德国遗产建筑节能改造的突出技术问题及其解决方案
2020-06-08李长明杨昌鸣郭萍
李长明 杨昌鸣 郭萍
摘要：在德国，作为各州文物立法保护对象的建筑称为遗产建筑。遗产建筑节能改造，是指在翻新、改造遗产建筑过程中，通过采用节省能源的技术、材料、方法等，使修缮后的遗产建筑的能源需求和能源损耗符合公认建筑节能标准或实现既定节能效果的过程。在德国遗产建筑节能改造项目中，遗产建筑历史特性保存的考量居于优先顺位，节能材料的选用、项目实施等技术方案要经由当地文物部门许可方能最终确定。目前德国较为权威的可应用于遗产建筑节能改造的评价指标体系主要有“被动房研究所”发布的《被动房、被动式改造建筑和节能房建筑标准》和“德国复兴信贷银行遗产建筑节能改造”标准。建筑结构热桥和建筑立面改造限制是德国遗产建筑改造中的难点，也是其特殊性所在。无论是被动式节能改造，还是依照“复兴银行标准”进行节能改造，都集中在不透明外墙保温隔热系统、门窗、热桥阻断构造技术、供暖制冷设备、新风换气系统等要素上，核心内容在于避免热桥和保证气密性。遗产建筑节能改造项目最终呈现出的面貌，取决于文物立法、建筑节能要求和经济性这三类因素综合博弈的结果。
关键词：遗产建筑;节能改造;评价标准;技术难点;解决方案
在建筑技术、节能环保和生态建筑整体研究以及开发应用方面，德国一直处于世界领先地位。悠久的建筑历史、多样的建筑风格、从战后延续至今的遗产建筑修缮所累积的丰富经验加上科学且多元化的建筑节能标准，都使得德国成为人们在谈及遗产建筑节能改造时无法回避的国家。
在德国，遗产建筑（denkmalgeschutztes Gebaude）是指作为各州文物立法保护对象的建筑。虽然目前德国大部分州都实行“文化遗产概括保护制度”（Nachrichtliches System）或日“文化遗产依法保护制度”（ipso-iure-System），并不以建筑是否列入不可移动文物名录作为保护依据，但在实际操作中，州政府发布的不可移动文物名录仍然是最重要的遗产建筑知悉途径。而所谓遗产建筑节能改造，是指在翻新、改造遗产建筑过程中，通过采用节省能源的技术、材料、方法等，使修缮后的遗产建筑的能源需求和能源损耗符合公认建筑节能标准或实现既定节能效果的过程。遗产建筑的节能改造是遗产建筑保护领域的重要组成部分。
一、德国遗产建筑节能改造现状
德国遗产建筑涵盖了住宅、教堂、剧院、市政厅、工厂、学校等建筑类型;根据德国政府2016年底发布的一项统计结果，德国遗产建筑总数超过63万。
（一）遗产建筑节能改造的特殊性
遗产建筑节能改造与普通既有建筑节能改造的最明显不同点在于其必须同时满足建筑节能和文物保护两方面要求。
首先，建筑的节能性在德国是强制性要求。除“可持续发展”目标、欧盟节能指标要求等国际层面的影响之外，爆发于1970年代的能源危机更是对德国建筑节能政策和技术的推行起到直接推动作用。对于德国政府而言，遗产建筑管理不仅涉及建筑本体安全和遗产价值保存等文物管理层面事务，也涉及遗产建筑改造后如何满足欧盟对其成员国下达的节能指标要求问题。德國建筑用能占社会终端能耗总量的三分之一以上（2018年为36%，包括采暖和供电两项，如图1所示），这使得建筑的节能性对于完成节能指标具有决定性影响。随着欧盟对其成员国下达的一系列强制性节能指标要求的正式生效，欧洲范围内既有建筑的节能改造已成为一项“政治任务”，并经德国法律内化为强制性要求。虽然遗产建筑的节能改造并不以达到新建建筑甚至是普通既有建筑节能效果为诉求，但其仍然应当符合政府为其制定的变通的节能要求。
