舊工業(yè)建筑特朗勃墻應(yīng)用研究
——以沈陽東貿(mào)庫2 號(hào)倉庫外墻節(jié)能改造為例＊

張夢(mèng)茹 黃勇 李婉麗 李驚利

在國(guó)內(nèi)的舊工業(yè)建筑再生利用實(shí)例中，對(duì)外墻的改造多暴露出以下問題：一是設(shè)計(jì)時(shí)為保護(hù)外墻原真性，應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)有限，導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境欠佳；二是遵循節(jié)能要求大面積破壞舊工業(yè)建筑外表面，未貫徹建筑遺產(chǎn)可逆性原則。本文利用特朗勃墻原理，對(duì)沈陽東貿(mào)庫2號(hào)倉庫外墻熱工性能再提升方案及更新后節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為舊工業(yè)建筑再生利用中涉及的節(jié)能保溫技術(shù)提供新的思路與具體可行的技術(shù)方案。

1 沈陽東貿(mào)庫2號(hào)倉庫現(xiàn)狀

1950年，由東北人民政府財(cái)政部和貿(mào)易部投資，在沈陽市大東區(qū)沈陽東站南側(cè)修建了東北人民政府貿(mào)易部倉庫群。作為沈陽市現(xiàn)存建設(shè)年代最早、規(guī)模最大、保存最完整的民用倉儲(chǔ)建筑群，東貿(mào)庫的建筑技術(shù)與藝術(shù)體現(xiàn)了20世紀(jì)50年代倉儲(chǔ)建筑的典型特征[1]。2018年，“東貿(mào)庫建筑群”被認(rèn)定為沈陽市第五批歷史建筑，為二類歷史建筑，并正式列為沈陽市工業(yè)遺產(chǎn)。2020年初，沈海熱電廠整體搬遷，經(jīng)政府部門及專家論證，決定保留7棟有特色的歷史建筑和1條鐵路線（圖1）。

東貿(mào)庫保留建筑中的2號(hào)倉庫，長(zhǎng)度約90m，被室內(nèi)承重墻分割成3個(gè)30m×32m的單元。建筑單體為磚木結(jié)構(gòu)，由月臺(tái)、紅磚外墻、鋼筋混凝土梁柱、木屋架及屋面組成（圖2）。倉庫的紅磚外墻為承重磚墻，外側(cè)設(shè)變截面磚壁柱，外墻頂部設(shè)有1350mm×1000mm的鋁合金高窗，窗底均設(shè)有450mm×350mm的通氣口。2號(hào)倉庫的紅磚外墻能夠反映特殊的歷史時(shí)代信息與近代社會(huì)特有的工藝做法，延續(xù)歷史文脈，科學(xué)技術(shù)和藝術(shù)價(jià)值突出，在改造中應(yīng)充分展示其形式。

由于2號(hào)倉庫紅磚外墻承重，按照保護(hù)圖則規(guī)定要求，門窗洞口形態(tài)不宜改變，以延續(xù)原工業(yè)庫房的歷史和性質(zhì)[2]。其外表皮節(jié)能改造主要涉及增強(qiáng)熱工性能、改善自然通風(fēng)、替換門窗材料3個(gè)問題。

1.1 增強(qiáng)熱工性能

屋面和外墻的建筑材料、構(gòu)造方式對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境影響顯著[3]。2號(hào)倉庫原有的紅磚外墻與金屬屋面均無保溫設(shè)計(jì)，熱工性能較差，無法滿足功能置換后的室內(nèi)熱舒適要求。因此依據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015-2021）中規(guī)定的傳熱系數(shù)限值，確定墻體及屋面保溫層的最小厚度，使兩者達(dá)到所需的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求。同時(shí)利用南側(cè)外墻作為集熱墻體，進(jìn)行特朗勃墻改造。

1.2 改善自然通風(fēng)

如沿用原窗洞開口會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)通風(fēng)性能較差，因此需配合內(nèi)部功能對(duì)窗洞口進(jìn)行改造。同時(shí)在建筑內(nèi)增加若干通風(fēng)通道，利用室內(nèi)外空氣壓強(qiáng)增加空氣流動(dòng)性，并結(jié)合原有向上收斂的庫房剖面形式形成煙筒效應(yīng)，改善通風(fēng)。更新改造后，建筑主要功能用房滿足夏季工作條件下平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不低于2次/h的要求。

