历史保护建筑的近零能耗研究

■ 杨 丽 YANG Li 孙碧蔓 SUN Biman

0 引言

全球有超过3 0%的能耗来自建筑能耗，可见从降低建筑能耗的角度实现节能减排、保护生态环境是重要切入点[1]。本文通过对上海理工大学历史保护建筑生态节能策略的分析研究，来探讨历史保护建筑的生态节能新策略。

上海理工大学（原名为沪江大学）自1 9 0 6年起，历经4 0余年，陆陆续续地建成了5 0余幢哥特式建筑，整个校园充满了哥特文化风味。校园内现存的历史保护建筑中，大多数为上海市优秀历史保护建筑。1 0 0余年以来，这些建筑仍旧保持着沪江大学原有的校园空间布局，对于上海以及全国，都是具有非凡意义的历史文化遗产。

上海理工大学于1919 年进行规划设计，该校园是享利·墨菲(HenryKilliam Murphy) 在中国的第二个校园规划，整体规划理念与美国大学校园规划理念相同，采用三合院式的规划布局。在原沪江大学校园里的历史保护建筑中，很容易发现存在许多具备学院哥特式（Collegiate GothicStyle）特点的建筑类语汇：陡峭的屋顶、精细的开窗方式、尖塔装饰、城堡式入口、通过式塔楼、外墙扶壁、墙面浮雕等。

1 生态节能改造策略分析

根据目前国内相关历史文物建筑保护的规范与标准，对优秀历史保护建筑的修缮策略为：在保护原来建筑的原则下，尽可能根据建筑物原有的构造方法、材料材质以及色彩风格进行修缮。在保护建筑文化遗产的前提下，小范围地对建筑环境进行改造以及再利用[2]。

由于优秀历史保护建筑在修缮改造的过程中，建筑风格形式及建筑内部结构不容许改变，以免对生态节能改造产生一些不利因素。这些历史保护建筑原始构造没有设计保温层，而外墙外保温系统由于需改变建筑的原有结构体系，且对原有外立面破坏严重因此无法采用。外墙内保温系统可避免对原有外立面及结构体系产生影响，但此做法将会对建筑的室内装饰产生影响，同样也不适用。所以，一般的改变建筑外围护结构的策略如增加建筑外遮阳系统、增加防风门斗、外墙保温等会对历史保护建筑的建筑风格造成破坏，在这都不可取。

本文根据上海理工大学历史保护建筑的实际情况，对症下药提出三条生态节能改造策略：①提高空调设备系统效能；②妥善利用可再生能源；③被动式设计的自然通风。

2 提高空调设备系统效能

上海地处夏热冬冷气候区，太阳辐射、季节性季风气候以及局部的差异性影响，使该地区全年表现为夏季炎热、冬季寒冷的特点。目前，上海理工大学的历史保护建筑采用的是传统分体壁挂式空调，除了建筑外墙挂着空调室外机严重影响形象外，还存在着能耗大、运行效率低、造成环境污染等诸多问题。本项研究建议在改造中采用新型集中式中央空调系统来取代分散、分体式空调系统，以达到降低能耗的目的。

中央空调系统包括五个部分：空调冷热源、空气处理、空调水处理系统、空调风处理系统、自动控制与调节装置。在夏季，空调制冷机组将冷媒水制冷降温后，通过水泵将水输送到空气处理设备中，与空气进行热交换，形成的冷空气再输送到房间里，小部分在室内吸热后被排至室外；在冬季，空调热泵机组将水加热后，通过水泵将热水输送到空气处理设置中，与空气进行热交换，形成的热空气再输送到室内，小部分热空气在室内放热后，通过空调风系统排至室外。新型中央空调工作原理与一般中央空调系统的区别主要表现在以下四点：①空调控制与调节设备；②空调排风系统；③空调冷热源再利用；④空调送风系统（图1、2）。

3 充分利用可再生能源

历史保护建筑为了维持其建筑风格，一般情况下不允许对其建筑立面和顶面加装设备，但在改造中，太阳能集热板可以采取与建筑屋顶外观及功能上的一体化策略（图3）。本文中的历史保护建筑大多是坡屋顶形式，将太阳能集热器安装于南向的坡屋面上，有利于吸收太阳的辐射能，普遍安装方法有架空安装、贴屋面安装、嵌入式安装等三类形式，这里可以采用贴屋面形式安装，避免对历史保护建筑的屋面形式造成破坏。太阳能集热板在高效收集太阳能的同时，不但具有屋面瓦的功能，而且还可以冬季保温、夏季隔热，大大降低室内冬季供暖和夏季除热的空调能耗。