其次，遗产建筑的文物价值的保护也是强制性要求。遗产建筑的历史、艺术、科学等方面价值属于公共利益，受到享有文化事务立法权的各联邦州文物立法保护。不仅如此，根据联邦《基本法》和联邦宪法法院判例，文物保护这一公共利益高于其他公共利益。也就是说，如果节约能源与文物保护这两个公共利益发生冲突，那么应当优先满足文物保护需要。这为德国遗产建筑节能改造中的文物价值留存的优先顺位提供了法律依据。由此，在遗产建筑节能改造项目中，遗产建筑历史特性保存的考量居于优先顺位，节能材料的选用、项目实施等技术方案要经由当地文物部门许可方能最终确定。
（二）遗产建筑节能改造难点
在德国，遗产建筑节能改造是隶属于建筑节能改造的一个分支。原则上来说，只要满足各联邦州古迹立法中对于古迹保护的要求，几乎所有普通既有建筑节能改造的材料、技术、手段都可以应用于遗产建筑。
相较普通既有建筑而言，遗产建筑节能改造面临更多挑战。由于遗产建筑建成年代大多距今较久，由潮湿、腐蚀导致的结构性损坏问题十分普遍。遗产建筑节能改造本身需要遵循较高的技术标准，这些技术标准的实现高度依赖建筑保温系统、门窗系统，新风系统，气密系统等要素性能，且需各系统相互配合形成一个完整系统。在1977年《建筑节能保温条例》（Verordnung uber energiesparenden Warmeschutzbei Gebauden）。颁布之前，建筑节能效率并非强制性要求。建筑师在进行房屋设计时，其采用结构及使用材料往往侧重于满足遮风、避雨等居住要求，对建筑节能的重视程度与如今的建筑能耗要求相去甚远。被认定为遗产建筑后，考虑其建筑设计、结构形式、保温系统、气密性等因素，要达到被动式改造的标准难度很大。
此外，由于可能出现的结露、漏风、发霉等情况，大部分遗产建筑已经无法很好满足居住舒适性要求。不仅如此，基于遗产立法等规定，一些效果更佳的节能措施无法适用于遗产建筑，这也使得遗产建筑节能改造变得较为困难。
（三）遗产建筑节能改造评价体系
除“DIN 4108”。中一系列对建筑隔热和节能的具体技术要求外，考虑到遗产建筑的特殊改造要求，德国政府以及致力于建筑节能改造的民间机构都在为遗产建筑节能改造标准化的“变通”作出努力，表现为两套较为权威的可应用于遗产建筑节能改造的评价指标体系：其一为“被动房研究所”（Passivhaus Institut）。发布的《被动房、被动式改造建筑和节能房建筑标准》（Kriterien fur den Passivhaus-，EnerPHit-und PHI-Energiesparhaus-Standard）中的“被动式改造建筑或节能房建筑标准”（以下简称“被动式改造标准”）;其二为“德国复兴信贷银行遗产建筑节能改造”标准（KfW-Effizienzhaus Denkmal，以下简称“复兴银行标准”），系为配合“德国复兴信贷银行节能建筑资助计划”（KfW-Effizienzhaus）。下的子项目“遗产建筑节能改造”制定的节能标准，银行根据节能措施和效果评估既有遗产建筑改造是否以及享受哪一等级贷款优惠。
严格来说，“复兴银行标准”不是独立的行业标准，也没有像“被动式改造标准”一样制定科学、独立和细化的评价指标，而是现行2016年《节能条例》（Energieeinsparverordnung，以下简称“EnEV2016”）。的实施手段之一。其以EnEV 2016中确立的年度一次能耗需求和能量传输热损失作为参照，根据建筑的节能性能与这一参照系之间的比例关系确定遗产建筑节能改造发放贷款的优惠力度。
在全德国范围内，业主对建筑进行满足不同等级“复兴银行标准”的节能改造可申请政策性银行“复兴信贷银行”对应力度的低息贷款、补助等政策优惠;在北莱茵威斯特法伦州等联邦州，满足“被动式改造标准”或采用该标准所认证的节能部件还可享受额外补助。
