周伊利 宋德萱 莫弘之 余翔宇
(1.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院,高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室, 上海 200092;2.上海大學上海美術學院, 上海 200436)
校辦工廠是指學校根據教學和辦學需要所開辦的工廠,通常是學校教學、科研、生產三結合的基地。與一般的工業(yè)廠房相比,校辦工廠具有體量較小、結構體系簡單、改造成本低等特點,適合小規(guī)模的改造和再利用。上海地區(qū)高等、高職院校數量眾多,現存較多小型廠房建筑,在高密度城區(qū),是極其稀缺的空間資源,對學校進一步發(fā)展也具有重要意義。然而,在校辦工廠的改造與再利用中存在空間品質欠佳、環(huán)境調控難度大、特色留存和使用需求不能兼顧等普遍性問題,對廠房建筑后續(xù)持久利用造成負面影響。校辦工廠的改造較多考慮空間形態(tài)、功能需求及技術實施等方面,較少融入環(huán)境科學調控的理念,導致這類建筑改造后環(huán)境調控能耗較大,不利于實現節(jié)能減排。
事實上,物理環(huán)境評價是既有建筑改造、空間再生品質的重要維度,可以對改造設計形成前饋作用。其中,室內熱環(huán)境是圍護結構、空間、構造等改造的綜合作用結果,以熱環(huán)境為切入可以探究再生空間的環(huán)境性能。上海大學延長校區(qū)校辦工廠改造是較為典型的小型廠房建筑改造與空間再生項目,還曾獲得2016年WA中國建筑獎?;谏虾5貐^(qū)冬季寒冷,自然條件下室內熱環(huán)境主要取決于建筑收集能量、儲存能量的性能。研究以此為案例,著重考察建筑改造后的再生空間冬季熱環(huán)境,進行實證研究,并嘗試揭示其影響要素。
近些年,廠房建筑改造與再利用是許多城市更新的重要內容,也成為學界關注熱點之一?;诮ㄖW視角,以往研究在廠房建筑改造與再利用方面的側重點在于功能空間轉化[1]、空間與立面設計[2]、圍護結構改造[3-4]、微改造策略體系建構[5],通常結合各類廠房建筑的改造實踐,提出改造建議和策略。
隨著廠房改造實踐的深入,不少研究提出在廠房改造與再利用中融入綠色節(jié)能等理念,研究成果主要分為兩類。一類是根據建筑綠色節(jié)能一般原理,就廠房改造現存問題提出廠房改造節(jié)能策略,如張子豪的研究[6]從采光系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、圍護結構、廢舊材料再利用、被動式陽光房共五個方面分析在舊廠房改造過程中采取的節(jié)能實踐策略;Ren等的研究[7]對舊車站廠房建筑的適宜性再利用展開探討,在改造中應用綠色節(jié)能技術;Katarína等的研究[8]肯定了廠房建筑具有重要歷史文化價值,在改造再利用時應融入綠色。另一類是通過軟件模擬、建筑圍護結構測試等分析方法探討各類節(jié)能改造技術的適宜性,如崔瑞宏的研究[9]通過軟件對廠房建筑改造的不同方案的模擬分析,從能耗、經濟、舒適度等角度進行方案比選;而吳偉東的研究[10]針對寒地舊工業(yè)廠房的特點采用對外圍護結構進行試驗測試和計算分析的方法研究節(jié)能改造技術措施可行性。
