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摘要:既有工業(yè)建筑作為城市中的重要一員越來(lái)越受到關(guān)注。既有工業(yè)建筑的改造也對(duì)城市發(fā)展具有重要的歷史文化意義。通過(guò)對(duì)天津意庫(kù)產(chǎn)業(yè)園的既有工業(yè)建筑進(jìn)行建筑能耗調(diào)研，發(fā)現(xiàn)天津意庫(kù)中的既有建筑室內(nèi)空氣流通性差、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差等問(wèn)題。結(jié)合天津城區(qū)氣候環(huán)境，從綠色發(fā)展理念的角度出發(fā)，對(duì)天津城區(qū)既有建筑節(jié)能改造提供建筑節(jié)能設(shè)計(jì)策略。利用ECOTECT軟件對(duì)節(jié)能改造前后的建筑進(jìn)行熱工分析，驗(yàn)證該策略的可行性。

關(guān)鍵詞:天津城區(qū);既有工業(yè)建筑;綠色節(jié)能改造

引言

21世紀(jì)以來(lái)，第二產(chǎn)業(yè)逐漸衰退，我國(guó)許多城市開(kāi)始了產(chǎn)業(yè)調(diào)整，服務(wù)業(yè)呈明顯增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。城市中大量企業(yè)工廠受城市產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的逐漸轉(zhuǎn)型的影響，企業(yè)開(kāi)始遷出，城市中心區(qū)域遺留下的數(shù)量眾多的空置的工業(yè)建筑及用地，不僅失去了相應(yīng)的功能還與周圍城市發(fā)展格格不入。近年來(lái)，既有工業(yè)建筑的保護(hù)和利用的科學(xué)研究及項(xiàng)目實(shí)踐在我國(guó)越來(lái)越受到重視［1］。而保護(hù)和利用的力度加大對(duì)城市更新及發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。通過(guò)認(rèn)知城市既有工業(yè)建筑的價(jià)值，來(lái)加強(qiáng)它們?cè)谔旖蚪?jīng)濟(jì)、歷史、文化及發(fā)展中的地位。既有工業(yè)建筑的保護(hù)、利用與更新的研究方法，已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)階段城市發(fā)展中亟待解決的新問(wèn)題。近十年以來(lái)我國(guó)多個(gè)部門了，綠色節(jié)能設(shè)計(jì)改造的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。“十三五”伊始，我國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，更加精準(zhǔn)、科學(xué)指導(dǎo)我國(guó)的綠色節(jié)能理念和綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。通過(guò)黨和政府的引領(lǐng)，綠色發(fā)展理念已經(jīng)深入人心，既有工業(yè)建筑改造中對(duì)于綠色生態(tài)節(jié)能等技術(shù)的需求也日漸增加，越來(lái)越受到人民群眾的青睞。

1天津既有工業(yè)建筑概況

1.1天津地區(qū)氣候概況

天津位于華北平原北部，北緯39°東經(jīng)117°，平均海拔3.5m，年平均氣溫12～15℃，屬于溫暖帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候。四季特點(diǎn)顯著，春季溫和，降雨量小;夏季炎熱，降雨量大;秋季清爽，冷暖適中;冬季寒冷，干燥少雪。天津日照時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)到2500～2700h。天津太陽(yáng)能資源較為豐富，年均太陽(yáng)輻射總量達(dá)到4.935×109J/m2。天津是華北平原太陽(yáng)輻射量較大的城市之一。