两种评价体系都分别认可建筑组件和建筑整体翻新对于既有建筑节能改造的积极效果，在使用节能材料和技术方面也没有太大差异，区别主要体现在设计理念、建筑能耗需求指标参数设定、是否采用带热回收的新风系统等方面。“被动式改造标准”是严格意义上的节能建筑标准，将建筑作为一个整体来考虑，依赖各建筑组件相互配合所形成的精密的平衡系統来使整个建筑能耗需求满足标准;而“复兴银行标准”则实际上并不是独立标准，而是依赖EnEV 2016存在，只考察能源需求和能量热传输损失这两项指标，且相对不注重具体实施过程，更看重节能改造结果。
目前，经被动房研究所认可的以遗产建筑作为改造对象的被动式改造项目为9个;2012-2017年，申请“德国复兴信贷银行建筑遗产节能改造”的整屋翻新项目约为3.2万个。
二、遗产建筑节能改造中的突出问题
建筑结构热桥与建筑外立面围护结构对最终能耗产生直接且显著的影响，是既有建筑节能改造的重点之一。对于遗产建筑被动式改造而言，为保证建筑的历史特性，非特殊情况不允许进行改动。本文主要以获得“被动式改造标准”认证的“海因斯贝格教堂节能改造项目”探讨包括被动式改造在内的遗产建筑节能改造的突出问题和解决方案。
“海因斯贝格教堂节能改造项目”（以下简称“教堂项目”）是第一个被认证的被动式改造遗产建筑。教堂位于德国西部城市海因斯贝格，始建于1953年，主体为砖}昆结构，教堂主体净高约10米，外立面采用具有典型时代特色的红砖（图2）。
改造项目于2012年实施，主要改造措施包括增加内保温系统、增加节能窗户、增加新风系统、更换供热系统及其他节点的被动式构造。改造完工后，教堂供暖能耗由183kWh/（m2*a）减少至45kWh/（m2*a），减幅为75%;外围护结构u值由1.525w/（m2*K）降至0.204/（m2*K）。
（一）建筑结构热桥
根据德国现行建筑节能技术规范“DIN4108”，为避免建筑内部结露发霉，造成卫生甚至结构安全问题，外墙室内侧表面最低温度不能小于12.6°C，尽可能减小结构热桥因而成为节能改造的重点之一。基于建筑安全考虑，遗产建筑在建筑结构的改动方面的态度是非常慎重的，如非必要，对已有建筑结构往往不允许进行改动。而这些穿透保温结构恰恰是热桥成因。类似构造点越多，建筑整体的能耗需求就越高。例如，“教堂项目”中采用内保温系统，与外墙相接的构造柱、内墙与楼板都会打断保温层，热桥因而在此处产生。这类热桥通常无法优化，被动式节能改造的难度因此增加。
再以因拥有大量建造于18-19世纪的木制桁架结构建筑（Fachwerkhaus）而于1994年被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》的奎德林堡市为例（图3）。对于木制桁架结构建筑而言，木梁与木柱为主要承重结构。除非木梁、木柱承载力因潮腐或虫害原因降低，节能改造时通常不能对其进行调整。这使得原本应当连续的保温层被打断，由此无可避免地产生热桥，这一问题在外悬挑阳台与外墙内保温层上尤其突出。
（二）建筑立面改造限制
建筑结构热桥的产生主要是结构性的，由建筑自身所决定，而遗产建筑节能改造中的建筑立面改造限制则主要是人为施加的。遗产建筑节能改造不仅要满足节能、舒适度等要求，还需有利于遗产建筑价值的保存。为了保障这一需求能得到有效执行，德国各联邦州的文物立法普遍会将其上升到法律层面，由此形成建筑立面改造的制度性限制。
