淺析太陽能技術在舊工業建筑改造中的應用★

明文靜 吳 蔚

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

0 引言

隨著城市的快速發展，城市中遺留的大量舊工業建筑面臨改造和更新，而綠色節能改造是順應可持續發展的重要體現。目前國內舊工業建筑的改造水平整體較低，大部分改造都是從空間形式入手，關注到綠色節能改造的較少。太陽能作為最具前景的可再生能源之一，如果能在舊工業建筑改造的過程中有效的利用太陽能，將對未來城市發展產生重要的社會意義。

我國的太陽能資源豐富，開發利用的潛力較大[1]。舊工業建筑形體簡單、改造方便，因此 無論是主動式還是被動式太陽技術，都能在我國舊工業廠房中見到。本文從被動式和主動式兩個方面，回顧國內外在舊工業建筑改造中對太陽能的利用，分析了發展趨勢并提出一些參考意見。

1 被動式太陽能在舊工業建筑改造中的利用

被動式太陽能技術是我國科技部列入最早的關于太陽能建筑熱利用技術的國家科技攻關項目[2]。因而該技術受到廣泛采用，相關的研究課題、學習手冊、技術規范也相對完善。被動式太陽能技術主要應用于建筑采暖，主要包括直接受益式、集熱墻式和附加日光間三種方式，在舊工業建筑改造中集熱墻式和附加陽光間式應用較為廣泛。 舊工業建筑改造中，很多設計會保留原始立面，然后在外面加設一層玻璃罩，這種處理雖然會對建筑的原有風貌造成一定的影響，但既保護了原有外墻和原有肌理，又創造出一種新中有舊的設計感。如在巴塞羅那SUVA辦公樓改造中，設計者在建筑原有表皮的外側增加了一層玻璃表皮。每層的玻璃表皮由三條材料不同的帶狀玻璃窗構成，上層的花紋玻璃窗可以反射紫外線，中間層是普通的透明玻璃窗，下層是半透明玻璃窗可以起到隔熱效果。上下層玻璃窗通過電腦控制開關，中間層的玻璃窗可人工操控。冬季可以通過關閉玻璃窗形成特朗伯墻，為建筑室內保暖蓄熱，夏季通過大面積開啟玻璃窗來進行通風散熱[3]。另外，在天津天友設計中心的改造中，外墻除了增設外保溫層之外，還在建筑南側利用舊的黑色石材結合玻璃形成特朗伯墻，較為充分的利用太陽能[4]。然而，太陽能集熱墻在舊工業廠房實踐應用時，需要注意蓄熱墻體的夾氣層厚度、垂直高度，甚至墻體的顏色和粗糙程度等方面，并結合實際條件進行有效運用。

很多舊工業建筑在改造的過程中，都會選擇盡量保持或減小對原有結構的改動，但為了擴大使用面積，會采用增加附加式陽光間的方法。這種設計對原建筑結構影響較小，且簡單靈活，不僅可以為原有建筑增加一個功能空間，還可以在白天收集太陽熱量，在晚上調節室內外溫度。如在慕尼黑英戈爾施塔特的阿爾夫萊希納展覽館的改造中，設計者在建筑入口通過加建一個鋼結構玻璃陽光間從而營造出明亮的入口空間。原有建筑立面的框架退在陽光間后面，形成了新舊對話。在慕尼黑冬冷夏涼的氣候條件下，陽光間能在冬季為室內提供采暖，并且夏季對室內環境的負面影響相對較小[3]；另外，在北京朝陽規劃藝術展覽館改造中，在東入口處，保留屋頂結構的同時，圍合通透的玻璃體，形成附加式陽光間。通過這種形式，一方面削弱東側廣場帶來的噪聲，另一方面附加式陽光間在溫室效應下，減弱了主體建筑內部空間熱環境的急劇變化，起到緩沖作用，能夠有效的改善熱環境，并減少建筑的能耗[4]。

盡管附加式日光間有利于建筑的景觀和空間的打造，在舊工業建筑改造中取得了較好的效果，但仍然需要注意它的保溫隔熱問題，特別是夏季過熱和眩光問題，因此在舊工業建筑改造中一定要有遮陽和通風設計。

