建筑表皮动态保温技术研究＊

金倩

同济大学建筑与城市规划学院，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

建筑围护结构在经历了几个世纪的发展之后，从最初的封闭室内空间，逐渐转化为能更多地向室外开敞；从功能上将室内外隔绝，逐渐转向适应室外环境以调节室内环境。如今，我们更倾向于把建筑的围护结构称为“表皮”，希望它可以像皮肤一样具有一定程度的适应性和调节能力。正如Van der Aa[1]所述：“适应性的建筑表皮，应以一种全方位可控的方式，来应对室内外环境的变化以及使用者的影响，在最优室内条件与环境性能之间保持适宜的平衡。”

建筑围护结构动态保温技术，使得围护结构的保温传热性能在一定范围内可调节，从而提高室内环境的热舒适度，降低建筑的供暖、制冷能耗。本文针对建筑动态保温技术展开讨论，将近年来比较典型的研究成果根据工作原理分类研究，并对动态保温技术在夏热冬冷地区办公建筑表皮的节能效果进行模拟分析，从设计应用的角度给出具体建议。

1 动态保温技术

1.1 加设可移动保温隔热层

在动态保温技术中，相对简单、易操作的是将部分或全部保温层设计为可移动式，在需要高热阻的保温工况时打开或移出使用，在需要低热阻的传热工况时收起或移开。

上海市建筑科学研究院的郑竺凌等[2]发明了一种应用于高发热量建筑的传热系数可变的高能效围护结构，由高传热系数围护结构、低传热系数围护结构、低传热系数结构收放和控制系统组成。在室外温度低于室内温度时,低传热系数围护结构收起，建筑围护结构传热系数升高，促进室内热量传向室外；在室外温度高于室内温度时,低传热系数围护结构打开，起到隔热作用。其中，低传热系数结构还可分几部分逐个收放[3]，从而更精准地适应室内外的温度变化。

Gruner和Matusiak[4]把传热系数为0.007W/（m2·K）的真空保温板通过滑动导轨安装在玻璃窗内侧，并通过实验证明当保温板移动至与窗重合时，可将U-值从双层玻璃窗的1.98W/（m2·K）降至0.91～1.17W/（m2·K）。

由于移动保温层与低热阻表皮之间相互脱离，空气可以在两层材料之间自由流动、进出传递热量，因此在移动保温层打开使用的状态下，围护结构整体传热系数的降低程度会受到一定限制。同时，如何既保证热工性能，又使移动保温层在收合过程中对建筑立面与室内墙面使用功能的影响最小化，也是需要考虑的问题。

1.2 控制保温层内气体运动状态

1.2.1 控制气体宏观运动

气体的对流可分为由外力驱动的强制对流和由气体各部分温差导致密度差而引起的自由对流。控制气体的宏观运动状态，可利用气体的对流，将热量从温度高的区域传递到温度低的区域；也可利用处于相对静止状态的气体，形成保温层，阻隔热量的传递。

1 闭合回路动态保温系统

2 半透明可调U-值外墙构件

3 气体层在不同厚度下的导热系数（标准大气压，温度为300K）（根据气体导热系数计算公式[13]绘制）

4 可收合式可变保温应用于玻璃窗

5 气体在不同压强下的导热系数（孔隙直径分别为10mm 和100nm，温度为300K）（根据气体导热系数计算公式[13]绘制）

6 木结构住宅动态保温技术

Koenders等[5]提出的闭合回路动态保温系统（图1）由含有内置通风器的闭合通风层包裹保温层构成。在传热模式下，通风器开启，对内部空气形成强制对流；在保温模式下，通风器关闭，空气强迫对流中止，形成保温层。模拟结果显示，该系统可将室内热不舒适时间减少72%～90%，并节约16%～22%的供暖能耗。

Pflug等[6]利用保温层材料在空气层中的相对位置变化，控制气体对流传热，从而调节传热系数（图2）。在传热模式下，保温层下移，构件在剖面上形成一个“回”字形通路，空气在温度相对较高的一面受热上升形成自然对流，促进热量循环，热阻降低；在保温模式下，保温层材料顶部与空气层顶部接触，构件内部空气对流循环路径被切断，热量循环得到抑制，热阻升高。通过这种方式，可使U-值在0.8W/（m2·K）和1.71W/（m2·K）之间进行切换。经过优化后，该技术可降低33%的制冷能耗。

