旧工业建筑特朗勃墙应用研究——以沈阳东贸库2 号仓库外墙节能改造为例＊

张梦茹 黄勇 李婉丽 李惊利

在国内的旧工业建筑再生利用实例中，对外墙的改造多暴露出以下问题：一是设计时为保护外墙原真性，应用的节能技术有限，导致室内热环境欠佳；二是遵循节能要求大面积破坏旧工业建筑外表面，未贯彻建筑遗产可逆性原则。本文利用特朗勃墙原理，对沈阳东贸库2号仓库外墙热工性能再提升方案及更新后节能效果进行评价，为旧工业建筑再生利用中涉及的节能保温技术提供新的思路与具体可行的技术方案。

1 沈阳东贸库2号仓库现状

1950年，由东北人民政府财政部和贸易部投资，在沈阳市大东区沈阳东站南侧修建了东北人民政府贸易部仓库群。作为沈阳市现存建设年代最早、规模最大、保存最完整的民用仓储建筑群，东贸库的建筑技术与艺术体现了20世纪50年代仓储建筑的典型特征[1]。2018年，“东贸库建筑群”被认定为沈阳市第五批历史建筑，为二类历史建筑，并正式列为沈阳市工业遗产。2020年初，沈海热电厂整体搬迁，经政府部门及专家论证，决定保留7栋有特色的历史建筑和1条铁路线（图1）。

东贸库保留建筑中的2号仓库，长度约90m，被室内承重墙分割成3个30m×32m的单元。建筑单体为砖木结构，由月台、红砖外墙、钢筋混凝土梁柱、木屋架及屋面组成（图2）。仓库的红砖外墙为承重砖墙，外侧设变截面砖壁柱，外墙顶部设有1350mm×1000mm的铝合金高窗，窗底均设有450mm×350mm的通气口。2号仓库的红砖外墙能够反映特殊的历史时代信息与近代社会特有的工艺做法，延续历史文脉，科学技术和艺术价值突出，在改造中应充分展示其形式。

由于2号仓库红砖外墙承重，按照保护图则规定要求，门窗洞口形态不宜改变，以延续原工业库房的历史和性质[2]。其外表皮节能改造主要涉及增强热工性能、改善自然通风、替换门窗材料3个问题。

1.1 增强热工性能

屋面和外墙的建筑材料、构造方式对建筑室内热环境影响显著[3]。2号仓库原有的红砖外墙与金属屋面均无保温设计，热工性能较差，无法满足功能置换后的室内热舒适要求。因此依据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015-2021）中规定的传热系数限值，确定墙体及屋面保温层的最小厚度，使两者达到所需的围护结构热工性能要求。同时利用南侧外墙作为集热墙体，进行特朗勃墙改造。

1.2 改善自然通风

如沿用原窗洞开口会导致室内通风性能较差，因此需配合内部功能对窗洞口进行改造。同时在建筑内增加若干通风通道，利用室内外空气压强增加空气流动性，并结合原有向上收敛的库房剖面形式形成烟筒效应，改善通风。更新改造后，建筑主要功能用房满足夏季工作条件下平均自然通风换气次数不低于2次/h的要求。

1.3 替换门窗材料

在建筑外围护结构中，门窗是热量损失最大的构件。2号库房红砖外墙顶部原本设有铝合金高窗，隔热保温性能较差，采用断桥型铝窗框及单悬置膜SCL—PS4.CPF玻璃代替原双层普通玻璃。对于屋顶上热工要求不同的高侧窗，选用填充氩气的Low—E双层玻璃满足规范要求[4]。

2 特朗勃墙原理的应用

2.1 特朗勃墙系统运行工况

特朗勃墙系统由内侧有一定厚度的深色蓄热墙和外侧的玻璃盖板组成，太阳热量穿过玻璃被蓄热墙体吸收，一部分热量直接传导至室内，另一部分热量以辐射的方式传给空腔内空气，由于辐射波长较长无法穿过玻璃，在空腔内产生温室效应，使温度升高。无通气口时，空腔内形成密封的空气绝热层，加强外墙保温性能。有通气口时，烟筒效应驱动空腔内空气流动，空气被热通道加热并传至室内，以改善室内热舒适度（图3）。2号仓库地处严寒地区，需首先考虑增强外围护结构保温性能，因此选用在蓄热墙上下设置通气口、玻璃盖板不设置通气口的特朗勃墙系统。