1.2意庫(kù)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園現(xiàn)狀調(diào)研

意庫(kù)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園位于天津市紅橋區(qū)，早年為“天津外貿(mào)地毯廠”，還是國(guó)際評(píng)比上的獲得過(guò)金獎(jiǎng)的品牌。意庫(kù)園區(qū)記載了城市工業(yè)歷史文化。天津意庫(kù)產(chǎn)業(yè)園于2007年9月開(kāi)放迎客，是天津市第一家通過(guò)既有工業(yè)建筑改造而成的新興創(chuàng)意園區(qū)，有著天津“798”的稱號(hào)。在工業(yè)遺產(chǎn)改造的過(guò)程中將玻璃、鋼材等現(xiàn)代材料跟老舊的廠房建筑進(jìn)行搭配改造，使老廠房煥發(fā)出新的活力(見(jiàn)圖2)。意庫(kù)園區(qū)基地面積很大，達(dá)3萬(wàn)m2，建筑面積也有2.5萬(wàn)m2，現(xiàn)有16棟保存完好的建國(guó)后到上世紀(jì)90年代不同類型的工業(yè)建筑。天津意庫(kù)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園既有工業(yè)建筑改造后的用途是商業(yè)辦公。現(xiàn)有主要企業(yè)類型為:文化創(chuàng)意、科技、現(xiàn)代服務(wù)三類。結(jié)合實(shí)地調(diào)研，意庫(kù)園區(qū)的改造主要分為三方面:一是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彩色粉刷，二是各類裝飾構(gòu)件的創(chuàng)意搭配，三是多種個(gè)性空間的協(xié)調(diào)加建。在意庫(kù)園區(qū)的改造中未考慮綠色節(jié)能方面的問(wèn)題，如外維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、節(jié)能構(gòu)件等，因此，意庫(kù)園區(qū)未達(dá)到綠色節(jié)能的使用要求。

2天津意庫(kù)既有建筑現(xiàn)存問(wèn)題

2.1屋面外墻結(jié)構(gòu)熱工性能弱

屋面和外墻的建筑材料、構(gòu)造方式對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境影響顯著［2］。對(duì)現(xiàn)存的廠房進(jìn)行調(diào)研如表1所示，屋頂有平屋頂和坡屋頂兩種形式。屋面只做一層20mm厚水泥砂漿抹面，無(wú)保溫層。此種屋面保溫，在夏季隔熱與冬季保溫中會(huì)損失大量熱量，增加了采暖保溫的能量消耗。廠房建筑外墻由普通實(shí)心粘土磚砌筑而成，厚度為370mm。雖然建筑外墻較厚但是由于粘土磚熱工性能較差，墻面無(wú)保溫結(jié)構(gòu)，因此工廠外墻沒(méi)有達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

2.2門窗結(jié)構(gòu)能耗大

眾所周知，建筑門窗是建筑能耗最多的部位，約占建筑總能耗的50%。工業(yè)建筑對(duì)采光要求較高，門窗面積較大，在滿足通風(fēng)條件下可適當(dāng)減少門窗面積［3］。門窗的熱交換主要包括玻璃部分的熱輻射和熱傳導(dǎo)、門窗框部位的熱傳導(dǎo)和門窗縫隙發(fā)生的對(duì)流換熱。意庫(kù)的廠房建筑大門基本為金屬單層玻璃門，窗為塑鋼框的單層玻璃窗。尤其是大門為了美觀采用了單層玻璃門，門間縫隙較大，增加了熱對(duì)流，保溫隔熱效果極差，夏季冬季尤其增加能耗。

2.3通風(fēng)性較差

意庫(kù)廠房開(kāi)窗為縱向細(xì)條形窗。夏季通風(fēng)較差，部分廠房北向沒(méi)有開(kāi)窗，而且工業(yè)建筑開(kāi)間大，進(jìn)深較大，南北通透性較差，夏季時(shí)期只能通過(guò)風(fēng)扇或空調(diào)設(shè)備來(lái)降低室內(nèi)溫度，增加了建筑能耗。

3既有工業(yè)建筑節(jié)能改造措施

3.1改善建筑周圍微氣候

建筑周邊小氣候會(huì)對(duì)建筑能耗產(chǎn)生影響。建筑周圍的小氣候在一定程度上能夠緩解建筑的能源消耗。工業(yè)建筑周圍應(yīng)該增加綠地面積，種植草叢、灌木、喬木，形成垂直和水平的綠色空間。在夏季可以形成蔭涼，減少太陽(yáng)曝曬，降低工業(yè)建筑周圍的溫度。如果條件允許，可以在院落中適當(dāng)種植樹(shù)冠高大的樹(shù)木，在炎熱的夏季形成自然陰涼減少建筑外墻面被暴曬的時(shí)間，延緩室內(nèi)溫度增加而減少空調(diào)設(shè)備的能耗。

3.2自然通風(fēng)