可見,關于廠房建筑改造的現有成果大多視角相對宏觀,側重于建筑實體的改善,且以定性的策略建構與原則闡述為主,對于廠房建筑再生空間的環(huán)境品質缺乏實證研究,定量研究方法應用較少,難以客觀呈現再生空間的物理環(huán)境品質。建筑物理環(huán)境直接影響使用者舒適性,也體現建筑性能,常用于建筑改造后成效研究或改造前后比較研究,如教室照明改造實測[11]、寒冷地區(qū)小學冬季熱環(huán)境實測[12]、農村住宅節(jié)能改造實測[13]、辦公室表皮節(jié)能改造[14]等,主要思路是通過實測方式獲得相關指標的數據,再對空間的物理環(huán)境進行評價,以實際效果證明改造措施的實際作用。室內熱環(huán)境實測的常用指標包括空氣溫度、相對濕度等,能反映再生空間環(huán)境品質的基本面貌,因此,研究主要收集室內與日常使用緊密相關測點的溫濕度數據,與室外參照點數據進行對比研究,探索改造與環(huán)境性能的關聯性,為改造設計的優(yōu)化提升提供借鑒。
上海大學校辦工廠地處上海市靜安區(qū)(原閘北區(qū)部分),介于內環(huán)與中環(huán)之間,靠近都市南北交通動脈——共和新路,位于上海大學延長校區(qū)廣延路以西(圖1),建筑面積約1 500 m2。該廠房的幾棟建筑整體外觀采用紅磚砌筑主體結構、實腹鋼門窗和機制瓦屋頂(帶天窗)。隨著上海大學新一輪學科優(yōu)化發(fā)展和校區(qū)空間資源歸并整合,該工廠被閑置。2016年,該校辦工廠被改造為246視界工作室,重新置入美術培訓、建筑設計、藝術創(chuàng)作、影視制作等新功能,使原先幾乎破敗的老舊廠房重新煥發(fā)了活力。
在該校辦工廠的改造中,建筑師以務實靈活的設計保留原建筑的建造和空間特色,通過空間重構來契合多樣功能的需求,充分利用單層廠房空間特點,適度改造圍護結構,提升建筑環(huán)境性能[15]。基于多樣化功能的空間劃分需求,在原廠房建筑高大空間中植入新的承重結構和分隔墻體,在既有結構框架內塑造出多樣化的空間形態(tài)。改造中沿用了原廠房南側240 mm磚墻,拆除北側墻體的窗下墻,重塑了北側第一層立面,形成有節(jié)奏的虛實變化;在北側墻以南,重新砌筑了一道清水混凝土墻體,之間形成類似柱廊的灰空間;室內夾層采用鋼結構支撐。原建筑外墻為240 mm厚紅磚砌筑,新建墻體采用120 mm和150 mm厚清水混凝土墻。屋面改造中在屋面內側增加了50 mm厚的保溫板(擠塑泡沫板),試圖提升屋頂隔熱保溫性能。
在經歷了2008年的金融風暴后,國際經濟出現了一段平穩(wěn)發(fā)展的時期,各大經濟體穩(wěn)步發(fā)展。我國更是在經濟總量上趕超日本成為世界第二,并不斷縮短與美國之間的差距。然而,在美國新一屆總統(tǒng)執(zhí)政后,美國的對外政策出現了較為劇烈的波動。其中包括工業(yè)回流、資本限制、貿易壁壘等更是對國際財經合作產生了一定的擾動與不良影響。本文依此為基本背景,探究新時期國際財經合作的特點以及具體的作用。并從我國視角下為促進國際財經合作建言獻策,希望能夠為我國經濟的平穩(wěn)高速發(fā)展提供必要依據。
研究選擇帶夾層的建筑設計工作室作為實測基地。該工作室位于校辦工廠A棟建筑的中間部分,臨近A棟通道,內帶夾層。底層面積形狀比較規(guī)則方正,上層平面呈L字形,面積略小。底層功能包含門斗、茶水間、接待及會議室等,夾層為開放辦公空間,可容納12個工位,上下層在南北側通過挑空連通空間。根據空間位置和日常使用停留時間的不同,共設置8個實測位置,其中測點01布置在室外,距離原北側墻體約1.0 m處,架設于簡易三腳架上,測點02在門斗空間內通過雙面膠粘于墻壁上,室內測點03~08均分布于工作人員可能長時間停留的工作臺面(圖2、圖3),離地高度約0.75 m。冬季實測從1月22日持續(xù)至2月20日,該工作室自1月21日開始放假,門窗關閉,天窗遮陽板半打開,建筑空間處于自然熱傳遞的狀態(tài),屬于比較“理想”的自然工況。本文截取天氣處于較穩(wěn)定狀態(tài)的4天(2020年1月29日至2月1日)的實測數據作為分析基礎。底層布置3個測點,夾層4個測點,兼顧室內外不同工況和空間使用情況。
