碳中和愿景下歷史建筑節(jié)能減碳更新改造研究

杜志祥，曾維強(qiáng)，唐文偉（上海建工五建集團(tuán)有限公司， 上海 200063）

近年來，隨著我國棚改政策和城市更新建設(shè)的大力推進(jìn)，我國建筑行業(yè)規(guī)模已位列世界第一，建筑總存量已經(jīng)超過了 650 億 m2[1]，《中國建筑能耗研究報告2020》[2]的數(shù)據(jù)顯示，我國建筑行業(yè)產(chǎn)生的能源消耗和碳排放量逐年呈穩(wěn)步上升趨勢。2020 年 9 月，我國提出了“碳達(dá)峰和碳中和”的重大戰(zhàn)略政策。作為碳排放的主力軍，建筑行業(yè)更是節(jié)能減碳的重點對象。建筑全壽命周期的碳排放主要來源于建材生產(chǎn)、既有建筑運行和建筑施工 3 個階段，從環(huán)保的角度來看，針對既有建筑進(jìn)行節(jié)能減碳改造工作，相比于傳統(tǒng)意義上的拆除重建既可以降低建材需求，避免大規(guī)模建筑施工，又可以減少既有建筑運行階段的碳排放，更加具有實際意義。在這些既有建筑存量中，包含大量城市更新理念下需要保護(hù)更新、具有藝術(shù)文化價值的歷史建筑。因此，在未來的幾十年，降低我國既有歷史建筑的能耗和碳排放是極具前景的。在碳中和愿景下，如何將這些歷史建筑的保護(hù)更新工作與現(xiàn)代綠色節(jié)能低碳技術(shù)相合，使這些歷史文化遺產(chǎn)得到新生的同時，達(dá)到節(jié)能減碳的改造效果，已成為我國未來發(fā)展的重要議題之一。

本文以文物保護(hù)單位山東省濟(jì)南市成豐面粉廠保護(hù)性修繕改造工程為例，將歷史建筑的保護(hù)更新與節(jié)能減碳進(jìn)行技術(shù)決策分析，并提出保護(hù)性改造的技術(shù)建議，以期為國內(nèi)類似工程提供經(jīng)驗和借鑒。

1 工程概況

濟(jì)南成豐面粉廠始建于 1921 年，位于山東省濟(jì)南市天橋區(qū)官扎營新區(qū)南院區(qū)內(nèi)，總建筑面積為 14 972 m2，距今已有 100 多年的歷史，其間經(jīng)歷了多次擴(kuò)建和拆除。廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)存 5 棟磚木結(jié)構(gòu)建筑單體，如圖 1 所示。成豐面粉廠是濟(jì)南現(xiàn)存為數(shù)不多的巴洛克風(fēng)格建筑，是中國民族工業(yè)興衰的見證者，是一代代濟(jì)南人民的城市記憶，具有重要的歷史價值，被列為第四批濟(jì)南市市級文物保護(hù)單位。

圖 1 成豐面粉廠平面圖

隨著濟(jì)南經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)面粉工業(yè)開始衰退，如今的面粉廠在企業(yè)倒閉中逐漸廢棄，破舊的廠房與周圍繁華靚麗的環(huán)境顯得格格不入。本次更新改造目的是將其打造成為集辦公、餐飲、展覽于一體的地標(biāo)性文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)。

2 更新改造方案分析

為了確定適合面粉廠的更新改造方案，首先歸納出成豐面粉廠不符合現(xiàn)代建筑節(jié)能規(guī)范的要點，通過分析我國現(xiàn)行的綠色節(jié)能低碳技術(shù)，以最小干預(yù)原則為前提確定最佳節(jié)能減碳改造施工方案。對于低碳技術(shù)而言，總體分為 3 種思路，即改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、利用可再生能源以及提升設(shè)備和器具的效率。

2.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析

在傳統(tǒng)老建筑中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗大約占建筑總能耗的75%，其中外墻、門窗、屋頂?shù)膫鳠崃糠謩e約占外圍護(hù)傳熱總量的 25%、20%、36%，可見對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻、門窗和屋頂?shù)母脑炷軌蛴行Ы档徒ㄖ锏哪芎膿p失[3]。

面粉廠各建筑單體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均以石為基、以磚為體，墻體灰縫存在輕微風(fēng)化和酥松現(xiàn)象。以往常用的施工做法是在外墻表面涂抹保溫材料，但是歷史建筑墻體外立面作為是其歷史風(fēng)貌的重要元素，根據(jù)“修舊如舊”的修繕要求，在外表面增加保溫材料不適合歷史建筑的實際情況，因此不予考慮。門窗相對于外墻墻體雖然在面積上所占比例相對較少，但是門窗的保溫、隔聲及隔熱性能更加薄弱。在現(xiàn)場勘測中，發(fā)現(xiàn)面粉廠各單體建筑多處門窗洞口已被磚塊封堵，因而針對本項目的門窗節(jié)能改造是需要關(guān)注的重點對象。屋面由簡單的望板和機(jī)制瓦組成，缺少保溫隔熱結(jié)構(gòu)。經(jīng)過近百年的風(fēng)吹雨淋，屋面多處瓦片脫落，漏水嚴(yán)重。

