可變建筑表皮對室內(nèi)熱環(huán)境影響研究

林 琳 廖欣瑤 林躍華 陳 忱

近年來，隨著生活水平的提高，人們對物質(zhì)條件的需求也隨之提高。其中，空調(diào)等高能耗設(shè)備的使用數(shù)量、頻率和時長急劇增加，導(dǎo)致能源消耗和碳排放也相應(yīng)增加?！吨袊ㄖ?jié)能年度發(fā)展研究報告2021 年》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前空調(diào)系統(tǒng)能耗約占我國社會總能耗的21.7%，二氧化碳排放量約為9.9 億t。此外，空調(diào)系統(tǒng)中使用的氫氟烴、氫氟氯烴等制冷劑排出大量的溫室氣體，會影響全球的氣候熱環(huán)境，使空調(diào)的需求量進(jìn)一步增加[1]。

在國家大力提倡綠色建筑的背景下，建筑物表皮作為個體建筑與外界環(huán)境進(jìn)行溝通的載體，應(yīng)用可變建筑表皮有利于建筑節(jié)能減排，契合當(dāng)前國家提出“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”新發(fā)展理念建設(shè)目標(biāo)[2]。研究建筑表皮技術(shù)創(chuàng)新對建筑熱環(huán)境的影響，已成為建筑領(lǐng)域的一個研究方向[3]。

本文以廈門大學(xué)的“Sunshine”小木屋的熱環(huán)境作為具體的研究對象，對其進(jìn)行可變建筑表皮智能化控制改造，在實踐中運用了建筑學(xué)、計算機科學(xué)、能源科學(xué)、智能控制等相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，通過分析可變建筑表皮對熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，結(jié)合模擬以及試驗等方法，研究可變建筑表皮對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生的影響，并探索環(huán)境熱舒適度的改善方案。

1 可變建筑表皮熱環(huán)境的調(diào)節(jié)原理

1.1 調(diào)節(jié)太陽輻射量

建筑物所承受的熱負(fù)荷主要來源于太陽輻射產(chǎn)生的熱量。太陽輻射通過建筑物的門窗、外廊、玻璃幕墻等直射到建筑表皮，是影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素。

對于太陽輻射量調(diào)節(jié)，通常采用窗簾、百葉、遮陽幕布等簡單的遮陽措施來減少陽光直接輻射。由于建筑物在不同時刻對日照需求存在較大差異，對遮陽就有不同的需求。例如，夏季早上太陽光主要影響室內(nèi)的采光，可以開窗通風(fēng)，并接受陽光直射輻射；下午時段，由于直射輻射產(chǎn)生大量輻射熱量，應(yīng)盡量避免太陽光對室內(nèi)環(huán)境熱舒適度產(chǎn)生不利影響。

傳統(tǒng)的遮陽措施相對固定，樣式較為單一，無法根據(jù)實際氣候條件進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。目前，遮陽設(shè)計已逐漸從簡易的遮陽板、格柵、窗簾的單一形式，逐漸向新材料、組合式、多維度、智能化的方向發(fā)展，其變化邏輯也從簡單的旋轉(zhuǎn)或伸縮，發(fā)展為可折疊、位移、多維度旋轉(zhuǎn)、充氣及相變等多種新建筑材料組合形式。其中，可變建筑表皮遮陽體系改變了建筑表皮的設(shè)計過程與形式特征，使建筑立面成為一種不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，賦予建筑表皮新的構(gòu)造形式。

本文提出的可變建筑表皮遮陽體系，采用智能化控制系統(tǒng)采集室外太陽輻射強度以及室內(nèi)熱環(huán)境因素的變化參數(shù)，然后根據(jù)不同的室內(nèi)外環(huán)境變化進(jìn)行動態(tài)分析，進(jìn)而對可變表皮進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，以建立更理想的室內(nèi)熱環(huán)境，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1.2 調(diào)節(jié)通風(fēng)量

傳統(tǒng)建筑一般通過熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)兩種自然通風(fēng)方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境。當(dāng)建筑室外氣候較為舒適時，利用自然通風(fēng)能夠帶走室內(nèi)多余的熱量，同時引入新鮮的空氣，改善室內(nèi)熱環(huán)境。當(dāng)建筑室內(nèi)外存在空氣溫度差時，通過空氣的密度差形成空氣間的氣壓差，促使室內(nèi)外的空氣產(chǎn)生流動，這就是熱壓通風(fēng)現(xiàn)象。當(dāng)建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在空氣壓力差時，也會形成室內(nèi)外通風(fēng)現(xiàn)象，這就是風(fēng)壓通風(fēng)現(xiàn)象[4-5]。

良好的通風(fēng)設(shè)計有利于調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。通風(fēng)量和風(fēng)速流向的合理調(diào)節(jié)及其控制可以減少風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果[6]。