图1 新型中央空调夏季工作示意图

图2 新型中央空调冬季工作示意图

太阳能热水器通常需要电力辅助加热，高峰期会对公共电网造成加压。在生态节能改造时，可以利用太阳能热泵技术，实现错峰蓄热。利用多水箱的蓄热装置，日间进行太阳能蓄热，夜间蓄热则利用低谷电供给日间使用，利用这种循环交替方式，可降低公共电网负荷并节省了能源费用。

4 自然通风

自然通风可以有效提高室内热舒适性度，并且节约能耗，减小空调负荷，是潜力很大的通风途径。如今，经历了机械通风、空调技术的蓬勃发展与应用，各相关领域专家学者开始回归于研究自然通风技术，以达到节能并确保室内空气质量的双重目的。有别于传统的是，当前人们综合运用室内、室外条件去实现自然通风。若能将建筑构造相关构件进行优化，将能达到更好的自然通风效果[3]。

自然通风根据原理可以分为以下几种形式。

4.1 风压通风

图3 太阳能建筑一体化示意图

热压和风压是自然通风的主要原理。风压通风可以在满足外部风环境要求的情况下，作为实现自然通风的良好手段，通过建筑两侧的气压差形成通风。

4.2热压通风

热压通风是使用温度来驱动的被动式通风，比起风压通风更能适应多变的室外风环境，更能广泛应用。热压作用的形成主要来自于建筑室内外的温差，也就是热压差原理，透过建筑室内与室外的温度差来实现自然通风[4]，同时，室内热空气将带走其中悬浮微粒等污浊物质，获得外部新鲜空气（图4）。而建筑的进风口和出风口所产生的高差是另一项影响热压作用的关键，两者的差距越大则热压作用越显著[5]。

4.3风压结合热压

在建筑设计中，风压和热压经常是相互结合利用的。假使建筑进深较小，则这部分通风方式通常情况会多运用风压，建筑进深较深的部位由于靠传统的风压达不到好的效果，则应该多加利用热压以获得通风效果[6]。

4.4 机械辅助通风

大型建筑通常会辅以机械通风系统，支撑风压与热压两种通风方式以求达到自然通风理想情况。该系统有完整合理的通风路径，通常还会结合其他空气处理方法，加快室内通风[7]。

图4 太阳能烟囱原理与热压通风

本次使用的C F D软件为Fluent Air-pak，针对本研究改造建筑风场进行计算分析。该软件可以模拟空气流动、温度、品质、污染以及舒适度等问题[8]。软件设置中，将建筑周围的空气流动看作为低速不可压缩的湍流过程。此过程由控制方程控制，包括质量守恒以及动量守恒方程，若引入R N G k-ε湍流模型，则仅仅需考虑稳态效应[9]，则控制方程为：

本次模拟选取两栋历史保护建筑，第一次模拟是以思伊堂标准层为例，该楼原为假4层，砖木混合结构，双坡屋面，屋顶设置老虎窗。后期进行修复加固时将假4层改为4层平顶，取消了烟囱以及老虎窗。在该建筑平面图中，中间部分为走廊，两侧为对称的宿舍，假定风是从建筑物右侧进入，进风风速为5 m/s，最后再由左侧通风口向外排出（图5）。

2 m高度的空气速度矢量分布图显示，在走廊两侧窗子都打开的情况下，来流风从右侧进入，通过走廊，再从左侧窗口排出，模拟假定两边房间的门窗全开情况下，外部空气会通过窗子进入宿舍再进入走廊，这样就会达到宿舍内通风透气的作用，保持室内热舒适性（图6）。整体建筑中，走廊的风环境最好、风速最大，两侧宿舍风速其次，同样可以完成通风换气。