1 沈阳东贸库区位

2.2 应用特朗勃墙原理的基本策略

从收集与分析具体策略入手，研究国内外应用特朗勃墙系统的案例，为后续设计提供参考。研究表明，特朗勃墙系统的集热面积、玻璃材质、空气间层的宽度及通气口位置对室内温度及节能效果影响较大。

位于美国犹他州的锡安国家公园游客中心总建筑面积818m2，于南墙设置特朗勃墙系统以增加被动供暖，集热墙面由混凝土砌块外刷黑色选择性涂料构成；使用高透光率的4mm单层玻璃，各玻璃组块通过钢框衔接；空气间层宽度100mm，玻璃盖板无倾斜角度；因墙体内部存在凸起构筑物，建筑未采用内部通气口。其两年的监测检测数据显示，电辐射采暖系统共用电22680kW·h，特朗勃墙系统一年能够为建筑节省20%的供热量[5]。

石河子乡村住宅以现场实测数据对比的方式探索基于特朗勃墙系统的农村住宅室内热环境改善方法，测试室建筑面积172.38m2（表1）。集热面为外挂吸收板的240mm粘土砖墙，占南墙总面积的73%；考虑保温性能，选择26mm的双层玻璃；空气间层为100mm，玻璃板无倾斜角度；在集热墙上下位置开设4个尺寸为180mm×180mm的矩形通气口，具体尺寸如表2所示。实测数据显示，特朗勃墙系统能够显著改善室内热环境，在为期3天（1月13日—1月15日）的试验期间，未设置特朗勃墙的测试室室内平均温度为—2.8°C，而设有特朗勃墙的测试室室内平均温度为5.4°C[6]。

根据以上案例及策略研究可知，特朗勃墙系统多应用于新建建筑，较少用于旧建筑改造。此外，集热墙多选择南向除窗洞口外的全部外墙墙面，材质多为深色且具有一定厚度的混凝土或砖砌墙体，外刷选择性涂层以增加腔体得热量；考虑腔体得热量，多选择高透光率玻璃，需重点考虑保温性能的严寒地区则宜选择传热系数低的双层玻璃；两组案例空气间层的宽度均为100mm，且玻璃盖板无倾斜角度；通气口面积约为集热墙面积的1%～3%，且上下通气口的垂直间距应尽量拉大。最后，两组案例应用特朗勃墙系统均有效改善了室内热环境，极大降低了建筑冬季制暖能耗。

2.3 更新改造的技术路线

2.3.1 集热墙面选择

2 2 号仓库拆分图

3 特朗勃墙系统运行工况

沈阳太阳辐射资源丰富，2号仓库南侧较为空旷且其南立面平整简单。相较上述案例，本研究的创新之处在于直接选用原有南向红砖外墙作为集热面，仅在混凝土勒脚表面设置黑色选择性涂层。这一做法因玻璃的通透性可使参展者清晰地看到原有外墙肌理，不破坏历史建筑原真性，同时玻璃会直接对原有满铁红砖形成物理上的保护。南向墙体使用420mm厚暗红色砖砌筑，砖块年得热量在1.7%～20.5%之间[7]，符合上文所述集热墙要求。同时考虑变截面柱、檐口处叠涩砖线脚的阻隔，以及特朗勃墙上下通风口正常运行的需要，将南向立面划分为15组可独立运行的特朗勃墙系统，以一跨为例的集热面如图4所示。

2.3.2.玻璃材质与衔接方式

考虑沈阳地处严寒地区，选择双层中空玻璃作为玻璃盖板的主要材质。2号仓库的红砖具有极高的保留价值，为最大限度保留原建筑墙体，本研究参考锡安国家公园游客中心的安装方式，设计玻璃表面与墙体的衔接，即采用明框安装，一组特朗勃墙系统由6块玻璃面板组成，与墙体衔接的剖面构造如图5所示。与锡安国家公园游客中心不同的是，2号仓库在室外气温适宜时可打开原墙体窗户和玻璃盖板，实现室内外通风换气，不开口位置为防止冷风渗透采用硅酮结构密封胶进行密封处理。