由于长久暴露在外，立面是建筑最容易老化、损坏的部分。在既有建筑节能改造中，建筑立面修缮（表现为在建筑外立面铺设外保温层）一般是必须的，也是最直接的提高建筑节能性的手段。但是，由于这一手段对外立面干预程度较高，在许多遗产建筑的节能改造中被禁止使用。与普通既有建筑不同，遗产建筑的节能改造要以旧建筑的立面信息和城市记忆保留作为基础。因此，虽然德国各联邦州的文物立法各有其特点，但普遍都会规定：遗产建筑外立面可凸显建筑年代以及风格，是文物价值的重要表现，非特殊情况不允许作改动。
将保温系统安装在不透明外墙内部的内保温系统成为退而求其次的选择。相较外保温来说，内保温系统的缺点主要有三点：1）内保温占用室内使用面积，通常无法安装得太厚，因此影响整体建筑能耗;2）由于内墙以及楼板原因，内保温无法连续安装，而保温断开处是巨大的热桥，由此导致建筑能耗需求增加且热桥处有产生冷凝水的风险;3）内保温系统安装需要在建筑内部进行施工，由此影响室内人员的正常工作或生活。
三、解决方案
建筑结构热桥和建筑立面改造限制是遗产建筑改造中的难点，也是其特殊性所在。虽然存在困难，但在现有材料、技术和法制框架下，仍然可以将遗产建筑加以改造并使之符合以上两种节能要求。
无论是被动式节能改造，还是依照“复兴银行要求”进行节能改造，在节能理念、应用材料、技术方面存在很多共通点。对于建筑结构热桥、建筑立面改造限制等问题的解决，也都集中在不透明外墙保温隔热系统、门窗、热桥阻断构造技术、供暖制冷设备、新风换气系统等要素上。其中，窗户改造、建筑围护结构保温系统安装属于建筑本体节能改良范畴，也是最基本的节能改造措施;新风系统、供暖制冷设备等的安装则属于建筑设备更新范畴。而无论是哪种材料或设备，核心内容在于两点：避免热桥和保证气密性。
对于遗产建筑来说，由于其一般不具备安装完全的被动式采暖系统的条件，除了通过更换门窗、改善外墙保温系统等“被动”保温措施外，为使用户获得更为舒适的居住体验并提高能源利用率，遗产建筑改造还需安装主动采暖设备。采暖设备安装由此成为遗产建筑节能改造的另一关键措施。
（一）构造层面解决方案
构造层面问题可从建筑外墙、屋顶、门窗、气密层4个要素着手解决。
1.建筑外墙
无论是哪种建筑类型、具体采取哪些节能材料或采用哪些技术，在节能改造规划之初都应当考虑建筑类型、建筑规划、建筑现状、外立面造型及其历史价值等多方面因素影响，尽可能将保温厚度提高。
对于既有建筑节能改造而言，最值得推荐的改造方式是使用外保温，即在建筑外围护结构上增加外保温系统，这是对建筑能耗影响最大、同时也是最简单廉价的手段。但由于其直接安装于外立面之上，会显著影响建筑外观，对于大多数遗产建筑来说无法适用。也正是基于此，“教堂项目”以及前述提到的奎德林堡的不少遗产建筑的节能改造都只能采用内保温系统。
尽管在气密性、保温性能等多方面都不及外保温，但相较无保温的老建筑而言，内保温系统仍具备显著的节能优势。如今，高孔隙率的纳米多孔材料气凝胶保温砂浆是德国砖石结构遗产建筑外墙保温措施的首选材料。
在为遗产建筑安装内保温系统时，合理规划门窗和保温系统改造的先后顺序是第一步;在此基础上，可采用密封条或密封胶提高承重结构气密性。此外，严格保证气密层的连续性也是提高围护结构能效的重要手段，例如，可以通过抹灰找平保证窗户和墙体保温层的贴合，避免出现窗户局部漏风问题（图4）。
2.屋顶
受到其独特的建筑特色以及气候条件等因素影响，不同于国内近代住宅楼房经常出现的平屋顶，德国遗产建筑常常采用木构坡屋顶，以木龙骨与檩条相互搭接的构造方式搭建（图5）。
在进行坡屋顶保温设计时，应当根据阁楼层功能分区不同采取不同的保温策略。若屋顶阁楼为生活空间，对屋顶的保温处理应该是在龙骨上下两侧及龙骨的间隙都增加保温，气密层设置在最内侧，最外侧铺设防水层并设置通风层;若阁楼为非生活空间，则可以简单地将保温安装在阁楼的楼板上方，施工作业较为简单，但应该注意气密层的连续铺设以及在楼板与外墙连接处做断热桥处理。
