某博物馆绿色化建筑节能改造研究

张 喆

(泰州市博物馆，江苏 泰州 225300)

0 引言

博物馆通过收藏、保管、研究和展示等形式，为参观者创造了与过去对话的空间。博物馆作为公共建筑，空间功能复杂、人流量大。博物馆的馆舍建设除需保证文物储藏保管、展示、研究所需功能外，还需满足馆内恒湿、恒温等要求。我国大力倡导建设节约型社会、实现绿色低碳发展，博物馆这一类特殊性质的公共建筑节能，也越来越受到重视。2020年1月15日，T/CECA-G 0024—2019《博物馆能源管理体系建设与实施指南》发布。为进一步挖掘博物馆等公共建筑的节能，发挥其在社会节能中的表率作用，提升公共机构能源管理水平，作为博物馆建筑管理者，一方面，要为参观者提供舒适、便捷、高效的服务；另一方面，要为降低建筑物能源消耗尽一份社会责任，实现节能提质增效。根据某市博物馆特性，从相关节能改造入手，提出具体的改造措施与建议，探讨博物馆的绿色化改造举措。

1 工程概况

某市博物馆建于20世纪50年代，建筑面积2万余m2，是以收藏历史文物为主的综合性博物馆，拥有各类藏品近万件，其中经鉴定的国家一、二、三级珍贵文物800多件。文物收藏中，明代服饰是国内保存最集中、最完好的明代民用纺织品，尤其是丝织品；六朝青瓷、宋元明清瓷器有较多精品收藏，独具特色。进入21世纪，该博物馆经长期使用，受时间和环境因素影响，建筑状况变差，如门窗漏风、墙面脱落等，原空间已不能满足大量参观者的需要，基于保护建筑文物及安全需要，拟对博物馆进行绿色化建筑改造，即在不破坏生态平衡的条件下，尽量减少使用合成材料，充分利用空间和自然材料，节约能源，促进人、建筑和自然的协调发展。

2 节能改造措施

2.1 门窗节能改造

博物馆建筑中，门窗作为重要组成部分，占建筑面积的15%～25%，能量损失约占建筑能耗的50%以上，且窗四周与墙相交处也易出现冷热桥现象。因此，在满足门窗基本功能的前提下，还要进一步提升外门窗气密性，避免在采暖季和供冷季由于窗户的空气渗漏，造成更多能量损失。因此，博物馆门窗节能改造时，建议采用被动式门窗节能技术，着重解决门窗的保温性和密封性，并设置可调外遮阳。外门窗采用断桥铝合金三玻中空玻璃门窗(见图1)，并在北向入口处设置门斗，为保证门窗的整体气密性，外门窗的气密性等级均为8级。

图1 高性能断桥铝合金门窗

2.1.1选用Low-E中空玻璃及内置遮阳

Low-E中空玻璃具有传热系数低和可反射红外线的特点，改造建议外窗采用3层Low-E玻璃，三玻窗型材传热系数为0.7W/(m2·K)，玻璃间隔条采用非金属间隔条。玻璃的太阳能总透射比≥0.45。采用Low-E中空玻璃，在寒冷的冬季既可让太阳的能量尽可能地进入室内，又能有效阻止室内热量的损失；在炎热的夏季可降低近红外线透过率，避免阳光直射，保持较高可见光透过率的同时，使热量最少地进入室内。

遮阳对玻璃和外门窗节能也十分有效。结合建筑外观，拟采用中置遮阳，即在三玻窗中间设置百叶遮阳，百叶可调整角度，夏季关闭，可最大限度阻止阳光直射进室内，冬季完全打开，保证阳光最大限度进入室内。外门窗型材传热系数≤1.2W/(m2·K)。中置遮阳效果可等同于全部遮蔽窗户的活动外遮阳，且不受建筑外形的限制，使用方便，造型美观。

2.1.2应用智能通风系统装置

在博物馆建筑中，通过自然通风开窗换气，可保持室内空气的清新，也可最大限度地减少空调使用时间，从而达到节能效果。但在供暖季和供冷季开窗换气，无法控制能量损失及防止室外污染气体进入室内，因此，在节能改造中安装具有通风净气、高效热回收功能的新风系统(见图2)，可保证室内气流组织定向流动，同时根据室内温湿度、CO2浓度对新风量进行反馈，保证室内舒适性。新风系统配置空气质量检测仪，可24h智能监测室内空气中有害气体含量，通过智能感应功能在智能显示屏显示相关数据，根据室内空气状况自动运行，调节室内空气质量，控制换气量。

