某博物館綠色化建筑節(jié)能改造研究

張 喆

(泰州市博物館，江蘇 泰州 225300)

0 引言

博物館通過收藏、保管、研究和展示等形式，為參觀者創(chuàng)造了與過去對話的空間。博物館作為公共建筑，空間功能復雜、人流量大。博物館的館舍建設(shè)除需保證文物儲藏保管、展示、研究所需功能外，還需滿足館內(nèi)恒濕、恒溫等要求。我國大力倡導建設(shè)節(jié)約型社會、實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，博物館這一類特殊性質(zhì)的公共建筑節(jié)能，也越來越受到重視。2020年1月15日，T/CECA-G 0024—2019《博物館能源管理體系建設(shè)與實施指南》發(fā)布。為進一步挖掘博物館等公共建筑的節(jié)能，發(fā)揮其在社會節(jié)能中的表率作用，提升公共機構(gòu)能源管理水平，作為博物館建筑管理者，一方面，要為參觀者提供舒適、便捷、高效的服務(wù)；另一方面，要為降低建筑物能源消耗盡一份社會責任，實現(xiàn)節(jié)能提質(zhì)增效。根據(jù)某市博物館特性，從相關(guān)節(jié)能改造入手，提出具體的改造措施與建議，探討博物館的綠色化改造舉措。

1 工程概況

某市博物館建于20世紀50年代，建筑面積2萬余m2，是以收藏歷史文物為主的綜合性博物館，擁有各類藏品近萬件，其中經(jīng)鑒定的國家一、二、三級珍貴文物800多件。文物收藏中，明代服飾是國內(nèi)保存最集中、最完好的明代民用紡織品，尤其是絲織品；六朝青瓷、宋元明清瓷器有較多精品收藏，獨具特色。進入21世紀，該博物館經(jīng)長期使用，受時間和環(huán)境因素影響，建筑狀況變差，如門窗漏風、墻面脫落等，原空間已不能滿足大量參觀者的需要，基于保護建筑文物及安全需要，擬對博物館進行綠色化建筑改造，即在不破壞生態(tài)平衡的條件下，盡量減少使用合成材料，充分利用空間和自然材料，節(jié)約能源，促進人、建筑和自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 節(jié)能改造措施

2.1 門窗節(jié)能改造

博物館建筑中，門窗作為重要組成部分，占建筑面積的15%～25%，能量損失約占建筑能耗的50%以上，且窗四周與墻相交處也易出現(xiàn)冷熱橋現(xiàn)象。因此，在滿足門窗基本功能的前提下，還要進一步提升外門窗氣密性，避免在采暖季和供冷季由于窗戶的空氣滲漏，造成更多能量損失。因此，博物館門窗節(jié)能改造時，建議采用被動式門窗節(jié)能技術(shù)，著重解決門窗的保溫性和密封性，并設(shè)置可調(diào)外遮陽。外門窗采用斷橋鋁合金三玻中空玻璃門窗(見圖1)，并在北向入口處設(shè)置門斗，為保證門窗的整體氣密性，外門窗的氣密性等級均為8級。

圖1 高性能斷橋鋁合金門窗

2.1.1選用Low-E中空玻璃及內(nèi)置遮陽

Low-E中空玻璃具有傳熱系數(shù)低和可反射紅外線的特點，改造建議外窗采用3層Low-E玻璃，三玻窗型材傳熱系數(shù)為0.7W/(m2·K)，玻璃間隔條采用非金屬間隔條。玻璃的太陽能總透射比≥0.45。采用Low-E中空玻璃，在寒冷的冬季既可讓太陽的能量盡可能地進入室內(nèi)，又能有效阻止室內(nèi)熱量的損失；在炎熱的夏季可降低近紅外線透過率，避免陽光直射，保持較高可見光透過率的同時，使熱量最少地進入室內(nèi)。

