歷史保護(hù)建筑的近零能耗研究

■ 楊 麗 YANG Li 孫碧蔓 SUN Biman

0 引言

全球有超過3 0%的能耗來自建筑能耗，可見從降低建筑能耗的角度實現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境是重要切入點[1]。本文通過對上海理工大學(xué)歷史保護(hù)建筑生態(tài)節(jié)能策略的分析研究，來探討歷史保護(hù)建筑的生態(tài)節(jié)能新策略。

上海理工大學(xué)（原名為滬江大學(xué)）自1 9 0 6年起，歷經(jīng)4 0余年，陸陸續(xù)續(xù)地建成了5 0余幢哥特式建筑，整個校園充滿了哥特文化風(fēng)味。校園內(nèi)現(xiàn)存的歷史保護(hù)建筑中，大多數(shù)為上海市優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑。1 0 0余年以來，這些建筑仍舊保持著滬江大學(xué)原有的校園空間布局，對于上海以及全國，都是具有非凡意義的歷史文化遺產(chǎn)。

上海理工大學(xué)于1919 年進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，該校園是享利·墨菲(HenryKilliam Murphy) 在中國的第二個校園規(guī)劃，整體規(guī)劃理念與美國大學(xué)校園規(guī)劃理念相同，采用三合院式的規(guī)劃布局。在原滬江大學(xué)校園里的歷史保護(hù)建筑中，很容易發(fā)現(xiàn)存在許多具備學(xué)院哥特式（Collegiate GothicStyle）特點的建筑類語匯：陡峭的屋頂、精細(xì)的開窗方式、尖塔裝飾、城堡式入口、通過式塔樓、外墻扶壁、墻面浮雕等。

1 生態(tài)節(jié)能改造策略分析

根據(jù)目前國內(nèi)相關(guān)歷史文物建筑保護(hù)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑的修繕策略為：在保護(hù)原來建筑的原則下，盡可能根據(jù)建筑物原有的構(gòu)造方法、材料材質(zhì)以及色彩風(fēng)格進(jìn)行修繕。在保護(hù)建筑文化遺產(chǎn)的前提下，小范圍地對建筑環(huán)境進(jìn)行改造以及再利用[2]。

由于優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑在修繕改造的過程中，建筑風(fēng)格形式及建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)不容許改變，以免對生態(tài)節(jié)能改造產(chǎn)生一些不利因素。這些歷史保護(hù)建筑原始構(gòu)造沒有設(shè)計保溫層，而外墻外保溫系統(tǒng)由于需改變建筑的原有結(jié)構(gòu)體系，且對原有外立面破壞嚴(yán)重因此無法采用。外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)可避免對原有外立面及結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生影響，但此做法將會對建筑的室內(nèi)裝飾產(chǎn)生影響，同樣也不適用。所以，一般的改變建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的策略如增加建筑外遮陽系統(tǒng)、增加防風(fēng)門斗、外墻保溫等會對歷史保護(hù)建筑的建筑風(fēng)格造成破壞，在這都不可取。

本文根據(jù)上海理工大學(xué)歷史保護(hù)建筑的實際情況，對癥下藥提出三條生態(tài)節(jié)能改造策略：①提高空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)效能；②妥善利用可再生能源；③被動式設(shè)計的自然通風(fēng)。

2 提高空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)效能

上海地處夏熱冬冷氣候區(qū)，太陽輻射、季節(jié)性季風(fēng)氣候以及局部的差異性影響，使該地區(qū)全年表現(xiàn)為夏季炎熱、冬季寒冷的特點。目前，上海理工大學(xué)的歷史保護(hù)建筑采用的是傳統(tǒng)分體壁掛式空調(diào)，除了建筑外墻掛著空調(diào)室外機嚴(yán)重影響形象外，還存在著能耗大、運行效率低、造成環(huán)境污染等諸多問題。本項研究建議在改造中采用新型集中式中央空調(diào)系統(tǒng)來取代分散、分體式空調(diào)系統(tǒng)，以達(dá)到降低能耗的目的。

