舊工業(yè)建筑改造中太陽能技術(shù)的應(yīng)用

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摘要:通過回顧與總結(jié)太陽能技術(shù)在舊工業(yè)建筑改造中的應(yīng)用，分析了舊工業(yè)建筑改造中利用太陽能技術(shù)容易出現(xiàn)的問題，探討了舊工業(yè)建筑在太陽能利用方面的發(fā)展趨勢，從綠色節(jié)能的角度，為我國舊工業(yè)建筑改造提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:舊工業(yè)建筑；改造利用；太陽能技術(shù)

引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市中遺留的大量舊工業(yè)建筑面臨改造和更新，而綠色節(jié)能改造是順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。目前國內(nèi)舊工業(yè)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(guān)注到綠色節(jié)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(yè)建筑改造的過程中有效的利用太陽能，將對(duì)未來城市發(fā)展產(chǎn)生重要的社會(huì)意義。我國的太陽能資源豐富，開發(fā)利用的潛力較大［1］。舊工業(yè)建筑形體簡單、改造方便，因此無論是主動(dòng)式還是被動(dòng)式太陽技術(shù)，都能在我國舊工業(yè)廠房中見到。本文從被動(dòng)式和主動(dòng)式兩個(gè)方面，回顧國內(nèi)外在舊工業(yè)建筑改造中對(duì)太陽能的利用，分析了發(fā)展趨勢并提出一些參考意見。

1被動(dòng)式太陽能在舊工業(yè)建筑改造中的利用

被動(dòng)式太陽能技術(shù)是我國科技部列入最早的關(guān)于太陽能建筑熱利用技術(shù)的國家科技攻關(guān)項(xiàng)目［2］。因而該技術(shù)受到廣泛采用，相關(guān)的研究課題、學(xué)習(xí)手冊、技術(shù)規(guī)范也相對(duì)完善。被動(dòng)式太陽能技術(shù)主要應(yīng)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(yè)建筑改造中集熱墻式和附加陽光間式應(yīng)用較為廣泛。舊工業(yè)建筑改造中，很多設(shè)計(jì)會(huì)保留原始立面，然后在外面加設(shè)一層玻璃罩，這種處理雖然會(huì)對(duì)建筑的原有風(fēng)貌造成一定的影響，但既保護(hù)了原有外墻和原有肌理，又創(chuàng)造出一種新中有舊的設(shè)計(jì)感。如在巴塞羅那SUVA辦公樓改造中，設(shè)計(jì)者在建筑原有表皮的外側(cè)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(gòu)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(guān)，中間層的玻璃窗可人工操控。冬季可以通過關(guān)閉玻璃窗形成特朗伯墻，為建筑室內(nèi)保暖蓄熱，夏季通過大面積開啟玻璃窗來進(jìn)行通風(fēng)散熱［3］。另外，在天津天友設(shè)計(jì)中心的改造中，外墻除了增設(shè)外保溫層之外，還在建筑南側(cè)利用舊的黑色石材結(jié)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(yè)廠房實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，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(jié)合實(shí)際條件進(jìn)行有效運(yùn)用。很多舊工業(yè)建筑在改造的過程中，都會(huì)選擇盡量保持或減小對(duì)原有結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，但為了擴(kuò)大使用面積，會(huì)采用增加附加式陽光間的方法。這種設(shè)計(jì)對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)影響較小，且簡單靈活，不僅可以為原有建筑增加一個(gè)功能空間，還可以在白天收集太陽熱量，在晚上調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫度。如在慕尼黑英戈?duì)柺┧氐陌柗蛉R希納展覽館的改造中，設(shè)計(jì)者在建筑入口通過加建一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)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(duì)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(nèi)提供采暖，并且夏季對(duì)室內(nèi)環(huán)境的負(fù)面影響相對(duì)較?。?］;另外，在北京朝陽規(guī)劃藝術(shù)展覽館改造中，在東入口處，保留屋頂結(jié)構(gòu)的同時(shí)，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(cè)廣場帶來的噪聲，另一方面附加式陽光間在溫室效應(yīng)下，減弱了主體建筑內(nèi)部空間熱環(huán)境的急劇變化，起到緩沖作用，能夠有效的改善熱環(huán)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(yè)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(yè)建筑改造中一定要有遮陽和通風(fēng)設(shè)計(jì)。