綜上所述，成豐面粉廠的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中外墻保存完好，但是門窗和屋面破損嚴(yán)重。綜合考慮未來辦公等各方面需求，決定對外窗和屋面進(jìn)行節(jié)能減碳改造。

2.2 建筑設(shè)備節(jié)能減碳改造

由于長期的閑置，成豐面粉廠建筑原來的生產(chǎn)功能漸漸褪去，廠區(qū)內(nèi)原先的機(jī)電線路已被拆卸，僅剩一個空空的磚石外殼。本次改造根據(jù)面粉廠的功能缺失情況，增加了必要的暖通、電氣、給排水設(shè)備，以滿足人們的辦公使用需求。

從采光通風(fēng)的角度來看，成豐面粉廠的創(chuàng)展空間和綜合空間建筑均為小開間大進(jìn)深的組合方式，雖然沿墻面都采用了大面積的外窗，但仍然無法滿足現(xiàn)代生活辦公的需求，特別是改造后的二樓，由于采光通風(fēng)性能較差，室內(nèi)光線昏暗、潮濕度較高，無法滿足人體舒適度要求。本項目采用在建筑屋面設(shè)置采光天窗從而增大采光面積的辦法，能更高效率地幫助建筑內(nèi)部采光通風(fēng)。

2.3 能源利用節(jié)能減碳改造

濟(jì)南位于我國東部沿海地帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，其特點是季風(fēng)明顯，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，具有豐富的可利用天然雨水資源。成豐面粉廠具有規(guī)整的屋面體系，有利于雨水的收集，但由于建筑理念的局限性，成豐面粉廠建造之初和歷年改造中基本沒有考慮雨水的綜合使用問題。為了提高歷史建筑的可持續(xù)發(fā)展性能，本次改造為面粉廠新增了海綿城市水處理系統(tǒng)，使得面粉廠能夠充分利用廠區(qū)內(nèi)豐富的雨水資源。

3 節(jié)能減碳更新改造措施實施

3.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造措施

3.1.1 屋面節(jié)能改造

成豐面粉廠各建筑原屋頂僅由望板、砂漿層及表面機(jī)制紅瓦組成，缺乏高效的防水保溫性能。為滿足現(xiàn)代使用要求，本項目采用新舊相結(jié)合的方式對屋面進(jìn)行改造，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上新增了 SBSPYPEⅡ 型改性瀝青卷材防水層及玻璃棉卷氈。通過改造前后屋頂傳熱系數(shù)對比（表 1 ），改造后成豐面粉廠屋面的傳熱系數(shù)相較于改造前屋面的傳熱系數(shù)有明顯下降，有效提高了屋面的保溫性能。

3.1.2 門窗節(jié)能改造

本項目安裝了 5+12A+5LowE 中空玻璃隔熱鋁合金平開窗，玻璃采用熱反射膜。低輻射鍍膜的玻璃表面具有很低的長波輻射率，可以大大增加玻璃表面間的輻射換熱熱阻而使其能夠達(dá)到良好的保溫性能。在夏季能保持室內(nèi)溫度不會升高過快，從而降低室內(nèi)的空調(diào)用電量。在門窗改造的實際施工過程中，為保證門窗降噪性能達(dá)標(biāo)，需要確保邊框與外墻之間的密封性。歷史建筑中對門窗進(jìn)行密封，往往是采用水泥砂漿或者密封膏填塞，但隨著天氣的變化，填充材料容易發(fā)生變形開裂，最終導(dǎo)致密封失效。本項目采用的解決辦法是在窗框和外墻之間采用保溫性能較好的聚氨酯高效保溫材料填實，待聚氨酯材料凝固后進(jìn)一步在表面涂抹一層密封膏，確保窗戶邊框與墻體之間的密封性。

表 1 成豐面粉廠改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻對比

3.2 建筑設(shè)備改造措施

3.2.1 機(jī)電設(shè)備改造

（1）本項目采用了變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)加全熱新風(fēng)換氣機(jī)的中央空調(diào)系統(tǒng)。這是一種新型變流量中央空調(diào)技術(shù)（VRV 技術(shù))，克服了傳統(tǒng)的水系統(tǒng)的許多弊端，具有明顯的先進(jìn)性。

（2）公共區(qū)域內(nèi)采光充足的場所配置定時照明系統(tǒng)，使其能控制建筑照明，節(jié)約電能。

（3）制粉樓安裝變頻調(diào)速的節(jié)能電梯，在電梯啟動運行時獲得最大速度，接著在電梯停下前均勻降速直至停止，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

（4）廠區(qū)采用噴灌的綠化灌溉方式，采用濕度傳感器或根據(jù)氣候變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制器，選用兼具滲透和排放兩種功能的滲透性排水管。

3.2.2 采光通風(fēng)改造

本項目在幾棟單體建筑屋面頂部新增了可開啟天窗，形成了豎向的采光通風(fēng)。將現(xiàn)代構(gòu)造高透光玻璃融入傳統(tǒng)建筑原有體塊中，不僅解決了建筑二層由于采光通風(fēng)差造成房間昏暗潮濕的問題，更是通過保留與展示歷史記憶，共享空間采光，增加了建筑的觀賞性與實用性，為成豐面粉廠這座老建筑賦予了新的活力。

