建筑表皮動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)研究＊

金倩

同濟(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)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(hù)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(lái)應(yīng)對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)，使得圍護(hù)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(duì)建筑動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)展開討論，將近年來(lái)比較典型的研究成果根據(jù)工作原理分類研究，并對(duì)動(dòng)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(jìn)行模擬分析，從設(shè)計(jì)應(yīng)用的角度給出具體建議。

1 動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)

1.1 加設(shè)可移動(dòng)保溫隔熱層

在動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)中，相對(duì)簡(jiǎn)單、易操作的是將部分或全部保溫層設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式，在需要高熱阻的保溫工況時(shí)打開或移出使用，在需要低熱阻的傳熱工況時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)，由高傳熱系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、低傳熱系數(shù)圍護(hù)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(shí),低傳熱系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)收起，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)升高，促進(jìn)室內(nèi)熱量傳向室外；在室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí),低傳熱系數(shù)圍護(hù)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(gè)收放[3]，從而更精準(zhǔn)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(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌安裝在玻璃窗內(nèi)側(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)保溫板移動(dòng)至與窗重合時(shí)，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(dòng)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(dòng)、進(jìn)出傳遞熱量，因此在移動(dòng)保溫層打開使用的狀態(tài)下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體傳熱系數(shù)的降低程度會(huì)受到一定限制。同時(shí)，如何既保證熱工性能，又使移動(dòng)保溫層在收合過(guò)程中對(duì)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(wèn)題。

1.2 控制保溫層內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

1.2.1 控制氣體宏觀運(yùn)動(dòng)

氣體的對(duì)流可分為由外力驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流和由氣體各部分溫差導(dǎo)致密度差而引起的自由對(duì)流?？刂茪怏w的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可利用氣體的對(duì)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(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的氣體，形成保溫層，阻隔熱量的傳遞。

1 閉合回路動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為300K）（根據(jù)氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)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(qiáng)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(jì)算公式[13]繪制）

6 木結(jié)構(gòu)住宅動(dòng)態(tài)保溫技術(shù)

Koenders等[5]提出的閉合回路動(dòng)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(duì)內(nèi)部空氣形成強(qiáng)制對(duì)流；在保溫模式下，通風(fēng)器關(guān)閉，空氣強(qiáng)迫對(duì)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(shí)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(duì)位置變化，控制氣體對(duì)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(gè)“回”字形通路，空氣在溫度相對(duì)較高的一面受熱上升形成自然對(duì)流，促進(jìn)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(duì)流循環(huán)路徑被切斷，熱量循環(huán)得到抑制，熱阻升高。通過(guò)這種方式，可使U-值在0.8W/（m2·K）和1.71W/（m2·K）之間進(jìn)行切換。經(jīng)過(guò)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(yùn)動(dòng)

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

利用這個(gè)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(duì)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(gè)薄層，抑制對(duì)流傳熱，從而起到保溫效果。卷簾系統(tǒng)的控制機(jī)制與1.1節(jié)中鄭竺凌等的設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)置多層薄膜抑制薄膜間的空氣對(duì)流傳熱從而獲得保溫狀態(tài)。不同的是，薄膜層可以進(jìn)一步被壓縮，排出空氣，通過(guò)保留固體熱傳導(dǎo)的方式獲得高傳熱系數(shù)。該研究還對(duì)薄膜材料、層數(shù)、間距等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)做了詳細(xì)計(jì)算與討論，使U-值在0.3W/（m2·K）和8.5W/（m2·K）之間切換。

無(wú)論采用何種方式，促進(jìn)氣體對(duì)流都可以顯著提高其傳熱能力，抑制氣體的對(duì)流則可以顯著提高其隔熱能力。這類技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，可以通過(guò)精準(zhǔn)控制氣體運(yùn)動(dòng)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(qiáng)

