校办工厂再生空间冬季热环境实测与分析*<br/>——以上海广延路246号某建筑工作室为例

校办工厂再生空间冬季热环境实测与分析*
——以上海广延路246号某建筑工作室为例

2022-10-27周伊利宋德萱莫弘之余翔宇

工业建筑 2022年7期

周伊利宋德萱莫弘之余翔宇

(1.同济大学建筑与城市规划学院，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092；2.上海大学上海美术学院，上海 200436)

校办工厂是指学校根据教学和办学需要所开办的工厂，通常是学校教学、科研、生产三结合的基地。与一般的工业厂房相比，校办工厂具有体量较小、结构体系简单、改造成本低等特点，适合小规模的改造和再利用。上海地区高等、高职院校数量众多，现存较多小型厂房建筑，在高密度城区，是极其稀缺的空间资源，对学校进一步发展也具有重要意义。然而，在校办工厂的改造与再利用中存在空间品质欠佳、环境调控难度大、特色留存和使用需求不能兼顾等普遍性问题，对厂房建筑后续持久利用造成负面影响。校办工厂的改造较多考虑空间形态、功能需求及技术实施等方面，较少融入环境科学调控的理念，导致这类建筑改造后环境调控能耗较大，不利于实现节能减排。

事实上，物理环境评价是既有建筑改造、空间再生品质的重要维度，可以对改造设计形成前馈作用。其中，室内热环境是围护结构、空间、构造等改造的综合作用结果，以热环境为切入可以探究再生空间的环境性能。上海大学延长校区校办工厂改造是较为典型的小型厂房建筑改造与空间再生项目，还曾获得2016年WA中国建筑奖。基于上海地区冬季寒冷，自然条件下室内热环境主要取决于建筑收集能量、储存能量的性能。研究以此为案例，着重考察建筑改造后的再生空间冬季热环境，进行实证研究，并尝试揭示其影响要素。

1 相关研究

近些年，厂房建筑改造与再利用是许多城市更新的重要内容，也成为学界关注热点之一。基于建筑学视角，以往研究在厂房建筑改造与再利用方面的侧重点在于功能空间转化[1]、空间与立面设计[2]、围护结构改造[3-4]、微改造策略体系建构[5]，通常结合各类厂房建筑的改造实践，提出改造建议和策略。

随着厂房改造实践的深入，不少研究提出在厂房改造与再利用中融入绿色节能等理念，研究成果主要分为两类。一类是根据建筑绿色节能一般原理，就厂房改造现存问题提出厂房改造节能策略，如张子豪的研究[6]从采光系统、通风系统、围护结构、废旧材料再利用、被动式阳光房共五个方面分析在旧厂房改造过程中采取的节能实践策略；Ren等的研究[7]对旧车站厂房建筑的适宜性再利用展开探讨，在改造中应用绿色节能技术；Katarína等的研究[8]肯定了厂房建筑具有重要历史文化价值，在改造再利用时应融入绿色。另一类是通过软件模拟、建筑围护结构测试等分析方法探讨各类节能改造技术的适宜性，如崔瑞宏的研究[9]通过软件对厂房建筑改造的不同方案的模拟分析，从能耗、经济、舒适度等角度进行方案比选；而吴伟东的研究[10]针对寒地旧工业厂房的特点采用对外围护结构进行试验测试和计算分析的方法研究节能改造技术措施可行性。

可见，关于厂房建筑改造的现有成果大多视角相对宏观，侧重于建筑实体的改善，且以定性的策略建构与原则阐述为主，对于厂房建筑再生空间的环境品质缺乏实证研究，定量研究方法应用较少，难以客观呈现再生空间的物理环境品质。建筑物理环境直接影响使用者舒适性，也体现建筑性能，常用于建筑改造后成效研究或改造前后比较研究，如教室照明改造实测[11]、寒冷地区小学冬季热环境实测[12]、农村住宅节能改造实测[13]、办公室表皮节能改造[14]等，主要思路是通过实测方式获得相关指标的数据，再对空间的物理环境进行评价，以实际效果证明改造措施的实际作用。室内热环境实测的常用指标包括空气温度、相对湿度等，能反映再生空间环境品质的基本面貌，因此，研究主要收集室内与日常使用紧密相关测点的温湿度数据，与室外参照点数据进行对比研究，探索改造与环境性能的关联性，为改造设计的优化提升提供借鉴。