1.3 替換門窗材料

在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，門窗是熱量損失最大的構(gòu)件。2號(hào)庫房紅磚外墻頂部原本設(shè)有鋁合金高窗，隔熱保溫性能較差，采用斷橋型鋁窗框及單懸置膜SCL—PS4.CPF玻璃代替原雙層普通玻璃。對(duì)于屋頂上熱工要求不同的高側(cè)窗，選用填充氬氣的Low—E雙層玻璃滿足規(guī)范要求[4]。

2 特朗勃墻原理的應(yīng)用

2.1 特朗勃墻系統(tǒng)運(yùn)行工況

特朗勃墻系統(tǒng)由內(nèi)側(cè)有一定厚度的深色蓄熱墻和外側(cè)的玻璃蓋板組成，太陽熱量穿過玻璃被蓄熱墻體吸收，一部分熱量直接傳導(dǎo)至室內(nèi)，另一部分熱量以輻射的方式傳給空腔內(nèi)空氣，由于輻射波長(zhǎng)較長(zhǎng)無法穿過玻璃，在空腔內(nèi)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使溫度升高。無通氣口時(shí)，空腔內(nèi)形成密封的空氣絕熱層，加強(qiáng)外墻保溫性能。有通氣口時(shí)，煙筒效應(yīng)驅(qū)動(dòng)空腔內(nèi)空氣流動(dòng)，空氣被熱通道加熱并傳至室內(nèi)，以改善室內(nèi)熱舒適度（圖3）。2號(hào)倉庫地處嚴(yán)寒地區(qū)，需首先考慮增強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，因此選用在蓄熱墻上下設(shè)置通氣口、玻璃蓋板不設(shè)置通氣口的特朗勃墻系統(tǒng)。

1 沈陽東貿(mào)庫區(qū)位

2.2 應(yīng)用特朗勃墻原理的基本策略

從收集與分析具體策略入手，研究國(guó)內(nèi)外應(yīng)用特朗勃墻系統(tǒng)的案例，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。研究表明，特朗勃墻系統(tǒng)的集熱面積、玻璃材質(zhì)、空氣間層的寬度及通氣口位置對(duì)室內(nèi)溫度及節(jié)能效果影響較大。

位于美國(guó)猶他州的錫安國(guó)家公園游客中心總建筑面積818m2，于南墻設(shè)置特朗勃墻系統(tǒng)以增加被動(dòng)供暖，集熱墻面由混凝土砌塊外刷黑色選擇性涂料構(gòu)成；使用高透光率的4mm單層玻璃，各玻璃組塊通過鋼框銜接；空氣間層寬度100mm，玻璃蓋板無傾斜角度；因墻體內(nèi)部存在凸起構(gòu)筑物，建筑未采用內(nèi)部通氣口。其兩年的監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，電輻射采暖系統(tǒng)共用電22680kW·h，特朗勃墻系統(tǒng)一年能夠?yàn)榻ㄖ?jié)省20%的供熱量[5]。

石河子鄉(xiāng)村住宅以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的方式探索基于特朗勃墻系統(tǒng)的農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境改善方法，測(cè)試室建筑面積172.38m2（表1）。集熱面為外掛吸收板的240mm粘土磚墻，占南墻總面積的73%；考慮保溫性能，選擇26mm的雙層玻璃；空氣間層為100mm，玻璃板無傾斜角度；在集熱墻上下位置開設(shè)4個(gè)尺寸為180mm×180mm的矩形通氣口，具體尺寸如表2所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，特朗勃墻系統(tǒng)能夠顯著改善室內(nèi)熱環(huán)境，在為期3天（1月13日—1月15日）的試驗(yàn)期間，未設(shè)置特朗勃墻的測(cè)試室室內(nèi)平均溫度為—2.8°C，而設(shè)有特朗勃墻的測(cè)試室室內(nèi)平均溫度為5.4°C[6]。

