碳中和愿景下历史建筑节能减碳更新改造研究

杜志祥，曾维强，唐文伟（上海建工五建集团有限公司， 上海 200063）

近年来，随着我国棚改政策和城市更新建设的大力推进，我国建筑行业规模已位列世界第一，建筑总存量已经超过了 650 亿 m2[1]，《中国建筑能耗研究报告2020》[2]的数据显示，我国建筑行业产生的能源消耗和碳排放量逐年呈稳步上升趋势。2020 年 9 月，我国提出了“碳达峰和碳中和”的重大战略政策。作为碳排放的主力军，建筑行业更是节能减碳的重点对象。建筑全寿命周期的碳排放主要来源于建材生产、既有建筑运行和建筑施工 3 个阶段，从环保的角度来看，针对既有建筑进行节能减碳改造工作，相比于传统意义上的拆除重建既可以降低建材需求，避免大规模建筑施工，又可以减少既有建筑运行阶段的碳排放，更加具有实际意义。在这些既有建筑存量中，包含大量城市更新理念下需要保护更新、具有艺术文化价值的历史建筑。因此，在未来的几十年，降低我国既有历史建筑的能耗和碳排放是极具前景的。在碳中和愿景下，如何将这些历史建筑的保护更新工作与现代绿色节能低碳技术相合，使这些历史文化遗产得到新生的同时，达到节能减碳的改造效果，已成为我国未来发展的重要议题之一。

本文以文物保护单位山东省济南市成丰面粉厂保护性修缮改造工程为例，将历史建筑的保护更新与节能减碳进行技术决策分析，并提出保护性改造的技术建议，以期为国内类似工程提供经验和借鉴。

1 工程概况

济南成丰面粉厂始建于 1921 年，位于山东省济南市天桥区官扎营新区南院区内，总建筑面积为 14 972 m2，距今已有 100 多年的历史，其间经历了多次扩建和拆除。厂区内现存 5 栋砖木结构建筑单体，如图 1 所示。成丰面粉厂是济南现存为数不多的巴洛克风格建筑，是中国民族工业兴衰的见证者，是一代代济南人民的城市记忆，具有重要的历史价值，被列为第四批济南市市级文物保护单位。

图 1 成丰面粉厂平面图

随着济南经济飞速发展，传统面粉工业开始衰退，如今的面粉厂在企业倒闭中逐渐废弃，破旧的厂房与周围繁华靓丽的环境显得格格不入。本次更新改造目的是将其打造成为集办公、餐饮、展览于一体的地标性文化创意产业园区。

2 更新改造方案分析

为了确定适合面粉厂的更新改造方案，首先归纳出成丰面粉厂不符合现代建筑节能规范的要点，通过分析我国现行的绿色节能低碳技术，以最小干预原则为前提确定最佳节能减碳改造施工方案。对于低碳技术而言，总体分为 3 种思路，即改善围护结构性能、利用可再生能源以及提升设备和器具的效率。

2.1 外围护结构分析

在传统老建筑中，外围护结构能耗大约占建筑总能耗的75%，其中外墙、门窗、屋顶的传热量分别约占外围护传热总量的 25%、20%、36%，可见对外围护结构中外墙、门窗和屋顶的改造能够有效降低建筑物的能耗损失[3]。

面粉厂各建筑单体的围护结构均以石为基、以砖为体，墙体灰缝存在轻微风化和酥松现象。以往常用的施工做法是在外墙表面涂抹保温材料，但是历史建筑墙体外立面作为是其历史风貌的重要元素，根据“修旧如旧”的修缮要求，在外表面增加保温材料不适合历史建筑的实际情况，因此不予考虑。门窗相对于外墙墙体虽然在面积上所占比例相对较少，但是门窗的保温、隔声及隔热性能更加薄弱。在现场勘测中，发现面粉厂各单体建筑多处门窗洞口已被砖块封堵，因而针对本项目的门窗节能改造是需要关注的重点对象。屋面由简单的望板和机制瓦组成，缺少保温隔热结构。经过近百年的风吹雨淋，屋面多处瓦片脱落，漏水严重。