2 对象与方法

2.1 研究对象

上海大学校办工厂地处上海市静安区(原闸北区部分)，介于内环与中环之间，靠近都市南北交通动脉——共和新路，位于上海大学延长校区广延路以西(图1)，建筑面积约1 500 m2。该厂房的几栋建筑整体外观采用红砖砌筑主体结构、实腹钢门窗和机制瓦屋顶(带天窗)。随着上海大学新一轮学科优化发展和校区空间资源归并整合，该工厂被闲置。2016年，该校办工厂被改造为246视界工作室，重新置入美术培训、建筑设计、艺术创作、影视制作等新功能，使原先几乎破败的老旧厂房重新焕发了活力。

在该校办工厂的改造中，建筑师以务实灵活的设计保留原建筑的建造和空间特色，通过空间重构来契合多样功能的需求，充分利用单层厂房空间特点，适度改造围护结构，提升建筑环境性能[15]。基于多样化功能的空间划分需求，在原厂房建筑高大空间中植入新的承重结构和分隔墙体，在既有结构框架内塑造出多样化的空间形态。改造中沿用了原厂房南侧240 mm砖墙，拆除北侧墙体的窗下墙，重塑了北侧第一层立面，形成有节奏的虚实变化；在北侧墙以南，重新砌筑了一道清水混凝土墙体，之间形成类似柱廊的灰空间；室内夹层采用钢结构支撑。原建筑外墙为240 mm厚红砖砌筑，新建墙体采用120 mm和150 mm厚清水混凝土墙。屋面改造中在屋面内侧增加了50 mm厚的保温板(挤塑泡沫板)，试图提升屋顶隔热保温性能。

在经历了2008年的金融风暴后，国际经济出现了一段平稳发展的时期，各大经济体稳步发展。我国更是在经济总量上赶超日本成为世界第二，并不断缩短与美国之间的差距。然而，在美国新一届总统执政后，美国的对外政策出现了较为剧烈的波动。其中包括工业回流、资本限制、贸易壁垒等更是对国际财经合作产生了一定的扰动与不良影响。本文依此为基本背景，探究新时期国际财经合作的特点以及具体的作用。并从我国视角下为促进国际财经合作建言献策，希望能够为我国经济的平稳高速发展提供必要依据。

2.2 试验方案

研究选择带夹层的建筑设计工作室作为实测基地。该工作室位于校办工厂A栋建筑的中间部分，临近A栋通道，内带夹层。底层面积形状比较规则方正，上层平面呈L字形，面积略小。底层功能包含门斗、茶水间、接待及会议室等，夹层为开放办公空间，可容纳12个工位，上下层在南北侧通过挑空连通空间。根据空间位置和日常使用停留时间的不同，共设置8个实测位置，其中测点01布置在室外，距离原北侧墙体约1.0 m处，架设于简易三脚架上，测点02在门斗空间内通过双面胶粘于墙壁上，室内测点03～08均分布于工作人员可能长时间停留的工作台面(图2、图3)，离地高度约0.75 m。冬季实测从1月22日持续至2月20日，该工作室自1月21日开始放假，门窗关闭，天窗遮阳板半打开，建筑空间处于自然热传递的状态，属于比较“理想”的自然工况。本文截取天气处于较稳定状态的4天(2020年1月29日至2月1日)的实测数据作为分析基础。底层布置3个测点，夹层4个测点，兼顾室内外不同工况和空间使用情况。

2.3 试验仪器

实测仪器选用中国台湾生产的温湿度记录仪AZ8829，该仪器具有耗电少、可按设置间隔时间自动记录、IP54防水性能和锂电池供电的特点，便携性好，方便垂直和水平方向布点，最多可记录8 000组数据(表1)。试验中共采用8个记录仪进行测量，所有仪器都设置相同开启时间，仪器设置为整点开始启动记录，自动记录，记录间隔为10分钟，这样可以在同一时间点记录室内设定位置的温度和湿度，以增强数据的有效性和可比性。

表1 AZ8829温湿度仪参数Table 1 Parameters of AZ8829

2.4 数据处理

截取的4天连续不间断实测数据每个测点获得1 152组有效数据，每组数据包含空气温度和相对湿度两项指标。借助箱型图识别并剔除每个测点温湿度中的异常值(图4)，箱型图能够比较客观地识别异常值，其以四分位数和四分位距作为识别异常值的基础，四分位数具有一定的耐抗性，多达25%的数据可以变得任意远而不会很大地扰动四分位数，因此可以极大地降低异常值对数据呈现效果的影响[16]。

