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摘要:旧工业建筑低能耗改造是其整体改造中的一个重要方面，论述并总结了旧工业建筑改造中围护结构的更新、自然采光与通风的组织及可再生能源的利用等方面的技术策略，为我国旧工业建筑改造再利用提供一定的借鉴。
关键词:工业建筑;低能耗;节能改造;围护结构;自然采光;通风;可再生能源利用
0引言
20世纪90年代以来，世界经济结构正在转型，全球范围内正在兴起一种旧工业建筑改造再利用的热潮，出现了各种相关案例。其中，如何降低改造后的建筑能耗是工业建筑改造的一个重要方面，很多建筑师对此进行了富于创造性的尝试并取得了积极的效果。本文即试图对上述的经验进行总结，希望能为今后的工作提供一些借鉴。
1改造围护结构
建筑外围护结构的散热是建筑使用期间能耗的主要组成部分，约占整个建筑能耗的1/3，因此，加强建筑外围护结构的保温性能是降低工业建筑能耗的关键所在［1］。
1.1墙体改造
由于建造年代相对久远，旧工业建筑外墙的保温性能普遍较差，其墙体改造的重点即为提高墙体的保温性能，消除墙体的冷热桥以及防止墙体结露，并维护室内气候平稳，具体的实施方法主要包括替换墙体材料、增加保温层等。近年来，随着墙体技术的发展，保温材料也有了长足的进步。其中真空隔热保温板是一种新型的隔热板。真空绝热板通过提高内部真空度来隔绝热传导，达到保温、节能的目的。它的结构主要由芯部的隔热材料、气体吸附材料和封闭的隔气薄膜三部分组成(见图1)，由于这种材料新的特性，对于各种不同破损程度的墙体都可以有较高的效果。每平方米使用面积消耗的采暖耗油量。一种包含相变储能技术的保温涂料Micronal被采用在其墙体中，这种保温材料内部有可以蓄热的石蜡。每当室外的气温高于室内，热量向室内传播时，石蜡会吸收热量而熔融，令室内的温度变化缓慢;每当室外的气温低于室内，热量向外传播时，熔融的石蜡向室内释放热量。这种材料可使室内温度和湿度保持均衡。除了上述常规的做法外，一些优秀建筑师在一些工业建筑改造项目中打破传统，通过自己的思考，应用蓄热墙体以及双层玻璃幕墙等，大大改善了原有建筑外墙的保温隔热效果。在此以托马斯•赫尔佐格设计的仓库改造为工作室的项目为例，业主希望将仓库改造成一个设计工作室。业主要求在改造费用最低的情况下同时降低建筑能耗。设计师将外墙作为保护层，附加一个双层薄膜结构，提高建筑的热工性能(见图3)。首先这个半透明的空间围合体没有遮挡外表面，其次还起到了隔离冷空气和保温的作用，改变了建筑内部的空气温度。薄膜间形成的空气层起到了保温和热缓冲作用，使建筑物围护体的热工性能获得了相当大的改善。
1.2门窗改造
在建筑物的四大围护结构中，能量损失率排在首位的是门窗。从门窗这一围护结构上消耗的能量约占建筑使用总能耗的50%，其能耗是墙体的4倍、屋顶的5倍、地面的20多倍。旧工业建筑的门窗大多窗墙面积比值也比较大，所以在工业建筑的能耗中，门窗能耗占很大一部分。一般来说，减少传热量、减少渗透量和减少太阳辐射是门窗节能的三个重要方式。以德国东部电厂改造为帕利萨德文化宫的项目为例，其底层拱形大门及大部分外窗保存完好，但由于年久失修，窗户的气密性目前已经到了较差的程度，在改造过程中，运用镶嵌了三层保温玻璃并且相同材质的大门进行更换(见图4)，对于二、三层的木窗加设保温玻璃窗，提高窗户的保温性。经过上述措施后，整个建筑的气密性及保温性能得到了大幅度的提升，而建筑仍保持了原有的建筑风格。
1.3屋顶改造
受气候影响最大的部分是工业建筑的屋顶，大部分的太阳辐射被屋顶吸收，并直接影响于工业建筑的室内物理环境。大部分的工业建筑屋顶存在着结构老化、保温能力差以及采光通风不良等问题，在低能耗方面无法满足现行要求。一般意义上的改造方法着眼于提高屋顶部分的保温能力，即通过各种保温材料的应用提高屋顶的热阻以阻止热量的传递。此外，通过架空屋面以及种植屋面的设置可以改善屋面部分的微气候，也可以取得较好的热工效果。在实践中，也有很多建筑师将屋顶部分的改造融入旧工业建筑更新的整体工作之中，将生态节能与屋顶形式结合考虑，运用多种技术手段，取得良好的效果。在德国梅克伦堡州魏斯玛市的一个幼儿园的改造中，改造的屋顶(见图5)采用的是新的节能材料，它可以将阳光引入室内，还能保温防热。在冬季，通过充足的阳光，利用屋顶向室内传导热量，减少室内的热量损失。在夏季，屋顶和墙壁上的木制隔板也会吸收一部分热量，降低室内温度［5］。
2组织自然采光与通风
2.1自然采光