為了加強(qiáng)廠房建筑夏季自然通風(fēng)的效果，可以在建筑內(nèi)增加若干風(fēng)通道形成通風(fēng)煙囪，利用室內(nèi)外的空氣壓強(qiáng)差來(lái)增加空氣的流動(dòng)性，改善室內(nèi)環(huán)境。

3.3門窗節(jié)能

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外窗是熱量損失最大的構(gòu)件。例如意庫(kù)的廠房建筑B6南側(cè)窗原有12個(gè)，后人為封閉一個(gè)，現(xiàn)有11個(gè)，大門兩個(gè)。目前窗框材質(zhì)為塑鋼窗框，隔熱保溫性能較差。而斷橋鋁門窗框具有優(yōu)良的隔熱性能［4］，斷橋鋁門窗框可以阻擋外部熱量通過(guò)門窗傳入到屋內(nèi)，在很高程度上的保證了屋內(nèi)溫度的穩(wěn)定，這種門窗在夏季和冬季更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。在夏季炎熱時(shí)能夠維持建筑室內(nèi)的涼爽，在冬季寒冷時(shí)也減少屋內(nèi)的熱量的散失。并且斷橋鋁門窗的隔聲、防水、密閉性都有顯著提高。意庫(kù)的廠房建筑玻璃均為單層玻璃，考慮到保溫性能提高，可將單層玻璃更換為雙層玻璃。表2為意庫(kù)工業(yè)建筑改造前后窗戶的傳熱系數(shù)對(duì)比。

3.4墻面節(jié)能策略

節(jié)能墻體包括單一材料節(jié)能墻體和復(fù)合節(jié)能墻體，對(duì)于天津意庫(kù)的既有工業(yè)建筑來(lái)說(shuō)，在磚混結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以使用復(fù)合節(jié)能墻體。既有工業(yè)建筑中磚混結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)大的比例。若要使磚墻的保溫隔熱性能達(dá)到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)，外墻厚度增加并不能有效的提高保溫性能，過(guò)厚的建筑外墻會(huì)減少建筑使用面積。因此建議使用復(fù)合節(jié)能墻體［5］。墻體外保溫、墻體內(nèi)保溫和夾芯保溫外墻是復(fù)合型保溫墻常見(jiàn)的三種形式。對(duì)于既有工業(yè)建筑夾心保溫墻的施工技術(shù)操作復(fù)雜，不建議采用。外墻外保溫具有保護(hù)建筑主體不受損壞、可避免“熱橋”的影響、增加室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性、可以避免保溫層因內(nèi)部裝修而受到的損壞等優(yōu)點(diǎn)。外墻外保溫缺點(diǎn)是:造價(jià)高、施工工藝高、對(duì)建筑外墻裝飾有影響等。總的來(lái)說(shuō)，從施工、材料、效果等方面墻體的外保溫具有很大的優(yōu)勢(shì)。外墻內(nèi)保溫是指在結(jié)構(gòu)墻內(nèi)壁增加保溫層，表面添加裝飾層的做法。外墻內(nèi)保溫具有造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、天氣狀況對(duì)施工進(jìn)度不產(chǎn)生影響等優(yōu)點(diǎn)。然而其劣勢(shì)為建筑使用面積減少、施工時(shí)使用者需要搬離房間、相對(duì)于外保溫容易產(chǎn)生冷橋、不利于室內(nèi)裝修等。而考慮到既有工業(yè)建筑外觀和園區(qū)風(fēng)格，工廠建筑的外表皮需要保留，因此外墻內(nèi)保溫這種做法適用既有工業(yè)建筑的墻面節(jié)能策略。

3.5資源能源的利用

3.5.1太陽(yáng)能資源我國(guó)有著豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能資源的優(yōu)勢(shì)十分顯著。它最大的特點(diǎn)是高效率、可再生。現(xiàn)階段，太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用在生活和生產(chǎn)等方面，已經(jīng)非常成熟了。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)以太陽(yáng)能光電板為收集裝置，把熱能高效率的轉(zhuǎn)化為電能后，可以供人立即使用［6］。通常的做法是在建筑的屋面上布置太陽(yáng)能光伏裝置，如在屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光電板，收集電能供其他設(shè)備進(jìn)行供電運(yùn)行。