根據(jù)以上案例及策略研究可知，特朗勃墻系統(tǒng)多應(yīng)用于新建建筑，較少用于舊建筑改造。此外，集熱墻多選擇南向除窗洞口外的全部外墻墻面，材質(zhì)多為深色且具有一定厚度的混凝土或磚砌墻體，外刷選擇性涂層以增加腔體得熱量；考慮腔體得熱量，多選擇高透光率玻璃，需重點(diǎn)考慮保溫性能的嚴(yán)寒地區(qū)則宜選擇傳熱系數(shù)低的雙層玻璃；兩組案例空氣間層的寬度均為100mm，且玻璃蓋板無傾斜角度；通氣口面積約為集熱墻面積的1%～3%，且上下通氣口的垂直間距應(yīng)盡量拉大。最后，兩組案例應(yīng)用特朗勃墻系統(tǒng)均有效改善了室內(nèi)熱環(huán)境，極大降低了建筑冬季制暖能耗。

2.3 更新改造的技術(shù)路線

2.3.1 集熱墻面選擇

2 2 號(hào)倉庫拆分圖

3 特朗勃墻系統(tǒng)運(yùn)行工況

沈陽太陽輻射資源豐富，2號(hào)倉庫南側(cè)較為空曠且其南立面平整簡(jiǎn)單。相較上述案例，本研究的創(chuàng)新之處在于直接選用原有南向紅磚外墻作為集熱面，僅在混凝土勒腳表面設(shè)置黑色選擇性涂層。這一做法因玻璃的通透性可使參展者清晰地看到原有外墻肌理，不破壞歷史建筑原真性，同時(shí)玻璃會(huì)直接對(duì)原有滿鐵紅磚形成物理上的保護(hù)。南向墻體使用420mm厚暗紅色磚砌筑，磚塊年得熱量在1.7%～20.5%之間[7]，符合上文所述集熱墻要求。同時(shí)考慮變截面柱、檐口處疊澀磚線腳的阻隔，以及特朗勃墻上下通風(fēng)口正常運(yùn)行的需要，將南向立面劃分為15組可獨(dú)立運(yùn)行的特朗勃墻系統(tǒng)，以一跨為例的集熱面如圖4所示。

2.3.2.玻璃材質(zhì)與銜接方式

考慮沈陽地處嚴(yán)寒地區(qū)，選擇雙層中空玻璃作為玻璃蓋板的主要材質(zhì)。2號(hào)倉庫的紅磚具有極高的保留價(jià)值，為最大限度保留原建筑墻體，本研究參考錫安國(guó)家公園游客中心的安裝方式，設(shè)計(jì)玻璃表面與墻體的銜接，即采用明框安裝，一組特朗勃墻系統(tǒng)由6塊玻璃面板組成，與墻體銜接的剖面構(gòu)造如圖5所示。與錫安國(guó)家公園游客中心不同的是，2號(hào)倉庫在室外氣溫適宜時(shí)可打開原墻體窗戶和玻璃蓋板，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外通風(fēng)換氣，不開口位置為防止冷風(fēng)滲透采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行密封處理。

2.3.3.空氣間層的厚度

空氣流道豎直出口處回流的影響較大，為改善腔體內(nèi)的氣流回流現(xiàn)象、提升特朗勃墻的通風(fēng)性能，本研究提出一種用于舊工業(yè)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的新型特朗勃墻系統(tǒng)，將玻璃蓋板傾斜安裝，與垂直方向呈一定夾角。該做法已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在流體瑞利數(shù)固定的條件下，空腔內(nèi)氣體逆流現(xiàn)象隨著玻璃蓋板與垂直方向傾斜角度的增加而減少[8]，同時(shí)該做法與2號(hào)倉庫變截面壁柱所形成的截面傾斜角相匹配，能在改善性能的同時(shí)提升視覺效果。改造方案將玻璃蓋板與垂直方向的夾角θ設(shè)置為1.2°，玻璃上端距墻面50mm，下端距墻面150mm。

2.3.4.通風(fēng)口的設(shè)置

2號(hào)倉庫南側(cè)外墻高度為5.25m，可形成高腔[9]。本研究的新穎之處在于通氣口位置的選擇遵循可逆性原則，下排通氣口設(shè)置在建筑物高窗底部原有洞口處，尺寸為450mm×350mm；上排通氣口為不破壞原建筑物紅磚外墻，設(shè)置在窗戶上邊框處，尺寸為200mm×620mm（圖6）。

3 參數(shù)設(shè)定與模擬

3.1 模擬參數(shù)

為分析各階段模型的能耗及室內(nèi)溫度變化，采用Design Builder（Version 7.0）建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算。室外氣象參數(shù)選取Design Builder中沈陽地區(qū)典型氣象年的數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置如表3所示。

