天津新式里弄住宅節(jié)能改造策略研究

■ 宋德萱 SONG Dexuan 劉 益 LIU Yi 周伊利 ZHOU Yili

0 引言

目前我國(guó)既有建筑總面積已經(jīng)大于500億m2，其中高耗能建筑的比例高達(dá)97%[1]。由于既有建筑存量數(shù)目龐大、生活用能增加，若僅要求新建建筑達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法減緩我國(guó)整體能源消耗過(guò)快的上漲速度。在這些既有建筑中，存在大量建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)的歷史建筑，受限于當(dāng)時(shí)建設(shè)條件和缺乏必要的節(jié)能技術(shù)支撐，這類歷史建筑不同程度存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能較差、室內(nèi)采光不足、自然通風(fēng)不暢等現(xiàn)象。相比于其他既有建筑，這些歷史建筑是城市歷史風(fēng)貌的一部分，在后續(xù)使用中存在耗能較大、舒適性不足等問(wèn)題，改造工作十分迫切。研究證實(shí)，針對(duì)既有建筑的“深度改造”可以使其能耗降低50%～90%[2-3]，而針對(duì)歷史建筑的節(jié)能改造也可對(duì)節(jié)能減排產(chǎn)生更為顯著的影響。在歷史建筑中，居住類歷史建筑占據(jù)較大比例，也最能體現(xiàn)當(dāng)?shù)仫L(fēng)土人情，與市民生活息息相關(guān)。因此，針對(duì)于這類年代久遠(yuǎn)、有豐富歷史文化價(jià)值的居住建筑，不應(yīng)該簡(jiǎn)單地采取“一刀切”推倒重建，這不僅不利于城市可持續(xù)發(fā)展，也不利于保護(hù)城市的歷史文化。然而，現(xiàn)行針對(duì)既有建筑的節(jié)能改造技術(shù)并沒(méi)有充分響應(yīng)居住類歷史建筑的特殊性，值得進(jìn)一步探討。

1 天津新式里弄建筑調(diào)研

天津的新式里弄住宅，是近代外國(guó)建筑師結(jié)合中國(guó)傳統(tǒng)院落和西方聯(lián)排住宅設(shè)計(jì)而成[4]，當(dāng)時(shí)主要服務(wù)于租界內(nèi)外國(guó)企業(yè)的員工，通常是一梯一戶的居住形態(tài)。建國(guó)后對(duì)這些里弄住宅進(jìn)行收回利用時(shí)，對(duì)原有平面布局形態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)單改造，將原有樓梯間從戶內(nèi)樓梯改造為公共走廊，再按上下層一室一戶進(jìn)行分配。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們普遍需要提升生活品質(zhì)。一方面，這種集體戶式的住宅，人均可使用面積過(guò)小、戶內(nèi)獨(dú)立衛(wèi)浴和廚房的缺失、室內(nèi)熱環(huán)境較差，不再適應(yīng)當(dāng)下社會(huì)條件，內(nèi)部空間品質(zhì)亟需提升；另一方面，里弄住宅具有鮮明的時(shí)代特征和深厚的文化印記，是城市居民重要的集體記憶載體，具有較高的歷史文化價(jià)值，需要加以保護(hù)并繼續(xù)留存。因此，天津新式里弄住宅的節(jié)能改造，需要平衡建筑空間的節(jié)能效益與建筑風(fēng)貌的保護(hù)留存。

為研究的方便開展和問(wèn)題的清晰呈現(xiàn)，筆者選取了天津市4處具有代表性的新式里弄住宅（表1），這幾處里弄住宅建造時(shí)間從1910～1952年不等，均為磚木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)狀保存較為完好，仍處于正常使用狀態(tài)（圖1～4）。其中，安樂(lè)村屬于天津市歷史風(fēng)貌建筑，保護(hù)等級(jí)為重點(diǎn)保護(hù)。針對(duì)新式里弄住宅的調(diào)研主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)和空間布局等方面展開（表2）。

