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旧工业建筑改造中太阳能技术的应用

  摘要:通过回顾与总结太阳能技术在旧工业建筑改造中的应用,分析了旧工业建筑改造中利用太阳能技术容易出现的问题,探讨了旧工业建筑在太阳能利用方面的发展趋势,从绿色节能的角度,为我国旧工业建筑改造提供一定的参考价值。
  
  关键词:旧工业建筑;改造利用;太阳能技术
  
  引言
  
  随着城市的快速发展,城市中遗留的大量旧工业建筑面临改造和更新,而绿色节能改造是顺应可持续发展的重要体现。目前国内旧工业建筑的改造水平整体较低,大部分改造都是从空间形式入手,关注到绿色节能改造的较少。太阳能作为最具前景的可再生能源之一,如果能在旧工业建筑改造的过程中有效的利用太阳能,将对未来城市发展产生重要的社会意义。我国的太阳能资源丰富,开发利用的潜力较大[1]。旧工业建筑形体简单、改造方便,因此无论是主动式还是被动式太阳技术,都能在我国旧工业厂房中见到。本文从被动式和主动式两个方面,回顾国内外在旧工业建筑改造中对太阳能的利用,分析了发展趋势并提出一些参考意见。
  
  1被动式太阳能在旧工业建筑改造中的利用
  
  被动式太阳能技术是我国科技部列入最早的关于太阳能建筑热利用技术的国家科技攻关项目[2]。因而该技术受到广泛采用,相关的研究课题、学习手册、技术规范也相对完善。被动式太阳能技术主要应用于建筑采暖,主要包括直接受益式、集热墙式和附加日光间三种方式,在旧工业建筑改造中集热墙式和附加阳光间式应用较为广泛。旧工业建筑改造中,很多设计会保留原始立面,然后在外面加设一层玻璃罩,这种处理虽然会对建筑的原有风貌造成一定的影响,但既保护了原有外墙和原有肌理,又创造出一种新中有旧的设计感。如在巴塞罗那SUVA办公楼改造中,设计者在建筑原有表皮的外侧增加了一层玻璃表皮。每层的玻璃表皮由三条材料不同的带状玻璃窗构成,上层的花纹玻璃窗可以反射紫外线,中间层是普通的透明玻璃窗,下层是半透明玻璃窗可以起到隔热效果。上下层玻璃窗通过电脑控制开关,中间层的玻璃窗可人工操控。冬季可以通过关闭玻璃窗形成特朗伯墙,为建筑室内保暖蓄热,夏季通过大面积开启玻璃窗来进行通风散热[3]。另外,在天津天友设计中心的改造中,外墙除了增设外保温层之外,还在建筑南侧利用旧的黑色石材结合玻璃形成特朗伯墙,较为充分的利用太阳能[4]。然而,太阳能集热墙在旧工业厂房实践应用时,需要注意蓄热墙体的夹气层厚度、垂直高度,甚至墙体的颜色和粗糙程度等方面,并结合实际条件进行有效运用。很多旧工业建筑在改造的过程中,都会选择尽量保持或减小对原有结构的改动,但为了扩大使用面积,会采用增加附加式阳光间的方法。这种设计对原建筑结构影响较小,且简单灵活,不仅可以为原有建筑增加一个功能空间,还可以在白天收集太阳热量,在晚上调节室内外温度。如在慕尼黑英戈尔施塔特的阿尔夫莱希纳展览馆的改造中,设计者在建筑入口通过加建一个钢结构玻璃阳光间从而营造出明亮的入口空间。原有建筑立面的框架退在阳光间后面,形成了新旧对话。在慕尼黑冬冷夏凉的气候条件下,阳光间能在冬季为室内提供采暖,并且夏季对室内环境的负面影响相对较小[3];另外,在北京朝阳规划艺术展览馆改造中,在东入口处,保留屋顶结构的同时,围合通透的玻璃体,形成附加式阳光间。通过这种形式,一方面削弱东侧广场带来的噪声,另一方面附加式阳光间在温室效应下,减弱了主体建筑内部空间热环境的急剧变化,起到缓冲作用,能够有效的改善热环境,并减少建筑的能耗[4]。尽管附加式日光间有利于建筑的景观和空间的打造,在旧工业建筑改造中取得了较好的效果,但仍然需要注意它的保温隔热问题,特别是夏季过热和眩光问题,因此在旧工业建筑改造中一定要有遮阳和通风设计。
  