為確保模擬的科學(xué)性，將內(nèi)部空間功能劃分為展覽、公共、辦公、服務(wù)，依序設(shè)定不同的熱光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表1 石河子鄉(xiāng)村住宅測(cè)試室平面及剖面圖示

4 有效集熱區(qū)域與通風(fēng)口位置

5 特朗勃墻系統(tǒng)剖面構(gòu)造圖

6 特朗勃墻改造后效果展示

表2 石河子鄉(xiāng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

表4 空間分區(qū)模擬參數(shù)設(shè)定

3.2 溫度模擬

為驗(yàn)證特朗勃墻改善室內(nèi)熱環(huán)境的效果，將本項(xiàng)目的模擬結(jié)果與石河子鄉(xiāng)村住宅在應(yīng)用特朗勃墻前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，兩個(gè)項(xiàng)目所屬環(huán)境屬性相近。同時(shí)為保證兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比參數(shù)相同，2號(hào)倉庫的模擬數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間段也為1月13日—1月15日，對(duì)比數(shù)據(jù)均為兩項(xiàng)目在自然狀態(tài)下的室內(nèi)平均溫度。如圖7所示，模擬數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)相近，證明應(yīng)用特朗勃墻可有效改善室內(nèi)溫度，且室內(nèi)溫度隨太陽輻射強(qiáng)度的提升而升高。

為驗(yàn)證本項(xiàng)目不同位置室內(nèi)溫度改善效果的差異，對(duì)6個(gè)代表房間應(yīng)用特朗勃墻前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，統(tǒng)計(jì)在指定溫度區(qū)間內(nèi)的分布時(shí)長(zhǎng)。由圖8可知，應(yīng)用特朗勃墻后所有房間處于15.6°C以下的時(shí)長(zhǎng)均有減少，再次證明應(yīng)用特朗勃墻可有效改善舊工業(yè)建筑改造項(xiàng)目中房間溫度過低的問題。其中，溫度改善最明顯的房間為R2-2，其次為R1-1及R3-2；改善最不明顯的房間為R3-3，其次為R3-1。這一結(jié)果說明特朗勃墻對(duì)南向房間的溫度改善效果顯著；對(duì)大空間、南向單元式空間的低溫情況有較明顯的改善效果；對(duì)北向單元式空間及高度變化空間的溫度改善作用并不明顯。

3.3 能耗模擬

溫度模擬實(shí)驗(yàn)顯示，應(yīng)用特朗勃墻無法徹底解決舊工業(yè)建筑改造項(xiàng)目中存在的室內(nèi)低溫問題，仍需要采用空調(diào)等供冷供熱設(shè)施改善室內(nèi)熱環(huán)境。為驗(yàn)證應(yīng)用特朗勃墻時(shí)節(jié)省能耗的具體效果，將模擬數(shù)據(jù)與錫安國(guó)家公園游客中心的能耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?duì)比圖9—a與圖9—b的紅框區(qū)間（即對(duì)比相同時(shí)間參數(shù)下兩項(xiàng)目的逐日供暖能耗）可知，應(yīng)用特朗勃墻可有效降低建筑供暖能耗。同時(shí)，模擬數(shù)據(jù)表明,應(yīng)用特朗勃墻后采暖能耗降低了9.08%，而制冷能耗僅降低0.6%，因此本項(xiàng)目中特朗勃墻的節(jié)能功效更主要在冬季發(fā)揮作用。

4 結(jié)語

本研究應(yīng)用特朗勃墻原理，對(duì)沈陽東貿(mào)庫2號(hào)倉庫表皮節(jié)能改造的過程進(jìn)行了分析，探究滿足舊工業(yè)建筑適用性及保留外墻原真性的設(shè)計(jì)策略和方法。在技術(shù)路線中，采用多種改造方法及技術(shù)措施，探求綠色技術(shù)與舊工業(yè)建筑結(jié)合的新方法，通過Design Builder軟件進(jìn)行模擬并與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，應(yīng)用特朗勃墻可有效改善室內(nèi)溫度且顯著降低建筑冬季制暖能耗。

7 室內(nèi)平均溫度對(duì)比

8 房間位置及房間溫度分布

9 特朗勃墻節(jié)省能耗及逐日能耗

圖片來源

1-9 作者自繪

表格來源

1-4作者自繪