2主動(dòng)式太陽能在舊工業(yè)建筑改造中的利用

目前使用較為廣泛的主動(dòng)式太陽能技術(shù)包括太陽能熱水技術(shù)和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［5］。太陽能熱水技術(shù)是我國發(fā)展較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的太陽能技術(shù)，目前主要應(yīng)用在住宅建筑中。隨著產(chǎn)品研發(fā)的日漸成熟，太陽能熱水技術(shù)已經(jīng)從居住建筑擴(kuò)展到其他建筑類型中，并且在舊工業(yè)建筑改造中得到了推廣與使用。王蘭芳在對(duì)沈陽電表廠進(jìn)行改造時(shí)，在工業(yè)建筑屋頂放置太陽能集熱器，為廠區(qū)提供熱水，充分利用太陽能資源［6］。在蘇州工業(yè)園區(qū)星海街9號(hào)的改造中［7］，由于蘇州地區(qū)屬于太陽能資源一般區(qū)，因此選用高效的太陽能集熱板產(chǎn)品，通過利用太陽能熱水系統(tǒng)，提供建筑物內(nèi)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(tǒng)載重量和體量較大，當(dāng)需要布置集熱器時(shí)，要充分考慮既有建筑本身的結(jié)構(gòu)、載重量、朝向等一系列問題，合理的進(jìn)行安裝，并在滿足技術(shù)要求的同時(shí)，也要保證其美觀性。太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)，但直到20世紀(jì)50年代，恰賓和皮爾松在貝爾實(shí)驗(yàn)室成功做出了光電轉(zhuǎn)換效率為6%的實(shí)用單晶硅太陽電池，太陽能光伏技術(shù)才開始走向?qū)嵱秒A段［8］。隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電已被列為21世紀(jì)重要替代能源［9］。由于舊工業(yè)建筑在建筑和結(jié)構(gòu)上的特殊性，在太陽能光伏技術(shù)利用上主要是將光伏材料與建筑的屋面與立面結(jié)合。如在上海當(dāng)代藝術(shù)博物館的改造中，保留了原南市發(fā)電廠主工業(yè)建筑屋面斜面的形式，并將光伏板與屋面板相結(jié)合［10］(見圖1)，這樣使得建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與太陽能光伏系統(tǒng)形成復(fù)合整體，既能提高光電轉(zhuǎn)化率又能增強(qiáng)改造建筑的整體性。太陽能光伏組件在早期為不透光材質(zhì)，隨著光伏技術(shù)的逐漸發(fā)展，可透光的光伏板開始出現(xiàn)，半透明光伏集成天窗開始出現(xiàn)并流行起來［11］。在柳州工業(yè)博物館的改造中［10］，光伏板與原有工業(yè)建筑鋸齒形天窗相結(jié)合，保持原有工業(yè)建筑立面造型的同時(shí)，將形式與功能達(dá)到了較好地結(jié)合(如圖2所示)。既保證了視覺上的美觀性，又能為建筑運(yùn)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(hù)保養(yǎng)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(fā)電，降低建筑能耗，特別是安裝這種光伏天窗對(duì)舊工業(yè)建筑原有風(fēng)貌影響較小，不會(huì)影響建筑本身的結(jié)構(gòu)，這對(duì)于有歷史保護(hù)價(jià)值的舊工業(yè)建筑較為適用，由此可見這種光伏天窗將是未來舊工業(yè)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(shù)已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用在舊工業(yè)建筑改造中。對(duì)于只需要進(jìn)行輕微改動(dòng)的舊工業(yè)建筑改造項(xiàng)目，可以通過加裝集熱墻式的形式進(jìn)行改造，而利用附加式日光間可以讓既有工業(yè)建筑在平、立面的形式上更為靈活多變。盡管被動(dòng)式太陽能技術(shù)簡單易用，但在使用上也要注意當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，特別是在夏熱冬冷或夏熱東暖地區(qū)，要增加必要的遮陽構(gòu)件和通風(fēng)設(shè)計(jì)。隨著主動(dòng)式太陽技術(shù)的快速發(fā)展，主動(dòng)式太陽能技術(shù)被越來越廣泛的利用到舊工業(yè)建筑改造項(xiàng)目中。光伏發(fā)電技術(shù)可以結(jié)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(duì)比，使得建筑形體富有變化，生態(tài)效益也得到了實(shí)現(xiàn)。同利用被動(dòng)式太陽能技術(shù)一樣，在采用主動(dòng)式太陽能時(shí)也要充分掌握舊工業(yè)建筑的建筑與結(jié)構(gòu)信息，以及當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件，如在安裝太陽能熱水裝置時(shí)，要充分考慮安裝位置、結(jié)構(gòu)荷載、維護(hù)保養(yǎng)等問題，而采用可采光的光伏玻璃時(shí)，則需要考慮室內(nèi)采光、夏季過熱和通風(fēng)問題。

4結(jié)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(fā)展前景最為廣闊的永久性能源［12］。根據(jù)2018年中國綠色能源行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析，光伏行業(yè)市場容量將呈現(xiàn)出逐年增長態(tài)勢。由此可見，太陽能光伏技術(shù)將會(huì)成為舊工業(yè)建筑改造中的主要趨勢。相較于其他類型的建筑，舊工業(yè)建筑因其獨(dú)特的建筑、結(jié)構(gòu)和采光形式，可以更好的利用主動(dòng)和被動(dòng)式太陽能技術(shù)，在有效的降低建筑能耗的同時(shí)，還可以結(jié)合這些技術(shù)創(chuàng)造出豐富的綠色建筑語匯。然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂?、地理?xiàng)l件和既有工業(yè)建筑的實(shí)際情況，因地制宜，不宜為用而用，將太陽能利用技術(shù)與舊工業(yè)建筑改造有機(jī)融合起來。筆者希望通過本文所總結(jié)的舊工業(yè)建筑研究改造案例，能夠?yàn)楹罄m(xù)的太陽能利用提供一定的借鑒意義。

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作者：明文靜 吳蔚 單位：南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院