淺析“雙碳”背景下智慧裝配立面系統(tǒng)助力城市高質量發(fā)展

沈景華 李德生 苗珍錄 倪乙軼 戴麗君

自2020 年我國在聯(lián)合國提出“3060”雙碳目標，中國開啟低碳新時代。隨著2021 年碳交易市場的開放，各地落實“雙碳”戰(zhàn)略目標部署的步伐逐漸加快。在“雙碳”和“數(shù)字中國”的背景下，“綠色化”、“數(shù)字化”與“智能化”的協(xié)同成為“十四五”規(guī)劃綱要的主旋律。要達到此目標，低碳化建設是根本途徑。“雙碳”是“碳達峰”和“碳中和”的簡稱，是建設綠色城市、生態(tài)城市的重要戰(zhàn)略。“雙碳”目標對建筑行業(yè)提出巨大的挑戰(zhàn)與機遇，作為實現(xiàn)碳減排的重要手段之一，建筑立面的節(jié)能與裝配化設計施工至關重要。

1 建筑外立面設計施工的現(xiàn)狀

在建筑外立面設計施工中，長期以來面臨著節(jié)能水平底下、生產管理落后、能源消耗增加以及環(huán)境污染加劇等問題，急需采取有效措施解決?，F(xiàn)行的建筑外立面圍護結構大多數(shù)以厚重的墻體結構作為結構組件，為了滿足節(jié)能保溫、防水及耐久的功能，外立面墻體往往都為層片式結構，通過工地現(xiàn)場在基層墻體上進行施工保溫層與防水屏障（圖1）。而隨著現(xiàn)代建筑科學的發(fā)展，當外立面墻體成為非主體結構組件，不再作為支撐樓層結構和屋頂結構時，外立面墻體就失去了主體結構屬性，只承擔抵抗風荷載等水平荷載作用以及節(jié)能防水屏障等外圍護結構的性能。此外，隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，完全在現(xiàn)場手工作業(yè)的施工工藝也逐漸被工廠化成品制造替換，工地現(xiàn)場只進行簡單的產品部件裝配作業(yè)。

圖1 現(xiàn)有外立面墻體往往都為層片式結構（來源：作者自繪）

現(xiàn)代建筑科學發(fā)展到今天，對于建筑外立面圍護結構來說，性能要求與結構形式已經非常復雜，繼續(xù)依賴現(xiàn)場手工作業(yè)以及厚重的層片式墻體結構已經難以滿足技術與品質以及碳減排的要求。而外立面的系統(tǒng)構造、結構形式、材料運用、制造安裝工藝也都形成了相對應的規(guī)范、性能標準以及檢測方式。由此，基于“雙碳”的背景下研發(fā)與發(fā)展智慧裝配立面系統(tǒng)迫在眉睫。

2 智慧裝配立面系統(tǒng)的研發(fā)

智慧裝配立面系統(tǒng)是針對現(xiàn)有建筑立面設計施工的缺點，研發(fā)的一整套智能化裝配節(jié)能外立面結構系統(tǒng)集成產品。是以建筑立面節(jié)能要求為目標，結合節(jié)能材料光伏材料組合運用，通過系統(tǒng)構造設計、工廠化生產、數(shù)字化管理等方式，達到快速裝配、高效施工、縮短建設周期、提高建設效率，實現(xiàn)超低能耗的建筑外立面外墻結構，并可集成光伏能源轉換、自然光的運用與智能遮陽系統(tǒng)、雙層外墻智能通風換氣、智能監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能性能及智能監(jiān)測室內空氣環(huán)境為一體的多功能超低能耗裝配式立面系統(tǒng)。同時，這些預制部品構件大都使用低碳環(huán)保綠色材料，且大多可以循環(huán)使用及回收運用，減少建筑廢棄物的產生，實現(xiàn)資源的節(jié)約和環(huán)境的保護。

智慧裝配立面系統(tǒng)采用與智能傳感器、物聯(lián)網、云計算等先進技術相結合，實現(xiàn)建筑狀態(tài)的實時監(jiān)測和維護。這些技術能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決建筑問題，提高建筑的使用壽命和安全性。此外，智慧裝配立面系統(tǒng)還可以實現(xiàn)能源的智能化管理，通過智能傳感器和控制系統(tǒng)，對建筑能源使用進行精細化管理，降低建筑能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。在“雙碳”背景下，建筑外立面工程的節(jié)能設計、裝配化工廠生產、與光伏能源集合、自然光的利用和智能通風控制、與智能數(shù)據探測及智能控制室內環(huán)境技術集成等等智慧裝配立面系統(tǒng)的出現(xiàn)，將為城市的高質量發(fā)展提供了新的思路和解決方案。