1.2.2 控制气体微观运动

由于气体具有粘滞性，当气体层的厚度很薄时，主要通过分子无规则热运动传递热量，此时气体的导热系数比较低；当气体层厚度在一定范围内逐渐增加时，气体当中分子碰撞引起的对流传热逐渐增大，导热系数随之增大[7]（图3）。

利用这个原理，Pflug等[8]提出一种保温卷帘（图4），卷帘由10层12μm厚、相间9mm的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）薄膜构成。薄膜将原有的空气层切割成多个薄层，抑制对流传热，从而起到保温效果。卷帘系统的控制机制与1.1节中郑竺凌等的设计思路一致，可将U-值在0.35W/（m2·K）和2.7W/（m2·K）之间切换，降低30%的能耗。

与此类似，Kimber等[9]也通过设置多层薄膜抑制薄膜间的空气对流传热从而获得保温状态。不同的是，薄膜层可以进一步被压缩，排出空气，通过保留固体热传导的方式获得高传热系数。该研究还对薄膜材料、层数、间距等关键设计参数做了详细计算与讨论，使U-值在0.3W/（m2·K）和8.5W/（m2·K）之间切换。

无论采用何种方式，促进气体对流都可以显著提高其传热能力，抑制气体的对流则可以显著提高其隔热能力。这类技术的优势在于，可以通过精准控制气体运动状态，使气体层的传热系数在较大范围内变化。

1.3 控制保温层内气体压强

在一定范围内，气体分子密度随压强的减小而变小，分子间碰撞的减少使气体的传热系数降低（图5）。传统的真空隔热保温板就是基于此原理。另外，将保温板中的填充物用带有微小孔隙的材料代替，也有助于进一步提高气体隔热性能。Axel等[10]通过改变纳米材料的纳米级微孔中气体的压强，来改变材料的导热系数。研究表明，当气压在1～100kPa变化时，气相二氧化硅和气凝胶的导热系数可以分别被改变3倍和近2倍，节能效果可提高20%。

理论上，这类技术可以利用真空获得极低的传热系数，因此在所有动态保温技术中可达到的保温效果最好。但是在实际应用中，由于需要搭配抽真空设备、气压监测仪器和相关密封防漏防渗措施，因此成本较高。

1.4 引入新传热媒介

在部分围护结构各构造层材料不变的基础上，可以通过引入新的传热媒介来改变围护结构的传热系数。Aya等[11]在木结构建筑围护结构室内石膏板上穿小尺寸通风孔，在保温模式下，通过建立室内外气压差，将室外空气通过围护结构保温层的多孔隙材料吸入室内，空气在进入室内的过程中被原本由室内流失到室外的热量加热，起到热量回收的作用；在传热模式下，通风孔关闭，利用较大洞口处的空气对流促进传热（图6）。该技术在保温和传热模式下所对应的等价U-值分别为1.99W/（m2·K）和2.26W/（m2·K）。经过现场测试，此方式可降低42.6%的围护结构表皮的热损失。

石茜茜[12]提出一种利用充水夹层作为传热系数调节层的变传热系数墙体，该调节层可随室外气温变化，通过调节充水高度和水温改变热阻。其低热阻工况的等价传热系数为0.024～0.038W/（m2·K），高热阻工况的等价传热系数为0.102～0.180W/（m2·K）。

以上两个例子都需要配合相关设备（前者配风机和气压监测仪器，后者配水循环储存加热设备）才能应用。另外，前者还需对既有围护结构材料进行穿孔改造，对施工质量提出了较高要求。