3 结果与分析

8个测点在空间位置上分成3类：室外空间(测点01)、室内空间(测点03～08)和缓冲空间(测点02)。从各测点温湿度数据来看，室外测点温湿波幅明显大于室内，临近外墙测点的温湿波幅也大于室内其他测点(表2)。所有测点升温时段较短，速度较快；降温时段较长，速度较慢，温度曲线都呈现左右不对称的形状，与冬季昼短夜长紧密相关。

表2 各测点温湿度统计Table 2 Temperature and humidity statistics for each measuring point

3.1 室外热环境

测点01位于北侧入口处，处于开放廊道空间墙体外侧，通风顺畅，不受太阳直接辐射，所测得数据可近似看做室外参数。从测点01温湿度数据(图5)来看，测试期间的室外空气平均温度仅为5.6 ℃，最大值为9.3 ℃，最小值为2.5 ℃，波幅达到6.8 ℃；相对湿度平均值为51.9%，最大值、最小值分别为69.4%和27.8%，波幅达41.6%。

空气温度和相对湿度在数值上存在显著的反向波动趋势，即空气温度越高，相对湿度越小。从时间分布看，每日室外气温谷值出现在清晨7∶30左右，是一天中相对湿度最高的时候；每日室外气温峰值出现下午14∶30前后，也是一天中相对湿度最低的时候。

实测期间，前三天气温持续下降，2月1日见底后缓慢回暖。从实测数据看，室外升温段时间较短，大约7小时，而降温段则要经历十几小时，时间相差将近10小时。相对应的，空气相对湿度显示出升高较慢、下降较快的趋势。主要原因是冬季日出时间较晚、全天太阳辐射时间较短，上午日出之后，气温较快上升，随着午后太阳高度角的下降，气温在14∶30左右到达峰值后旋即下降；随着日落，气温继续缓慢下降，直至次日清晨。可见，夏热冬冷地区除冬季寒冷总体特征外，还具体表现为：1)白天升温开始时间较晚，升温时段短；2)降温时间段长，速度先快后慢；3)温度较低时，相对湿度较高，夜间湿冷感觉较明显。

3.2 底层空间热环境

测点02位于底层门斗内，对外为原校办工厂铁门，对内为上挂式推拉玻璃门。测试期间，门斗处于关闭状态，即外门关闭、玻璃门处于封闭状态(图6)。实测期间该测点空气温度平均值为7.4 ℃，最低值、最高值分别为5.8 ℃、8.9 ℃，波幅为3.1 ℃，远远小于室外测点的波幅。从每天温度变化来看，温度谷值出现时间在8∶00—8∶30之间，比室外测点谷值迟滞0.5～1.0 h；而温度峰值出在17∶00前后，比室外测点晚了将近2.5 h小时，即在接近傍晚时候才迎来温度峰值。空气相对湿度平均值为49.1%，略低于室外测点，波动范围在35.8%～61.4%，波动幅度(25.6%)明显较室外测点低。

测点03处于三面落地玻璃围合的小房间内，西侧为清水混凝土墙，而测点04工位处于底层开放空间中。测点03、04的空气温度平均值分别为8.8 ℃和9.0 ℃，最小值均为7.9 ℃，测点03的温度波幅略低，仅为1.6 ℃，在各测点中最小，可见此处空间温度较为稳定(图8)。两测点的相对湿度平均值、最小值和最大值及波幅都十分接近，温湿状况趋于相同。也就是说，在自然状态下，这两处空间热环境较为接近。比较两测点的每天温湿数据，测点03温湿度波幅略小，主要原因是位置与南向外墙、北向外墙都有一定距离，处于间接受热和散热的状态，西侧清水混凝土墙体是该空间与室外主要的热传递通道；测点04所在空间受南向中庭的热辐射，因此空气温度平均值会略高。

测点03和测点04的温湿度曲线出现谷值和峰值的时间点都十分接近，温度谷值出现在上午8∶30左右，峰值则出现在15∶30前后，与室外均存在大约1.0 h的迟滞时间。两测点温度谷值高出室外气温谷值3.1～5.5 ℃，温度峰值则与室外测点相差-0.6～2.4 ℃。两测点相对湿度出现谷值、峰值及变化与温度数据基本反向同步，相对湿度谷值都超过室外测点数据，差值从4%～10.5%不等，相对湿度的峰值都低于室外测点数据，差值从-10.9%～-22.8%不等。

