歷史文化建筑改造中的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析*

周治興

(甘肅公航旅歷史街區(qū)建設(shè)投資有限公司 甘肅 武威 733000)

我國正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期,歷史文化名城保護(hù)建設(shè)隨之開展。這類工程項(xiàng)目在保護(hù)歷史原真性的同時(shí),也面臨提升現(xiàn)代化服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的任務(wù)。針對(duì)建筑物老化的實(shí)際情況,在維修與再利用過程中應(yīng)用各類節(jié)能技術(shù),是增強(qiáng)歷史建筑可持續(xù)利用能力,實(shí)現(xiàn)科學(xué)保護(hù)的重要舉措。選擇適宜節(jié)能策略,發(fā)揮技術(shù)效益,將直接影響改造項(xiàng)目質(zhì)量和長遠(yuǎn)影響。

1 工程概況

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目位于老城區(qū),計(jì)劃總投資38.86億元。項(xiàng)目分為四個(gè)區(qū)域,分別是羅什寺、古鐘樓、文廟以及再就業(yè)市場,總占地面積為31.568萬m2,建筑面積24.88萬m2。其中保護(hù)修繕面積1.27萬m2,傳統(tǒng)風(fēng)貌建筑和立面改造22.01萬m2,還配套建設(shè)了綠化景觀。2019年成立項(xiàng)目建設(shè)投資公司,負(fù)責(zé)融資建設(shè)。項(xiàng)目分四個(gè)區(qū)域?qū)嵤┓制诮ㄔO(shè)。歷史文化街區(qū)的保護(hù)和利用是工程的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn),通過保護(hù)利用提升歷史文化街區(qū)價(jià)值,發(fā)揮經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 歷史文化建筑改造的必要性

2.1 保護(hù)歷史文化遺產(chǎn)

武威歷史文化街區(qū)是我國西北地區(qū)保存較為完好的古院落遺存,其中鳩摩羅什寺為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位,大云寺古鐘樓群、武威文廟均為甘肅省文物保護(hù)單位。歷史文化街區(qū)內(nèi)現(xiàn)存黃土古民居32處,風(fēng)格獨(dú)特,蘊(yùn)含豐富的歷史文化價(jià)值。

近年來社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,武威城市建設(shè)不斷推進(jìn),給文化古跡保護(hù)帶來一定壓力。若不采取有效保護(hù)措施,極易導(dǎo)致文物建筑遭到破壞。因此,開展武威歷史文化街區(qū)保護(hù)利用建設(shè)工程,對(duì)文物建筑實(shí)施科學(xué)修繕保護(hù),防止文物建筑老化失修現(xiàn)象繼續(xù)惡化。該工程充分考慮文物保護(hù)的核心地位,通過保護(hù)利用促進(jìn)人與自然、人與文化的和諧共生,實(shí)現(xiàn)歷史文化遺產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 提高建筑能效

武威屬于干旱地區(qū),建筑耗能較高。歷史文化街區(qū)內(nèi)古跡建筑及民居普遍存在節(jié)能效果差、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率低等問題,一定程度上制約了建筑的可持續(xù)利用。本工程在修繕建筑的同時(shí),充分應(yīng)用各類節(jié)能技術(shù)。通過外墻保溫、高效照明、新風(fēng)系統(tǒng)、可再生能源利用等措施,減少建筑耗能,降低運(yùn)行成本。同時(shí),針對(duì)街區(qū)空間布局和功能配建,采取開敞式設(shè)計(jì)、合理配置等策略,提高空間利用效率。實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)多種效益的統(tǒng)一,彰顯建筑節(jié)能理念,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐[1]。

3 歷史文化建筑改造節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的主要原則

3.1 與建筑風(fēng)貌風(fēng)格相協(xié)調(diào)