3.3 能源利用改造措施

成豐面粉廠原先沒有雨水收集結(jié)構(gòu)，本項目遵循“開源節(jié)流”的節(jié)能改造理念，創(chuàng)新采用了海綿城市水處理系統(tǒng)。“開源”是指將收集的雨水通過排水管引導(dǎo)貯存在雨水收集井，然后將凈化后的貯存水用于廠區(qū)內(nèi)的日常需要。其工藝流程如圖 2 所示。本系統(tǒng)采用兩種雨水收集方式，一種是在建筑屋面增加虹吸式雨水收集器收集屋面的雨水，另一種是在廠區(qū)道路地面采用透水結(jié)構(gòu)收集地面的雨水。兩種收集方式相輔相成，保證廠區(qū)內(nèi)的雨水收集全覆蓋、無死角。“節(jié)流”是指采用節(jié)水器具以避免面粉廠建筑水資源的浪費，廠區(qū)內(nèi)潔具均為環(huán)保節(jié)能節(jié)水型，蹲便器、小便器及洗手盆均采用紅外感應(yīng)式，照明采用安全穩(wěn)定的高效率電器，并且均滿足國標(biāo)和行標(biāo)的相關(guān)要求。

圖 2 施工工藝流程圖

3.4 綠色施工

由于項目工地毗鄰已建住宅小區(qū)，車流量較大，所以文明施工、綠色施工顯得尤為重要。項目部在施工前對施工現(xiàn)場周圍進(jìn)行了調(diào)查和走訪，與所在地居委等結(jié)成共建單位，并做好周邊居民的安撫工作，張貼相關(guān)標(biāo)語，取得周邊居民的諒解和支持，減少了擾民和民擾事件。

3.4.1 安全隔離措施

為確保工程安全順利地完成，本項目全封閉施工，將施工現(xiàn)場與周圍緊鄰的居民區(qū)進(jìn)行隔斷?，F(xiàn)場施工時對全部腳手架采用 2 層濾網(wǎng)全封閉措施，特別是針對緊鄰小區(qū)的西側(cè)腳手架采用夾板圍擋封閉，建立嚴(yán)密的防墜設(shè)施系統(tǒng)，有效控制了施工作業(yè)時墜物、灰塵、噪聲對鄰近小區(qū)的影響。

3.4.2 揚塵控制措施

本項目施工的混凝土均采用預(yù)拌商品混凝土和商品砂漿，從根本上消除了施工現(xiàn)場因自拌混凝土和砂漿所產(chǎn)生的灰砂；拆除物前搭設(shè)全封閉的外腳手，并張掛防塵網(wǎng)，控制揚塵，拆除施工過程中對拆除物進(jìn)行灑水降塵；在夏季施工期間，安排專門人員對廠區(qū)內(nèi)的路面進(jìn)行打掃、沖洗，減少揚塵。

3.4.3 噪聲控制措施

本項目毗鄰住宅小區(qū)，地處環(huán)境敏感區(qū)域，施工過程中嚴(yán)格遵守環(huán)境保證標(biāo)準(zhǔn)，施工時的等效聲級白天控制在 60 dB 以下，早晚控制在 55 dB以下，深夜控制在 50 dB以下。

4 結(jié) 語

在當(dāng)前碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)下，人們越來越注重控制建筑全生命周期的碳排放量。

本文基于濟(jì)南成豐面粉廠保護(hù)性改造工程的現(xiàn)場實際情況，結(jié)合改造施工前的決策分析、施工中的重難點和改造后的存在不足，針對未來歷史建筑可持續(xù)發(fā)展的保護(hù)和節(jié)能改造工作提出以下幾點建議。

（1）在改造方案確定前，首先對歷史建筑的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀做好勘探和檢測。根據(jù)勘探和檢測結(jié)果，確定歷史建筑中節(jié)能改造可利用的生態(tài)因素，為后期改造方案優(yōu)化提供依據(jù)。

（2）基于歷史建筑的歷史特征和時代元素，選擇合適的節(jié)能減碳改造方案。外立面通常是歷史建筑的重要保護(hù)元素，在外墻無法采用外保溫的情況下，考慮采用墻體內(nèi)保溫。

（3）改造方案在優(yōu)化的過程中，盡可能使各個構(gòu)件的節(jié)能改造效果相得益彰。例如，在屋面增加防水保溫結(jié)構(gòu)時，考慮配合增加采光天窗。

（4）歷史建筑在節(jié)能改造過程中，綠色施工也是減少碳排量一個不可忽略的過程之一。采取合適的綠色施工措施，力求在實現(xiàn)建筑節(jié)能改造的同時，最大限度地減少建筑行業(yè)的碳排放量。

（5）節(jié)能減碳改造中須多方位考慮建筑未來的使用需求，力求在修繕歷史建筑的同時，最大程度地發(fā)揮建筑功能，使歷史建筑煥發(fā)第二次生命。