在一定范圍內(nèi)，氣體分子密度隨壓強(qiáng)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(jìn)一步提高氣體隔熱性能。Axel等[10]通過(guò)改變納米材料的納米級(jí)微孔中氣體的壓強(qiáng)，來(lái)改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明，當(dāng)氣壓在1～100kPa變化時(shí)，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(dòng)態(tài)保溫技術(shù)中可達(dá)到的保溫效果最好。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要搭配抽真空設(shè)備、氣壓監(jiān)測(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)造層材料不變的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)引入新的傳熱媒介來(lái)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。Aya等[11]在木結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)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(guò)建立室內(nèi)外氣壓差，將室外空氣通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層的多孔隙材料吸入室內(nèi)，空氣在進(jìn)入室內(nèi)的過(guò)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(duì)流促進(jìn)傳熱（圖6）。該技術(shù)在保溫和傳熱模式下所對(duì)應(yīng)的等價(jià)U-值分別為1.99W/（m2·K）和2.26W/（m2·K）。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此方式可降低42.6%的圍護(hù)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(guò)調(diào)節(jié)充水高度和水溫改變熱阻。其低熱阻工況的等價(jià)傳熱系數(shù)為0.024～0.038W/（m2·K），高熱阻工況的等價(jià)傳熱系數(shù)為0.102～0.180W/（m2·K）。

以上兩個(gè)例子都需要配合相關(guān)設(shè)備（前者配風(fēng)機(jī)和氣壓監(jiān)測(cè)儀器，后者配水循環(huán)儲(chǔ)存加熱設(shè)備）才能應(yīng)用。另外，前者還需對(duì)既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行穿孔改造，對(duì)施工質(zhì)量提出了較高要求。

2 動(dòng)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(duì)比

8 南向辦公室全年各月份供暖與制冷能耗對(duì)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(jìn)行模擬。房間大小為4.5m（寬）×4m（深）×4m（高），除一個(gè)立面以外的其他面相鄰的空間與計(jì)算單元之間保持著同等的室內(nèi)環(huán)境，即其他各面無(wú)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(yáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（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(jì)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(dòng)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(dāng)室外溫度＜室內(nèi)溫度且室內(nèi)溫度≥25℃時(shí)，或當(dāng)室外溫度＞室內(nèi)溫度且室內(nèi)溫度≤20℃時(shí)，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(jì)，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(duì)東、西、南、北四個(gè)朝向的全年供暖與制冷能耗進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示。由結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)保溫材料的運(yùn)用使供暖能耗有較大程度降低，而對(duì)制冷總能耗影響不大。其中，供暖能耗在四個(gè)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(duì)比南向辦公室的各月份能耗可知（圖8），供暖期每個(gè)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(gè)供暖期內(nèi)各月份基本相當(dāng)。

3 從設(shè)計(jì)應(yīng)用角度出發(fā)的幾點(diǎn)建議

3.1 注重因地制宜

正因?yàn)閱我槐匦阅懿牧蠠o(wú)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(dòng)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(dòng)因素等影響，對(duì)動(dòng)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(dòng)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(jì)值，需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)條件來(lái)確定，以此作為材料、技術(shù)選擇和進(jìn)一步設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

3.2 優(yōu)化控制策略

對(duì)于動(dòng)態(tài)保溫表皮來(lái)說(shuō)，是否能夠合理控制相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，是技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)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(yáng)熱輻射量控制、舒適度控制、模型預(yù)測(cè)控制等，通過(guò)優(yōu)化對(duì)比選擇最佳控制模式。同時(shí)需要考慮調(diào)控頻率和調(diào)控幅度（是否分級(jí)調(diào)控）對(duì)整體效果的影響以及不同工況之間轉(zhuǎn)換時(shí)效對(duì)建筑熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)影響。

3.3 全生命周期綜合考量

本文所討論的動(dòng)態(tài)保溫材料與技術(shù)大多仍處于概念或?qū)嶒?yàn)室研發(fā)階段，而一項(xiàng)完善的技術(shù)應(yīng)該在整個(gè)生命周期中的總體環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上都達(dá)到優(yōu)勢(shì)平衡。因此，從實(shí)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(duì)其全生命周期中每個(gè)階段進(jìn)行全面的研究與設(shè)計(jì)，包括生產(chǎn)（尤其是相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備）、運(yùn)輸、施工、維護(hù)、拆除與回收。

4 結(jié)語(yǔ)

適應(yīng)性建筑表皮的形式多種多樣，對(duì)于動(dòng)態(tài)保溫表皮而言，其本質(zhì)是在動(dòng)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(guò)量的熱量阻擋在室外。本文在對(duì)動(dòng)態(tài)保溫表皮技術(shù)分類討論的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)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(jì)應(yīng)用的角度給出具體建議，為動(dòng)態(tài)保溫表皮從產(chǎn)品研發(fā)到實(shí)踐應(yīng)用提供參考借鑒。

圖片來(lái)源

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