遮陽對玻璃和外門窗節(jié)能也十分有效。結(jié)合建筑外觀，擬采用中置遮陽，即在三玻窗中間設(shè)置百葉遮陽，百葉可調(diào)整角度，夏季關(guān)閉，可最大限度阻止陽光直射進室內(nèi)，冬季完全打開，保證陽光最大限度進入室內(nèi)。外門窗型材傳熱系數(shù)≤1.2W/(m2·K)。中置遮陽效果可等同于全部遮蔽窗戶的活動外遮陽，且不受建筑外形的限制，使用方便，造型美觀。

2.1.2應(yīng)用智能通風系統(tǒng)裝置

在博物館建筑中，通過自然通風開窗換氣，可保持室內(nèi)空氣的清新，也可最大限度地減少空調(diào)使用時間，從而達到節(jié)能效果。但在供暖季和供冷季開窗換氣，無法控制能量損失及防止室外污染氣體進入室內(nèi)，因此，在節(jié)能改造中安裝具有通風凈氣、高效熱回收功能的新風系統(tǒng)(見圖2)，可保證室內(nèi)氣流組織定向流動，同時根據(jù)室內(nèi)溫濕度、CO2濃度對新風量進行反饋，保證室內(nèi)舒適性。新風系統(tǒng)配置空氣質(zhì)量檢測儀，可24h智能監(jiān)測室內(nèi)空氣中有害氣體含量，通過智能感應(yīng)功能在智能顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)室內(nèi)空氣狀況自動運行，調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量，控制換氣量。

圖2 高效熱回收新風系統(tǒng)

2.1.3提升水密、氣密性能

隨著技術(shù)的不斷進步，門窗產(chǎn)品可滿足更高的使用舒適度要求，采用高密封、防水框扇組合型材生產(chǎn)的塑鋼窗，其氣密性與水密性均顯著提升，可大幅度提高門窗的氣密、水密等性能。建議博物館門窗建筑改造中的框、扇、密封掛件間使用高質(zhì)量膠條，使整窗的性能達到水密性6級、氣密性8級。

2.2 墻體節(jié)能改造

2.2.1非承重節(jié)能木墻的應(yīng)用

博物館建筑節(jié)能改造中，部分墻體可采用非承重節(jié)能木墻。非承重節(jié)能木墻是由木骨架和外飾面板組成的非承重墻體，其龍骨間的空隙用具有保溫隔熱及隔聲性能的材料填充。非承重木骨架組合墻體可用于大空間框架結(jié)構(gòu)的非承重外墻。木墻具有質(zhì)量小、保溫性能好的優(yōu)點，在工廠按尺寸預先加工，現(xiàn)場安裝，可縮短施工周期。使用非承重節(jié)能木墻，外墻墻體替代混凝土砌塊或鋼結(jié)構(gòu)填充墻，可提高建筑的保溫性能，減少環(huán)境污染與碳排放。

非承重節(jié)能木墻從室內(nèi)到室外，主要由以下材料構(gòu)成：①內(nèi)墻面板，采用滿足防火要求的耐火石膏板作為墻體內(nèi)飾面；②隔汽層，采用被動房專用防水隔汽膜阻止水蒸氣向室外滲透，膜與膜間用專用氣密性膠帶進行搭接，形成完整氣密層，提高建筑的整體氣密性；③墻骨柱，木質(zhì)墻骨柱主要起支撐結(jié)構(gòu)的作用，同時中間填充巖棉起保溫隔熱作用；④外墻面板，安裝在墻骨柱組成的木框架外側(cè)，一般為12mm厚防水石膏板或水泥纖維板，用來從外側(cè)封閉巖棉，并作為防水層的附著基礎(chǔ)；⑤防水層，采用被動房專用防水透氣膜，防止雨水從外面滲透到木結(jié)構(gòu)墻體，還可將墻體內(nèi)的潮氣通過滲透的形式排出；⑥防雨幕墻外飾面，外飾面可根據(jù)建筑造型選擇不同形式，主要保護墻體內(nèi)部構(gòu)件，同時還具有排水通風功能。外飾面可采用掛板飾面，掛板材料可選用水泥纖維掛板、聚乙烯掛板及木質(zhì)掛板等，其優(yōu)點是具有良好的排水和通風途徑，并避免外飾面毛細作用引起的墻體潮濕，從而提高外墻的耐久性。

