金倩

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室

建筑圍護結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了幾個世紀的發(fā)展之后，從最初的封閉室內(nèi)空間，逐漸轉(zhuǎn)化為能更多地向室外開敞；從功能上將室內(nèi)外隔絕，逐漸轉(zhuǎn)向適應(yīng)室外環(huán)境以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。如今，我們更傾向于把建筑的圍護結(jié)構(gòu)稱為“表皮”，希望它可以像皮膚一樣具有一定程度的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)能力。正如Van der Aa[1]所述：“適應(yīng)性的建筑表皮，應(yīng)以一種全方位可控的方式，來應(yīng)對室內(nèi)外環(huán)境的變化以及使用者的影響，在最優(yōu)室內(nèi)條件與環(huán)境性能之間保持適宜的平衡?！?/p>

建筑圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)保溫技術(shù)，使得圍護結(jié)構(gòu)的保溫傳熱性能在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，從而提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度，降低建筑的供暖、制冷能耗。本文針對建筑動態(tài)保溫技術(shù)展開討論，將近年來比較典型的研究成果根據(jù)工作原理分類研究，并對動態(tài)保溫技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑表皮的節(jié)能效果進行模擬分析，從設(shè)計應(yīng)用的角度給出具體建議。

1 動態(tài)保溫技術(shù)

1.1 加設(shè)可移動保溫隔熱層

在動態(tài)保溫技術(shù)中，相對簡單、易操作的是將部分或全部保溫層設(shè)計為可移動式，在需要高熱阻的保溫工況時打開或移出使用，在需要低熱阻的傳熱工況時收起或移開。

上海市建筑科學(xué)研究院的鄭竺凌等[2]發(fā)明了一種應(yīng)用于高發(fā)熱量建筑的傳熱系數(shù)可變的高能效圍護結(jié)構(gòu)，由高傳熱系數(shù)圍護結(jié)構(gòu)、低傳熱系數(shù)圍護結(jié)構(gòu)、低傳熱系數(shù)結(jié)構(gòu)收放和控制系統(tǒng)組成。在室外溫度低于室內(nèi)溫度時,低傳熱系數(shù)圍護結(jié)構(gòu)收起，建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)升高，促進室內(nèi)熱量傳向室外；在室外溫度高于室內(nèi)溫度時,低傳熱系數(shù)圍護結(jié)構(gòu)打開，起到隔熱作用。其中，低傳熱系數(shù)結(jié)構(gòu)還可分幾部分逐個收放[3]，從而更精準地適應(yīng)室內(nèi)外的溫度變化。

Gruner和Matusiak[4]把傳熱系數(shù)為0.007W/（m2·K）的真空保溫板通過滑動導(dǎo)軌安裝在玻璃窗內(nèi)側(cè)，并通過實驗證明當保溫板移動至與窗重合時，可將U-值從雙層玻璃窗的1.98W/（m2·K）降至0.91～1.17W/（m2·K）。

由于移動保溫層與低熱阻表皮之間相互脫離，空氣可以在兩層材料之間自由流動、進出傳遞熱量，因此在移動保溫層打開使用的狀態(tài)下，圍護結(jié)構(gòu)整體傳熱系數(shù)的降低程度會受到一定限制。同時，如何既保證熱工性能，又使移動保溫層在收合過程中對建筑立面與室內(nèi)墻面使用功能的影響最小化，也是需要考慮的問題。

1.2 控制保溫層內(nèi)氣體運動狀態(tài)

1.2.1 控制氣體宏觀運動

氣體的對流可分為由外力驅(qū)動的強制對流和由氣體各部分溫差導(dǎo)致密度差而引起的自由對流?？刂茪怏w的宏觀運動狀態(tài)，可利用氣體的對流，將熱量從溫度高的區(qū)域傳遞到溫度低的區(qū)域；也可利用處于相對靜止狀態(tài)的氣體，形成保溫層，阻隔熱量的傳遞。

1 閉合回路動態(tài)保溫系統(tǒng)