3 智慧裝配立面系統(tǒng)的性能

智慧裝配立面系統(tǒng)是一款多功能集成化的、先進實用的建筑外立面裝配化圍護結構成套產品，具有以下的性能特性。

3.1 圍護結構性功能

智慧裝配立面系統(tǒng)不再承擔建筑自重，而只承擔其自重及作用在該系統(tǒng)上的風荷載、地震荷載、溫度作用、平面變形等。一般情況下，圍護結構是懸掛在主體結構外部，圍護結構自身需具備承載能力、剛度、穩(wěn)定性和相對于主體結構的位移變形能力。受力模式一般為面板承受的水平荷載傳遞給橫向構件，橫向構件傳遞給豎向構件，豎向構件掛接在土建結構梁柱的預設埋件上。

3.2 雨水管理功能與空氣密封性能

智慧裝配立面系統(tǒng)必須因地制宜設計研究防水結構，可根據建筑氣候特征、建筑形態(tài)造型、性能要求進行專項設計防排水體系。同時，智慧裝配立面系統(tǒng)及其內部的開啟通風結構需有阻擋空氣滲透的能力。

3.3 節(jié)能功能以及冷凝水與結露控制

智慧裝配立面系統(tǒng)通過提高外立面圍護結構的節(jié)能措施、材料運用、系統(tǒng)構造設計可以最大限度地降低建筑立面對能源的需求，比如保溫隔熱、遮陽、氣密性設計、自然通風、采光等。并且系統(tǒng)也使用各種技術措施避免圍護結構產生冷凝水與結露。

3.4 結構位移考慮及耐久性能

智慧裝配立面系統(tǒng)需適應風荷載、自重荷載、溫度作用、主體結構帶來的位移變形?？紤]長期的系統(tǒng)使用功能與美學效果，對材料的耐久性和耐腐蝕性，提出較高的要求。

3.5 隔音功能

外立面圍護的隔音性是影響室內環(huán)境舒適性的重要因素之一，通過使用隔聲材料的組合可提高外立面圍護結構對外部噪音的隔絕能力。

3.6 通風設置及光伏組件集成

可以根據建筑特征設計通風方式，使用主動式通風或者被動式通風設置，也可與光伏組件一起進行集成設計，結合通風設置與遮陽設計為一體。通風設置的開啟端與智能控制監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)動，可根據室內外環(huán)境變化自動開啟通風系統(tǒng)。

3.7 智能控制

在外立面圍護結構內表面隱蔽部位安裝室內空氣監(jiān)測儀，24 h 連續(xù)監(jiān)測室內甲醛、PM2.5、CO2、以及室內外空氣中存在的揮發(fā)性有機化合物的總量（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）和溫度與濕度變化，并可實時通過大屏顯示或手機APP、微信端查看。在空氣質量環(huán)境參數(shù)超標的情況下，實時發(fā)布超標預警并自動打開通風設置進行通風。監(jiān)測系統(tǒng)可以配合外通風設置、新風機、空氣凈化器、中央空調等實現(xiàn)聯(lián)動，進行智能化控制。

3.8 防火性能

外立面圍護結構需根據建筑特性布置正確的豎向防火隔離帶與橫向防火隔離帶，并要考慮防火耐熱時間與耐煙性能。

3.9 施工裝配功能

根據建筑效果進行合理劃分，選取標準單元作為定型部品，部品完全工廠化生產，產品部品進行現(xiàn)場吊裝裝配作業(yè)，形成完整的建筑外立面圍護結構。

3.10 可維護的功能以及可回收再利用低碳材料

智慧裝配立面系統(tǒng)的材料及組件都是經過機械裝配進行組合，系統(tǒng)允許部品組件在使用過程中進行維護、維修與更換。部品構件可以使用低碳環(huán)保綠色材料，并大部分可以循環(huán)使用及回收應用。

3.11 經濟性

智慧裝配立面系統(tǒng)在綜合考慮實現(xiàn)以上各種性能的前提下，進行合理的成本管理，通過研究系統(tǒng)優(yōu)化、材料選擇、結構分析、工藝簡化等方式建立標準化產品線進行精細化管理以獲得合理性價比。