综上所述，成丰面粉厂的外围护结构系统中外墙保存完好，但是门窗和屋面破损严重。综合考虑未来办公等各方面需求，决定对外窗和屋面进行节能减碳改造。

2.2 建筑设备节能减碳改造

由于长期的闲置，成丰面粉厂建筑原来的生产功能渐渐褪去，厂区内原先的机电线路已被拆卸，仅剩一个空空的砖石外壳。本次改造根据面粉厂的功能缺失情况，增加了必要的暖通、电气、给排水设备，以满足人们的办公使用需求。

从采光通风的角度来看，成丰面粉厂的创展空间和综合空间建筑均为小开间大进深的组合方式，虽然沿墙面都采用了大面积的外窗，但仍然无法满足现代生活办公的需求，特别是改造后的二楼，由于采光通风性能较差，室内光线昏暗、潮湿度较高，无法满足人体舒适度要求。本项目采用在建筑屋面设置采光天窗从而增大采光面积的办法，能更高效率地帮助建筑内部采光通风。

2.3 能源利用节能减碳改造

济南位于我国东部沿海地带，属温带季风气候，其特点是季风明显，四季分明，夏季温热多雨，具有丰富的可利用天然雨水资源。成丰面粉厂具有规整的屋面体系，有利于雨水的收集，但由于建筑理念的局限性，成丰面粉厂建造之初和历年改造中基本没有考虑雨水的综合使用问题。为了提高历史建筑的可持续发展性能，本次改造为面粉厂新增了海绵城市水处理系统，使得面粉厂能够充分利用厂区内丰富的雨水资源。

3 节能减碳更新改造措施实施

3.1 外围护结构改造措施

3.1.1 屋面节能改造

成丰面粉厂各建筑原屋顶仅由望板、砂浆层及表面机制红瓦组成，缺乏高效的防水保温性能。为满足现代使用要求，本项目采用新旧相结合的方式对屋面进行改造，在原有结构的基础上新增了 SBSPYPEⅡ 型改性沥青卷材防水层及玻璃棉卷毡。通过改造前后屋顶传热系数对比（表 1 ），改造后成丰面粉厂屋面的传热系数相较于改造前屋面的传热系数有明显下降，有效提高了屋面的保温性能。

3.1.2 门窗节能改造

本项目安装了 5+12A+5LowE 中空玻璃隔热铝合金平开窗，玻璃采用热反射膜。低辐射镀膜的玻璃表面具有很低的长波辐射率，可以大大增加玻璃表面间的辐射换热热阻而使其能够达到良好的保温性能。在夏季能保持室内温度不会升高过快，从而降低室内的空调用电量。在门窗改造的实际施工过程中，为保证门窗降噪性能达标，需要确保边框与外墙之间的密封性。历史建筑中对门窗进行密封，往往是采用水泥砂浆或者密封膏填塞，但随着天气的变化，填充材料容易发生变形开裂，最终导致密封失效。本项目采用的解决办法是在窗框和外墙之间采用保温性能较好的聚氨酯高效保温材料填实，待聚氨酯材料凝固后进一步在表面涂抹一层密封膏，确保窗户边框与墙体之间的密封性。

表 1 成丰面粉厂改造前后围护结构热阻对比

3.2 建筑设备改造措施

3.2.1 机电设备改造

（1）本项目采用了变制冷剂流量多联机加全热新风换气机的中央空调系统。这是一种新型变流量中央空调技术（VRV 技术)，克服了传统的水系统的许多弊端，具有明显的先进性。

（2）公共区域内采光充足的场所配置定时照明系统，使其能控制建筑照明，节约电能。

（3）制粉楼安装变频调速的节能电梯，在电梯启动运行时获得最大速度，接着在电梯停下前均匀降速直至停止，达到节约电能的目的。

（4）厂区采用喷灌的绿化灌溉方式，采用湿度传感器或根据气候变化进行调节的控制器，选用兼具渗透和排放两种功能的渗透性排水管。

3.2.2 采光通风改造

本项目在几栋单体建筑屋面顶部新增了可开启天窗，形成了竖向的采光通风。将现代构造高透光玻璃融入传统建筑原有体块中，不仅解决了建筑二层由于采光通风差造成房间昏暗潮湿的问题，更是通过保留与展示历史记忆，共享空间采光，增加了建筑的观赏性与实用性，为成丰面粉厂这座老建筑赋予了新的活力。