實測儀器選用中國臺灣生產的溫濕度記錄儀AZ8829,該儀器具有耗電少、可按設置間隔時間自動記錄、IP54防水性能和鋰電池供電的特點,便攜性好,方便垂直和水平方向布點,最多可記錄8 000組數據(表1)。試驗中共采用8個記錄儀進行測量,所有儀器都設置相同開啟時間,儀器設置為整點開始啟動記錄,自動記錄,記錄間隔為10分鐘,這樣可以在同一時間點記錄室內設定位置的溫度和濕度,以增強數據的有效性和可比性。
表1 AZ8829溫濕度儀參數Table 1 Parameters of AZ8829
截取的4天連續(xù)不間斷實測數據每個測點獲得1 152組有效數據,每組數據包含空氣溫度和相對濕度兩項指標。借助箱型圖識別并剔除每個測點溫濕度中的異常值(圖4),箱型圖能夠比較客觀地識別異常值,其以四分位數和四分位距作為識別異常值的基礎,四分位數具有一定的耐抗性,多達25%的數據可以變得任意遠而不會很大地擾動四分位數,因此可以極大地降低異常值對數據呈現效果的影響[16]。
8個測點在空間位置上分成3類:室外空間(測點01)、室內空間(測點03~08)和緩沖空間(測點02)。從各測點溫濕度數據來看,室外測點溫濕波幅明顯大于室內,臨近外墻測點的溫濕波幅也大于室內其他測點(表2)。所有測點升溫時段較短,速度較快;降溫時段較長,速度較慢,溫度曲線都呈現左右不對稱的形狀,與冬季晝短夜長緊密相關。
表2 各測點溫濕度統(tǒng)計Table 2 Temperature and humidity statistics for each measuring point
測點01位于北側入口處,處于開放廊道空間墻體外側,通風順暢,不受太陽直接輻射,所測得數據可近似看做室外參數。從測點01溫濕度數據(圖5)來看,測試期間的室外空氣平均溫度僅為5.6 ℃,最大值為9.3 ℃,最小值為2.5 ℃,波幅達到6.8 ℃;相對濕度平均值為51.9%,最大值、最小值分別為69.4%和27.8%,波幅達41.6%。
空氣溫度和相對濕度在數值上存在顯著的反向波動趨勢,即空氣溫度越高,相對濕度越小。從時間分布看,每日室外氣溫谷值出現在清晨7∶30左右,是一天中相對濕度最高的時候;每日室外氣溫峰值出現下午14∶30前后,也是一天中相對濕度最低的時候。
實測期間,前三天氣溫持續(xù)下降,2月1日見底后緩慢回暖。從實測數據看,室外升溫段時間較短,大約7小時,而降溫段則要經歷十幾小時,時間相差將近10小時。相對應的,空氣相對濕度顯示出升高較慢、下降較快的趨勢。主要原因是冬季日出時間較晚、全天太陽輻射時間較短,上午日出之后,氣溫較快上升,隨著午后太陽高度角的下降,氣溫在14∶30左右到達峰值后旋即下降;隨著日落,氣溫繼續(xù)緩慢下降,直至次日清晨。可見,夏熱冬冷地區(qū)除冬季寒冷總體特征外,還具體表現為:1)白天升溫開始時間較晚,升溫時段短;2)降溫時間段長,速度先快后慢;3)溫度較低時,相對濕度較高,夜間濕冷感覺較明顯。