4 智慧裝配立面系統(tǒng)的節(jié)能與防水設計

智慧裝配立面系統(tǒng)的系統(tǒng)元素與部品及子部品涉及到多個材料專業(yè)、機械設計與機械制造配合工作，進行各種系統(tǒng)元素的整合集成，形成智慧裝配外立面的成套產品。比如系統(tǒng)使用的保溫材料由材料供應商提供，但其又必須滿足防火性能、熱工性能、防潮性能與耐久性能的要求，并且節(jié)能材料的安裝固定在部品上也需要考慮機械裝配及連接措施。如果立面系統(tǒng)中有鑲嵌門窗結構，這又需要深入研究門窗的系統(tǒng)結構性能、防水性能、熱工性能，以及門窗與部品接縫的防水與保溫處理，如圖2 所示。

圖2 鑲嵌門窗的熱工性能計算云圖（來源：作者自繪）

智慧裝配立面系統(tǒng)部品單元立面劃分原則是將外立面進行合理的分割，一般選取一個樓層為高度，加上一個標準寬度為一個部品。部品之間使用鑲嵌插接實現(xiàn)，鑲嵌插接處的密封性能與節(jié)能性能至關重要，部品之間鑲嵌插接及熱工性能計算云圖如圖3 所示。一般情況下，使用多道插接的方式形成等壓腔體。在滿足節(jié)能要求的構造考慮之外，還需考慮防水密封性能，通過多腔插接建立可靠的多道防水體系，按照雨幕原理等壓腔結構進行系統(tǒng)設計，排水路徑應清晰明了。

圖3 部品鑲嵌裝配化插接及熱工性能計算云圖（來源：作者自繪）

同時，根據建筑立面的復雜程度及建筑高度，防排水系統(tǒng)需進行單元分區(qū)處理，防止系統(tǒng)過載。防水單元分區(qū)處理是指根據建筑所在地風雨實際情況、建筑特征、系統(tǒng)構造特點在外立面進行防水分區(qū)，可以設置一個樓層為一個防水單元分區(qū)，也可以根據實際情況設置多個樓層及其他情況，作為一個防水單元分區(qū)。其次，對于系統(tǒng)的防水構造設計還應考慮系統(tǒng)在其最大壓差下的防排水的承受能力。一旦壓差與水量超過其承受能力容易發(fā)生漏水，故設計需考慮系統(tǒng)的最大防水能力，防止系統(tǒng)過載[1]。

5 智慧裝配立面系統(tǒng)的光伏集成及雙層皮設計

智慧裝配立面系統(tǒng)的光伏集成，是綜合運用光伏建筑一體化的技術的集成產品，光伏建筑是利用光伏電池將太陽能轉變?yōu)殡娔?，將建筑外立面以及遮陽與光伏發(fā)電功能相結合，通過產能形式滿足能源需求，屬于太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）的重要應用形式之一。

光伏材料的發(fā)展經歷了多晶硅、單晶硅、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦等等，在建筑立面系統(tǒng)上選擇光伏電池時往往需根據建筑立面效果、透光性、遮陽、太陽能電池的朝向以及光電轉換效率進行較為合適的太陽能電池選擇。

需要注意的是，雖然光伏建筑能夠將太陽能轉變?yōu)殡娔?，但根據焦耳定律：Q=I2Rt（Q為電流熱效應所產生的熱量，單位J；I為電流，單位A；R為電阻，單位Ω；t為時間，單位s），電流通過導體產生的熱量，跟電流強度的平方、導體電阻和通電時間成正比，應特別注意太陽能電池在發(fā)電時產生的大量熱量將影響并降低建筑的節(jié)能性能。所以光伏電池在智慧裝配立面系統(tǒng)中的運用需與通風相結合，通過設置在電池板后的通風通道帶走因發(fā)電產生的熱量，或者直接選用短路電流低但不發(fā)熱的光伏電池產品。

智慧裝配立面系統(tǒng)的系統(tǒng)的另外一個運用是在建筑外立面上建立一個智能調節(jié)的雙層外皮立面系統(tǒng)結構，無論是新建建筑還是既有建筑的節(jié)能改造均可使用此種結構，智慧裝配立面系統(tǒng)之雙層外墻結構如圖4 所示。