3.3 夹层空间热环境

夹层空间都是开放办公空间，是工作室主要工位所在，长时间有人停留。测点05在台面1靠近外窗(上悬外开铁窗)位置，测点06在台面中间位置。

测点05的温度平均值为8.9 ℃，最小值、最大值分别为6.3 ℃、14.1 ℃，波幅为7.8 ℃；测点05相对湿度波动范围在29.5%～62.0%，波幅达32.5%，仅次于室外测点(图9)。在室内各测点中，测点05温湿度数据波幅都是最大的。根据连续5天实测数据，测点05温度谷值出现在早晨8∶00前后，与室外温度存在约0.5 h的迟滞，谷值相差2.4～3.8 ℃不等；测点05温度最大值出现在中午11∶30前后，与室外测点温度存在约3.0 h的“早到”。测点05每天升温时段很短，不到4.0 h；而降温时段较长，中午至傍晚日落的降温速度较快，傍晚日落之后降温速度较慢，温度变化曲线存在明显的“拐点”。主要原因是测点05临近南向外窗，靠近中庭顶棚，间接接受太阳辐射热量，空气温度较高；不排除直射阳光对仪器探头直接加热，导致中午前较快升温现象；随着中庭在中午后受热减少，加上外窗密封性较差，测点05处热量流失较多，空气温度下降较快，每天的温度谷值甚至低于室内其他测点，差值在1.5 ℃左右。

测点06的温度平均值为8.8 ℃，最小值为7.8 ℃，最大值为9.7 ℃，波幅仅为1.9 ℃，明显小于测点05的波幅；测点06的相对湿度波动范围在39.1%～59.3%，波幅为20.2%，远远低于测点05。根据连续4天实测数据，测点06每天温度谷值出现在早晨8∶00前后，与室外温度存在约0.5 h的迟滞时间，谷值相差3.0～5.3 ℃不等；每天温度峰值出现在15∶00前后，与室外温度峰值存在约0.5 h的迟滞时间，峰值相差-0.3～2.3 ℃不等。

测点07和测点08位于夹层空间的另一张办公台面上，接近屋脊下方空间，两测点的温湿状况相近(图10)。

测点07温度平均值为8.9 ℃，最小值和最大值分别为7.9 ℃和9.9 ℃，波幅为2.0 ℃；相对湿度平均值为49.3%，波动范围为41.8%～59.9%，波幅仅18.1%，是各测点中相对湿度最为稳定的。测点08温度平均值为8.7 ℃，最小值和最大值分别为7.7 ℃和9.6 ℃，波幅为1.9 ℃，稍小于测点07；相对湿度平均值为48.4%，波动范围39.6%～59.8%，波幅20.2%，略高于测点07。

根据连续4天实测数据，测点07每天温度谷值出现在早晨8∶00前后，与室外温度迟滞时长约0.5 h，温度谷值相差3.1～5.4 ℃不等；每天温度峰值出现在15:00左右，与室外温度迟滞时长约0.5 h，温度峰值相差0.4～2.5 ℃不等。测点08每天温湿度的峰谷值出现时间基本与测点07相同，两测点温度谷值相差0～0.2 ℃，温度峰值相差0.2～0.5 ℃；两测点相对湿度谷值相差-1.5%～3.3%，峰值相差0～3.8%。

测点07和测点08空间位置上的主要差异体现在与天窗位置的距离不同。在测试期间，电动遮阳帘处于半开状态，仅对太阳直射光线形成部分遮挡。屋顶水平天窗虽然存在内外两层，由于半透明材料，具有一定集热性能(图11)。在白天峰值区，受热天窗部分对下部空间局部形成一定量的热辐射，使得距离较近的测点07空气温度稍高；而当下午太阳高度角变小时，热辐射强度降低，测点07的温度逐渐回复至测点08的水平。

4 讨论

4.1 冬季室内空间温湿特征

在寒冷冬季，室外温度较低，人体感觉较冷。在自然状态下，室内外温度差异是建筑自身环境调控特征的体现。从实测温度数据来看，WH+Lab建筑设计工作室底层、夹层的6个测点绝大多数时间的温度都保持在7～10 ℃,远低于冬季18～25 ℃的舒适温度，相对湿度大体保持在40%～60%之间,满足冬季30%～80%的范围。室内各测点温度在各时刻都高于室外温度，温度差值在谷值区达到最大，在峰值区趋向最小。冬季太阳高度角较小，辐射强度相对较弱，也就意味着建筑受热时间较短、吸收热量少，此外实测工作室的南侧为带顶棚的中庭空间，对太阳辐射具有过滤作用，削弱了到达实测空间的辐射强度，也使得室内空间的温度波幅较小和持续作用时间较短，在白天室内温度超出室外温度在0～2.5 ℃。当夜间室外温度下降幅度较大时，室内温度下降幅度较小，建筑散热量较少、速度也较慢，在夜间室内空间与室外保持大约2.5～5 ℃的温差。