2.3.3.空气间层的厚度

空气流道竖直出口处回流的影响较大，为改善腔体内的气流回流现象、提升特朗勃墙的通风性能，本研究提出一种用于旧工业建筑外围护结构的新型特朗勃墙系统，将玻璃盖板倾斜安装，与垂直方向呈一定夹角。该做法已被实验证实，在流体瑞利数固定的条件下，空腔内气体逆流现象随着玻璃盖板与垂直方向倾斜角度的增加而减少[8]，同时该做法与2号仓库变截面壁柱所形成的截面倾斜角相匹配，能在改善性能的同时提升视觉效果。改造方案将玻璃盖板与垂直方向的夹角θ设置为1.2°，玻璃上端距墙面50mm，下端距墙面150mm。

2.3.4.通风口的设置

2号仓库南侧外墙高度为5.25m，可形成高腔[9]。本研究的新颖之处在于通气口位置的选择遵循可逆性原则，下排通气口设置在建筑物高窗底部原有洞口处，尺寸为450mm×350mm；上排通气口为不破坏原建筑物红砖外墙，设置在窗户上边框处，尺寸为200mm×620mm（图6）。

3 参数设定与模拟

3.1 模拟参数

为分析各阶段模型的能耗及室内温度变化，采用Design Builder（Version 7.0）建立模型进行模拟计算。室外气象参数选取Design Builder中沈阳地区典型气象年的数据，参数设置如表3所示。

为确保模拟的科学性，将内部空间功能划分为展览、公共、办公、服务，依序设定不同的热光环境标准（表4）。

表1 石河子乡村住宅测试室平面及剖面图示

4 有效集热区域与通风口位置

5 特朗勃墙系统剖面构造图

6 特朗勃墙改造后效果展示

表2 石河子乡村住宅围护结构参数设定

表3 围护结构参数设定

表4 空间分区模拟参数设定

3.2 温度模拟

为验证特朗勃墙改善室内热环境的效果，将本项目的模拟结果与石河子乡村住宅在应用特朗勃墙前后的实测数据进行横向对比，两个项目所属环境属性相近。同时为保证两组数据的对比参数相同，2号仓库的模拟数据测试时间段也为1月13日—1月15日，对比数据均为两项目在自然状态下的室内平均温度。如图7所示，模拟数据及实测数据整体变化趋势相近，证明应用特朗勃墙可有效改善室内温度，且室内温度随太阳辐射强度的提升而升高。

为验证本项目不同位置室内温度改善效果的差异，对6个代表房间应用特朗勃墙前后的数据进行纵向对比，统计在指定温度区间内的分布时长。由图8可知，应用特朗勃墙后所有房间处于15.6°C以下的时长均有减少，再次证明应用特朗勃墙可有效改善旧工业建筑改造项目中房间温度过低的问题。其中，温度改善最明显的房间为R2-2，其次为R1-1及R3-2；改善最不明显的房间为R3-3，其次为R3-1。这一结果说明特朗勃墙对南向房间的温度改善效果显著；对大空间、南向单元式空间的低温情况有较明显的改善效果；对北向单元式空间及高度变化空间的温度改善作用并不明显。

3.3 能耗模拟

温度模拟实验显示，应用特朗勃墙无法彻底解决旧工业建筑改造项目中存在的室内低温问题，仍需要采用空调等供冷供热设施改善室内热环境。为验证应用特朗勃墙时节省能耗的具体效果，将模拟数据与锡安国家公园游客中心的能耗实测数据进行横向对比。对比图9—a与图9—b的红框区间（即对比相同时间参数下两项目的逐日供暖能耗）可知，应用特朗勃墙可有效降低建筑供暖能耗。同时，模拟数据表明,应用特朗勃墙后采暖能耗降低了9.08%，而制冷能耗仅降低0.6%，因此本项目中特朗勃墙的节能功效更主要在冬季发挥作用。

4 结语

本研究应用特朗勃墙原理，对沈阳东贸库2号仓库表皮节能改造的过程进行了分析，探究满足旧工业建筑适用性及保留外墙原真性的设计策略和方法。在技术路线中，采用多种改造方法及技术措施，探求绿色技术与旧工业建筑结合的新方法，通过Design Builder软件进行模拟并与实际数据对比验证。结果表明，应用特朗勃墙可有效改善室内温度且显著降低建筑冬季制暖能耗。

7 室内平均温度对比

8 房间位置及房间温度分布

9 特朗勃墙节省能耗及逐日能耗

图片来源

1-9 作者自绘

表格来源

1-4作者自绘