中央空調(diào)系統(tǒng)包括五個部分：空調(diào)冷熱源、空氣處理、空調(diào)水處理系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)處理系統(tǒng)、自動控制與調(diào)節(jié)裝置。在夏季，空調(diào)制冷機組將冷媒水制冷降溫后，通過水泵將水輸送到空氣處理設(shè)備中，與空氣進(jìn)行熱交換，形成的冷空氣再輸送到房間里，小部分在室內(nèi)吸熱后被排至室外；在冬季，空調(diào)熱泵機組將水加熱后，通過水泵將熱水輸送到空氣處理設(shè)置中，與空氣進(jìn)行熱交換，形成的熱空氣再輸送到室內(nèi)，小部分熱空氣在室內(nèi)放熱后，通過空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)排至室外。新型中央空調(diào)工作原理與一般中央空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下四點：①空調(diào)控制與調(diào)節(jié)設(shè)備；②空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)；③空調(diào)冷熱源再利用；④空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)（圖1、2）。

3 充分利用可再生能源

歷史保護(hù)建筑為了維持其建筑風(fēng)格，一般情況下不允許對其建筑立面和頂面加裝設(shè)備，但在改造中，太陽能集熱板可以采取與建筑屋頂外觀及功能上的一體化策略（圖3）。本文中的歷史保護(hù)建筑大多是坡屋頂形式，將太陽能集熱器安裝于南向的坡屋面上，有利于吸收太陽的輻射能，普遍安裝方法有架空安裝、貼屋面安裝、嵌入式安裝等三類形式，這里可以采用貼屋面形式安裝，避免對歷史保護(hù)建筑的屋面形式造成破壞。太陽能集熱板在高效收集太陽能的同時，不但具有屋面瓦的功能，而且還可以冬季保溫、夏季隔熱，大大降低室內(nèi)冬季供暖和夏季除熱的空調(diào)能耗。

圖1 新型中央空調(diào)夏季工作示意圖

圖2 新型中央空調(diào)冬季工作示意圖

太陽能熱水器通常需要電力輔助加熱，高峰期會對公共電網(wǎng)造成加壓。在生態(tài)節(jié)能改造時，可以利用太陽能熱泵技術(shù)，實現(xiàn)錯峰蓄熱。利用多水箱的蓄熱裝置，日間進(jìn)行太陽能蓄熱，夜間蓄熱則利用低谷電供給日間使用，利用這種循環(huán)交替方式，可降低公共電網(wǎng)負(fù)荷并節(jié)省了能源費用。

4 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)可以有效提高室內(nèi)熱舒適性度，并且節(jié)約能耗，減小空調(diào)負(fù)荷，是潛力很大的通風(fēng)途徑。如今，經(jīng)歷了機械通風(fēng)、空調(diào)技術(shù)的蓬勃發(fā)展與應(yīng)用，各相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者開始回歸于研究自然通風(fēng)技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能并確保室內(nèi)空氣質(zhì)量的雙重目的。有別于傳統(tǒng)的是，當(dāng)前人們綜合運用室內(nèi)、室外條件去實現(xiàn)自然通風(fēng)。若能將建筑構(gòu)造相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，將能達(dá)到更好的自然通風(fēng)效果[3]。

自然通風(fēng)根據(jù)原理可以分為以下幾種形式。

4.1 風(fēng)壓通風(fēng)

圖3 太陽能建筑一體化示意圖

熱壓和風(fēng)壓是自然通風(fēng)的主要原理。風(fēng)壓通風(fēng)可以在滿足外部風(fēng)環(huán)境要求的情況下，作為實現(xiàn)自然通風(fēng)的良好手段，通過建筑兩側(cè)的氣壓差形成通風(fēng)。

4.2熱壓通風(fēng)

熱壓通風(fēng)是使用溫度來驅(qū)動的被動式通風(fēng)，比起風(fēng)壓通風(fēng)更能適應(yīng)多變的室外風(fēng)環(huán)境，更能廣泛應(yīng)用。熱壓作用的形成主要來自于建筑室內(nèi)外的溫差，也就是熱壓差原理，透過建筑室內(nèi)與室外的溫度差來實現(xiàn)自然通風(fēng)[4]，同時，室內(nèi)熱空氣將帶走其中懸浮微粒等污濁物質(zhì)，獲得外部新鮮空氣（圖4）。而建筑的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口所產(chǎn)生的高差是另一項影響熱壓作用的關(guān)鍵，兩者的差距越大則熱壓作用越顯著[5]。