歷史文化街區(qū)內(nèi)建筑風(fēng)格獨(dú)特,體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)古民居建筑的魅力與美學(xué)價(jià)值。在進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造的過程中,必須充分尊重建筑本體,嚴(yán)格控制對(duì)建筑外觀及內(nèi)部原真性的影響。比如采用恰當(dāng)?shù)谋夭牧?最大程度保持墻面效果;選擇色溫符合建筑整體風(fēng)格的新型照明設(shè)備;技術(shù)管線集中布置避開重要部位等。通過對(duì)建筑材料、構(gòu)造、顏色、造型等方面的研究分析,選擇符合建筑特點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)方案。確保改造內(nèi)容與建筑特征高度契合、相協(xié)調(diào)。最大限度發(fā)揮各類節(jié)能技術(shù)裝置的效用,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的有效控制與管理。使之既能充分體現(xiàn)建筑風(fēng)貌,又能滿足使用需求,實(shí)現(xiàn)保護(hù)與發(fā)展的最佳統(tǒng)一。

3.2 注重實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性

武威屬經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),文化古跡保護(hù)存在資金短缺情況。在節(jié)能技術(shù)應(yīng)用時(shí)必須考量經(jīng)濟(jì)條件限制,選擇實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的改造方案。比如優(yōu)先選擇市場化程度高、易于推廣的技術(shù)產(chǎn)品;合理配置系統(tǒng)容量,減少初始投資;采用無損改造方式,降低運(yùn)維費(fèi)用;技術(shù)運(yùn)行簡單,減輕后續(xù)管理壓力等。還可以采用市場化運(yùn)作模式,通過發(fā)展特色旅游、創(chuàng)建文創(chuàng)品牌等產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,為文物保護(hù)提供持續(xù)資金支持。

3.3 注重操作性,便于維護(hù)

歷史文化建筑使用功能復(fù)雜,對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的操作和維護(hù)提出較高要求。在改造過程中,選擇安裝使用方便的智能化設(shè)備和產(chǎn)品,簡化操作步驟,設(shè)備與管理軟件無縫對(duì)接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控。使操作人員輕松掌握使用方法,提高工作效率。采用在建筑環(huán)境下性能穩(wěn)定的材料和產(chǎn)品,確保改造內(nèi)容使用壽命長,減少維護(hù)工作量。加強(qiáng)操作和維護(hù)培訓(xùn),定期組織演練,提高應(yīng)急響應(yīng)能力。因此,科學(xué)的系統(tǒng)配置、精心的施工建造、嚴(yán)密的運(yùn)行檢查、高效的日常維護(hù)等舉措,可以最大限度地降低后續(xù)運(yùn)行成本,保證工程高效穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

4 歷史文化建筑改造面臨的難題

4.1 保護(hù)與利用的矛盾

歷史文化建筑保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)在于傳承文明、彰顯價(jià)值。而利用則更側(cè)重發(fā)揮社會(huì)效益、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。武威項(xiàng)目旨在促進(jìn)旅游、文創(chuàng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而過度的商業(yè)開發(fā)必然對(duì)建筑風(fēng)貌產(chǎn)生一定程度影響,如何在保護(hù)與利用間實(shí)現(xiàn)最佳平衡是該項(xiàng)目必須解決的難題。具體來說,建筑外部空間擴(kuò)建的需求可能導(dǎo)致建筑被部分隱藏或視野受限;內(nèi)部功能布置若不當(dāng)也會(huì)影響空間原貌;針對(duì)游客的商業(yè)配套及基礎(chǔ)設(shè)施配置,其體量風(fēng)格會(huì)與歷史街區(qū)格格不入。這些矛盾都可能威脅文物建筑的保護(hù)。

4.2 改造技術(shù)和材料的選擇限制

歷史文化建筑改造需兼顧保護(hù)與發(fā)展的平衡。然技術(shù)和材料的選擇受到多重限制。建筑自身價(jià)值凸顯是前提,不能采用影響風(fēng)貌的手段;還須考量耐久性和安全性,防止再次損壞;同時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用,符合投資運(yùn)營的要求。

在此類限制條件下,可選擇節(jié)能改造技術(shù)必然受到巨大挑戰(zhàn)。常規(guī)套路難以運(yùn)用,必須深入研究建筑特點(diǎn),開發(fā)創(chuàng)新技術(shù),實(shí)現(xiàn)理想目標(biāo)。如何在條件限制下,選擇安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的技術(shù)和材料方案是該項(xiàng)目必須解決的關(guān)鍵難題。