對于夏季，當(dāng)室外空氣溫度較高時，則關(guān)閉新風(fēng)機和門、窗，開啟風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)熱舒適度調(diào)節(jié)；當(dāng)某區(qū)域空氣溫度降到的合適的溫度范圍內(nèi)時，則開啟新風(fēng)機和門、窗進(jìn)行通風(fēng)換氣。對于冬季，當(dāng)室外空氣溫度較低時，則關(guān)閉新風(fēng)機和門、窗，以減少室內(nèi)熱量流失；當(dāng)室外空氣溫度上升到較舒適的范圍時，則開啟新風(fēng)機和門、窗進(jìn)行通風(fēng)換氣，充分利用白天太陽輻射產(chǎn)生的空氣熱量，通過智能化控制系統(tǒng)，自動控制通風(fēng)量的大小和室內(nèi)空氣的流動方向，起到改善室內(nèi)空氣舒適度的效果。

2 改造策略與分析

2.1 場地分析

“Sunshine”小木屋位于廈門大學(xué)思明校區(qū)曾呈奎樓南側(cè)，包括客廳、臥室、餐廳、衛(wèi)生間、設(shè)備間及中庭等，建筑面積約97.9 m2，客廳和臥室朝南，面寬為11.9 m。在原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行部分改造，空間的平面布局如圖1 所示。由圖1 可知，客廳的南立面設(shè)有2 個采光窗，臥室南立面設(shè)有一個窗戶，便于南面采光和夏季通風(fēng)散熱。中庭平面形狀為“T”字型，位于客廳、臥室與餐廳之間，形成南北兩區(qū)域的過渡通道空間。南面朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，可與中庭形成較好的穿堂風(fēng)效果；中庭的中間交匯處設(shè)置可開啟天窗，可用來引導(dǎo)室內(nèi)熱空氣向上排出室外[7]。

圖1 空間布局與室內(nèi)外熱交換的示意關(guān)系（來源：作者自繪）

2.2 改造策略

基于綠色建筑熱環(huán)境智能化控制、可變建筑表皮熱環(huán)境影響研究、虛擬仿真等課題研究成果，通過綜合室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)分析的智能化控制，對新風(fēng)機、電動遮陽裝置等可變建筑表皮的優(yōu)化設(shè)計和實時調(diào)節(jié)，以滿足綠色低碳建筑的總體策略[8]。與傳統(tǒng)的建筑表皮相比，可變建筑表皮能夠更好地適應(yīng)不斷變化的氣候環(huán)境，對改善室內(nèi)的環(huán)境舒適度和節(jié)約能源均具有直接影響。

在太陽輻射量智能化調(diào)節(jié)方面，采用自動化、智能化、系統(tǒng)化的建筑技術(shù)，綜合室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)南立面夏季太陽光輻射量，圖1 的C1、C11、C12、C13 室內(nèi)位置上分別裝有電動遮陽百葉；中庭頂部設(shè)有3 個電動天窗。在控制調(diào)節(jié)太陽輻射量方面，臥室和客廳的南立面窗戶安裝電動遮陽百葉，并增加中庭3 個天窗的電動蜂巢遮陽簾（見圖1 的天窗標(biāo)注）。中庭天窗玻璃采用新型的節(jié)能環(huán)保夾膠玻璃，這種玻璃能夠反射99%的紅外線[9]。

緩沖空間是一種基于建筑設(shè)計層面的綜合性被動式設(shè)計策略，在設(shè)計中根據(jù)不同建筑空間的作用，保留一定的過渡輔助空間作為不同空間熱交換調(diào)節(jié)的容器，可用于調(diào)節(jié)建筑主要空間的熱環(huán)境。在通風(fēng)量自動控制調(diào)節(jié)方面，如圖1 的C8、C11、C13 位置上分別安裝電動開窗器，既可為中庭空間提供天然采光照明，又可作為散熱通風(fēng)道。此外，在圖1 的M1、M3 門上和客廳的北面墻上方，分別安裝新風(fēng)機。以中庭空間作為通風(fēng)道，充分利用中庭的熱量緩沖空間作用，形成中庭東、西、南三面與天窗的通風(fēng)道（見圖1 中的箭頭方向）。

集成的智能化控制系統(tǒng)以LINX-215 設(shè)備為主控制器。主控制器一方面接收來自于云平臺、手機端、PC 端的設(shè)置參數(shù)，另一方面通過MODBUS總線采集來自氣象站、室內(nèi)外傳感器、儀表的實時傳輸數(shù)據(jù)，這些參數(shù)和數(shù)據(jù)在主控器內(nèi)部進(jìn)行系統(tǒng)分析、比較和處理后，通過LIOB-100 設(shè)備，控制繼電器組分別對電動遮陽百葉、電動開窗器、電動窗簾等實施控制調(diào)節(jié)。同時，主控制器還根據(jù)處理結(jié)果通過L-DALI-ME201設(shè)備分別控制新風(fēng)機、空調(diào)、燈光的啟停，形成對天窗的風(fēng)壓散熱和更換新鮮空氣，如圖2 所示。