4.3風(fēng)壓結(jié)合熱壓

在建筑設(shè)計中，風(fēng)壓和熱壓經(jīng)常是相互結(jié)合利用的。假使建筑進(jìn)深較小，則這部分通風(fēng)方式通常情況會多運用風(fēng)壓，建筑進(jìn)深較深的部位由于靠傳統(tǒng)的風(fēng)壓達(dá)不到好的效果，則應(yīng)該多加利用熱壓以獲得通風(fēng)效果[6]。

4.4 機械輔助通風(fēng)

大型建筑通常會輔以機械通風(fēng)系統(tǒng)，支撐風(fēng)壓與熱壓兩種通風(fēng)方式以求達(dá)到自然通風(fēng)理想情況。該系統(tǒng)有完整合理的通風(fēng)路徑，通常還會結(jié)合其他空氣處理方法，加快室內(nèi)通風(fēng)[7]。

圖4 太陽能煙囪原理與熱壓通風(fēng)

本次使用的C F D軟件為Fluent Air-pak，針對本研究改造建筑風(fēng)場進(jìn)行計算分析。該軟件可以模擬空氣流動、溫度、品質(zhì)、污染以及舒適度等問題[8]。軟件設(shè)置中，將建筑周圍的空氣流動看作為低速不可壓縮的湍流過程。此過程由控制方程控制，包括質(zhì)量守恒以及動量守恒方程，若引入R N G k-ε湍流模型，則僅僅需考慮穩(wěn)態(tài)效應(yīng)[9]，則控制方程為：

本次模擬選取兩棟歷史保護(hù)建筑，第一次模擬是以思伊堂標(biāo)準(zhǔn)層為例，該樓原為假4層，磚木混合結(jié)構(gòu)，雙坡屋面，屋頂設(shè)置老虎窗。后期進(jìn)行修復(fù)加固時將假4層改為4層平頂，取消了煙囪以及老虎窗。在該建筑平面圖中，中間部分為走廊，兩側(cè)為對稱的宿舍，假定風(fēng)是從建筑物右側(cè)進(jìn)入，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為5 m/s，最后再由左側(cè)通風(fēng)口向外排出（圖5）。

2 m高度的空氣速度矢量分布圖顯示，在走廊兩側(cè)窗子都打開的情況下，來流風(fēng)從右側(cè)進(jìn)入，通過走廊，再從左側(cè)窗口排出，模擬假定兩邊房間的門窗全開情況下，外部空氣會通過窗子進(jìn)入宿舍再進(jìn)入走廊，這樣就會達(dá)到宿舍內(nèi)通風(fēng)透氣的作用，保持室內(nèi)熱舒適性（圖6）。整體建筑中，走廊的風(fēng)環(huán)境最好、風(fēng)速最大，兩側(cè)宿舍風(fēng)速其次，同樣可以完成通風(fēng)換氣。

圖5 上海理工大學(xué)思伊堂

圖6 思伊堂A ir-p a k自然通風(fēng)模擬圖

實驗顯示，假定外部環(huán)境的氣壓為P1，進(jìn)入走廊后由于空間突然變小，風(fēng)速隨之增加，走廊內(nèi)的壓強為P2，伯努利效應(yīng)里速度增加壓強減小P2＜P1，由于建筑內(nèi)外存在壓力差，驅(qū)使空氣高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，風(fēng)通過兩邊宿舍窗戶向走廊運動。在夏季適宜條件下，打開建筑兩側(cè)窗戶及門，就能利用自然通風(fēng)降溫，達(dá)到減少空調(diào)使用頻率、生態(tài)節(jié)能的效果。

第二個模擬對象為思福堂，假三層磚混結(jié)構(gòu)（圖7）。在建筑內(nèi)部進(jìn)深較大或布局較復(fù)雜，風(fēng)壓自然通風(fēng)效果不佳的情況下，采用熱壓通風(fēng)能獲得更好的效果。熱壓通風(fēng)利用“煙囪效應(yīng)”[11]，內(nèi)部熱空氣通過“煙囪”上升排出，帶走熱量，并引導(dǎo)外部新鮮冷空氣從下部進(jìn)入室內(nèi)，從而達(dá)到為室內(nèi)降溫的目的[12][13]。

通過A i r-P a k建好思福堂等比例模型，在有“煙囪”的兩個房間設(shè)置熱壓排風(fēng)口，模擬室內(nèi)空氣流動，根據(jù)模擬實驗，對不同高度層面的空氣速度矢量進(jìn)行模擬，從而對建筑內(nèi)部的空氣流動情況進(jìn)行分析，從圖8中可以看出，不同高度空氣速度的矢量分布圖。