图2 高效热回收新风系统

2.1.3提升水密、气密性能

随着技术的不断进步，门窗产品可满足更高的使用舒适度要求，采用高密封、防水框扇组合型材生产的塑钢窗，其气密性与水密性均显著提升，可大幅度提高门窗的气密、水密等性能。建议博物馆门窗建筑改造中的框、扇、密封挂件间使用高质量胶条，使整窗的性能达到水密性6级、气密性8级。

2.2 墙体节能改造

2.2.1非承重节能木墙的应用

博物馆建筑节能改造中，部分墙体可采用非承重节能木墙。非承重节能木墙是由木骨架和外饰面板组成的非承重墙体，其龙骨间的空隙用具有保温隔热及隔声性能的材料填充。非承重木骨架组合墙体可用于大空间框架结构的非承重外墙。木墙具有质量小、保温性能好的优点，在工厂按尺寸预先加工，现场安装，可缩短施工周期。使用非承重节能木墙，外墙墙体替代混凝土砌块或钢结构填充墙，可提高建筑的保温性能，减少环境污染与碳排放。

非承重节能木墙从室内到室外，主要由以下材料构成：①内墙面板，采用满足防火要求的耐火石膏板作为墙体内饰面；②隔汽层，采用被动房专用防水隔汽膜阻止水蒸气向室外渗透，膜与膜间用专用气密性胶带进行搭接，形成完整气密层，提高建筑的整体气密性；③墙骨柱，木质墙骨柱主要起支撑结构的作用，同时中间填充岩棉起保温隔热作用；④外墙面板，安装在墙骨柱组成的木框架外侧，一般为12mm厚防水石膏板或水泥纤维板，用来从外侧封闭岩棉，并作为防水层的附着基础；⑤防水层，采用被动房专用防水透气膜，防止雨水从外面渗透到木结构墙体，还可将墙体内的潮气通过渗透的形式排出；⑥防雨幕墙外饰面，外饰面可根据建筑造型选择不同形式，主要保护墙体内部构件，同时还具有排水通风功能。外饰面可采用挂板饰面，挂板材料可选用水泥纤维挂板、聚乙烯挂板及木质挂板等，其优点是具有良好的排水和通风途径，并避免外饰面毛细作用引起的墙体潮湿，从而提高外墙的耐久性。

节能木墙的消防安全要求主要遵循GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)及GB/T 50361—2018《木骨架组合墙体技术标准》中的规定。

2.2.2加气混凝土的应用

博物馆建筑节能改造中，采用加气混凝土作墙体材料。加气混凝土具有一定的保温功能，根据不同的干密度，导热系数为0.10～0.20W/(m·K)，尤其是在夏热冬冷气候区，墙体本身可满足公共建筑对外墙传热系数的要求。加气混凝土还可节约资源，利用工业废弃物实现产品绿色化，符合建设节约型社会的要求。比如，1m220cm厚混凝土墙，重460～500kg/m2；1m220cm厚加气混凝土墙，重100kg/m2；若采用黏土砖，密度为1 800kg/m3，24cm厚墙约重430kg/m2。加气混凝土可利用电厂的粉煤灰、玻璃原料、铁矿尾矿等工业废弃物为原料，保温、隔热性能良好，可替代烧结砖、黏土砖、实心砖，且已被列为新型墙体材料，集机械化、现代化、规模化于一体，可制作砌块、板材，用于非承重墙或框架填充。

2.3 博物馆建筑防火处理

以收藏历史文物为主的综合性博物馆，其改造工程完全不同于一般建筑，应尽量保证消防安全，其消防安全系统尤为重要，不但要防，更要灭。根据室内火灾消防措施，可分为通风控制型、燃料控制型、喷淋控制型3种。若博物馆建筑内部起火，室内温度将迅速升至250℃以上，外门窗在高温作用下逐步变形，玻璃破碎，此时火焰从门窗洞口窜出，向室外翻卷，并向建筑上部和两侧蔓延，建筑物饰面材料在高温作用下出现龟裂、脱落等现象，且易引燃可燃材料，造成火灾沿外墙迅速蔓延，导致火势加大和损失加重。