測點02位于底層門斗內,對外為原校辦工廠鐵門,對內為上掛式推拉玻璃門。測試期間,門斗處于關閉狀態(tài),即外門關閉、玻璃門處于封閉狀態(tài)(圖6)。實測期間該測點空氣溫度平均值為7.4 ℃,最低值、最高值分別為5.8 ℃、8.9 ℃,波幅為3.1 ℃,遠遠小于室外測點的波幅。從每天溫度變化來看,溫度谷值出現時間在8∶00—8∶30之間,比室外測點谷值遲滯0.5~1.0 h;而溫度峰值出在17∶00前后,比室外測點晚了將近2.5 h小時,即在接近傍晚時候才迎來溫度峰值??諝庀鄬穸绕骄禐?9.1%,略低于室外測點,波動范圍在35.8%~61.4%,波動幅度(25.6%)明顯較室外測點低。
測點03處于三面落地玻璃圍合的小房間內,西側為清水混凝土墻,而測點04工位處于底層開放空間中。測點03、04的空氣溫度平均值分別為8.8 ℃和9.0 ℃,最小值均為7.9 ℃,測點03的溫度波幅略低,僅為1.6 ℃,在各測點中最小,可見此處空間溫度較為穩(wěn)定(圖8)。兩測點的相對濕度平均值、最小值和最大值及波幅都十分接近,溫濕狀況趨于相同。也就是說,在自然狀態(tài)下,這兩處空間熱環(huán)境較為接近。比較兩測點的每天溫濕數據,測點03溫濕度波幅略小,主要原因是位置與南向外墻、北向外墻都有一定距離,處于間接受熱和散熱的狀態(tài),西側清水混凝土墻體是該空間與室外主要的熱傳遞通道;測點04所在空間受南向中庭的熱輻射,因此空氣溫度平均值會略高。
測點03和測點04的溫濕度曲線出現谷值和峰值的時間點都十分接近,溫度谷值出現在上午8∶30左右,峰值則出現在15∶30前后,與室外均存在大約1.0 h的遲滯時間。兩測點溫度谷值高出室外氣溫谷值3.1~5.5 ℃,溫度峰值則與室外測點相差-0.6~2.4 ℃。兩測點相對濕度出現谷值、峰值及變化與溫度數據基本反向同步,相對濕度谷值都超過室外測點數據,差值從4%~10.5%不等,相對濕度的峰值都低于室外測點數據,差值從-10.9%~-22.8%不等。
夾層空間都是開放辦公空間,是工作室主要工位所在,長時間有人停留。測點05在臺面1靠近外窗(上懸外開鐵窗)位置,測點06在臺面中間位置。
測點05的溫度平均值為8.9 ℃,最小值、最大值分別為6.3 ℃、14.1 ℃,波幅為7.8 ℃;測點05相對濕度波動范圍在29.5%~62.0%,波幅達32.5%,僅次于室外測點(圖9)。在室內各測點中,測點05溫濕度數據波幅都是最大的。根據連續(xù)5天實測數據,測點05溫度谷值出現在早晨8∶00前后,與室外溫度存在約0.5 h的遲滯,谷值相差2.4~3.8 ℃不等;測點05溫度最大值出現在中午11∶30前后,與室外測點溫度存在約3.0 h的“早到”。測點05每天升溫時段很短,不到4.0 h;而降溫時段較長,中午至傍晚日落的降溫速度較快,傍晚日落之后降溫速度較慢,溫度變化曲線存在明顯的“拐點”。主要原因是測點05臨近南向外窗,靠近中庭頂棚,間接接受太陽輻射熱量,空氣溫度較高;不排除直射陽光對儀器探頭直接加熱,導致中午前較快升溫現象;隨著中庭在中午后受熱減少,加上外窗密封性較差,測點05處熱量流失較多,空氣溫度下降較快,每天的溫度谷值甚至低于室內其他測點,差值在1.5 ℃左右。
測點06的溫度平均值為8.8 ℃,最小值為7.8 ℃,最大值為9.7 ℃,波幅僅為1.9 ℃,明顯小于測點05的波幅;測點06的相對濕度波動范圍在39.1%~59.3%,波幅為20.2%,遠遠低于測點05。根據連續(xù)4天實測數據,測點06每天溫度谷值出現在早晨8∶00前后,與室外溫度存在約0.5 h的遲滯時間,谷值相差3.0~5.3 ℃不等;每天溫度峰值出現在15∶00前后,與室外溫度峰值存在約0.5 h的遲滯時間,峰值相差-0.3~2.3 ℃不等。
測點07和測點08位于夾層空間的另一張辦公臺面上,接近屋脊下方空間,兩測點的溫濕狀況相近(圖10)。