圖7 上海理工大學(xué)思福堂

分析1 m高度處的模擬圖可以看出，圖中深色部分聚集在設(shè)置有“煙囪”的兩個房間，周圍其他房間的顏色依次遞減，這表明，周圍各房間空氣有一種向兩間有壁爐房間匯集的趨勢，究其原因主要是由于“煙囪”房間的空氣被加熱后，密度變小上升，進(jìn)入煙囪后空氣的截面變小，速度加快，排出室外。根據(jù)伯努利效應(yīng)，由于煙囪內(nèi)空氣的流速變大，因此壓力變小，與此同時，整個煙囪房間由于空氣流失壓力也變小，而周圍房間的空氣壓力大于煙囪房間。因此，在內(nèi)外壓力差的驅(qū)動下，空氣就由周圍房間流向兩個煙囪房間，從而促進(jìn)室內(nèi)的空氣流通。

到2 m高度時這個趨勢變得更加明顯，高度越接近排風(fēng)口風(fēng)速越快。與此同時，根據(jù)2 m高度的空氣齡分布圖和縱剖面上風(fēng)速矢量分布圖可以進(jìn)一步看出這種趨勢?？諝恺g表示的是房間中的某一點完成空氣交換所用的時間，單位為“s”。通風(fēng)環(huán)境越好，空氣齡越小，反之空氣齡越大。由圖8可知，在2 m的高度處靠近排風(fēng)口的位置，空氣齡顏色比周圍更深，說明此處的空氣齡更小，也就是說風(fēng)速更大，空氣交換更及時。而周圍的房間，空氣齡顯示逐漸變大，說明越靠近“煙囪”的位置風(fēng)速越大，越遠(yuǎn)離“煙囪”的位置風(fēng)速越小。

根據(jù)上述的分析可以看出，房間內(nèi)部“煙囪”的設(shè)置可以有效地促進(jìn)室內(nèi)空氣流動。根據(jù)熱壓通風(fēng)原理，“煙囪”內(nèi)外的溫度差越大，則壓力差就越大，熱壓通風(fēng)作用就越明顯。同時，根據(jù)伯努利效應(yīng)，“煙囪”的設(shè)置可以有效地促進(jìn)熱壓通風(fēng)趨勢，空氣流速越臨近煙囪處越大，根據(jù)風(fēng)速以及空氣齡的模擬圖進(jìn)一步驗證了這一點。通過以上幾幅模擬圖，可對思福樓的自然通風(fēng)原理有一個直觀且全面的認(rèn)識。在春秋季或者初夏與盛夏夜晚，由于室內(nèi)外溫差較大，因此都可利用建筑自身的熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)，某些條件下或要加裝排風(fēng)扇機械輔助，改善空氣質(zhì)量，并促使有效地降低室溫，提高室內(nèi)熱舒適性，最終達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

“節(jié)能減排”不只是世界前沿的口號，已成為我國的基本國策。即使各個領(lǐng)域都展開了相關(guān)課題的應(yīng)用研究，但歷史保護(hù)建筑的生態(tài)節(jié)能改造在我國還是一個嶄新的課題，還有很多方面需要去摸索，去實踐。

圖8 在1、2、3 m高度及縱剖面風(fēng)速矢量分布圖

本文通過對上海理工大學(xué)歷史保護(hù)建筑的研究，提出了三條可行性的近零能耗改造策略，通過對自然通風(fēng)技術(shù)、新的中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)、可再生能源技術(shù)的分析，根據(jù)各方面的綜合能耗計算，每年大約可以達(dá)到節(jié)能3 0%的效果，這也為邁向零能耗建筑靠近一大步。本文提供了歷史保護(hù)建筑進(jìn)行節(jié)能改造時的技術(shù)模式依據(jù)，未來在優(yōu)化設(shè)計階段亦可以通過專業(yè)設(shè)備進(jìn)行模擬分析。從歷史保護(hù)建筑方向來探索生態(tài)節(jié)能更新，需要將建筑看成是自然界的一部分，將其作為有機生命體來對待。由于環(huán)保、綠色、生態(tài)的概念逐漸擴散，歷史保護(hù)建筑將不斷地發(fā)展成為利用自然通風(fēng)等綠色節(jié)能設(shè)計方法的自然生態(tài)系統(tǒng)。