在测试期间，工作室门窗关闭，室内空气处于相对稳定的状态。从实测数据来看，底层和夹层温度平均值在9.0 ℃上下，除测点05之外，其他测点温度波幅都在2.2～2.6 ℃以内，相对稳定；湿度平均值在47%～49.5%之间，差异不大，除测点05之外，其他测点的相对湿度波幅都在20%上下，空气相对湿度也比较稳定。底层空间和夹层空间在冷季不存在明显的温湿空间分层现象。

根据诺伯特·莱希纳(Norbert Lechner)的“舒适性区域”理论[17]，这种热环境处于较冷的区域，相对湿度介于干冷和湿冷之间(图12)，“湿冷”程度并不特别严重，但室内空气温度低，与舒适性区域距离较远，因此，人体热感觉的不舒适主要来源于空气温度太低。

4.2 适度改造围护结构有限调控热环境

校办工厂利用新旧墙体、内加保温板的屋顶和增强气密性的外窗构成新的围护结构体系。从靠近工位的5个测点(03、04、06、07、08)温湿数据来看，冬季室内空气温度平均值都在9.0 ℃上下，波幅范围均在2.0 ℃之内，温度谷值、峰值与室外测点迟滞时间在0.5 h～1.0 h。这意味着新围护结构体系在冬季具有一定抵抗寒冷的性能。室内热环境是墙体、屋顶和门窗系统共同作用的结果，适度改造的围护结构对室内热环境的调控作用较为有限。

4.2.1墙体

校办工厂原有墙体为240 mm厚黏土砖墙，传热系数K值为2.40 W/(m2·K)；新加的墙体为120 mm和150 mm厚清水混凝土墙，传热系数K值分别为4.56 W/(m2·K)和4.23 W/(m2·K)，新加墙体增大了围护结构总体传热系数，实际上削弱了建筑墙体的保温隔热性能。

4.2.2屋顶

原厂房建筑为单层空间，屋顶未专门设置隔热材料，屋面铺设机制瓦屋面，传热系数K值约为3.38 W/(m2·K)；加上气密性较差，冬季热空气自然上升，导致屋顶热量流失严重，室内空间温度较低，显然不能满足冬季室内空间保存能量的需求。在屋顶内侧增加的50 mm厚保温板，热阻值增加约为1.52 m2·K/W，使得屋顶总体传热系数下降至0.55 W/(m2·K)。实测中发现的夹层和底层的温湿度分层现象并不明显，也验证了这一点，意味着室内空间通过屋顶流失的热量大幅下降，也体现了屋顶改造的有效性。

4.2.3门窗气密性

为了控制项目改造成本，校办工厂改造中仍沿用了原先的铁质窗框和5 mm单层清玻璃。由于原先铁质门窗气密性和保温性较差，采用了低成本的改造技术，将腻子封严玻璃和铁框之间缝隙，气密性获得改善，有效减少了冬季冷空气的渗透，但通过铁质窗框的热传递仍然存在。此外，在窗户内侧悬挂带塑料薄膜的竹席帘，增加冷空气渗透阻力，减缓冬季能量损失速度。在既有建筑改造中，老旧门窗气密性往往成为性能“最短板”。在预算极其有限的条件下，通过低成本的改造提升气密性可以减少冬季冷风渗透。改善老旧门窗气密性对于冬季空间节能具有较大的潜力。

可见，该项目的围护结构中不同部分的改造对冬季室内热环境的改善作用各不相同，也反映了改造设计中不同维度的诉求存在某种冲突性。

4.3 过渡空间改造有效缓冲微气候

以门斗等过渡空间用于气候缓冲的做法，常见于北方地区建筑出入口，主要目的是减少冬季建筑出入口热量的流失和冷空气的侵袭，事实证明具有很好的节能效果。出于工业建筑性格的延续，该建筑设计工作室的大门仍采用原建筑的铁门，但气密性较差，日常使用中经常处于开合转化状态，极不利于冬季室内热量的保存。设计师在入口处另加一道透明玻璃推拉门，形成门斗空间。从实测温度数据来看，门斗空间测点的温度峰值、谷值及波幅都介于室内、外测点之间，门斗空间确实起到了“削峰填谷”的效果，在室内外之间形成热环境过渡区域，也减少人体在进出时冷热突变的不舒适感觉。沿用的原建筑铁质大门具有强烈的时代特色和意象所指，与清水混凝土墙体实现新旧融合，通过设置门斗空间提升了建筑性能，在厂房建筑低成本改造中兼顾了“面子”和“里子”。