表1 南昌近代城市公園一覽表

1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的調(diào)研主要分墻體、窗和屋頂三部分。

（1）墻體。4處新式里弄住宅墻體均無(wú)保溫層，墻體傳熱系數(shù)均超過(guò)1.5 W/(m2·k)，在嚴(yán)寒地區(qū)明顯過(guò)高，容易造成空間使用者冬冷夏熱的不舒適性、室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)返潮結(jié)露等現(xiàn)象（圖5）。結(jié)露現(xiàn)象會(huì)對(duì)歷史建筑墻體造成損壞，影響墻體力學(xué)性能，加速風(fēng)化速度，極不利于歷史建筑的保護(hù)和持續(xù)使用。

圖1 安樂(lè)村總平面圖

圖2 海關(guān)胡同總平面圖

圖3 連壁里總平面圖

圖4 云成里總平面圖

表2 4處新式里弄住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

（2）窗。由于年代久遠(yuǎn)，4處新式里弄住宅的窗邊墻體均存在一定的風(fēng)化腐蝕現(xiàn)象，增加了門窗的冷風(fēng)滲透現(xiàn)象（圖6），導(dǎo)致其氣密性無(wú)法滿足國(guó)家及天津的相關(guān)要求，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境造成了不利的影響。因此，在針對(duì)天津新式里弄住宅窗體部分的節(jié)能改造中，應(yīng)以減少窗體處縫隙、提高窗體氣密性為主要改造策略，減少通過(guò)窗墻縫隙的冷風(fēng)滲透，保證建筑室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定。

圖5 連壁里墻體現(xiàn)狀

圖6 云成里窗體現(xiàn)狀

（3）屋頂。4處新式里弄住宅的屋頂部分都存在防水層和保溫層缺失的問(wèn)題。由于缺乏必要的保溫層，屋頂傳熱系數(shù)過(guò)高，導(dǎo)致頂層的室內(nèi)空間夏季過(guò)熱。在空氣濕度較高的條件下，建筑室內(nèi)環(huán)境的濕度也出現(xiàn)上升現(xiàn)象，由于防水層的缺失，水汽滲透比較嚴(yán)重，致使其在相同溫度條件下更容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。因此，在對(duì)天津新式里弄住宅進(jìn)行節(jié)能改造的過(guò)程中，可以通過(guò)增加屋頂?shù)谋睾头浪畼?gòu)造層次，提升建筑的熱工性能。

1.2 平面布局

通過(guò)對(duì)選取的4處里弄住宅進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、資料查詢后，分別繪制4棟里弄住宅的首層平面圖（圖7）。

對(duì)于新式里弄住宅，其庭院和主要使用空間的位置關(guān)系呈現(xiàn)出線形排列關(guān)系，即“庭院—主要使用空間—庭院”的連續(xù)空間形態(tài)。同時(shí)，新式里弄住宅的首層主要使用空間一般只包含起居室和餐廚空間，而二層均排布臥室等其他使用空間。

2 節(jié)能改造原則

由于歷史居住建筑包含著豐富的歷史文化信息，在節(jié)能改造的過(guò)程中并不能將其簡(jiǎn)單地等同于普通既有住宅的建筑改造，否則，可能對(duì)建筑的歷史文化價(jià)值造成不可挽回的破壞?；趯?duì)天津歷史建筑的實(shí)地調(diào)研和分析，并綜合歷史建筑保護(hù)方面已有的學(xué)術(shù)成果[5-7]，提出居住類歷史建筑節(jié)能改造的基本原則：保護(hù)性、適應(yīng)性、高效性和系統(tǒng)性。

保護(hù)性原則是以動(dòng)態(tài)保護(hù)為基礎(chǔ)，要求改造措施首先要維持必要的歷史建筑的原真性。一方面，需要在改造過(guò)程中對(duì)建筑各部分的歷史價(jià)值進(jìn)行分析判斷；另一方面，要求應(yīng)用的改造措施具有可識(shí)別性，可以與原有建筑元素進(jìn)行區(qū)分。

適應(yīng)性原則包括兩方面的內(nèi)容：一是選用的節(jié)能改造措施要適應(yīng)地區(qū)的氣候特點(diǎn)，充分發(fā)揮被動(dòng)節(jié)能可能性；二是對(duì)于有改造限制的歷史居住建筑（如屬于天津市歷史風(fēng)貌建筑范圍的建筑），在對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)要保證改造措施適應(yīng)政策要求。

