yáng)構(gòu)件在建筑所處位置的差異，可以劃分為自遮陽(yáng)、外遮陽(yáng)與內(nèi)遮陽(yáng)三種。其中，建筑自遮陽(yáng)是依靠建筑各個(gè)單體或體塊之間的組合產(chǎn)生陰影，從而達(dá)到相互遮陽(yáng)效果，但這一方式主要是在早期方案設(shè)計(jì)階段完成的，因此，在既有建筑改造項(xiàng)目中較少使用。建筑內(nèi)遮陽(yáng)與外遮陽(yáng)均是在建筑的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)增設(shè)遮陽(yáng)構(gòu)件。內(nèi)遮陽(yáng)主要是在建筑室內(nèi)窗口位置設(shè)置百葉窗、卷簾等遮陽(yáng)措施，但由于內(nèi)遮陽(yáng)構(gòu)件位于建筑室內(nèi)，其吸收與透過(guò)的部分輻射熱量會(huì)成為室內(nèi)冷負(fù)荷。相較之下，安裝在窗外的外遮陽(yáng)措施能直接反射吸收部分陽(yáng)光，只有穿透遮陽(yáng)構(gòu)件與窗戶進(jìn)入室內(nèi)的輻射才會(huì)產(chǎn)生冷負(fù)荷，因此，其在節(jié)能效率上也會(huì)更高一些。同時(shí)，對(duì)于需要改造的舊建筑而言，其建筑立面大多需要重新裝修改善，外遮陽(yáng)構(gòu)件可以在節(jié)能的同時(shí)還能改善建筑立面。

圖4 申都大廈遮陽(yáng)改造后立面

例如，上海申都大廈的改造，在其建筑立面重新增設(shè)了外遮陽(yáng)。申都大廈早在20 世紀(jì)是用作工廠車(chē)間，后被改造為6 層辦公建筑。2009 年，在上?，F(xiàn)代建筑集團(tuán)的主持下進(jìn)行了第二次的綠色改造[11]（圖4）。改造前的舊建筑并沒(méi)有考慮遮陽(yáng)措施，建筑立面飾面脫落破損嚴(yán)重。為此，在其建筑節(jié)能改造提升的過(guò)程中，適當(dāng)增設(shè)了外遮陽(yáng)構(gòu)件。首先，設(shè)計(jì)師在建筑南立面增設(shè)垂直的金屬遮陽(yáng)網(wǎng)板，建筑東立面則設(shè)置30°傾斜的遮陽(yáng)網(wǎng)板。與此同時(shí)，在金屬遮陽(yáng)板內(nèi)側(cè)還搭配種植藤曼植物，既增加夏季的遮陽(yáng)效果，也避免了對(duì)冬季獲取陽(yáng)光輻射的影響。其外側(cè)的外遮陽(yáng)構(gòu)件，既減少了夏季的太陽(yáng)輻射，也規(guī)整美觀了建筑立面。而對(duì)于主要設(shè)置輔助空間的西側(cè)與背陽(yáng)的北側(cè)就不再考慮遮陽(yáng)措施。在經(jīng)過(guò)增加遮陽(yáng)、門(mén)窗更換、種植屋面以及其他多種節(jié)能措施改造之后，申都大廈監(jiān)測(cè)能耗僅為66kWh/(m2a)，大大節(jié)省了能耗開(kāi)支[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

在城市化進(jìn)程逐步加快的背景下，對(duì)既有建筑進(jìn)行功能提升以及節(jié)能改造得到了越來(lái)越多的重視與關(guān)注。而建筑表皮作為建筑室內(nèi)與室外的連接媒介，對(duì)其進(jìn)行改造提升更是直接影響著建筑節(jié)能效率與外觀效果?？傊?，對(duì)于既有建筑節(jié)能改造更新主要圍繞外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、建筑窗戶改造以及增設(shè)建筑遮陽(yáng)三個(gè)方面展開(kāi)。其中，針對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造又涉及增加保溫結(jié)構(gòu)、增加雙層表皮以及更替新型墻體等具體措施；而窗戶改造則包括更改窗墻比以及更換玻璃材質(zhì)等改造方式，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體的項(xiàng)目特點(diǎn)選擇不同的改造方案。事實(shí)上，我國(guó)既有建筑表皮節(jié)能改造還處于發(fā)展階段，在政策法規(guī)以及改造策略上還存在很多問(wèn)題，探討如何更為系統(tǒng)、高效地提升既有建筑的生態(tài)性仍然是我國(guó)建筑行業(yè)的重要課題。