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

0 引言

目前我國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到節(jié)能標(biāo)準，無法減緩我國整體能源消耗過快的上漲速度。在這些既有建筑中，存在大量建設(shè)年代較為久遠的歷史建筑，受限于當(dāng)時建設(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、舒適性不足等問題，改造工作十分迫切。研究證實，針對既有建筑的“深度改造”可以使其能耗降低50%～90%[2-3]，而針對歷史建筑的節(jié)能改造也可對節(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，針對于這類年代久遠、有豐富歷史文化價值的居住建筑，不應(yīng)該簡單地采取“一刀切”推倒重建，這不僅不利于城市可持續(xù)發(fā)展，也不利于保護城市的歷史文化。然而，現(xiàn)行針對既有建筑的節(jié)能改造技術(shù)并沒有充分響應(yīng)居住類歷史建筑的特殊性，值得進一步探討。

1 天津新式里弄建筑調(diào)研

天津的新式里弄住宅，是近代外國建筑師結(jié)合中國傳統(tǒng)院落和西方聯(lián)排住宅設(shè)計而成[4]，當(dāng)時主要服務(wù)于租界內(nèi)外國企業(yè)的員工，通常是一梯一戶的居住形態(tài)。建國后對這些里弄住宅進行收回利用時，對原有平面布局形態(tài)進行了簡單改造，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行分配。隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，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，人均可使用面積過小、戶內(nèi)獨立衛(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值，需要加以保護并繼續(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)貌的保護留存。

為研究的方便開展和問題的清晰呈現(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，安樂村屬于天津市歷史風(fēng)貌建筑，保護等級為重點保護。針對新式里弄住宅的調(diào)研主要從圍護結(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 圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

圍護結(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保溫層，墻體傳熱系數(shù)均超過1.5 W/(m2·k)，在嚴寒地區(qū)明顯過高，容易造成空間使用者冬冷夏熱的不舒適性、室內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)返潮結(jié)露等現(xiàn)象（圖5）。結(jié)露現(xiàn)象會對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和持續(xù)使用。

圖1 安樂村總平面圖

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結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

（2）窗。由于年代久遠，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)致其氣密性無法滿足國家及天津的相關(guān)要求，對室內(nèi)熱環(huán)境造成了不利的影響。因此，在針對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題。由于缺乏必要的保溫層，屋頂傳熱系數(shù)過高，導(dǎo)致頂層的室內(nèi)空間夏季過熱。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，在對天津新式里弄住宅進行節(jié)能改造的過程中，可以通過增加屋頂?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

通過對選取的4處里弄住宅進行實地調(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，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)能改造的過程中并不能將其簡單地等同于普通既有住宅的建筑改造，否則，可能對建筑的歷史文化價值造成不可挽回的破壞?；趯μ旖驓v史建筑的實地調(diào)研和分析，并綜合歷史建筑保護方面已有的學(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：保護性、適應(yīng)性、高效性和系統(tǒng)性。

保護性原則是以動態(tài)保護為基礎(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，需要在改造過程中對建筑各部分的歷史價值進行分析判斷；另一方面，要求應(yīng)用的改造措施具有可識別性，可以與原有建筑元素進行區(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，充分發(fā)揮被動節(jié)能可能性；二是對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），在對其進行節(jié)能改造時要保證改造措施適應(yīng)政策要求。

高效性原則是指，在對歷史建筑進行節(jié)能改造的過程中，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。對于歷史建筑，雖然提倡對其進行一定程度的改造來改善其使用感受、降低能源消耗數(shù)量，但對歷史建筑的改造程度越深，就更容易導(dǎo)致對其歷史文化價值的損害。

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、歷史價值的維護、可持續(xù)發(fā)展的能力的情況下對其進行更新改造。歷史建筑集使用價值、文化價值以及節(jié)能效益等多方面價值于一身。因此，在改造的過程中，只單一考慮其某一方面的價值，將容易造成對其他方面價值的破壞。

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

為了更準確地了解不同改造策略對于歷史建筑的能耗節(jié)省情況，本文利用Design Builder軟件，對改造前后的建筑進行能耗模擬?；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滿足保護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。對采取這16種平面布局的住宅典型模型進行能耗模擬并排序，得到能耗由大到小的平面布局排序（表4）。

通過對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。通過表4中1、2號與3～8號以及9～14號三組數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，這一趨勢出現(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建筑采光會產(chǎn)生不同的影響，例如天井式庭院，由于其進深不足致使其對建筑采光造成不利影響，減少建筑的太陽熱輻射得熱，增加人工采光量，進而增大建筑能耗。

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。通過表4中3、4號與5～8號，9、10號與11、12號以及13、14號5組數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，這一趨勢出現(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間越長，建筑耗能量越小。通過對表4整體的功能排布比較可以發(fā)現(xiàn)，在太陽輻射得熱量高的朝向上布置的功能空間使用總時長越長，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、16號與9～14號的區(qū)別，可以發(fā)現(xiàn)，對于15、16號，交通空間作為“保溫芯”隔絕在每個單元的主要使用空間之間，而在9～14號的平面排布條件下，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，對新式里弄住宅進行平面調(diào)整時，按影響力由強到弱有以下幾點：①主要功能空間遠離庭院布置，次要功能空間靠近庭院布置；②線型排布下，功能空間應(yīng)按照使用總時長的由長到短，由南到北進行排列；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)鍵問題。本文選用三種常見的內(nèi)保溫材料，對新式里弄住宅的典型模型進行改造前后的能耗模擬（圖8、9）。

通過對以上兩組數(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，單位厚度所對應(yīng)減少的建筑能耗也會逐漸下降，呈現(xiàn)較強邊際效應(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的節(jié)能量有減小趨勢。分析能耗節(jié)省數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于新式里弄建筑，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，增加的厚度對能耗的影響較小，其損耗的面積對應(yīng)的回報較低。

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

在現(xiàn)有的節(jié)能改造過程中，常采用的方式就是對窗體進行整窗更換。這種方式會大幅提升歷史居住建筑的室內(nèi)熱工環(huán)境，但其會破壞歷史建筑的外部空間與形象，也會對室內(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，針對這一特點，可采用保留原有窗體，在室內(nèi)側(cè)增設(shè)新窗的方式進行改造。對20%～60%之間窗墻比典型模型進行能耗模擬，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。對于需要保護其外部形象的歷史建筑而言，當(dāng)屋頂形式為平屋頂時，可選擇的改造措施幾乎與普通建筑無異，但當(dāng)其屋頂形式為坡屋頂時，需要注意改造措施對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)點在于，其在保護了歷史建筑外部形態(tài)的同時，也不太占用建筑內(nèi)部的使用空間。同時，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簡單，對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大，也就限制了保溫和防水層次的選材和厚度，進而使得屋內(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)濟效益最高。

表6 屋頂改造后模擬數(shù)據(jù)

利用模擬軟件計算在三種不同改建方式下建筑能耗量（表6）。通過對上述數(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。對比吊頂增鋪式，因為這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，可以選擇更為厚實的保溫材料來進一步提高其節(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。

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

4 結(jié)語

在綜合保護與節(jié)能的雙重視角下對居住類歷史建筑進行改造，可以避免推倒重建的資源浪費，提高現(xiàn)有建筑的能源利用效率。更重要的是，通過基于保護的節(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，同時保護城市歷史文化的風(fēng)貌和延續(xù)城市文脈，促進城市可持續(xù)發(fā)展。

表7 不同措施的節(jié)能效益比較