  2主动式太阳能在旧工业建筑改造中的利用
  
  目前使用较为广泛的主动式太阳能技术包括太阳能热水技术和太阳能光伏发电技术[5]。太阳能热水技术是我国发展较为成熟、应用较为广泛的太阳能技术,目前主要应用在住宅建筑中。随着产品研发的日渐成熟,太阳能热水技术已经从居住建筑扩展到其他建筑类型中,并且在旧工业建筑改造中得到了推广与使用。王兰芳在对沈阳电表厂进行改造时,在工业建筑屋顶放置太阳能集热器,为厂区提供热水,充分利用太阳能资源[6]。在苏州工业园区星海街9号的改造中[7],由于苏州地区属于太阳能资源一般区,因此选用高效的太阳能集热板产品,通过利用太阳能热水系统,提供建筑物内健身淋浴器以及餐饮厨房的热水。然而,由于太阳能热水系统载重量和体量较大,当需要布置集热器时,要充分考虑既有建筑本身的结构、载重量、朝向等一系列问题,合理的进行安装,并在满足技术要求的同时,也要保证其美观性。太阳能光伏技术的发展可以追溯到19世纪,但直到20世纪50年代,恰宾和皮尔松在贝尔实验室成功做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅太阳电池,太阳能光伏技术才开始走向实用阶段[8]。随着光伏技术的不断进步,光伏发电已被列为21世纪重要替代能源[9]。由于旧工业建筑在建筑和结构上的特殊性,在太阳能光伏技术利用上主要是将光伏材料与建筑的屋面与立面结合。如在上海当代艺术博物馆的改造中,保留了原南市发电厂主工业建筑屋面斜面的形式,并将光伏板与屋面板相结合[10](见图1),这样使得建筑外围护结构与太阳能光伏系统形成复合整体,既能提高光电转化率又能增强改造建筑的整体性。太阳能光伏组件在早期为不透光材质,随着光伏技术的逐渐发展,可透光的光伏板开始出现,半透明光伏集成天窗开始出现并流行起来[11]。在柳州工业博物馆的改造中[10],光伏板与原有工业建筑锯齿形天窗相结合,保持原有工业建筑立面造型的同时,将形式与功能达到了较好地结合(如图2所示)。既保证了视觉上的美观性,又能为建筑运行提供能源支持。尽管这种光伏天窗也存在不少问题,如眩光、夏季过热以及维护保养等问题,但光伏天窗既能解决大跨度厂房的天然采光问题,还能利用太阳能发电,降低建筑能耗,特别是安装这种光伏天窗对旧工业建筑原有风貌影响较小,不会影响建筑本身的结构,这对于有历史保护价值的旧工业建筑较为适用,由此可见这种光伏天窗将是未来旧工业建筑的改造趋势之一。
  
  3分析与讨论
  
  从上述案例可以看出,各种形式的太阳能技术已经被越来越多的应用在旧工业建筑改造中。对于只需要进行轻微改动的旧工业建筑改造项目,可以通过加装集热墙式的形式进行改造,而利用附加式日光间可以让既有工业建筑在平、立面的形式上更为灵活多变。尽管被动式太阳能技术简单易用,但在使用上也要注意当地的气候条件,特别是在夏热冬冷或夏热东暖地区,要增加必要的遮阳构件和通风设计。随着主动式太阳技术的快速发展,主动式太阳能技术被越来越广泛的利用到旧工业建筑改造项目中。光伏发电技术可以结合建筑的屋面与立面,通过新的光伏板材料与旧有的建筑材料形成对比,使得建筑形体富有变化,生态效益也得到了实现。同利用被动式太阳能技术一样,在采用主动式太阳能时也要充分掌握旧工业建筑的建筑与结构信息,以及当地的地理气候条件,如在安装太阳能热水装置时,要充分考虑安装位置、结构荷载、维护保养等问题,而采用可采光的光伏玻璃时,则需要考虑室内采光、夏季过热和通风问题。
  
  4结语
  
  太阳能是一种清洁的可再生新能源,资源总量巨大、分布广泛,是最具竞争力、发展前景最为广阔的永久性能源[12]。根据2018年中国绿色能源行业现状与发展前景分析,光伏行业市场容量将呈现出逐年增长态势。由此可见,太阳能光伏技术将会成为旧工业建筑改造中的主要趋势。相较于其他类型的建筑,旧工业建筑因其独特的建筑、结构和采光形式,可以更好的利用主动和被动式太阳能技术,在有效的降低建筑能耗的同时,还可以结合这些技术创造出丰富的绿色建筑语汇。然而在实际应用时,也应该结合当地的气候、地理条件和既有工业建筑的实际情况,因地制宜,不宜为用而用,将太阳能利用技术与旧工业建筑改造有机融合起来。笔者希望通过本文所总结的旧工业建筑研究改造案例,能够为后续的太阳能利用提供一定的借鉴意义。
  
  参考文献:
  
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  [6]王兰芳.基于生态技术的沈阳电表厂改造设计研究[D].沈阳:沈阳建筑大学,2012.
  
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  [12]覃彪,刘杨,马程枫.太阳能利用技术发展现状及前景分析[J].化工管理,2017(8):178-180.
  
  作者:明文静 吴蔚 单位:南京大学建筑与城市规划学院
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