節(jié)能木墻的消防安全要求主要遵循GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)及GB/T 50361—2018《木骨架組合墻體技術(shù)標準》中的規(guī)定。

2.2.2加氣混凝土的應(yīng)用

博物館建筑節(jié)能改造中，采用加氣混凝土作墻體材料。加氣混凝土具有一定的保溫功能，根據(jù)不同的干密度，導熱系數(shù)為0.10～0.20W/(m·K)，尤其是在夏熱冬冷氣候區(qū)，墻體本身可滿足公共建筑對外墻傳熱系數(shù)的要求。加氣混凝土還可節(jié)約資源，利用工業(yè)廢棄物實現(xiàn)產(chǎn)品綠色化，符合建設(shè)節(jié)約型社會的要求。比如，1m220cm厚混凝土墻，重460～500kg/m2；1m220cm厚加氣混凝土墻，重100kg/m2；若采用黏土磚，密度為1 800kg/m3，24cm厚墻約重430kg/m2。加氣混凝土可利用電廠的粉煤灰、玻璃原料、鐵礦尾礦等工業(yè)廢棄物為原料，保溫、隔熱性能良好，可替代燒結(jié)磚、黏土磚、實心磚，且已被列為新型墻體材料，集機械化、現(xiàn)代化、規(guī)?；谝惑w，可制作砌塊、板材，用于非承重墻或框架填充。

2.3 博物館建筑防火處理

以收藏歷史文物為主的綜合性博物館，其改造工程完全不同于一般建筑，應(yīng)盡量保證消防安全，其消防安全系統(tǒng)尤為重要，不但要防，更要滅。根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)消防措施，可分為通風控制型、燃料控制型、噴淋控制型3種。若博物館建筑內(nèi)部起火，室內(nèi)溫度將迅速升至250℃以上，外門窗在高溫作用下逐步變形，玻璃破碎，此時火焰從門窗洞口竄出，向室外翻卷，并向建筑上部和兩側(cè)蔓延，建筑物飾面材料在高溫作用下出現(xiàn)龜裂、脫落等現(xiàn)象，且易引燃可燃材料，造成火災(zāi)沿外墻迅速蔓延，導致火勢加大和損失加重。

博物館建筑改造時，建議采取以下措施。

1)設(shè)置豎向防火隔離帶阻止火勢向水平方向蔓延，防火隔離帶寬度應(yīng)≥1m，橫向防火帶宜設(shè)置在窗口周邊。

2)避免博物館建筑外墻出現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)，采用防火封堵材料嚴密封堵結(jié)構(gòu)內(nèi)空腔。如建筑外墻增加保溫系統(tǒng)，保溫材料的防火性能應(yīng)為A級，且在墻體保溫結(jié)構(gòu)連接處和結(jié)構(gòu)縫等位置應(yīng)封堵嚴密。

3)設(shè)置與結(jié)合器相連的噴水保護系統(tǒng)。可沿建筑外墻四周設(shè)簡易噴水滅火系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，可通過水泵結(jié)合器，啟動噴淋系統(tǒng)，噴水保護建筑外墻。

4)嚴格控制火源，降低火災(zāi)荷載，嚴格限制建筑物的使用功能，提高建筑物耐火等級。規(guī)范電氣線路的安裝與敷設(shè)。

5)維護保養(yǎng)好已設(shè)置的消防設(shè)施和滅火器材。定期維護保養(yǎng)建筑內(nèi)的消防設(shè)施，定期對系統(tǒng)進行全面檢查測試，確保消防設(shè)施完整好用。