測點07溫度平均值為8.9 ℃,最小值和最大值分別為7.9 ℃和9.9 ℃,波幅為2.0 ℃;相對濕度平均值為49.3%,波動范圍為41.8%~59.9%,波幅僅18.1%,是各測點中相對濕度最為穩(wěn)定的。測點08溫度平均值為8.7 ℃,最小值和最大值分別為7.7 ℃和9.6 ℃,波幅為1.9 ℃,稍小于測點07;相對濕度平均值為48.4%,波動范圍39.6%~59.8%,波幅20.2%,略高于測點07。
根據連續(xù)4天實測數據,測點07每天溫度谷值出現在早晨8∶00前后,與室外溫度遲滯時長約0.5 h,溫度谷值相差3.1~5.4 ℃不等;每天溫度峰值出現在15:00左右,與室外溫度遲滯時長約0.5 h,溫度峰值相差0.4~2.5 ℃不等。測點08每天溫濕度的峰谷值出現時間基本與測點07相同,兩測點溫度谷值相差0~0.2 ℃,溫度峰值相差0.2~0.5 ℃;兩測點相對濕度谷值相差-1.5%~3.3%,峰值相差0~3.8%。
測點07和測點08空間位置上的主要差異體現在與天窗位置的距離不同。在測試期間,電動遮陽簾處于半開狀態(tài),僅對太陽直射光線形成部分遮擋。屋頂水平天窗雖然存在內外兩層,由于半透明材料,具有一定集熱性能(圖11)。在白天峰值區(qū),受熱天窗部分對下部空間局部形成一定量的熱輻射,使得距離較近的測點07空氣溫度稍高;而當下午太陽高度角變小時,熱輻射強度降低,測點07的溫度逐漸回復至測點08的水平。
在寒冷冬季,室外溫度較低,人體感覺較冷。在自然狀態(tài)下,室內外溫度差異是建筑自身環(huán)境調控特征的體現。從實測溫度數據來看,WH+Lab建筑設計工作室底層、夾層的6個測點絕大多數時間的溫度都保持在7~10 ℃,遠低于冬季18~25 ℃的舒適溫度,相對濕度大體保持在40%~60%之間,滿足冬季30%~80%的范圍。室內各測點溫度在各時刻都高于室外溫度,溫度差值在谷值區(qū)達到最大,在峰值區(qū)趨向最小。冬季太陽高度角較小,輻射強度相對較弱,也就意味著建筑受熱時間較短、吸收熱量少,此外實測工作室的南側為帶頂棚的中庭空間,對太陽輻射具有過濾作用,削弱了到達實測空間的輻射強度,也使得室內空間的溫度波幅較小和持續(xù)作用時間較短,在白天室內溫度超出室外溫度在0~2.5 ℃。當夜間室外溫度下降幅度較大時,室內溫度下降幅度較小,建筑散熱量較少、速度也較慢,在夜間室內空間與室外保持大約2.5~5 ℃的溫差。
在測試期間,工作室門窗關閉,室內空氣處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。從實測數據來看,底層和夾層溫度平均值在9.0 ℃上下,除測點05之外,其他測點溫度波幅都在2.2~2.6 ℃以內,相對穩(wěn)定;濕度平均值在47%~49.5%之間,差異不大,除測點05之外,其他測點的相對濕度波幅都在20%上下,空氣相對濕度也比較穩(wěn)定。底層空間和夾層空間在冷季不存在明顯的溫濕空間分層現象。
根據諾伯特·萊希納(Norbert Lechner)的“舒適性區(qū)域”理論[17],這種熱環(huán)境處于較冷的區(qū)域,相對濕度介于干冷和濕冷之間(圖12),“濕冷”程度并不特別嚴重,但室內空氣溫度低,與舒適性區(qū)域距離較遠,因此,人體熱感覺的不舒適主要來源于空氣溫度太低。
校辦工廠利用新舊墻體、內加保溫板的屋頂和增強氣密性的外窗構成新的圍護結構體系。從靠近工位的5個測點(03、04、06、07、08)溫濕數據來看,冬季室內空氣溫度平均值都在9.0 ℃上下,波幅范圍均在2.0 ℃之內,溫度谷值、峰值與室外測點遲滯時間在0.5 h~1.0 h。這意味著新圍護結構體系在冬季具有一定抵抗寒冷的性能。室內熱環(huán)境是墻體、屋頂和門窗系統(tǒng)共同作用的結果,適度改造的圍護結構對室內熱環(huán)境的調控作用較為有限。
