天津新式里弄住宅节能改造策略研究

2019-12-27宋德萱SONGDexuanLIUYi周伊利ZHOUYili

住宅科技 2019年12期

■ 宋德萱 SONG Dexuan 刘益 LIU Yi 周伊利 ZHOU Yili

0 引言

目前我国既有建筑总面积已经大于500亿m2，其中高耗能建筑的比例高达97%[1]。由于既有建筑存量数目庞大、生活用能增加，若仅要求新建建筑达到节能标准，无法减缓我国整体能源消耗过快的上涨速度。在这些既有建筑中，存在大量建设年代较为久远的历史建筑，受限于当时建设条件和缺乏必要的节能技术支撑，这类历史建筑不同程度存在围护结构性能较差、室内采光不足、自然通风不畅等现象。相比于其他既有建筑，这些历史建筑是城市历史风貌的一部分，在后续使用中存在耗能较大、舒适性不足等问题，改造工作十分迫切。研究证实，针对既有建筑的“深度改造”可以使其能耗降低50%～90%[2-3]，而针对历史建筑的节能改造也可对节能减排产生更为显著的影响。在历史建筑中，居住类历史建筑占据较大比例，也最能体现当地风土人情，与市民生活息息相关。因此，针对于这类年代久远、有丰富历史文化价值的居住建筑，不应该简单地采取“一刀切”推倒重建，这不仅不利于城市可持续发展，也不利于保护城市的历史文化。然而，现行针对既有建筑的节能改造技术并没有充分响应居住类历史建筑的特殊性，值得进一步探讨。

1 天津新式里弄建筑调研

天津的新式里弄住宅，是近代外国建筑师结合中国传统院落和西方联排住宅设计而成[4]，当时主要服务于租界内外国企业的员工，通常是一梯一户的居住形态。建国后对这些里弄住宅进行收回利用时，对原有平面布局形态进行了简单改造，将原有楼梯间从户内楼梯改造为公共走廊，再按上下层一室一户进行分配。随着经济发展和社会进步，人们普遍需要提升生活品质。一方面，这种集体户式的住宅，人均可使用面积过小、户内独立卫浴和厨房的缺失、室内热环境较差，不再适应当下社会条件，内部空间品质亟需提升；另一方面，里弄住宅具有鲜明的时代特征和深厚的文化印记，是城市居民重要的集体记忆载体，具有较高的历史文化价值，需要加以保护并继续留存。因此，天津新式里弄住宅的节能改造，需要平衡建筑空间的节能效益与建筑风貌的保护留存。

为研究的方便开展和问题的清晰呈现，笔者选取了天津市4处具有代表性的新式里弄住宅（表1），这几处里弄住宅建造时间从1910～1952年不等，均为砖木结构，现状保存较为完好，仍处于正常使用状态（图1～4）。其中，安乐村属于天津市历史风貌建筑，保护等级为重点保护。针对新式里弄住宅的调研主要从围护结构和空间布局等方面展开（表2）。

表1 南昌近代城市公园一览表

1.1 围护结构现状

围护结构现状的调研主要分墙体、窗和屋顶三部分。

（1）墙体。4处新式里弄住宅墙体均无保温层，墙体传热系数均超过1.5 W/(m2·k)，在严寒地区明显过高，容易造成空间使用者冬冷夏热的不舒适性、室内围护结构返潮结露等现象（图5）。结露现象会对历史建筑墙体造成损坏，影响墙体力学性能，加速风化速度，极不利于历史建筑的保护和持续使用。

图1 安乐村总平面图

图2 海关胡同总平面图

图3 连壁里总平面图

图4 云成里总平面图

表2 4处新式里弄住宅建筑围护结构现状

（2）窗。由于年代久远，4处新式里弄住宅的窗边墙体均存在一定的风化腐蚀现象，增加了门窗的冷风渗透现象（图6），导致其气密性无法满足国家及天津的相关要求，对室内热环境造成了不利的影响。因此，在针对天津新式里弄住宅窗体部分的节能改造中，应以减少窗体处缝隙、提高窗体气密性为主要改造策略，减少通过窗墙缝隙的冷风渗透，保证建筑室内热环境的稳定。