2 半透明可調(diào)U-值外墻構(gòu)件

3 氣體層在不同厚度下的導(dǎo)熱系數(shù)（標準大氣壓，溫度為300K）（根據(jù)氣體導(dǎo)熱系數(shù)計算公式[13]繪制）

4 可收合式可變保溫應(yīng)用于玻璃窗

5 氣體在不同壓強下的導(dǎo)熱系數(shù)（孔隙直徑分別為10mm 和100nm，溫度為300K）（根據(jù)氣體導(dǎo)熱系數(shù)計算公式[13]繪制）

6 木結(jié)構(gòu)住宅動態(tài)保溫技術(shù)

Koenders等[5]提出的閉合回路動態(tài)保溫系統(tǒng)（圖1）由含有內(nèi)置通風(fēng)器的閉合通風(fēng)層包裹保溫層構(gòu)成。在傳熱模式下，通風(fēng)器開啟，對內(nèi)部空氣形成強制對流；在保溫模式下，通風(fēng)器關(guān)閉，空氣強迫對流中止，形成保溫層。模擬結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可將室內(nèi)熱不舒適時間減少72%～90%，并節(jié)約16%～22%的供暖能耗。

Pflug等[6]利用保溫層材料在空氣層中的相對位置變化，控制氣體對流傳熱，從而調(diào)節(jié)傳熱系數(shù)（圖2）。在傳熱模式下，保溫層下移，構(gòu)件在剖面上形成一個“回”字形通路，空氣在溫度相對較高的一面受熱上升形成自然對流，促進熱量循環(huán)，熱阻降低；在保溫模式下，保溫層材料頂部與空氣層頂部接觸，構(gòu)件內(nèi)部空氣對流循環(huán)路徑被切斷，熱量循環(huán)得到抑制，熱阻升高。通過這種方式，可使U-值在0.8W/（m2·K）和1.71W/（m2·K）之間進行切換。經(jīng)過優(yōu)化后，該技術(shù)可降低33%的制冷能耗。

1.2.2 控制氣體微觀運動

由于氣體具有粘滯性，當氣體層的厚度很薄時，主要通過分子無規(guī)則熱運動傳遞熱量，此時氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較低；當氣體層厚度在一定范圍內(nèi)逐漸增加時，氣體當中分子碰撞引起的對流傳熱逐漸增大，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大[7]（圖3）。

利用這個原理，Pflug等[8]提出一種保溫卷簾（圖4），卷簾由10層12μm厚、相間9mm的PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）薄膜構(gòu)成。薄膜將原有的空氣層切割成多個薄層，抑制對流傳熱，從而起到保溫效果。卷簾系統(tǒng)的控制機制與1.1節(jié)中鄭竺凌等的設(shè)計思路一致，可將U-值在0.35W/（m2·K）和2.7W/（m2·K）之間切換，降低30%的能耗。

與此類似，Kimber等[9]也通過設(shè)置多層薄膜抑制薄膜間的空氣對流傳熱從而獲得保溫狀態(tài)。不同的是，薄膜層可以進一步被壓縮，排出空氣，通過保留固體熱傳導(dǎo)的方式獲得高傳熱系數(shù)。該研究還對薄膜材料、層數(shù)、間距等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)做了詳細計算與討論，使U-值在0.3W/（m2·K）和8.5W/（m2·K）之間切換。

無論采用何種方式，促進氣體對流都可以顯著提高其傳熱能力，抑制氣體的對流則可以顯著提高其隔熱能力。這類技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以通過精準控制氣體運動狀態(tài)，使氣體層的傳熱系數(shù)在較大范圍內(nèi)變化。

1.3 控制保溫層內(nèi)氣體壓強

在一定范圍內(nèi)，氣體分子密度隨壓強的減小而變小，分子間碰撞的減少使氣體的傳熱系數(shù)降低（圖5）。傳統(tǒng)的真空隔熱保溫板就是基于此原理。另外，將保溫板中的填充物用帶有微小孔隙的材料代替，也有助于進一步提高氣體隔熱性能。Axel等[10]通過改變納米材料的納米級微孔中氣體的壓強，來改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明，當氣壓在1～100kPa變化時，氣相二氧化硅和氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)可以分別被改變3倍和近2倍，節(jié)能效果可提高20%。