采光和通风在生产车间、仓库等工业建筑中占的比重比较低，大部分厂房建筑采用大跨度的连续框架的大进深结构［6］，其采光条件和民用建筑的要求是不相符的。除了调整工业建筑的窗地比外，一般可以通过增设导光管以及反光板的方法来改善建筑的自然采光能力以达到降低能耗的目的。导光管由集光器、管体部分(传输光)以及散光部分(室内分布的管光线)三部分组成。特别适合白天采光不足、房间进深大的场所。反射板是利用光线反射原理，改善室内光环境的一种装置。一般采用铝、镜面、浅色涂料等一些反射系数较高的材料作为反射面，反光板的安装方式根据现场情况的不同，以及采光口的位置、朝向和光线入射角度的不同，有不同的摆放方法。以奥雅纳集团爱丁堡的办公室为例(见图6)，设计师PatrickElsdale的照明设计理念便是尽可能减少电力照明设备的使用来获取一个可持续发展的建筑环境，因此，他在整个办公区域设计了84套导光管日光照明系统(见图7)，如此一来，基本能够满足日间的照明需求，并减少了90%的电力照明时间。通过这一设计，爱丁堡办公室的光线不仅自然、明亮，而且也为前来咨询的客户提供一个舒适的洽谈环境。
2.2自然通风
自然通风是人类历史上调节室内环境的原始手段，它具有改善室内热舒适性和提高室内空气品质的优点，能有效降低机械通风装置的能耗，因此也是工业建筑节能改造必须重视的方面。自然通风主要依靠风压、热压、风压与热压相结合等方式得以实现，在实际的工作中应采取有效的设计手段以促进风压及热压的产生［7］。例如在恰当的位置设置中庭空间，除了可以改善建筑的采光能力外，还可以通过中庭烟囱的空气循环来改善通风条件，由于室内外空气有一定的热压差，在竖向上形成了一个良好循环，冷空气从中庭底部不断进入，室内较热的空气从中庭顶部排出，进而有效地改善了建筑的通风条件，节约了能源。同时，利用场地环境中的积极因素，以确保建筑可以在自然通风的同时能够改变室内的小气候也是工业建筑低能耗改造的一个重要方面［8］。以上海虹桥机场T1航站楼为例，利用现有条件进行策略通风，同时还可以降低改造的成本，对其原有的结构进行重组，利用原有建筑的现有条件对建筑内部的通风进行更好的设计(见图8)。利用两层建筑之间的高侧窗，增加进出风量，将航站楼内部的气流流动带动起来(见图9)。
2.3可调节遮阳
在德国，随着人们对于环境保护意识的增强，建筑节能和太阳能利用在生活中越来越普遍，可调节式遮阳由于设计方便，并且可根据太阳高度角的变化以及使用者的要求自由调节，得到越来越广泛的运用，可以满足不同用户的多种要求。可调节遮阳以自身的不断变化来调节通过建筑表皮的太阳光，其主要有3种基本形式，即遮阳百叶、遮阳卷帘、遮阳板。德国很多双层玻璃幕墙建筑的空腔内都设置了可调节遮阳装置，其可调节遮阳外窗的活页轴中间固定装有活页，两头插装在上、下横梁的活页轴孔里。光跟踪控制器和变速传动装置通过固定安装在活页轴上的摆动齿轮、活页轴拐以及轴拐套、摆条带动和调节活页的开度和角度，实现人为控制阳光进入室内的程度。经过多年发展，德国的可调节遮阳装置的种类越来越多，并且已经成为建筑密不可分的一部分，很多建筑依靠可调节遮阳装置取得变化的建筑立面效果，例如卡塞尔城市住宅的活动折叠百叶遮阳板由落叶松原木制成，住户可以通过室内的手柄对其随意控制，使得住宅在不同的时间段有不同的立面效果(见图10)。而慕尼黑某住宅的滑动遮阳板则采用了颜色材质与墙面相近的滑动遮阳板，提高了建筑的整体效果［9］(见图11)。
3可再生能源利用
结合建筑自身条件和特点，充分利用各种可再生能源，是降低工业建筑能耗的最直接方式。目前可以利用的可再生能源主要包括太阳能、风能、潮汐能以及地热能等，且经过近十几年的发展，各种能源的利用方式都已经有了长足的进步。以太阳能的利用为例，目前其利用手段已摆脱了简单地设置太阳能板的方式而更强调在最初的设计中就将太阳能收集装置一并考虑进去，使其在外立面的建筑效果上与建筑融为一体［10］。德国科堡市的太阳能房(见图12、13)，南向外墙的窗下墙里的管道系统具有收集热量的功能，并在其两侧增加了保温层以减少热量的散失，可以大大提高吸收太阳能的效率，阳光透过南立面的大块玻璃使得其后的墙体也拥有了蓄热的作用，并取得了较好的效果，也反映了在今后的设计中，设计建筑的同时考虑太阳能技术是一种必然的趋势。
4结语
当前，随着我国经济结构调整的进一步深入，越来越多的城市正在经历着“退二进三”的转型，大量的工业建筑面临着被改造的命运。因此，强调工业建筑低能耗改造对我国建设节约型社会具有重要意义，我们应当认真地学习各种经验，采用适宜的技术手段，推动我国低能耗建筑事业的全面发展。
参考文献:
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［8］翟燕．上海虹桥机场T1航站楼自然通风优化改造技术探索与实践［J］．建筑科学，2017，(8):149－155．
［9］李振宇，邓丰．欧洲生态节能住宅的表皮设计［J］．建筑学报，2010，(1):56－59．
［10］卢求．欧洲建筑科技发展新趋势［J］．建筑师，2004，(3):113－118.
作者:刘力 侯岳申 霍金鑫 单位:天津城建大学