2 主動式太陽能在舊工業建筑改造中的利用

目前使用較為廣泛的主動式太陽能技術包括太陽能熱水技術和太陽能光伏發電技術[5]。太陽能熱水技術是我國發展較為成熟、應用較為廣泛的太陽能技術，目前主要應用在住宅建筑中。隨著產品研發的日漸成熟，太陽能熱水技術已經從居住建筑擴展到其他建筑類型中，并且在舊工業建筑改造中得到了推廣與使用。王蘭芳在對沈陽電表廠進行改造時，在工業建筑屋頂放置太陽能集熱器，為廠區提供熱水，充分利用太陽能資源[6]。在蘇州工業園區星海街9號的改造中[7]，由于蘇州地區屬于太陽能資源一般區，因此選用高效的太陽能集熱板產品，通過利用太陽能熱水系統，提供建筑物內健身淋浴器以及餐飲廚房的熱水。

然而，由于太陽能熱水系統載重量和體量較大，當需要布置集熱器時，要充分考慮既有建筑本身的結構、載重量、朝向等一系列問題，合理的進行安裝，并在滿足技術要求的同時，也要保證其美觀性。

太陽能光伏技術的發展可以追溯到19世紀，但直到20世紀50年代，恰賓和皮爾松在貝爾實驗室成功做出了光電轉換效率為6%的實用單晶硅太陽電池,太陽能光伏技術才開始走向實用階段[8]。隨著光伏技術的不斷進步，光伏發電已被列為21世紀重要替代能源[9]。由于舊工業建筑在建筑和結構上的特殊性，在太陽能光伏技術利用上主要是將光伏材料與建筑的屋面與立面結合。如在上海當代藝術博物館的改造中，保留了原南市發電廠主工業建筑屋面斜面的形式，并將光伏板與屋面板相結合[10](見圖1)，這樣使得建筑外圍護結構與太陽能光伏系統形成復合整體，既能提高光電轉化率又能增強改造建筑的整體性。

太陽能光伏組件在早期為不透光材質，隨著光伏技術的逐漸發展，可透光的光伏板開始出現，半透明光伏集成天窗開始出現并流行起來[11]。在柳州工業博物館的改造中[10]，光伏板與原有工業建筑鋸齒形天窗相結合，保持原有工業建筑立面造型的同時，將形式與功能達到了較好地結合(如圖2所示)。既保證了視覺上的美觀性，又能為建筑運行提供能源支持。盡管這種光伏天窗也存在不少問題，如眩光、夏季過熱以及維護保養等問題，但光伏天窗既能解決大跨度廠房的天然采光問題，還能利用太陽能發電，降低建筑能耗，特別是安裝這種光伏天窗對舊工業建筑原有風貌影響較小，不會影響建筑本身的結構，這對于有歷史保護價值的舊工業建筑較為適用，由此可見這種光伏天窗將是未來舊工業建筑的改造趨勢之一。

3 分析與討論

從上述案例可以看出，各種形式的太陽能技術已經被越來越多的應用在舊工業建筑改造中。對于只需要進行輕微改動的舊工業建筑改造項目，可以通過加裝集熱墻式的形式進行改造，而利用附加式日光間可以讓既有工業建筑在平、立面的形式上更為靈活多變。盡管被動式太陽能技術簡單易用，但在使用上也要注意當地的氣候條件，特別是在夏熱冬冷或夏熱東暖地區，要增加必要的遮陽構件和通風設計。

隨著主動式太陽技術的快速發展，主動式太陽能技術被越來越廣泛的利用到舊工業建筑改造項目中。光伏發電技術可以結合建筑的屋面與立面，通過新的光伏板材料與舊有的建筑材料形成對比，使得建筑形體富有變化，生態效益也得到了實現。同利用被動式太陽能技術一樣，在采用主動式太陽能時也要充分掌握舊工業建筑的建筑與結構信息，以及當地的地理氣候條件，如在安裝太陽能熱水裝置時，要充分考慮安裝位置、結構荷載、維護保養等問題，而采用可采光的光伏玻璃時，則需要考慮室內采光、夏季過熱和通風問題。

4 結語

太陽能是一種清潔的可再生新能源，資源總量巨大、分布廣泛，是最具競爭力、發展前景最為廣闊的永久性能源[12]。根據2018年中國綠色能源行業現狀與發展前景分析，光伏行業市場容量將呈現出逐年增長態勢。由此可見，太陽能光伏技術將會成為舊工業建筑改造中的主要趨勢。相較于其他類型的建筑，舊工業建筑因其獨特的建筑、結構和采光形式，可以更好的利用主動和被動式太陽能技術，在有效的降低建筑能耗的同時，還可以結合這些技術創造出豐富的綠色建筑語匯。然而在實際應用時，也應該結合當地的氣候、地理條件和既有工業建筑的實際情況，因地制宜，不宜為用而用，將太陽能利用技術與舊工業建筑改造有機融合起來。筆者希望通過本文所總結的舊工業建筑研究改造案例，能夠為后續的太陽能利用提供一定的借鑒意義。