2 动态保温技术在夏热冬冷地区办公建筑中的节能效果研究

7 不同朝向办公室全年供暖与制冷能耗对比

8 南向办公室全年各月份供暖与制冷能耗对比

选取上海地区办公建筑中一间办公室房间作为典型单元进行模拟。房间大小为4.5m（宽）×4m（深）×4m（高），除一个立面以外的其他面相邻的空间与计算单元之间保持着同等的室内环境，即其他各面无能量交换发生。外立面窗墙比为40%，透明部分传热系数为2.8W/（m2·K），遮阳系数为0.45。能耗模拟相关热工参数与室内能耗密度设定参考《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[14]。办公室内人员数量为2人，设备发热量15W/m2，灯光发热量为11W/m2，新风量为30m3/（h·p）；供暖期为11月1日至次年2月28日，制冷期为4月1日至9月30日；室内设计温度分别为20℃（供暖）和25℃（制冷），空调系统综合COP为3.2，采暖系统综合COP为2.3。

因Kimber等[9]提出的动态保温技术U-值变化范围较大，所以在本次模拟中将该技术用于非透明部分，即非透明部分的保温与传热工况下的U-值分别为0.3W/（m2·K）和8.5W/（m2·K）。当室外温度＜室内温度且室内温度≥25℃时，或当室外温度＞室内温度且室内温度≤20℃时，非透明部分为传热工况，其他情况下为保温工况。作为参照设计，外墙非透明部分传热系数设定为固定值0.7W/（m2·K），其他条件均不变。

利用EnergyPlus 9.2软件，对东、西、南、北四个朝向的全年供暖与制冷能耗进行模拟，结果如图7所示。由结果可知，动态保温材料的运用使供暖能耗有较大程度降低，而对制冷总能耗影响不大。其中，供暖能耗在四个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，约为4%。对比南向办公室的各月份能耗可知（图8），供暖期每个月的供暖能耗节能均在15%～16%，制冷期中7、8月份制冷能耗节能均在3%左右，其他月份效果不明显。制冷能耗的降低主要发生在全年最热的7、8月份，而供暖能耗降低程度在整个供暖期内各月份基本相当。

3 从设计应用角度出发的几点建议

3.1 注重因地制宜

正因为单一保温性能材料无法满足不断变化的室外环境条件和室内环境需求，人们才开始探索动态保温材料与技术。而受不同的气候条件、建筑类型、朝向、室内人为活动因素等影响，对动态保温材料与技术的相关技术参数也提出不同的要求。因此，动态保温表皮在保温、传热工况下的不同传热系数的设计值，需根据实际设计条件来确定，以此作为材料、技术选择和进一步设计的重要依据。

3.2 优化控制策略

对于动态保温表皮来说，是否能够合理控制相关参数的动态变化，是技术设计与应用能否成功的关键。本文因篇幅限制，在第2节中仅分析了以室内外温度变化为主导的控制模式。然而在实际设计过程中，设计者应在多种控制模式中，如温度控制（室内外温度、室内外温差、表皮内外表面温度等）、太阳热辐射量控制、舒适度控制、模型预测控制等，通过优化对比选择最佳控制模式。同时需要考虑调控频率和调控幅度（是否分级调控）对整体效果的影响以及不同工况之间转换时效对建筑热环境的动态影响。

3.3 全生命周期综合考量

本文所讨论的动态保温材料与技术大多仍处于概念或实验室研发阶段，而一项完善的技术应该在整个生命周期中的总体环境效益、经济效益和社会效益上都达到优势平衡。因此，从实际应用的角度出发，除了关注技术热工性能之外，还需对其全生命周期中每个阶段进行全面的研究与设计，包括生产（尤其是相应的生产设备）、运输、施工、维护、拆除与回收。

4 结语

适应性建筑表皮的形式多种多样，对于动态保温表皮而言，其本质是在动态的室内外环境温度变化中，将有益的热量导入并保持在室内，将不利的、过量的热量阻挡在室外。本文在对动态保温表皮技术分类讨论的基础上，模拟计算了该技术在上海办公建筑中的节能效果，并从设计应用的角度给出具体建议，为动态保温表皮从产品研发到实践应用提供参考借鉴。

图片来源

图1 来源于文献[5]；图2 来源于文献[6]；图3 根据文献[13]绘制；图4 来源于文献[8]；图5 根据文献[13]绘制；图6 来源于文献[3]；其余图片为作者自绘。