3.3 能源利用改造措施

成丰面粉厂原先没有雨水收集结构，本项目遵循“开源节流”的节能改造理念，创新采用了海绵城市水处理系统。“开源”是指将收集的雨水通过排水管引导贮存在雨水收集井，然后将净化后的贮存水用于厂区内的日常需要。其工艺流程如图 2 所示。本系统采用两种雨水收集方式，一种是在建筑屋面增加虹吸式雨水收集器收集屋面的雨水，另一种是在厂区道路地面采用透水结构收集地面的雨水。两种收集方式相辅相成，保证厂区内的雨水收集全覆盖、无死角。“节流”是指采用节水器具以避免面粉厂建筑水资源的浪费，厂区内洁具均为环保节能节水型，蹲便器、小便器及洗手盆均采用红外感应式，照明采用安全稳定的高效率电器，并且均满足国标和行标的相关要求。

图 2 施工工艺流程图

3.4 绿色施工

由于项目工地毗邻已建住宅小区，车流量较大，所以文明施工、绿色施工显得尤为重要。项目部在施工前对施工现场周围进行了调查和走访，与所在地居委等结成共建单位，并做好周边居民的安抚工作，张贴相关标语，取得周边居民的谅解和支持，减少了扰民和民扰事件。

3.4.1 安全隔离措施

为确保工程安全顺利地完成，本项目全封闭施工，将施工现场与周围紧邻的居民区进行隔断。现场施工时对全部脚手架采用 2 层滤网全封闭措施，特别是针对紧邻小区的西侧脚手架采用夹板围挡封闭，建立严密的防坠设施系统，有效控制了施工作业时坠物、灰尘、噪声对邻近小区的影响。

3.4.2 扬尘控制措施

本项目施工的混凝土均采用预拌商品混凝土和商品砂浆，从根本上消除了施工现场因自拌混凝土和砂浆所产生的灰砂；拆除物前搭设全封闭的外脚手，并张挂防尘网，控制扬尘，拆除施工过程中对拆除物进行洒水降尘；在夏季施工期间，安排专门人员对厂区内的路面进行打扫、冲洗，减少扬尘。

3.4.3 噪声控制措施

本项目毗邻住宅小区，地处环境敏感区域，施工过程中严格遵守环境保证标准，施工时的等效声级白天控制在 60 dB 以下，早晚控制在 55 dB以下，深夜控制在 50 dB以下。

4 结 语

在当前碳中和的战略目标下，人们越来越注重控制建筑全生命周期的碳排放量。

本文基于济南成丰面粉厂保护性改造工程的现场实际情况，结合改造施工前的决策分析、施工中的重难点和改造后的存在不足，针对未来历史建筑可持续发展的保护和节能改造工作提出以下几点建议。

（1）在改造方案确定前，首先对历史建筑的结构现状做好勘探和检测。根据勘探和检测结果，确定历史建筑中节能改造可利用的生态因素，为后期改造方案优化提供依据。

（2）基于历史建筑的历史特征和时代元素，选择合适的节能减碳改造方案。外立面通常是历史建筑的重要保护元素，在外墙无法采用外保温的情况下，考虑采用墙体内保温。

（3）改造方案在优化的过程中，尽可能使各个构件的节能改造效果相得益彰。例如，在屋面增加防水保温结构时，考虑配合增加采光天窗。

（4）历史建筑在节能改造过程中，绿色施工也是减少碳排量一个不可忽略的过程之一。采取合适的绿色施工措施，力求在实现建筑节能改造的同时，最大限度地减少建筑行业的碳排放量。

（5）节能减碳改造中须多方位考虑建筑未来的使用需求，力求在修缮历史建筑的同时，最大程度地发挥建筑功能，使历史建筑焕发第二次生命。