圖4 智慧裝配立面系統(tǒng)之雙層外墻結構（來源：作者自繪）

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結構由外層立面墻體、內層立面墻體以及它們之間的熱通道（空氣腔）構成，上下方分別設置通風出風口和通風入風口，用自然通風或機械通風方式在熱通道形成穩(wěn)定的氣流。其中，外層立面墻體也可以設置為光伏組件，并通過內部空氣通風可以帶走發(fā)電產生的熱量。而針對既有建筑來說，可以在不拆除原有建筑外墻的情況下直接外掛外層裝配化外墻（圖4）。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結構具備優(yōu)越的節(jié)能性能，在運用良好的材料與構造設計的情況下可以輕易滿足超低能耗建筑的外立面節(jié)能與智能通風的要求。通過雙層外皮之間的空氣通風流通及空氣對流排出夏季的暖空氣，以達到節(jié)能性能。

中間層空氣的流通的方式分為熱壓通風、風壓通風2 種。熱壓通風是利用太陽照射使雙層外皮之間的空氣加熱產生膨脹，利用此熱壓差產生氣流動力使熱空氣上浮從排風口排到室外。室內外溫差越大，進出風口高度越大，熱壓通風效果就越好。熱壓通風時，通過空氣對流排出暖空氣熱量可通過下式計算[2]：

式中：Q為通過對流方式排出的熱量、單位kW；p為空氣密度、單位為kg/m3，20℃時，p≈1.2 kg/m3；c為 空氣比熱容、單位kJ/（kg?K），當20℃時，c≈1 kJ/（kg?K）；V為氣流量、單位m2/s；ΔT為進入空氣與排出空氣之間的溫差、單位K。

風壓通風是利用進風口與出風口的高度差產生的氣壓差使雙層外皮之間的空氣形成煙囪效應，從而產生空氣流通來排出夏季的暖空氣。一般情況下，雙層外皮立面系統(tǒng)會將熱壓通風與風壓通風同步考慮，以實現(xiàn)更優(yōu)的通風效果。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結構可以根據實際通風情況來進行節(jié)能分析計算，對于良好通風換氣狀態(tài)雙層外的墻熱阻值公式為[3]：

式中：Rcw，v為通風換氣狀態(tài)雙層外墻熱阻值，單位（m2?K）/W；Ucw，1為內層墻體傳熱系數(shù)，單位W/（m2?K）；Rsi為外層墻體內表面換熱阻值，透明部分取0.13 （m2?K）/W，非透明部分取0.11 （m2?K）/W；Rse為外層墻體外表面換熱阻值，取0.04 （m2?K）/W。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結構具備非常優(yōu)越的隔聲性能，可根據對周邊環(huán)境的噪音影響，以確定項目的隔音設計指標。一般情況隔聲性能是通過試驗測量進行確定，也可通過下式進行簡單的計算：

式中：ΔR為雙層墻體整體隔聲量，單位dB；f為外層墻體通風口占整個墻體面積的百分比；R1為外層幕墻封閉部分的隔聲量，單位dB；A為墻體表面每米長度的等量聲音吸收面積，單位m2。

智慧裝配立面系統(tǒng)運用之前掛后通風外墻結構，呼吸式外墻（Vorgeh?ngte Hinterlüftete Fassaden，VHF），其在保溫建筑物和外墻表皮之間有一個空氣層，空氣層確保外表皮的后部持續(xù)通風，并將潮濕和熱量與保溫結構隔開。這種隔離允許在建筑物外部安裝封閉的保溫層，從而使接觸室外氣候并引流雨水的表皮層與建筑外保溫層隔開。和不設空氣層的外圍護結構相比，可在夏季提供更好的隔熱性能，并在冬季提供結構關鍵區(qū)域的防水除濕。有保濕層的外墻，有空氣通風層與通風層的結構對室內外溫差的變化分別如圖5與圖6所示，無空氣通風層的外墻結構的室內外空氣溫差是有空氣通風層的外墻結構的室內外空氣溫差的5 倍，即不帶“背通風”的外墻是帶“背通風”的外墻熱負荷的5 倍，外墻“背通風”結構可以節(jié)能80%左右。

圖5 外墻有空氣通風層的結構對室內外溫差的變化（來源：作者自繪）

圖6 外墻無空氣通風層的結構對室內外溫差的變化 （來源：作者自繪）

前掛后通風外墻結構通常由外表皮、空氣層、保溫層和墻體承重結構組成，因獨特的通風與節(jié)能的結構體系，使其具備防曬隔熱、防雨、保溫、防潮等功能前掛后通風外墻結構的外墻保溫原理[4]如圖7 所示。