博物馆建筑改造时，建议采取以下措施。

1)设置竖向防火隔离带阻止火势向水平方向蔓延，防火隔离带宽度应≥1m，横向防火带宜设置在窗口周边。

2)避免博物馆建筑外墙出现空腔结构，采用防火封堵材料严密封堵结构内空腔。如建筑外墙增加保温系统，保温材料的防火性能应为A级，且在墙体保温结构连接处和结构缝等位置应封堵严密。

3)设置与结合器相连的喷水保护系统。可沿建筑外墙四周设简易喷水灭火系统，一旦出现火灾，可通过水泵结合器，启动喷淋系统，喷水保护建筑外墙。

4)严格控制火源，降低火灾荷载，严格限制建筑物的使用功能，提高建筑物耐火等级。规范电气线路的安装与敷设。

5)维护保养好已设置的消防设施和灭火器材。定期维护保养建筑内的消防设施，定期对系统进行全面检查测试，确保消防设施完整好用。

2.4 室外地砖改造

博物馆建筑室外地砖改造时，建议使用具备绿化、透水、通行、停车、抑尘、降温、生态、环保于一体的透水砖。透水地砖优势如下：铺设树池，可填平树坑；具有优异的渗水性，能充分利用雨水，避免雨水流失；水分充足能吸热散热从而降低地表温度，消除城市热岛效应；减缓水分蒸发，达到节水的目的；利于树木生长起到透气的作用；净化雨水避免地下水污染。将透水砖制作成绿色、红色人行道路面，实用美观，施工便捷(既可现场施工铺设，也可制成预制块使用)，固结后强度高，耐踏、防滑，能确保行人安全，总造价低于现铺地面砖的造价。透水地砖除具有以上综合的节约特性外，还可在更换产品时予以回收再利用，实现循环经济。

3 能耗及经济性分析

3.1 建筑能耗分析

使用DEST对本项目改造前、后建筑能耗进行模拟分析，改造前、后建筑供暖、制冷能耗指标如表1所示。由表1可知，改造后建筑供暖、制冷负荷均降低了20%左右。说明围护结构优化、外窗传热性能优化及通风系统的升级、气密性处理对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(全年累计热负荷指标)为34.75kW·h/m2， 年供冷需求(全年累计冷负荷指标)为30.09kW·h/m2，节能率分别为19%，20.9%。对比改造前的建筑能耗，建筑全年供暖、制冷、通风及照明能耗节能率高达21.97%，对建筑节能减排、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、制冷能耗指标

经模拟分析，建筑能耗占比如图3所示。由图3可知，本项目供暖、空调和照明占建筑能耗的77%。因此，建筑节能改造着力于供暖、制冷及照明设备的优化升级，对大幅度降低建筑整体能耗具有重要意义。

图3 建筑能耗占比分析

3.2 经济性分析

在保证建筑原有使用功能的基础上，本项目改造遵循以下原则。

1)经济性、合理性 考虑博物馆建筑的用能特点，采用较合理、经济效益高的技术方案，在追求性价比的基础上尽可能对方案进行优化。

2)有效利用现有资源 考虑原有设备使用时间不长，本项目在原有供暖、制冷系统的基础上，仅对薄弱设备进行优化，不对能源系统和设备进一步追加投资，极大提高项目经济性。

3)关键技术和部品的可达性 相关产品大部分采购于项目附近工厂，降低运输成本，减少建材运输碳排放。

在此基础上，本项目成本增量为结构及气密性处理100元/m2，保温材料100元/m2，外门窗系统200元/m2，新风系统150元/m2，总增量成本550元/m2。

4 结语

当今城市朝着多元化方向发展，博物馆为公共文化服务机构的属性不断强化，博物馆不仅展示过去，还将在城市改造和重建中发挥重要作用。本文通过对博物馆节能改造设计中的节能技术进行研究分析，使既有博物馆的绿色化节能改造成为推动社会发展的力量，研究结果对促进全社会的节能减排工作发展，打造未来高品质的博物馆建筑都具有重要意义。