既有建筑的表皮節(jié)能改造策略

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 世紀是一個“能源時代”，各行各業(yè)對能源的需求不斷增加，資源緊缺已經(jīng)成為世界范圍的問題。中國一直以來都是能源消費大國，而建筑行業(yè)作為我國的支柱性經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)之一，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，更是帶來了巨大的能源損耗。根據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2018 年）》中統(tǒng)計，我國建筑行業(yè)在2016 年總計消費標準煤量接近9 億t，占到全國能源消費總量的20.6%[1]。而其中相當大一部分能源消費與碳排放是來自于熱工性能較差的舊建筑。我國對于既有建筑改造與建筑節(jié)能設計的認識相對起步較晚。在長時間的粗放型經(jīng)濟增長模式影響下，房屋建設過程缺乏節(jié)能考慮，導致目前現(xiàn)存許多既有建筑缺乏保溫措施、熱工性能差、通風采光不理想，既增加能耗也不利于建筑舒適度。因此，針對我國既有建筑能耗缺口巨大的現(xiàn)狀，對高能耗、低舒適性的舊建筑進行節(jié)能改造更新十分必要。

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

2 外圍護結(jié)構(gòu)改造

2.1 增加建筑保溫

大部分建設年代比較久遠的舊建筑往往都缺少保溫結(jié)構(gòu)的考量，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)行的建筑熱工性能標準。對外圍護結(jié)構(gòu)增設保溫措施的類型眾多，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，這勢必會破壞既有建筑的原始墻體，因此，較少使用于改造項目中。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”，保護建筑結(jié)構(gòu)；同時也不會減少建筑室內(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)的改造過程中，也要考慮到保溫層對建筑立面的影響，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，在青島德占時期居住建筑湖北路4號的改造項目中，在建筑墻體內(nèi)側(cè)增加了30～70mm厚的XPS 聚苯保溫板來增強保溫性能，避免了原建筑的立面造型的破壞，保護了歷史建筑遺產(chǎn)的完整性[2]。

2.2 雙層表皮結(jié)構(gòu)

對于外圍護結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，或者部分需要增加空氣腔以達到被動節(jié)能的項目來說，也會考慮在不破壞原有建筑墻體的情況下，在原始圍護結(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)是否開敞可以分為通風型與密封型兩種。而通風型雙層表皮結(jié)構(gòu)依據(jù)其通風特點又可以分為內(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)部機械通風，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)分別開設通風口來引導空氣腔里的空氣流動。在炎熱的夏季，使用者將空氣腔的上下兩個通風口全部打開，外部空氣從下側(cè)通風口進入空氣腔內(nèi)，在光照加熱以后向上流動，同時從上側(cè)通風口排出，源源不斷的空氣流動從而帶走建筑表層熱量。在冬季，使用者將上下兩個通風口都關閉，空氣腔內(nèi)充滿光照加熱的空氣，成為一個封閉的“太陽房”，從而達到保溫效果。

相比之下，內(nèi)循環(huán)式雙層表皮結(jié)構(gòu)需要借用建筑的機械通風系統(tǒng)，而開敞式外循環(huán)雙層表皮結(jié)構(gòu)主要借助自然通風，能耗更小，應用更為廣泛。例如，在SUVA 辦公樓的改造項目中（圖2、3），赫爾佐格與德梅隆保留了原有建筑的外圍護磚墻，在其建筑外側(cè)增設一層玻璃幕墻[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。這一設計充分利用了雙層表皮的隔熱與通風特性，同時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

圖2 SUVA 大樓原貌

除增加保溫層或雙層表皮等常用外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造手法之外，部分建筑也會選擇鋪設光伏幕墻、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用太陽能光伏發(fā)電技術，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能電池板依照太陽角度布設在建筑屋頂或建筑墻面。半透明薄膜太陽能電池出現(xiàn)之后，可以同玻璃相結(jié)合，用作建筑墻面圍護構(gòu)件，在提供綠色能源的同時也符合現(xiàn)代建筑審美。在建筑改造的方案里，此類光伏玻璃既可以替換原始圍護結(jié)構(gòu)來增加建筑保溫性能，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)，對其進行節(jié)能改造是十分必要的。在窗戶改造的過程中，首先要考慮窗戶的面積比值。開窗面積過大會影響建筑表皮隔熱性能，增加建筑冷熱負荷；而開窗面積過小會導致建筑室內(nèi)采光不足，增加照明帶來的能源消耗[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。由于早期舊建筑設計中很少考慮建筑節(jié)能問題，因而會為追求立面造型而導致開窗面積或位置不當。門窗的導熱性能一般大于墻面，同建筑外圍護結(jié)構(gòu)相比較，門窗的能量損耗是建筑墻體的4 倍，所以，窗墻比例對建筑表皮節(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光的熱量，也是建筑物的得熱部件。同時，窗戶可以開闊建筑內(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)來共同比較選取參數(shù)[8]。

由于我國處于北半球，太陽光照都來自于南向，對于朝向正南、正北的建筑物來說，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。但對于南側(cè)的窗戶設置來說，由于陽光的滲入，建筑夏季的冷負荷會增大，但冬季的熱負荷會相對減小，建筑全年總能耗可能會根據(jù)建筑窗墻比的增加而呈現(xiàn)先減小后增加的特點，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)