4.3 資金投入與收益的矛盾

歷史文化建筑保護(hù)屬于公益性事業(yè),巨大投入而經(jīng)濟(jì)效益有限,難以通過商業(yè)化運(yùn)營實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。武威項(xiàng)目也面臨這一困難。預(yù)計(jì)該項(xiàng)目總投資約38億元,其中建安投資近17億元。資金主要依賴政府與社會(huì)資本合作。但文物保護(hù)和旅游開發(fā)能帶來的經(jīng)濟(jì)效益有限,投資回報(bào)期較長,運(yùn)營主體難以通過自身收入支持建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用。這對(duì)項(xiàng)目的持續(xù)健康發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。如何通過多渠道籌措資金,同時(shí)發(fā)掘潛在效益,實(shí)現(xiàn)投入與收益的匹配,是項(xiàng)目必須要解決的現(xiàn)實(shí)問題[3]。

5 歷史文化建筑改造中節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

5.1 隔熱保溫技術(shù)

5.1.1 增設(shè)保溫層

建筑外墻是重要的熱橋部位,增設(shè)外保溫層可有效減少室內(nèi)熱量損失,提高建筑保溫效果。針對(duì)武威地區(qū)氣候特征,選用λ≤0.045 W/(m·K)的XPS保溫板外貼于墻體外表面,保溫板密度在28～32 kg/m3,抗壓強(qiáng)度≥300 k Pa,保溫層厚度按照不同方位和間距合理設(shè)計(jì),一般南、西向陽光直射墻體保溫層厚度在80～120 mm,東、北向陰面墻體保溫層在60～100 mm。并采用基于BIM 技術(shù)的專業(yè)軟件進(jìn)行熱工計(jì)算和建模,確定最佳保溫層分布方案以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

通過墻體整體隔熱性能的提升,室內(nèi)熱環(huán)境將得到明顯改善,有效減少空調(diào)等設(shè)備能耗,為建筑節(jié)能創(chuàng)造良好前提條件。

5.1.2 改用高效保溫材料

在保溫材料的選擇上,優(yōu)先考慮采用熱傳導(dǎo)系數(shù)低、保溫效果好的高效保溫材料。主要材料性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 不同保溫材料性能對(duì)比

從熱工的指標(biāo)來看,聚苯板和可發(fā)泡聚氨酯的保溫效果更優(yōu)。考慮到抗壓性能和施工便利性,擬選用聚苯板作為改造項(xiàng)目的保溫材料。相比于普通石棉板,其傳熱系數(shù)降低40%以上,對(duì)提升墻體保溫效果具有顯著作用。同時(shí)聚苯板密度較低,有利于減輕建筑物額外荷載。其抗壓強(qiáng)度完全滿足墻體保溫層的使用要求。

5.2 照明系統(tǒng)節(jié)能改造

照明電力約占建筑總用電量的20%～30%,是重要的節(jié)能潛力點(diǎn)。本項(xiàng)目擬全面改造光源設(shè)備,具體方案包括以下幾點(diǎn):

5.2.1 更換LED 光源

采用色溫4 000 K、顯色指數(shù)Ra≥90的LED 模塊和燈具,重點(diǎn)用于辦公、展覽等場所的室內(nèi)一般照明和景觀燈光照明。

5.2.2 改造控制系統(tǒng)

出入口、過道等公共活動(dòng)區(qū)域通過紅外感應(yīng)開關(guān)或Timers開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)亮、調(diào)光和延時(shí)關(guān)閉,無人區(qū)域默認(rèn)為關(guān)燈狀態(tài)。

5.2.3 引入自然光營造系統(tǒng)

大空間內(nèi)增設(shè)巨型導(dǎo)光罩或光管,有效利用自然光照明,降低能耗。白天和陰天開啟巨型光管自然采光,光照充足時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電力照明量實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