理論上，這類技術(shù)可以利用真空獲得極低的傳熱系數(shù)，因此在所有動態(tài)保溫技術(shù)中可達到的保溫效果最好。但是在實際應(yīng)用中，由于需要搭配抽真空設(shè)備、氣壓監(jiān)測儀器和相關(guān)密封防漏防滲措施，因此成本較高。

1.4 引入新傳熱媒介

在部分圍護結(jié)構(gòu)各構(gòu)造層材料不變的基礎(chǔ)上，可以通過引入新的傳熱媒介來改變圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。Aya等[11]在木結(jié)構(gòu)建筑圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)石膏板上穿小尺寸通風(fēng)孔，在保溫模式下，通過建立室內(nèi)外氣壓差，將室外空氣通過圍護結(jié)構(gòu)保溫層的多孔隙材料吸入室內(nèi)，空氣在進入室內(nèi)的過程中被原本由室內(nèi)流失到室外的熱量加熱，起到熱量回收的作用；在傳熱模式下，通風(fēng)孔關(guān)閉，利用較大洞口處的空氣對流促進傳熱（圖6）。該技術(shù)在保溫和傳熱模式下所對應(yīng)的等價U-值分別為1.99W/（m2·K）和2.26W/（m2·K）。經(jīng)過現(xiàn)場測試，此方式可降低42.6%的圍護結(jié)構(gòu)表皮的熱損失。

石茜茜[12]提出一種利用充水夾層作為傳熱系數(shù)調(diào)節(jié)層的變傳熱系數(shù)墻體，該調(diào)節(jié)層可隨室外氣溫變化，通過調(diào)節(jié)充水高度和水溫改變熱阻。其低熱阻工況的等價傳熱系數(shù)為0.024～0.038W/（m2·K），高熱阻工況的等價傳熱系數(shù)為0.102～0.180W/（m2·K）。

以上兩個例子都需要配合相關(guān)設(shè)備（前者配風(fēng)機和氣壓監(jiān)測儀器，后者配水循環(huán)儲存加熱設(shè)備）才能應(yīng)用。另外，前者還需對既有圍護結(jié)構(gòu)材料進行穿孔改造，對施工質(zhì)量提出了較高要求。

2 動態(tài)保溫技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑中的節(jié)能效果研究

7 不同朝向辦公室全年供暖與制冷能耗對比

8 南向辦公室全年各月份供暖與制冷能耗對比

選取上海地區(qū)辦公建筑中一間辦公室房間作為典型單元進行模擬。房間大小為4.5m（寬）×4m（深）×4m（高），除一個立面以外的其他面相鄰的空間與計算單元之間保持著同等的室內(nèi)環(huán)境，即其他各面無能量交換發(fā)生。外立面窗墻比為40%，透明部分傳熱系數(shù)為2.8W/（m2·K），遮陽系數(shù)為0.45。能耗模擬相關(guān)熱工參數(shù)與室內(nèi)能耗密度設(shè)定參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB 50189-2015）[14]。辦公室內(nèi)人員數(shù)量為2人，設(shè)備發(fā)熱量15W/m2，燈光發(fā)熱量為11W/m2，新風(fēng)量為30m3/（h·p）；供暖期為11月1日至次年2月28日，制冷期為4月1日至9月30日；室內(nèi)設(shè)計溫度分別為20℃（供暖）和25℃（制冷），空調(diào)系統(tǒng)綜合COP為3.2，采暖系統(tǒng)綜合COP為2.3。

因Kimber等[9]提出的動態(tài)保溫技術(shù)U-值變化范圍較大，所以在本次模擬中將該技術(shù)用于非透明部分，即非透明部分的保溫與傳熱工況下的U-值分別為0.3W/（m2·K）和8.5W/（m2·K）。當室外溫度＜室內(nèi)溫度且室內(nèi)溫度≥25℃時，或當室外溫度＞室內(nèi)溫度且室內(nèi)溫度≤20℃時，非透明部分為傳熱工況，其他情況下為保溫工況。作為參照設(shè)計，外墻非透明部分傳熱系數(shù)設(shè)定為固定值0.7W/（m2·K），其他條件均不變。