門窗的熱絕緣性性能要比墻體薄弱，在舊建筑改造過程中也要對門窗的材質(zhì)隔熱性與氣密性進行改造提升。評判玻璃節(jié)能特性的指標主要包括傳熱系數(shù)（K）與遮蔽系數(shù)（SC）兩個。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，也就意味著玻璃的隔熱性能越差。而遮蔽系數(shù)主要是指太陽輻射實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。遮陽系數(shù)越小，代表玻璃阻隔陽光輻射的性能越強，而相應的節(jié)能效率也就越高。目前的節(jié)能玻璃材料種類十分多樣，并各自具有不同的節(jié)能性能。其中最常見的主要包括：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，從而得以吸收太陽光能，減弱建筑室內(nèi)太陽熱能透入，達到節(jié)能效果。熱反射玻璃與低輻射玻璃（Low-E 玻璃）兩種類型都是在玻璃表面增加涂層薄膜來改變玻璃的光學特性。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降低玻璃的遮陽系數(shù)，同時，玻璃也會因金屬離子而呈現(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，低輻射玻璃還會鍍一層銀膜，增強其反射長波紅外線的性能，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)。這種玻璃的導熱系數(shù)（K 值）可達到0.91，遠遠低于普通玻璃的傳熱系數(shù)，但由于造價高昂，目前并不普及。一般來說，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)濟因素與玻璃性能的考慮，目前既有建筑改造項目中，最為常見的還是使用低輻射中空玻璃搭配鋁合金斷橋隔熱來提高窗戶隔熱性能。

4 增加建筑遮陽

為避免陽光輻射直接通過外圍護結(jié)構(gòu)進入室內(nèi)，設置建筑遮陽阻擋輻射，既可以減少建筑能耗，同時也能避免室內(nèi)眩光。但對于部分舊建筑來說，在建筑方案設計階段較少考慮建筑遮陽問題，從而影響建筑能耗與室內(nèi)熱舒適度。建筑遮陽形式依據(jù)遮陽構(gòu)件在建筑所處位置的差異，可以劃分為自遮陽、外遮陽與內(nèi)遮陽三種。其中，建筑自遮陽是依靠建筑各個單體或體塊之間的組合產(chǎn)生陰影，從而達到相互遮陽效果，但這一方式主要是在早期方案設計階段完成的，因此，在既有建筑改造項目中較少使用。建筑內(nèi)遮陽與外遮陽均是在建筑的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)增設遮陽構(gòu)件。內(nèi)遮陽主要是在建筑室內(nèi)窗口位置設置百葉窗、卷簾等遮陽措施，但由于內(nèi)遮陽構(gòu)件位于建筑室內(nèi)，其吸收與透過的部分輻射熱量會成為室內(nèi)冷負荷。相較之下，安裝在窗外的外遮陽措施能直接反射吸收部分陽光，只有穿透遮陽構(gòu)件與窗戶進入室內(nèi)的輻射才會產(chǎn)生冷負荷，因此，其在節(jié)能效率上也會更高一些。同時，對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，外遮陽構(gòu)件可以在節(jié)能的同時還能改善建筑立面。

圖4 申都大廈遮陽改造后立面

例如，上海申都大廈的改造，在其建筑立面重新增設了外遮陽。申都大廈早在20 世紀是用作工廠車間，后被改造為6 層辦公建筑。2009 年，在上?，F(xiàn)代建筑集團的主持下進行了第二次的綠色改造[11]（圖4）。改造前的舊建筑并沒有考慮遮陽措施，建筑立面飾面脫落破損嚴重。為此，在其建筑節(jié)能改造提升的過程中，適當增設了外遮陽構(gòu)件。首先，設計師在建筑南立面增設垂直的金屬遮陽網(wǎng)板，建筑東立面則設置30°傾斜的遮陽網(wǎng)板。與此同時，在金屬遮陽板內(nèi)側(cè)還搭配種植藤曼植物，既增加夏季的遮陽效果，也避免了對冬季獲取陽光輻射的影響。其外側(cè)的外遮陽構(gòu)件，既減少了夏季的太陽輻射，也規(guī)整美觀了建筑立面。而對于主要設置輔助空間的西側(cè)與背陽的北側(cè)就不再考慮遮陽措施。在經(jīng)過增加遮陽、門窗更換、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)測能耗僅為66kWh/(m2a)，大大節(jié)省了能耗開支[12]。

5 結(jié)語

在城市化進程逐步加快的背景下，對既有建筑進行功能提升以及節(jié)能改造得到了越來越多的重視與關注。而建筑表皮作為建筑室內(nèi)與室外的連接媒介，對其進行改造提升更是直接影響著建筑節(jié)能效率與外觀效果。總之，對于既有建筑節(jié)能改造更新主要圍繞外圍護結(jié)構(gòu)改造、建筑窗戶改造以及增設建筑遮陽三個方面展開。其中，針對外圍護結(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，設計者可以根據(jù)具體的項目特點選擇不同的改造方案。事實上，我國既有建筑表皮節(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)性仍然是我國建筑行業(yè)的重要課題。