LED 照明和感應(yīng)控制改造節(jié)能效果顯著。經(jīng)計(jì)算,應(yīng)用效果如表2所示。

表2 部分照明系統(tǒng)節(jié)能改造效果表

通過對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行的實(shí)際測定驗(yàn)證,LED 照明改造與感應(yīng)控制的實(shí)際節(jié)能率可達(dá)到37.5%,證明了照明系統(tǒng)改造的效果[4]。

5.3 空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

該項(xiàng)目擬在部分歷史建筑的空調(diào)用量較大的空間采用變頻空調(diào)機(jī)組,其頻率調(diào)節(jié)范圍為25～50 Hz,帶寬高達(dá)100%。傳感器檢測到空間無人時(shí),降頻運(yùn)行;來人后才恢復(fù)至額定頻率及制冷(熱)量,切實(shí)避免空載運(yùn)行[5]。相比定頻系統(tǒng),變頻空調(diào)的節(jié)電率超過30%。通風(fēng)系統(tǒng)也采用變頻控制的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)式通風(fēng),僅維持必要新風(fēng)量,大幅降低機(jī)組能耗。通過科學(xué)評(píng)估確定最佳頻率設(shè)定,根據(jù)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù),最大限度發(fā)揮變頻控制優(yōu)勢,以期實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目年空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)耗電量至少下降20%的目標(biāo)。

5.4 水資源節(jié)約技術(shù)

武威屬于旱地氣候,建筑用水成本高昂。項(xiàng)目在供水系統(tǒng)改造和水資源再利用方面計(jì)劃采取以下技術(shù):①安裝水效率高的節(jié)水套裝,龍頭水流量≤9 L/min,坐便器沖洗水量≤6 L/次;②景觀灌溉采用微噴和滴灌系統(tǒng),管網(wǎng)壓力0.1～0.4 MPa,確保灌溉效率;③雨水收集系統(tǒng)容積達(dá)50 m3,收集屋頂雨水用于周邊綠化;④安裝中水回用系統(tǒng),再生水可替代景觀水體補(bǔ)水及道路清洗用水等,回用率≥70%;⑤從源頭控制用水行為,定期開展水資源的保護(hù)培訓(xùn)、警示宣傳,促進(jìn)職工養(yǎng)成節(jié)約用水習(xí)慣。預(yù)計(jì)以上措施可使建筑生活用水量比改造前下降30%以上,以達(dá)到規(guī)劃的節(jié)水目標(biāo)[6]。

5.5 智能微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)技術(shù)通過分布式可再生能源發(fā)電與負(fù)載實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配。該項(xiàng)目在再就業(yè)市場改造提升工程實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)示范應(yīng)用,在屋頂和空地設(shè)置總裝機(jī)容量200 k W 的光伏發(fā)電系統(tǒng),并配置200 k W·h的鋰電池存儲(chǔ)系統(tǒng)。光伏發(fā)電與市電構(gòu)成混合供電方式,同時(shí)通過微電網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)行智能化監(jiān)控與優(yōu)化控制,預(yù)測分析可再生能源及建筑電耗情況,在確保供電可靠性前提下最大限度實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用,有效降低建筑對(duì)外購電的依賴。

綜上所述,歷史文化建筑改造過程中使用各類節(jié)能技術(shù),對(duì)于提升能效、降低能耗具有重要作用。在具體應(yīng)用中,必須堅(jiān)持與建筑風(fēng)貌協(xié)調(diào)、注重經(jīng)濟(jì)實(shí)用等原則指導(dǎo),因地制宜選擇適宜的技術(shù)手段。本項(xiàng)目采用了包括保溫、高效照明、雨水收集再利用、智能微電網(wǎng)等內(nèi)容。通過科學(xué)論證、精心設(shè)計(jì)、合理應(yīng)用等,預(yù)計(jì)建筑耗能可比改造前降低20%以上,改善建筑可持續(xù)發(fā)展能力。后續(xù)在推進(jìn)建設(shè)與運(yùn)維管理過程中,需要強(qiáng)化技術(shù)融合創(chuàng)新,推動(dòng)監(jiān)測與信息化建設(shè),確保各項(xiàng)措施落實(shí)見效。