利用EnergyPlus 9.2軟件，對東、西、南、北四個朝向的全年供暖與制冷能耗進行模擬，結(jié)果如圖7所示。由結(jié)果可知，動態(tài)保溫材料的運用使供暖能耗有較大程度降低，而對制冷總能耗影響不大。其中，供暖能耗在四個朝向的降低程度均在16%～18%左右，南向的制冷能耗降低程度最多，約為4%。對比南向辦公室的各月份能耗可知（圖8），供暖期每個月的供暖能耗節(jié)能均在15%～16%，制冷期中7、8月份制冷能耗節(jié)能均在3%左右，其他月份效果不明顯。制冷能耗的降低主要發(fā)生在全年最熱的7、8月份，而供暖能耗降低程度在整個供暖期內(nèi)各月份基本相當。

3 從設(shè)計應(yīng)用角度出發(fā)的幾點建議

3.1 注重因地制宜

正因為單一保溫性能材料無法滿足不斷變化的室外環(huán)境條件和室內(nèi)環(huán)境需求，人們才開始探索動態(tài)保溫材料與技術(shù)。而受不同的氣候條件、建筑類型、朝向、室內(nèi)人為活動因素等影響，對動態(tài)保溫材料與技術(shù)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)也提出不同的要求。因此，動態(tài)保溫表皮在保溫、傳熱工況下的不同傳熱系數(shù)的設(shè)計值，需根據(jù)實際設(shè)計條件來確定，以此作為材料、技術(shù)選擇和進一步設(shè)計的重要依據(jù)。

3.2 優(yōu)化控制策略

對于動態(tài)保溫表皮來說，是否能夠合理控制相關(guān)參數(shù)的動態(tài)變化，是技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用能否成功的關(guān)鍵。本文因篇幅限制，在第2節(jié)中僅分析了以室內(nèi)外溫度變化為主導(dǎo)的控制模式。然而在實際設(shè)計過程中，設(shè)計者應(yīng)在多種控制模式中，如溫度控制（室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外溫差、表皮內(nèi)外表面溫度等）、太陽熱輻射量控制、舒適度控制、模型預(yù)測控制等，通過優(yōu)化對比選擇最佳控制模式。同時需要考慮調(diào)控頻率和調(diào)控幅度（是否分級調(diào)控）對整體效果的影響以及不同工況之間轉(zhuǎn)換時效對建筑熱環(huán)境的動態(tài)影響。

3.3 全生命周期綜合考量

本文所討論的動態(tài)保溫材料與技術(shù)大多仍處于概念或?qū)嶒炇已邪l(fā)階段，而一項完善的技術(shù)應(yīng)該在整個生命周期中的總體環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益上都達到優(yōu)勢平衡。因此，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，除了關(guān)注技術(shù)熱工性能之外，還需對其全生命周期中每個階段進行全面的研究與設(shè)計，包括生產(chǎn)（尤其是相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備）、運輸、施工、維護、拆除與回收。

4 結(jié)語

適應(yīng)性建筑表皮的形式多種多樣，對于動態(tài)保溫表皮而言，其本質(zhì)是在動態(tài)的室內(nèi)外環(huán)境溫度變化中，將有益的熱量導(dǎo)入并保持在室內(nèi)，將不利的、過量的熱量阻擋在室外。本文在對動態(tài)保溫表皮技術(shù)分類討論的基礎(chǔ)上，模擬計算了該技術(shù)在上海辦公建筑中的節(jié)能效果，并從設(shè)計應(yīng)用的角度給出具體建議，為動態(tài)保溫表皮從產(chǎn)品研發(fā)到實踐應(yīng)用提供參考借鑒。

圖片來源

圖1 來源于文獻[5]；圖2 來源于文獻[6]；圖3 根據(jù)文獻[13]繪制；圖4 來源于文獻[8]；圖5 根據(jù)文獻[13]繪制；圖6 來源于文獻[3]；其余圖片為作者自繪。