3.5.2水資源我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重干旱缺水的國(guó)家。人均水資源量只有世界平均水平的1/4，而用水量卻居世界首位。因此，對(duì)水資源的節(jié)約利用也是城市既有工業(yè)建筑綠色改造的重點(diǎn)方向［7］。水資源的利用一般分為三個(gè)方面:一是雨水的收集利用。可以利用屋頂來(lái)收集雨水并進(jìn)行凈化處理，進(jìn)行綠化灌溉和沖洗廁所。二是中水的收集利用。通過(guò)對(duì)生活廢水的收集并經(jīng)過(guò)凈化處理，進(jìn)行綠化灌溉和沖洗廁所。三是改善既有工業(yè)廠區(qū)的用水設(shè)備，采用節(jié)水型的衛(wèi)生器具和設(shè)備達(dá)到節(jié)約用水的目的。

4室內(nèi)逐時(shí)溫度對(duì)比分析

在ECOTECT中建立天津市意庫(kù)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園的既有工業(yè)建筑廠房B6的三維建筑信息模型。包括屋頂、外墻、窗戶、大門、地板等都進(jìn)行了材質(zhì)及數(shù)據(jù)的輸入。B6廠房為硬山屋頂，長(zhǎng)為52m，寬為12m。南向有兩個(gè)大門，原有12個(gè)條形窗，目前有一個(gè)被封死，現(xiàn)存11個(gè)。采用天津地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，在ECOTECT軟件中按照表3分別對(duì)節(jié)能改造前后廠房建筑模型的熱工性能參數(shù)進(jìn)行修改，在工作日，未采用空調(diào)設(shè)備的計(jì)算模擬。分別計(jì)算在全年最冷日、最熱日節(jié)能改造前后意庫(kù)廠房的室內(nèi)逐時(shí)溫度［8］。并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。

4.1全年最熱日室內(nèi)逐時(shí)溫度模擬

模擬計(jì)算天津地區(qū)最熱日意庫(kù)廠房建筑B6節(jié)能改造前后室內(nèi)逐時(shí)溫度，并繪制成圖(見(jiàn)圖3)。由圖可知，改造后的意庫(kù)廠房建筑在夏季室內(nèi)最高溫度要低于改造前，改造前室內(nèi)溫度最高為32.5℃，改造后下降為30.8℃。改造前廠房建筑則溫度變化大，溫度波動(dòng)明顯。改造后溫度波動(dòng)范圍趨于平緩，改造效果明顯。兩者的對(duì)比可以看出改造后意庫(kù)廠房建筑B6的隔熱性能得到提升。

4.2全年最冷日室內(nèi)逐時(shí)溫度模擬

模擬計(jì)算天津地區(qū)最冷日民居改造前后室內(nèi)逐時(shí)溫度，并繪制成圖(見(jiàn)圖4)。由圖可知，改造后的意庫(kù)廠房建筑在冬季室內(nèi)最高溫度要高于改造前，改造前室內(nèi)溫度最高為－3.8℃，改造后上升為－2.8℃。改造前廠房建筑則溫度變化大，溫度波動(dòng)明顯。改造后溫度波動(dòng)范圍趨于平緩，改造效果明顯，熱穩(wěn)定性得到提升。節(jié)能改造后廠房保溫性能得到提高，建筑間歇性供暖時(shí)室內(nèi)溫度變化小。在保證相同室內(nèi)熱環(huán)境的狀況下，改造后的工業(yè)建筑耗能減少。

5結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天津市乃至全國(guó)大量城市中存留了大量的既有工業(yè)建筑。既有建筑的改造也在全國(guó)各地如火如荼的進(jìn)行。在當(dāng)今綠色節(jié)能發(fā)展的理念下，我們對(duì)既有工業(yè)建筑的綠色節(jié)能改造具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)天津市既有工業(yè)建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，針對(duì)天津既有工業(yè)建筑存在的問(wèn)題提出了改善園區(qū)小氣候、提高維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，注重太陽(yáng)能和水的循環(huán)使用等適合天津市既有工業(yè)建筑的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)策略。為天津市既有工業(yè)建筑綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。對(duì)天津市降低既有工業(yè)建筑能耗，提高綠色節(jié)能水平，促進(jìn)天津市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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作者：劉歆 王旭 高潔 單位：河北工業(yè)大學(xué)