与屋顶相连的老虎窗通常是遗产建筑改造中的棘手之处。老虎窗向外突起的构造决定了外墙内表面与窗户间的空间不足以增加足够厚的保温，而外墙与飞檐的间距太小也很难再添加保温。要解决这一难点，只能在外墙木构架的龙骨之间添加保温;作为补充，可以在窗户与内墙间增加薄保温。
3.门窗
对于节能改造而言，窗户是围护结构中最薄弱的部分。窗户作为外围护结构的透明组件，具有采光通风、承接内外环境进而提高生活品质的功能。玻璃和窗框的选择和安装很大程度上决定了建筑节能改造的节能性和舒适程度。许多安装于遗产建筑的窗户是单玻木框窗或单玻不锈钢窗框。单层玻璃导热系数高，存在散热快、容易在玻璃内壁形成冷凝水、窗框附近的抹灰层容易发霉甚至脱落等缺陷，影响建筑美观以及使用。
在更换门窗时，采用两层或三层真空或氩气玻璃的窗户能使窗户隔热效果提升10倍以上，窗框可改进成在窗框中添加保温的塑钢保温框或者铝包木窗框（图6）。另外，窗框四边额外黏贴气密膜，与外墙黏和并用抹灰找平覆盖，也能大幅提升窗户局部气密性，有效避免窗户局部位置漏风与结露。
“教堂项目”采用內保温系统，原外窗因为文物价值保存需要被保留，新增保温窗安装于内保温层中。由于教堂窗台是内斜的，在进行改造设计时，内斜部分被保温材料填充至与原窗底框齐平（图7）。这一设计有三点优势：1）窗框直接与保温相连，两种保温性能优异的构件相连，安装热桥较小;2）内斜部分保温提高了整窗的保温效果;3）新窗与旧窗之间存留一部分密封空气层，由于空气具有较好的隔热效果，建筑整体的保温效果被动增加。
“教堂项目”在门窗更换时也存在难点：1）两扇窗户之间空气层会产生冷凝，因此需要在保温与砖墙连接处做好防水密封，避免水分进入墙体造成损坏;2）内外两层窗户对太阳光线的遮挡，以及因内保温墙体厚度增加而导致透过保温窗的太阳辐射得热大大减少，建筑整体的供暖负荷因此增加。另外，在设计窗户安装节点时还需注意避免过大的安装热桥，其解决的主要思路是尽可能使保温层覆盖窗框、保证保温与窗框无缝连接，以增强窗户的整体保温效果。
4.气密层
德国生态研究中心的一份研究报告表示，德国旧建筑的气密性测试结果平均为7.4h-1.比德国《能源法》新建建筑标准值1.5h-1要高五倍，比德国被动房改建标准要求1h-1要高七倍。气密性差会给建筑带来以下不利影响：1）在泄漏点产生冷凝水，引发卫生问题或建筑损坏;2）因漏风造成额外热损失，建筑整体能耗需求因此增加;3）隔声效果变差;4）建筑外部有害气体直接进入室内，影响室内空气质量，等等。气密性差还会影响新风设备运行，降低风机整体热回收效率，从而使得建筑整体能耗增高。
在德国遗产建筑中，木结构及砖木结构等轻型建筑占很大比重。轻型建筑的气密层构造与钢混结构不同，气密层设置位置以及安装方式需要特别考虑。平整外墙的气密性可由位于内保温内表面的防水气密膜保证，在施工时注意对气密膜之间的接缝处进行折叠拼错施工。而轻型建筑施工时常出现的不同结构、不同材料之间因为构造原因拼合在一起的情况是处理难点。如图8所示，结构木柱梁穿非供热屋顶层楼板，楼板与梁柱的拼接处会有巨大缝隙，必须做额外密封处理。据此采取的解决方案是：首先利用气密膜包裹结构连接点，再在连接处采用石膏封堵，以加强气密性。
（二）暖通设备解决方案
德国属于冬冷夏凉地区，除了大型公共空间外，一般民用居住建筑制冷需求并不强烈，但对供暖和热水供给的需求则较为普遍。
1.供暖以及热水供给方案