高效性原則是指，在對(duì)歷史建筑進(jìn)行節(jié)能改造的過(guò)程中，要首先選用效果顯著的節(jié)能改造措施，而盡量減少改造措施的數(shù)量。對(duì)于歷史建筑，雖然提倡對(duì)其進(jìn)行一定程度的改造來(lái)改善其使用感受、降低能源消耗數(shù)量，但對(duì)歷史建筑的改造程度越深，就更容易導(dǎo)致對(duì)其歷史文化價(jià)值的損害。

圖7 4處里弄住宅首層平面圖

系統(tǒng)性原則是指，在綜合考慮歷史建筑使用條件的提升、歷史價(jià)值的維護(hù)、可持續(xù)發(fā)展的能力的情況下對(duì)其進(jìn)行更新改造。歷史建筑集使用價(jià)值、文化價(jià)值以及節(jié)能效益等多方面價(jià)值于一身。因此，在改造的過(guò)程中，只單一考慮其某一方面的價(jià)值，將容易造成對(duì)其他方面價(jià)值的破壞。

3 新式里弄住宅節(jié)能改造的能耗效果分析

3.1 典型模型的建立

為了更準(zhǔn)確地了解不同改造策略對(duì)于歷史建筑的能耗節(jié)省情況，本文利用Design Builder軟件，對(duì)改造前后的建筑進(jìn)行能耗模擬?；谏鲜稣{(diào)研，建立了新式里弄住宅的典型模型，其相關(guān)具體構(gòu)造與參數(shù)見表3。

3.2 平面布局改造

天津的新式里弄建筑發(fā)源于傳統(tǒng)四合院式住宅，這一來(lái)源使得大部分的天津近代新式里弄建筑中都含有庭院空間。在這種條件下，調(diào)整建筑的室內(nèi)空間功能排布順序是一種可以同時(shí)滿足保護(hù)建筑外立面和提高建筑節(jié)能效率的改造措施。

根據(jù)前文對(duì)天津近代新式里弄的平面布局分析，在庭院朝北的基礎(chǔ)上排列16種不同的新式里弄住宅平面布局方式。對(duì)采取這16種平面布局的住宅典型模型進(jìn)行能耗模擬并排序，得到能耗由大到小的平面布局排序（表4）。

通過(guò)對(duì)上述不同平面布局能耗情況之間的比較，得到以下規(guī)律。

（1）庭院與功能空間接觸面積越大，建筑耗能量越大。通過(guò)表4中1、2號(hào)與3～8號(hào)以及9～14號(hào)三組數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，這一趨勢(shì)出現(xiàn)的原因可能是庭院的不同位置造成了建筑體形系數(shù)的不同；也可能是不同的庭院位置對(duì)建筑采光會(huì)產(chǎn)生不同的影響，例如天井式庭院，由于其進(jìn)深不足致使其對(duì)建筑采光造成不利影響，減少建筑的太陽(yáng)熱輻射得熱，增加人工采光量，進(jìn)而增大建筑能耗。

表3 典型模型的相關(guān)參數(shù)

表4 新式里弄住宅不同平面布局能耗排列

（2）交通空間與庭院的位置越近，建筑耗能量越小。通過(guò)表4中3、4號(hào)與5～8號(hào)，9、10號(hào)與11、12號(hào)以及13、14號(hào)5組數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，這一趨勢(shì)出現(xiàn)的可能原因有：一是交通空間作為非連續(xù)性使用的空間，其對(duì)熱量的消耗本身要低于起居室、餐廚空間等連續(xù)性使用的空間，導(dǎo)致與室外熱交換能量較少；二是交通空間作為溫度分割區(qū)，將主要使用空間與室外庭院（天井）分離，當(dāng)隔絕程度越高，即交通空間越接近庭院空間，其保溫效果越好，進(jìn)而降低建筑整體能耗。

（3）位于良好朝向的功能空間使用總時(shí)間越長(zhǎng)，建筑耗能量越小。通過(guò)對(duì)表4整體的功能排布比較可以發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)輻射得熱量高的朝向上布置的功能空間使用總時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其建筑的耗能量越小。這一規(guī)律也與現(xiàn)行的住宅平面排布常識(shí)相符合，即通常將起居室、臥室布置于建筑的南向空間內(nèi)。

