可變建筑表皮對室內熱環境影響研究

林 琳 廖欣瑤 林躍華 陳 忱

近年來，隨著生活水平的提高，人們對物質條件的需求也隨之提高。其中，空調等高能耗設備的使用數量、頻率和時長急劇增加，導致能源消耗和碳排放也相應增加。《中國建筑節能年度發展研究報告2021 年》中的統計數據顯示，目前空調系統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，空調系統中使用的氫氟烴、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境，使空調的需求量進一步增加[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境進行溝通的載體，應用可變建筑表皮有利于建筑節能減排，契合當前國家提出“碳達峰、碳中和”的“雙碳”新發展理念建設目標[2]。研究建筑表皮技術創新對建筑熱環境的影響，已成為建筑領域的一個研究方向[3]。

本文以廈門大學的“Sunshine”小木屋的熱環境作為具體的研究對象，對其進行可變建筑表皮智能化控制改造，在實踐中運用了建筑學、計算機科學、能源科學、智能控制等相關領域的先進技術，通過分析可變建筑表皮對熱環境的調節作用，結合模擬以及試驗等方法，研究可變建筑表皮對室內熱環境產生的影響，并探索環境熱舒適度的改善方案。

1 可變建筑表皮熱環境的調節原理

1.1 調節太陽輻射量

建筑物所承受的熱負荷主要來源于太陽輻射產生的熱量。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，是影響室內熱環境的主要因素。

對于太陽輻射量調節，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的采光，可以開窗通風，并接受陽光直射輻射；下午時段，由于直射輻射產生大量輻射熱量，應盡量避免太陽光對室內環境熱舒適度產生不利影響。

傳統的遮陽措施相對固定，樣式較為單一，無法根據實際氣候條件進行自動調節。目前，遮陽設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、智能化的方向發展，其變化邏輯也從簡單的旋轉或伸縮，發展為可折疊、位移、多維度旋轉、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計過程與形式特征，使建筑立面成為一種不斷變化的動態系統，賦予建筑表皮新的構造形式。

本文提出的可變建筑表皮遮陽體系，采用智能化控制系統采集室外太陽輻射強度以及室內熱環境因素的變化參數，然后根據不同的室內外環境變化進行動態分析，進而對可變表皮進行實時調節，以建立更理想的室內熱環境，達到節能減排的效果。

1.2 調節通風量

傳統建筑一般通過熱壓通風和風壓通風兩種自然通風方式來調節室內熱環境。當建筑室外氣候較為舒適時，利用自然通風能夠帶走室內多余的熱量，同時引入新鮮的空氣，改善室內熱環境。當建筑室內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，促使室內外的空氣產生流動，這就是熱壓通風現象。當建筑物迎風面和背風面存在空氣壓力差時，也會形成室內外通風現象，這就是風壓通風現象[4-5]。

良好的通風設計有利于調節室內熱環境和改善室內空氣質量。通風量和風速流向的合理調節及其控制可以減少風扇、空調等電器設備的能耗，達到節能減排的效果[6]。

對于夏季，當室外空氣溫度較高時，則關閉新風機和門、窗，開啟風扇、空調等設備進行室內熱舒適度調節；當某區域空氣溫度降到的合適的溫度范圍內時，則開啟新風機和門、窗進行通風換氣。對于冬季，當室外空氣溫度較低時，則關閉新風機和門、窗，以減少室內熱量流失；當室外空氣溫度上升到較舒適的范圍時，則開啟新風機和門、窗進行通風換氣，充分利用白天太陽輻射產生的空氣熱量，通過智能化控制系統，自動控制通風量的大小和室內空氣的流動方向，起到改善室內空氣舒適度的效果。