德国遗产建筑热水供应通常与建筑供暖采用同一系统。大多采用锅炉或者热泵等加热设备加热热水，再将热水输送到各個房间的暖气片中以达到供暖目的。这种供暖系统大多设置在地下室等非加热空间，存在着管道没有保温、暖气片无恒温调节阀、供暖系统内循环泵功率过大、储水箱保温性能较差以及细菌滋生风险等问题。
这种供暖系统的安装方式有分户式系统与集中式系统两种，各有优劣：分户式是指每个家庭通过安装燃气热水炉或即热式电加热热水器来进行热水供应，有三点优势：1）设备功率较集中式小，成本低;2）管线相对较短，管道热损失较小;3）即热式热水器无需储水箱，空间占比小。这种安装方式的缺陷在于其以燃气或电加热，效率较低且能源消耗大。相比之下集中式热水供给系统能源转化效率更高，且可以与太阳能热水器相结合进一步提高能效，常常在多户住宅楼或者公共建筑中得到应用。但集中式系统的缺点在于储水箱以及从储水箱到各户的管道线路会产生大量热损失，因此需要在储水箱以及分水管增加保温。以“教堂项目”为例，该建筑采用集中式供热，通过功率为17.5kw的水源热泵加热蓄水罐热水，而用于热泵的电量则部分由位于屋面的太阳能光伏发电设备供给。
2.通风解决方案
为保持建筑内部良好的舒适性，将室内二氧化碳以及有害气体维持在较低浓度，通风必不可少。传统建筑通风多采用开窗以及排风机直排通风，不仅会产生大量热损耗，冷空气直接进入室内还会给人带来不适感，既不节能也不舒适。使用新风设备能将新风与排风通过热交换器后排出，达到通风要求的同时又将热量保持在室内，是被动式节能改造的关键设备。
不同地区建筑对新风设备有不同要求。如德国气候全年干燥，夏季降雨少，室内相对湿度维持在较舒适状态，无除湿需求;但冬季较为寒冷，在一些地区甚至可到20℃，室内外温差较大，因而对新风机组的热交换率有更高要求。在“教堂项目”中，采用的是一款热回收率大于75%、最大风量超过4000m3/h的获得被动房研究所节能组件标准认证的新风设备。
结语
遗产建筑改造过程显然比新建建筑和一般既有建筑改造复杂得多。从最初建筑现状评估、建筑改造设计、建筑改造规划、设备组件选型到最后施工组织都需更多考量。建筑结构改造是否必需、设计是否符合当地文物法规、建筑整体如何增加保温、保温厚度、防水层安装位置、减小节点热桥方式、节点处气密性处理方案、供暖系统形式、通风系统方案等等问题都是考虑因素。
在遗产建筑节能改造中，经济性其实也是不容忽视的方面，并影响建筑的实际节能效果。例如，许多遗产建筑在节能改造过程中，并没有在窗户更换时选择保温性能更好的三玻玻璃，而是退而求其次使用二玻玻璃。三玻玻璃的安装并不存在技术和法律层面的障碍，唯一的考虑来自对于这两种玻璃成本的考量。经济性由此在遗产建筑工程的实施过程中发挥不容小觑的作用。可以说，遗产建筑节能改造项目最终呈现出的面貌，取决于文物立法、建筑节能要求和经济性这三类因素综合博弈的结果。
当然，德国的遗产建筑节能改造技术也并非尽善尽美。有一些问题，例如地下防水，始终在遗产建筑节能改造中没有找到较好的解决方案。一些遗产建筑的地下部分因防水层年久失修而阴暗潮湿、霉菌滋长，使得地下部分失去其原有使用功能。沿建筑外墙进行土方开挖、在地下外墙外侧重新设置防水层，并在建筑底板内侧安装防水层虽然是一种可行的办法，但无法完全避免地下水汽透过底板渗入到室内。再加之过高的施工成本，使得地下部分的防水节能改造成为难点之一。此外，前文已反复提到的内保温系统的缺陷也客观存在。
尽管遗产建筑的节能改造存在前述困难或局限性，但基于其针对一般建筑标准所无可比拟的最终能耗、维护和环境优势，加之政府对于节能改造的强制要求和政策激励，其应用范围日益广泛，且是未来遗产建筑改造大势所趋。