（4）交通空間與主要功能空間的接觸面積越大，建筑能耗量越小。分析表4中15號(hào)、16號(hào)與9～14號(hào)的區(qū)別，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于15、16號(hào)，交通空間作為“保溫芯”隔絕在每個(gè)單元的主要使用空間之間，而在9～14號(hào)的平面排布條件下，所有相同功能空間之間僅有墻體相隔。這種“保溫芯”的出現(xiàn)，可以減緩主要使用功能的熱量散失速率，因此，導(dǎo)致最終建筑耗能產(chǎn)生區(qū)別。

總結(jié)以上規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)能視角下，對(duì)新式里弄住宅進(jìn)行平面調(diào)整時(shí)，按影響力由強(qiáng)到弱有以下幾點(diǎn)：①主要功能空間遠(yuǎn)離庭院布置，次要功能空間靠近庭院布置；②線型排布下，功能空間應(yīng)按照使用總時(shí)長(zhǎng)的由長(zhǎng)到短，由南到北進(jìn)行排列；③非單純線型排布下，可以將交通空間呈“一”字型與主要功能空間平行布置。

3.3 墻體節(jié)能改造

采用內(nèi)保溫改造不僅可以更好地圍護(hù)建筑的外立面，保持其原有的外部形象以及外部空間，而且經(jīng)過(guò)內(nèi)保溫改造的墻體內(nèi)表面的整潔程度也有一定提升，更有利于居住空間的內(nèi)部環(huán)境。

由于新式里弄住宅的建設(shè)規(guī)模和使用面積通常較小，在這種情況下，內(nèi)保溫改造如何平衡保溫性能的提升與室內(nèi)空間面積的維持就成為了關(guān)鍵問(wèn)題。本文選用三種常見的內(nèi)保溫材料，對(duì)新式里弄住宅的典型模型進(jìn)行改造前后的能耗模擬（圖8、9）。

通過(guò)對(duì)以上兩組數(shù)據(jù)的觀察可以發(fā)現(xiàn)：①內(nèi)保溫材料厚度的增加一定會(huì)導(dǎo)致建筑能耗的降低；②隨著內(nèi)保溫材料厚度的逐步增大，單位厚度所對(duì)應(yīng)減少的建筑能耗也會(huì)逐漸下降，呈現(xiàn)較強(qiáng)邊際效應(yīng)。

建筑節(jié)能效果并不與厚度呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。隨著保溫材料厚度的增加，單位保溫材料所帶來(lái)的節(jié)能量有減小趨勢(shì)。分析能耗節(jié)省數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于新式里弄建筑，當(dāng)保溫層厚度大于40mm后，保溫層厚度每增加10mm，節(jié)能效率漲幅低于1%。當(dāng)厚度超出這一限值后，增加的厚度對(duì)能耗的影響較小，其損耗的面積對(duì)應(yīng)的回報(bào)較低。

3.4 窗節(jié)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。一般情況下，在以保護(hù)外部形態(tài)和空間為基礎(chǔ)的節(jié)能改造過(guò)程中，應(yīng)該盡量避免更改窗洞口的大小、比例以及相關(guān)的細(xì)部構(gòu)造。

在現(xiàn)有的節(jié)能改造過(guò)程中，常采用的方式就是對(duì)窗體進(jìn)行整窗更換。這種方式會(huì)大幅提升歷史居住建筑的室內(nèi)熱工環(huán)境，但其會(huì)破壞歷史建筑的外部空間與形象，也會(huì)對(duì)室內(nèi)空間的原有特征造成影響。新式里弄的墻體厚度一般均＞360mm，針對(duì)這一特點(diǎn)，可采用保留原有窗體，在室內(nèi)側(cè)增設(shè)新窗的方式進(jìn)行改造。對(duì)20%～60%之間窗墻比典型模型進(jìn)行能耗模擬，獲得能耗數(shù)據(jù)見表5。

從表5中可以看出，相比于整窗更換，在內(nèi)部增加保溫窗體這種改造措施并不會(huì)影響建筑的外部形態(tài)與空間。新舊窗體間自然形成的新的空氣層，具有較好的保溫隔熱作用，雙層窗帶來(lái)氣密性提升，這種改造措施的節(jié)能效率也高于整窗更換。