图5 连壁里墙体现状

图6 云成里窗体现状

（3）屋顶。4处新式里弄住宅的屋顶部分都存在防水层和保温层缺失的问题。由于缺乏必要的保温层，屋顶传热系数过高，导致顶层的室内空间夏季过热。在空气湿度较高的条件下，建筑室内环境的湿度也出现上升现象，由于防水层的缺失，水汽渗透比较严重，致使其在相同温度条件下更容易出现结露现象。因此，在对天津新式里弄住宅进行节能改造的过程中，可以通过增加屋顶的保温和防水构造层次，提升建筑的热工性能。

1.2 平面布局

通过对选取的4处里弄住宅进行实地调研、资料查询后，分别绘制4栋里弄住宅的首层平面图（图7）。

对于新式里弄住宅，其庭院和主要使用空间的位置关系呈现出线形排列关系，即“庭院—主要使用空间—庭院”的连续空间形态。同时，新式里弄住宅的首层主要使用空间一般只包含起居室和餐厨空间，而二层均排布卧室等其他使用空间。

2 节能改造原则

由于历史居住建筑包含着丰富的历史文化信息，在节能改造的过程中并不能将其简单地等同于普通既有住宅的建筑改造，否则，可能对建筑的历史文化价值造成不可挽回的破坏。基于对天津历史建筑的实地调研和分析，并综合历史建筑保护方面已有的学术成果[5-7]，提出居住类历史建筑节能改造的基本原则：保护性、适应性、高效性和系统性。

保护性原则是以动态保护为基础，要求改造措施首先要维持必要的历史建筑的原真性。一方面，需要在改造过程中对建筑各部分的历史价值进行分析判断；另一方面，要求应用的改造措施具有可识别性，可以与原有建筑元素进行区分。

适应性原则包括两方面的内容：一是选用的节能改造措施要适应地区的气候特点，充分发挥被动节能可能性；二是对于有改造限制的历史居住建筑（如属于天津市历史风貌建筑范围的建筑），在对其进行节能改造时要保证改造措施适应政策要求。

高效性原则是指，在对历史建筑进行节能改造的过程中，要首先选用效果显著的节能改造措施，而尽量减少改造措施的数量。对于历史建筑，虽然提倡对其进行一定程度的改造来改善其使用感受、降低能源消耗数量，但对历史建筑的改造程度越深，就更容易导致对其历史文化价值的损害。

图7 4处里弄住宅首层平面图

系统性原则是指，在综合考虑历史建筑使用条件的提升、历史价值的维护、可持续发展的能力的情况下对其进行更新改造。历史建筑集使用价值、文化价值以及节能效益等多方面价值于一身。因此，在改造的过程中，只单一考虑其某一方面的价值，将容易造成对其他方面价值的破坏。

3 新式里弄住宅节能改造的能耗效果分析

3.1 典型模型的建立

为了更准确地了解不同改造策略对于历史建筑的能耗节省情况，本文利用Design Builder软件，对改造前后的建筑进行能耗模拟。基于上述调研，建立了新式里弄住宅的典型模型，其相关具体构造与参数见表3。

3.2 平面布局改造

天津的新式里弄建筑发源于传统四合院式住宅，这一来源使得大部分的天津近代新式里弄建筑中都含有庭院空间。在这种条件下，调整建筑的室内空间功能排布顺序是一种可以同时满足保护建筑外立面和提高建筑节能效率的改造措施。

根据前文对天津近代新式里弄的平面布局分析，在庭院朝北的基础上排列16种不同的新式里弄住宅平面布局方式。对采取这16种平面布局的住宅典型模型进行能耗模拟并排序，得到能耗由大到小的平面布局排序（表4）。