2 改造策略與分析

2.1 場地分析

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

圖1 空間布局與室內外熱交換的示意關系（來源：作者自繪）

2.2 改造策略

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

在太陽輻射量智能化調節方面，采用自動化、智能化、系統化的建筑技術，綜合室內外熱環境參數調節南立面夏季太陽光輻射量，圖1 的C1、C11、C12、C13 室內位置上分別裝有電動遮陽百葉；中庭頂部設有3 個電動天窗。在控制調節太陽輻射量方面，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 的天窗標注）。中庭天窗玻璃采用新型的節能環保夾膠玻璃，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計層面的綜合性被動式設計策略，在設計中根據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節的容器，可用于調節建筑主要空間的熱環境。在通風量自動控制調節方面，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，分別安裝新風機。以中庭空間作為通風道，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道（見圖1 中的箭頭方向）。

集成的智能化控制系統以LINX-215 設備為主控制器。主控制器一方面接收來自于云平臺、手機端、PC 端的設置參數，另一方面通過MODBUS總線采集來自氣象站、室內外傳感器、儀表的實時傳輸數據，這些參數和數據在主控器內部進行系統分析、比較和處理后，通過LIOB-100 設備，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節。同時，主控制器還根據處理結果通過L-DALI-ME201設備分別控制新風機、空調、燈光的啟停，形成對天窗的風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）

客廳通風量調節方面，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機，充分利用廈門市的夏天主導風向，使客廳形成“穿堂風”式的通風道，提高客廳的通風散熱換氣效率。

2.3 控制措施及分析

由于室內各房間的功能及使用頻率不同，各區域對于熱環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，可以作為室內熱環境調節的熱量儲存容器，調節客廳、臥室等其他空間的熱環境[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行空氣溫度實測，以1 d 為周期測量現場空氣的溫度，實驗數據采集時間為2023 年5 月6 日（立夏），數據采樣間隔為60 min，采集分析室內外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關閉天窗的遮陽簾，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同時打開新風機和廳門，形成如圖1 所示的“客廳―門（M4）―中庭―天窗”和“新風機―中庭―天窗”兩條室內外熱環境調節通風道。

表1 24 h 室內外空氣溫度分布

從表1 可以看出，對于初夏季節，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 ℃，智能化控制系統通過電動開窗器進行開窗通風，并合適控制新風機的開啟量，以便于利用自然風散熱。

從上述研究分析和實測數據得出以下結論：在夏季，可根據室外氣候熱環境中的晝夜變化，相應調節遮陽措施和空間熱交換通道；在冬季，當室內需要熱量時，可以利用中庭與客廳的蓄熱量進行建筑內部空間熱交換。

2.4 模擬分析

為進一步驗證系統設計方案的可行性，利用Revit 和COMSOL 軟件進行模擬仿真試驗。工況條件如下：新風風速為1 m/s，室內測點1 和測點2的溫度均為31 ℃，室外溫度為28 ℃，風速場觀測點高度為1.5 m。在穩態湍流下模擬室內風環境結果（圖3），與智能化系統在實際環境下風速場測試的流通方向及其大小基本一致。結合實測數據和風環境模擬仿真分析，可以得出“客廳―門（M4）―中庭―天窗”和“新風機―中庭―天窗”兩個室內外熱環境通風道的風速場分布，在設定的室內外工況條件下，均有利于自然風的通風散熱[10]。

圖3 風速場模擬分布（來源：作者自繪）

3 結語

可變建筑表皮是對建筑熱環境的一種交互動態調節的過程，根據“氣候參數―計算分析―智能化控制”等步驟來實現建筑對氣候熱環境因素的智能化調節。

本文以廈門大學的“Sunshine”小木屋為例，進行可變表皮智能化控制改造，運用LINX 控制器進行智能化集成控制，以中庭作為熱量緩沖空間，嘗試對小木屋的客廳和中庭進行室內熱環境調節分析。文中采用現場試驗和模擬分析相結合的方法，研究了可變建筑表皮對室內熱環境的改善情況，總體達到了預期效果，能夠為相關研究提供借鑒。