3.5 屋頂節(jié)能改造

作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，屋頂雖然也暴露在室外，但其造成的視覺影響與墻體和窗體并不相同。對(duì)于需要保護(hù)其外部形象的歷史建筑而言，當(dāng)屋頂形式為平屋頂時(shí)，可選擇的改造措施幾乎與普通建筑無(wú)異，但當(dāng)其屋頂形式為坡屋頂時(shí)，需要注意改造措施對(duì)建筑外部形象的影響。在不改變建筑的外部形象的前提下，坡屋面的節(jié)能改造方式可以分成增鋪式和改建式兩種，而增鋪式又可以分為直接增鋪式和吊頂增鋪式。

圖8 不同厚度材料傳熱系數(shù)變化

圖9 不同厚度材料能耗變化

表5 窗體改造后模擬數(shù)據(jù)/kWhm-2

3.5.1 掀開改建式

改建式的主要施工流程：首先，將原有的屋面瓦等屋面構(gòu)件全部掀起并妥善保存；其次，在暴露出的椽檁上鋪設(shè)保溫層和防水層；鋪設(shè)完畢后，將原有屋面瓦等構(gòu)件再按照原有工藝重新安裝，恢復(fù)其原始形象。這種制作工藝較為復(fù)雜，通常與屋面修復(fù)等施工同時(shí)使用。

3.5.2 內(nèi)部增貼式

直接增鋪式是指，在坡屋頂?shù)氖覂?nèi)部分，緊貼坡屋頂增鋪防水和保溫材料。這種改造措施的優(yōu)點(diǎn)在于，其在保護(hù)了歷史建筑外部形態(tài)的同時(shí)，也不太占用建筑內(nèi)部的使用空間。同時(shí)，相比于掀開改建式的改造方式，直接增鋪式的施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)屋頂材料的損耗率更低。但這種改造措施也有一定的局限性，例如，鋪貼的防水保溫材料的重量不能過(guò)大，也就限制了保溫和防水層次的選材和厚度，進(jìn)而使得屋內(nèi)更容易產(chǎn)生冷凝等不利現(xiàn)象。

3.5.3 吊頂增鋪式

與前兩者相比，吊頂增鋪式施工工藝最為簡(jiǎn)單，只需在屋頂椽檁等結(jié)構(gòu)部位增設(shè)龍骨，再將保溫材料和防水材料平掛于龍骨之上即可。根據(jù)投影原理可知，對(duì)于同一建筑的屋面節(jié)能改造，吊頂增鋪式是最節(jié)省材料的改造方式，經(jīng)濟(jì)效益最高。

表6 屋頂改造后模擬數(shù)據(jù)

利用模擬軟件計(jì)算在三種不同改建方式下建筑能耗量（表6）。通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，在材料相同的情況下，掀開改建式和內(nèi)部增貼式兩種改造方式建筑能耗并不存在較大區(qū)別。對(duì)比吊頂增鋪式，因?yàn)檫@種方式可以在坡屋頂下方形成一空氣層，增大熱阻，所以吊頂增鋪式的建筑能耗要明顯低于前兩種改造方式。另外，相比于掀開改建和內(nèi)部增貼，吊頂增鋪式保溫層厚度受限較小，可以選擇更為厚實(shí)的保溫材料來(lái)進(jìn)一步提高其節(jié)能效果。

歷史建筑的節(jié)能改造措施應(yīng)注重改造后的節(jié)能效率?；谀芎哪M數(shù)據(jù)，橫向比較不同的節(jié)能改造策略之間的節(jié)能效果，其改造效益情況見表7。

通過(guò)比較不同改造措施的節(jié)能效益可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天津新式里弄建筑及類似建筑，可以首先按順序通過(guò)調(diào)整平面布局、窗體改造、屋頂改造的方式，來(lái)提高建筑的室內(nèi)熱環(huán)境條件，再選用適當(dāng)?shù)膲w內(nèi)保溫厚度，來(lái)滿足建筑的熱工條件要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在綜合保護(hù)與節(jié)能的雙重視角下對(duì)居住類歷史建筑進(jìn)行改造，可以避免推倒重建的資源浪費(fèi)，提高現(xiàn)有建筑的能源利用效率。更重要的是，通過(guò)基于保護(hù)的節(jié)能改造，居住類歷史建筑可以提升建筑性能，歷史空間可以持續(xù)利用，使老建筑獲得新生，同時(shí)保護(hù)城市歷史文化的風(fēng)貌和延續(xù)城市文脈，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

表7 不同措施的節(jié)能效益比較