通过对上述不同平面布局能耗情况之间的比较，得到以下规律。

（1）庭院与功能空间接触面积越大，建筑耗能量越大。通过表4中1、2号与3～8号以及9～14号三组数据的比较可以发现，这一趋势出现的原因可能是庭院的不同位置造成了建筑体形系数的不同；也可能是不同的庭院位置对建筑采光会产生不同的影响，例如天井式庭院，由于其进深不足致使其对建筑采光造成不利影响，减少建筑的太阳热辐射得热，增加人工采光量，进而增大建筑能耗。

表3 典型模型的相关参数

表4 新式里弄住宅不同平面布局能耗排列

（2）交通空间与庭院的位置越近，建筑耗能量越小。通过表4中3、4号与5～8号，9、10号与11、12号以及13、14号5组数据的比较可以发现，这一趋势出现的可能原因有：一是交通空间作为非连续性使用的空间，其对热量的消耗本身要低于起居室、餐厨空间等连续性使用的空间，导致与室外热交换能量较少；二是交通空间作为温度分割区，将主要使用空间与室外庭院（天井）分离，当隔绝程度越高，即交通空间越接近庭院空间，其保温效果越好，进而降低建筑整体能耗。

（3）位于良好朝向的功能空间使用总时间越长，建筑耗能量越小。通过对表4整体的功能排布比较可以发现，在太阳辐射得热量高的朝向上布置的功能空间使用总时长越长，其建筑的耗能量越小。这一规律也与现行的住宅平面排布常识相符合，即通常将起居室、卧室布置于建筑的南向空间内。

（4）交通空间与主要功能空间的接触面积越大，建筑能耗量越小。分析表4中15号、16号与9～14号的区别，可以发现，对于15、16号，交通空间作为“保温芯”隔绝在每个单元的主要使用空间之间，而在9～14号的平面排布条件下，所有相同功能空间之间仅有墙体相隔。这种“保温芯”的出现，可以减缓主要使用功能的热量散失速率，因此，导致最终建筑耗能产生区别。

总结以上规律，可以发现，在节能视角下，对新式里弄住宅进行平面调整时，按影响力由强到弱有以下几点：①主要功能空间远离庭院布置，次要功能空间靠近庭院布置；②线型排布下，功能空间应按照使用总时长的由长到短，由南到北进行排列；③非单纯线型排布下，可以将交通空间呈“一”字型与主要功能空间平行布置。

3.3 墙体节能改造

采用内保温改造不仅可以更好地围护建筑的外立面，保持其原有的外部形象以及外部空间，而且经过内保温改造的墙体内表面的整洁程度也有一定提升，更有利于居住空间的内部环境。

由于新式里弄住宅的建设规模和使用面积通常较小，在这种情况下，内保温改造如何平衡保温性能的提升与室内空间面积的维持就成为了关键问题。本文选用三种常见的内保温材料，对新式里弄住宅的典型模型进行改造前后的能耗模拟（图8、9）。

通过对以上两组数据的观察可以发现：①内保温材料厚度的增加一定会导致建筑能耗的降低；②随着内保温材料厚度的逐步增大，单位厚度所对应减少的建筑能耗也会逐渐下降，呈现较强边际效应。

建筑节能效果并不与厚度呈现线性递增关系。随着保温材料厚度的增加，单位保温材料所带来的节能量有减小趋势。分析能耗节省数据可以发现，对于新式里弄建筑，当保温层厚度大于40mm后，保温层厚度每增加10mm，节能效率涨幅低于1%。当厚度超出这一限值后，增加的厚度对能耗的影响较小，其损耗的面积对应的回报较低。