2.4 室外地磚改造

博物館建筑室外地磚改造時，建議使用具備綠化、透水、通行、停車、抑塵、降溫、生態(tài)、環(huán)保于一體的透水磚。透水地磚優(yōu)勢如下：鋪設(shè)樹池，可填平樹坑；具有優(yōu)異的滲水性，能充分利用雨水，避免雨水流失；水分充足能吸熱散熱從而降低地表溫度，消除城市熱島效應(yīng)；減緩水分蒸發(fā)，達到節(jié)水的目的；利于樹木生長起到透氣的作用；凈化雨水避免地下水污染。將透水磚制作成綠色、紅色人行道路面，實用美觀，施工便捷(既可現(xiàn)場施工鋪設(shè)，也可制成預制塊使用)，固結(jié)后強度高，耐踏、防滑，能確保行人安全，總造價低于現(xiàn)鋪地面磚的造價。透水地磚除具有以上綜合的節(jié)約特性外，還可在更換產(chǎn)品時予以回收再利用，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。

3 能耗及經(jīng)濟性分析

3.1 建筑能耗分析

使用DEST對本項目改造前、后建筑能耗進行模擬分析，改造前、后建筑供暖、制冷能耗指標如表1所示。由表1可知，改造后建筑供暖、制冷負荷均降低了20%左右。說明圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化、外窗傳熱性能優(yōu)化及通風系統(tǒng)的升級、氣密性處理對建筑能耗的降低起到了良好的作用。由表1可知，改造后建筑年供暖需求(全年累計熱負荷指標)為34.75kW·h/m2， 年供冷需求(全年累計冷負荷指標)為30.09kW·h/m2，節(jié)能率分別為19%，20.9%。對比改造前的建筑能耗，建筑全年供暖、制冷、通風及照明能耗節(jié)能率高達21.97%，對建筑節(jié)能減排、降低建筑能耗起到十分重要的作用。

表1 改造前、后建筑供暖、制冷能耗指標

經(jīng)模擬分析，建筑能耗占比如圖3所示。由圖3可知，本項目供暖、空調(diào)和照明占建筑能耗的77%。因此，建筑節(jié)能改造著力于供暖、制冷及照明設(shè)備的優(yōu)化升級，對大幅度降低建筑整體能耗具有重要意義。

圖3 建筑能耗占比分析

3.2 經(jīng)濟性分析

在保證建筑原有使用功能的基礎(chǔ)上，本項目改造遵循以下原則。

1)經(jīng)濟性、合理性 考慮博物館建筑的用能特點，采用較合理、經(jīng)濟效益高的技術(shù)方案，在追求性價比的基礎(chǔ)上盡可能對方案進行優(yōu)化。

2)有效利用現(xiàn)有資源 考慮原有設(shè)備使用時間不長，本項目在原有供暖、制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，僅對薄弱設(shè)備進行優(yōu)化，不對能源系統(tǒng)和設(shè)備進一步追加投資，極大提高項目經(jīng)濟性。

3)關(guān)鍵技術(shù)和部品的可達性 相關(guān)產(chǎn)品大部分采購于項目附近工廠，降低運輸成本，減少建材運輸碳排放。

在此基礎(chǔ)上，本項目成本增量為結(jié)構(gòu)及氣密性處理100元/m2，保溫材料100元/m2，外門窗系統(tǒng)200元/m2，新風系統(tǒng)150元/m2，總增量成本550元/m2。

4 結(jié)語

當今城市朝著多元化方向發(fā)展，博物館為公共文化服務(wù)機構(gòu)的屬性不斷強化，博物館不僅展示過去，還將在城市改造和重建中發(fā)揮重要作用。本文通過對博物館節(jié)能改造設(shè)計中的節(jié)能技術(shù)進行研究分析，使既有博物館的綠色化節(jié)能改造成為推動社會發(fā)展的力量，研究結(jié)果對促進全社會的節(jié)能減排工作發(fā)展，打造未來高品質(zhì)的博物館建筑都具有重要意義。