圖2 智能化控制思路（來源：作者自繪）

客廳通風(fēng)量調(diào)節(jié)方面，在客廳南面兩個窗戶上裝有電動開窗器，并在北面墻上方裝有電動格柵新風(fēng)機，充分利用廈門市的夏天主導(dǎo)風(fēng)向，使客廳形成“穿堂風(fēng)”式的通風(fēng)道，提高客廳的通風(fēng)散熱換氣效率。

2.3 控制措施及分析

由于室內(nèi)各房間的功能及使用頻率不同，各區(qū)域?qū)τ跓岘h(huán)境舒適度的需求也存在差異。對于生活居住空間，客廳使用頻率較高，同時需要較好的室內(nèi)熱舒適度。相對而言，作為輔助空間的中庭位置，在過渡空間使用熱容量較大的石墻材料裝飾中庭的同時，可以作為室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)的熱量儲存容器，調(diào)節(jié)客廳、臥室等其他空間的熱環(huán)境[10]。

以中庭中間（測點1）、客廳（測點2）和“Sunshine”小木屋南門前廣場為例進(jìn)行空氣溫度實測，以1 d 為周期測量現(xiàn)場空氣的溫度，實驗數(shù)據(jù)采集時間為2023 年5 月6 日（立夏），數(shù)據(jù)采樣間隔為60 min，采集分析室內(nèi)外24 h 的空氣溫度變化狀況如表1所示。從中庭的空氣溫度可以看出，由于10:00—17:00的太陽高度角較大，對中庭天窗輻射作用較為明顯，使中庭空氣溫度快速升高，大量增加中庭熱量，宜由智能化控制系統(tǒng)關(guān)閉天窗的遮陽簾，減少太陽的直射輻射；17:00—18:00 時，可開啟天窗，形成中庭散熱通道，提高中庭空間的換熱效率；18:00—24:00 時，則由智能化控制系統(tǒng)同時打開新風(fēng)機和廳門，形成如圖1 所示的“客廳―門（M4）―中庭―天窗”和“新風(fēng)機―中庭―天窗”兩條室內(nèi)外熱環(huán)境調(diào)節(jié)通風(fēng)道。

表1 24 h 室內(nèi)外空氣溫度分布

從表1 可以看出，對于初夏季節(jié)，00:00—08:00 和14:00—24:00 共計18 h 的室外空氣溫度均低于室 內(nèi)兩個測點的空氣溫度。其中，室外00:00—08:00 和18:00—24:00 共 計14 h 的溫度均低于28 ℃，智能化控制系統(tǒng)通過電動開窗器進(jìn)行開窗通風(fēng)，并合適控制新風(fēng)機的開啟量，以便于利用自然風(fēng)散熱。

從上述研究分析和實測數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：在夏季，可根據(jù)室外氣候熱環(huán)境中的晝夜變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)遮陽措施和空間熱交換通道；在冬季，當(dāng)室內(nèi)需要熱量時，可以利用中庭與客廳的蓄熱量進(jìn)行建筑內(nèi)部空間熱交換。

2.4 模擬分析

為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性，利用Revit 和COMSOL 軟件進(jìn)行模擬仿真試驗。工況條件如下：新風(fēng)風(fēng)速為1 m/s，室內(nèi)測點1 和測點2的溫度均為31 ℃，室外溫度為28 ℃，風(fēng)速場觀測點高度為1.5 m。在穩(wěn)態(tài)湍流下模擬室內(nèi)風(fēng)環(huán)境結(jié)果（圖3），與智能化系統(tǒng)在實際環(huán)境下風(fēng)速場測試的流通方向及其大小基本一致。結(jié)合實測數(shù)據(jù)和風(fēng)環(huán)境模擬仿真分析，可以得出“客廳―門（M4）―中庭―天窗”和“新風(fēng)機―中庭―天窗”兩個室內(nèi)外熱環(huán)境通風(fēng)道的風(fēng)速場分布，在設(shè)定的室內(nèi)外工況條件下，均有利于自然風(fēng)的通風(fēng)散熱[10]。

圖3 風(fēng)速場模擬分布（來源：作者自繪）

3 結(jié)語

可變建筑表皮是對建筑熱環(huán)境的一種交互動態(tài)調(diào)節(jié)的過程，根據(jù)“氣候參數(shù)―計算分析―智能化控制”等步驟來實現(xiàn)建筑對氣候熱環(huán)境因素的智能化調(diào)節(jié)。

本文以廈門大學(xué)的“Sunshine”小木屋為例，進(jìn)行可變表皮智能化控制改造，運用LINX 控制器進(jìn)行智能化集成控制，以中庭作為熱量緩沖空間，嘗試對小木屋的客廳和中庭進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)分析。文中采用現(xiàn)場試驗和模擬分析相結(jié)合的方法，研究了可變建筑表皮對室內(nèi)熱環(huán)境的改善情況，總體達(dá)到了預(yù)期效果，能夠為相關(guān)研究提供借鑒。