圖7 前掛后通風外墻結構的外墻保溫原理（來源：作者自繪）

對于新建建筑，可以將其整合成工廠化生產現(xiàn)場裝配式安裝的雙層皮結構成套系統(tǒng)；而對既有建筑節(jié)能改造時，在保持一定的保溫層厚度并在不損失使用面積的情況下，前掛后通風外墻結構提供了更高要求的節(jié)能改造的可能性。盡管呼吸式外墻構造更復雜，但它是一種理性能更好的建筑物圍護結構。

雖然理論上智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結構與前掛后通風外墻結構可以通過自然通風、熱空氣浮力或機械通風方式在熱通道形成穩(wěn)定的氣流，但是實際上通過自然通風形成穩(wěn)定的氣流非常困難。一般情況下，雙層外皮立面應與建筑自然通風、空調系統(tǒng)同步設計，并應充分考慮通風口的熱壓通風、風壓通風及通過空氣對流排出夏季暖空氣的可行性。而在風壓通風狀態(tài)下，需充分研究進風口與出風口距離及轉角部位湍急氣流形成較強氣壓差而造成的通風氣流。

建立在雙層皮通風基礎上的節(jié)能外立面系統(tǒng)，以及集成光伏、智能通風換氣、前掛后通風外墻結構、智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成化多功能外立面，將智慧裝配立面的系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實。

6 發(fā)展前景

據中國建筑節(jié)能協(xié)會統(tǒng)計，我國建筑碳排放約占全國碳排放總量的50%。通過外立面外墻及門窗流失的能量，約占建筑能耗約50%。我國既有建筑面積已超過600 億m2，而2023年1 ～9 月，我國房地產施工面積累計值約為815688.35 萬m2。但是據相關資料顯示，99%的現(xiàn)有城鄉(xiāng)建筑是高耗能建筑，95%以上的新建建筑是高耗能建筑[5]。因此，無論是現(xiàn)有建筑的外立面節(jié)能改造、還是新建建筑的外立面系統(tǒng)的節(jié)能裝配系統(tǒng)研究，都是建筑節(jié)能非常關鍵的因素，也是整個降碳目標的重要角色。通過研究智慧裝配立面系統(tǒng)，無論對于現(xiàn)有建筑還是新建建筑，都是目前最為經濟有效的途徑之一。根據對立面系統(tǒng)樣本的測算，建筑造價約在5%～10%的節(jié)能成本可實現(xiàn)大約30%～75%的節(jié)能收益。

可見，智慧裝配立面系統(tǒng)可以促進建筑行業(yè)的升級和轉型，系統(tǒng)所采用的數(shù)字化設計和預制構件制造技術，能夠有效提升建筑效率、降低成本、縮短工期，減少對環(huán)境的影響。此外，智慧裝配立面系統(tǒng)行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，還可以提供更多的就業(yè)機會，促進經濟增長，產生良好的經濟效益，可以帶來更多的環(huán)保和可持續(xù)性。系統(tǒng)采用一些低碳材料和可再生能源，可以減少對環(huán)境的污染和破壞，同時也能夠提高建筑的使用效率和舒適度。

7 結語

智慧裝配立面系統(tǒng)的節(jié)能性能對我國建筑節(jié)能工程至關重要，需要在材料、結構、節(jié)能、通風、隔音、裝配工藝上進行綜合的系統(tǒng)研究開發(fā)。部品鑲嵌裝配化插接技術，集成光伏能源轉換、雙層皮通風系統(tǒng)、自然光的運用與智能遮陽系統(tǒng)、智能通風換氣、智能監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能性能及室內空氣環(huán)境為一體的多功能超低能耗裝配式立面系統(tǒng)，可實現(xiàn)碳達峰和碳中和的目標。智慧裝配立面系統(tǒng)還可以提高城市的韌性和適應性，應對氣候變化和自然災害的影響。智慧裝配立面系統(tǒng)在“雙碳”背景下具有顯著的經濟效益和社會效益，可以為建筑行業(yè)轉型升級、環(huán)?？沙掷m(xù)性、城市形象和生活質量等方面帶來積極的影響。

在“碳達峰、碳中和”背景下，綠色建造和智能建造將是我國建筑業(yè)當下和未來的發(fā)展重點，智慧裝配立面系統(tǒng)正成為城市高質量發(fā)展的新助力，這一系統(tǒng)的研發(fā)與發(fā)展，將促進城市建設的綠色、智能和可持續(xù)發(fā)展，推動城市環(huán)境的優(yōu)化和提升。