图5 上海理工大学思伊堂

图6 思伊堂A ir-p a k自然通风模拟图

实验显示，假定外部环境的气压为P1，进入走廊后由于空间突然变小，风速随之增加，走廊内的压强为P2，伯努利效应里速度增加压强减小P2＜P1，由于建筑内外存在压力差，驱使空气高压侧向低压侧流动，风通过两边宿舍窗户向走廊运动。在夏季适宜条件下，打开建筑两侧窗户及门，就能利用自然通风降温，达到减少空调使用频率、生态节能的效果。

第二个模拟对象为思福堂，假三层砖混结构（图7）。在建筑内部进深较大或布局较复杂，风压自然通风效果不佳的情况下，采用热压通风能获得更好的效果。热压通风利用“烟囱效应”[11]，内部热空气通过“烟囱”上升排出，带走热量，并引导外部新鲜冷空气从下部进入室内，从而达到为室内降温的目的[12][13]。

通过A i r-P a k建好思福堂等比例模型，在有“烟囱”的两个房间设置热压排风口，模拟室内空气流动，根据模拟实验，对不同高度层面的空气速度矢量进行模拟，从而对建筑内部的空气流动情况进行分析，从图8中可以看出，不同高度空气速度的矢量分布图。

图7 上海理工大学思福堂

分析1 m高度处的模拟图可以看出，图中深色部分聚集在设置有“烟囱”的两个房间，周围其他房间的颜色依次递减，这表明，周围各房间空气有一种向两间有壁炉房间汇集的趋势，究其原因主要是由于“烟囱”房间的空气被加热后，密度变小上升，进入烟囱后空气的截面变小，速度加快，排出室外。根据伯努利效应，由于烟囱内空气的流速变大，因此压力变小，与此同时，整个烟囱房间由于空气流失压力也变小，而周围房间的空气压力大于烟囱房间。因此，在内外压力差的驱动下，空气就由周围房间流向两个烟囱房间，从而促进室内的空气流通。

到2 m高度时这个趋势变得更加明显，高度越接近排风口风速越快。与此同时，根据2 m高度的空气龄分布图和纵剖面上风速矢量分布图可以进一步看出这种趋势。空气龄表示的是房间中的某一点完成空气交换所用的时间，单位为“s”。通风环境越好，空气龄越小，反之空气龄越大。由图8可知，在2 m的高度处靠近排风口的位置，空气龄颜色比周围更深，说明此处的空气龄更小，也就是说风速更大，空气交换更及时。而周围的房间，空气龄显示逐渐变大，说明越靠近“烟囱”的位置风速越大，越远离“烟囱”的位置风速越小。

根据上述的分析可以看出，房间内部“烟囱”的设置可以有效地促进室内空气流动。根据热压通风原理，“烟囱”内外的温度差越大，则压力差就越大，热压通风作用就越明显。同时，根据伯努利效应，“烟囱”的设置可以有效地促进热压通风趋势，空气流速越临近烟囱处越大，根据风速以及空气龄的模拟图进一步验证了这一点。通过以上几幅模拟图，可对思福楼的自然通风原理有一个直观且全面的认识。在春秋季或者初夏与盛夏夜晚，由于室内外温差较大，因此都可利用建筑自身的热压进行自然通风，某些条件下或要加装排风扇机械辅助，改善空气质量，并促使有效地降低室温，提高室内热舒适性，最终达到节能的目的。

5 结语

“节能减排”不只是世界前沿的口号，已成为我国的基本国策。即使各个领域都展开了相关课题的应用研究，但历史保护建筑的生态节能改造在我国还是一个崭新的课题，还有很多方面需要去摸索，去实践。

图8 在1、2、3 m高度及纵剖面风速矢量分布图

本文通过对上海理工大学历史保护建筑的研究，提出了三条可行性的近零能耗改造策略，通过对自然通风技术、新的中央空调节能技术、可再生能源技术的分析，根据各方面的综合能耗计算，每年大约可以达到节能3 0%的效果，这也为迈向零能耗建筑靠近一大步。本文提供了历史保护建筑进行节能改造时的技术模式依据，未来在优化设计阶段亦可以通过专业设备进行模拟分析。从历史保护建筑方向来探索生态节能更新，需要将建筑看成是自然界的一部分，将其作为有机生命体来对待。由于环保、绿色、生态的概念逐渐扩散，历史保护建筑将不断地发展成为利用自然通风等绿色节能设计方法的自然生态系统。