3.4 窗节能改造

窗洞口和窗框材料是形成建筑立面特征的重要元素。一般情况下，在以保护外部形态和空间为基础的节能改造过程中，应该尽量避免更改窗洞口的大小、比例以及相关的细部构造。

在现有的节能改造过程中，常采用的方式就是对窗体进行整窗更换。这种方式会大幅提升历史居住建筑的室内热工环境，但其会破坏历史建筑的外部空间与形象，也会对室内空间的原有特征造成影响。新式里弄的墙体厚度一般均＞360mm，针对这一特点，可采用保留原有窗体，在室内侧增设新窗的方式进行改造。对20%～60%之间窗墙比典型模型进行能耗模拟，获得能耗数据见表5。

从表5中可以看出，相比于整窗更换，在内部增加保温窗体这种改造措施并不会影响建筑的外部形态与空间。新旧窗体间自然形成的新的空气层，具有较好的保温隔热作用，双层窗带来气密性提升，这种改造措施的节能效率也高于整窗更换。

3.5 屋顶节能改造

作为围护结构的一部分，屋顶虽然也暴露在室外，但其造成的视觉影响与墙体和窗体并不相同。对于需要保护其外部形象的历史建筑而言，当屋顶形式为平屋顶时，可选择的改造措施几乎与普通建筑无异，但当其屋顶形式为坡屋顶时，需要注意改造措施对建筑外部形象的影响。在不改变建筑的外部形象的前提下，坡屋面的节能改造方式可以分成增铺式和改建式两种，而增铺式又可以分为直接增铺式和吊顶增铺式。

图8 不同厚度材料传热系数变化

图9 不同厚度材料能耗变化

表5 窗体改造后模拟数据/kWhm-2

3.5.1 掀开改建式

改建式的主要施工流程：首先，将原有的屋面瓦等屋面构件全部掀起并妥善保存；其次，在暴露出的椽檩上铺设保温层和防水层；铺设完毕后，将原有屋面瓦等构件再按照原有工艺重新安装，恢复其原始形象。这种制作工艺较为复杂，通常与屋面修复等施工同时使用。

3.5.2 内部增贴式

直接增铺式是指，在坡屋顶的室内部分，紧贴坡屋顶增铺防水和保温材料。这种改造措施的优点在于，其在保护了历史建筑外部形态的同时，也不太占用建筑内部的使用空间。同时，相比于掀开改建式的改造方式，直接增铺式的施工工艺相对简单，对屋顶材料的损耗率更低。但这种改造措施也有一定的局限性，例如，铺贴的防水保温材料的重量不能过大，也就限制了保温和防水层次的选材和厚度，进而使得屋内更容易产生冷凝等不利现象。

3.5.3 吊顶增铺式

与前两者相比，吊顶增铺式施工工艺最为简单，只需在屋顶椽檩等结构部位增设龙骨，再将保温材料和防水材料平挂于龙骨之上即可。根据投影原理可知，对于同一建筑的屋面节能改造，吊顶增铺式是最节省材料的改造方式，经济效益最高。

表6 屋顶改造后模拟数据

利用模拟软件计算在三种不同改建方式下建筑能耗量（表6）。通过对上述数据的比较可以发现，在材料相同的情况下，掀开改建式和内部增贴式两种改造方式建筑能耗并不存在较大区别。对比吊顶增铺式，因为这种方式可以在坡屋顶下方形成一空气层，增大热阻，所以吊顶增铺式的建筑能耗要明显低于前两种改造方式。另外，相比于掀开改建和内部增贴，吊顶增铺式保温层厚度受限较小，可以选择更为厚实的保温材料来进一步提高其节能效果。

历史建筑的节能改造措施应注重改造后的节能效率。基于能耗模拟数据，横向比较不同的节能改造策略之间的节能效果，其改造效益情况见表7。

通过比较不同改造措施的节能效益可以发现，对于天津新式里弄建筑及类似建筑，可以首先按顺序通过调整平面布局、窗体改造、屋顶改造的方式，来提高建筑的室内热环境条件，再选用适当的墙体内保温厚度，来满足建筑的热工条件要求。