4.2.1墻 體
校辦工廠原有墻體為240 mm厚黏土磚墻,傳熱系數K值為2.40 W/(m2·K);新加的墻體為120 mm和150 mm厚清水混凝土墻,傳熱系數K值分別為4.56 W/(m2·K)和4.23 W/(m2·K),新加墻體增大了圍護結構總體傳熱系數,實際上削弱了建筑墻體的保溫隔熱性能。
4.2.2屋 頂
原廠房建筑為單層空間,屋頂未專門設置隔熱材料,屋面鋪設機制瓦屋面,傳熱系數K值約為3.38 W/(m2·K);加上氣密性較差,冬季熱空氣自然上升,導致屋頂熱量流失嚴重,室內空間溫度較低,顯然不能滿足冬季室內空間保存能量的需求。在屋頂內側增加的50 mm厚保溫板,熱阻值增加約為1.52 m2·K/W,使得屋頂總體傳熱系數下降至0.55 W/(m2·K)。實測中發(fā)現的夾層和底層的溫濕度分層現象并不明顯,也驗證了這一點,意味著室內空間通過屋頂流失的熱量大幅下降,也體現了屋頂改造的有效性。
4.2.3門窗氣密性
為了控制項目改造成本,校辦工廠改造中仍沿用了原先的鐵質窗框和5 mm單層清玻璃。由于原先鐵質門窗氣密性和保溫性較差,采用了低成本的改造技術,將膩子封嚴玻璃和鐵框之間縫隙,氣密性獲得改善,有效減少了冬季冷空氣的滲透,但通過鐵質窗框的熱傳遞仍然存在。此外,在窗戶內側懸掛帶塑料薄膜的竹席簾,增加冷空氣滲透阻力,減緩冬季能量損失速度。在既有建筑改造中,老舊門窗氣密性往往成為性能“最短板”。在預算極其有限的條件下,通過低成本的改造提升氣密性可以減少冬季冷風滲透。改善老舊門窗氣密性對于冬季空間節(jié)能具有較大的潛力。
可見,該項目的圍護結構中不同部分的改造對冬季室內熱環(huán)境的改善作用各不相同,也反映了改造設計中不同維度的訴求存在某種沖突性。
以門斗等過渡空間用于氣候緩沖的做法,常見于北方地區(qū)建筑出入口,主要目的是減少冬季建筑出入口熱量的流失和冷空氣的侵襲,事實證明具有很好的節(jié)能效果。出于工業(yè)建筑性格的延續(xù),該建筑設計工作室的大門仍采用原建筑的鐵門,但氣密性較差,日常使用中經常處于開合轉化狀態(tài),極不利于冬季室內熱量的保存。設計師在入口處另加一道透明玻璃推拉門,形成門斗空間。從實測溫度數據來看,門斗空間測點的溫度峰值、谷值及波幅都介于室內、外測點之間,門斗空間確實起到了“削峰填谷”的效果,在室內外之間形成熱環(huán)境過渡區(qū)域,也減少人體在進出時冷熱突變的不舒適感覺。沿用的原建筑鐵質大門具有強烈的時代特色和意象所指,與清水混凝土墻體實現新舊融合,通過設置門斗空間提升了建筑性能,在廠房建筑低成本改造中兼顧了“面子”和“里子”。
校辦工廠是特殊發(fā)展階段的產物,在地塊整體更新之前,積極而適度的改造可使舊建筑煥發(fā)生機。熱環(huán)境作為再生空間物理環(huán)境的重要內容,直接影響使用者舒適度和建筑能耗水平。通過校辦工廠的再生空間某建筑設計工作室的溫濕度實測,客觀呈現冬季室內熱環(huán)境,參照室外熱環(huán)境數據,就建筑改造對室內熱環(huán)境的影響作用展開討論。
實踐證明,廠房建筑在改造中不僅要保留工業(yè)建筑性格,還應兼顧建筑物理環(huán)境的思考維度。通過精準識別改造對象環(huán)境性能“短板”,在成本較為有限的條件下,首先采取適度改造補齊“短板”,有效提升建筑整體的環(huán)境性能,促進廠房建筑的持續(xù)利用。