可变建筑表皮对室内热环境影响研究

林 琳 廖欣瑶 林跃华 陈 忱

近年来，随着生活水平的提高，人们对物质条件的需求也随之提高。其中，空调等高能耗设备的使用数量、频率和时长急剧增加，导致能源消耗和碳排放也相应增加。《中国建筑节能年度发展研究报告2021 年》中的统计数据显示，目前空调系统能耗约占我国社会总能耗的21.7%，二氧化碳排放量约为9.9 亿t。此外，空调系统中使用的氢氟烃、氢氟氯烃等制冷剂排出大量的温室气体，会影响全球的气候热环境，使空调的需求量进一步增加[1]。

在国家大力提倡绿色建筑的背景下，建筑物表皮作为个体建筑与外界环境进行沟通的载体，应用可变建筑表皮有利于建筑节能减排，契合当前国家提出“碳达峰、碳中和”的“双碳”新发展理念建设目标[2]。研究建筑表皮技术创新对建筑热环境的影响，已成为建筑领域的一个研究方向[3]。

本文以厦门大学的“Sunshine”小木屋的热环境作为具体的研究对象，对其进行可变建筑表皮智能化控制改造，在实践中运用了建筑学、计算机科学、能源科学、智能控制等相关领域的先进技术，通过分析可变建筑表皮对热环境的调节作用，结合模拟以及试验等方法，研究可变建筑表皮对室内热环境产生的影响，并探索环境热舒适度的改善方案。

1 可变建筑表皮热环境的调节原理

1.1 调节太阳辐射量

建筑物所承受的热负荷主要来源于太阳辐射产生的热量。太阳辐射通过建筑物的门窗、外廊、玻璃幕墙等直射到建筑表皮，是影响室内热环境的主要因素。

对于太阳辐射量调节，通常采用窗帘、百叶、遮阳幕布等简单的遮阳措施来减少阳光直接辐射。由于建筑物在不同时刻对日照需求存在较大差异，对遮阳就有不同的需求。例如，夏季早上太阳光主要影响室内的采光，可以开窗通风，并接受阳光直射辐射；下午时段，由于直射辐射产生大量辐射热量，应尽量避免太阳光对室内环境热舒适度产生不利影响。

传统的遮阳措施相对固定，样式较为单一，无法根据实际气候条件进行自动调节。目前，遮阳设计已逐渐从简易的遮阳板、格栅、窗帘的单一形式，逐渐向新材料、组合式、多维度、智能化的方向发展，其变化逻辑也从简单的旋转或伸缩，发展为可折叠、位移、多维度旋转、充气及相变等多种新建筑材料组合形式。其中，可变建筑表皮遮阳体系改变了建筑表皮的设计过程与形式特征，使建筑立面成为一种不断变化的动态系统，赋予建筑表皮新的构造形式。

本文提出的可变建筑表皮遮阳体系，采用智能化控制系统采集室外太阳辐射强度以及室内热环境因素的变化参数，然后根据不同的室内外环境变化进行动态分析，进而对可变表皮进行实时调节，以建立更理想的室内热环境，达到节能减排的效果。

1.2 调节通风量

传统建筑一般通过热压通风和风压通风两种自然通风方式来调节室内热环境。当建筑室外气候较为舒适时，利用自然通风能够带走室内多余的热量，同时引入新鲜的空气，改善室内热环境。当建筑室内外存在空气温度差时，通过空气的密度差形成空气间的气压差，促使室内外的空气产生流动，这就是热压通风现象。当建筑物迎风面和背风面存在空气压力差时，也会形成室内外通风现象，这就是风压通风现象[4-5]。

良好的通风设计有利于调节室内热环境和改善室内空气质量。通风量和风速流向的合理调节及其控制可以减少风扇、空调等电器设备的能耗，达到节能减排的效果[6]。

对于夏季，当室外空气温度较高时，则关闭新风机和门、窗，开启风扇、空调等设备进行室内热舒适度调节；当某区域空气温度降到的合适的温度范围内时，则开启新风机和门、窗进行通风换气。对于冬季，当室外空气温度较低时，则关闭新风机和门、窗，以减少室内热量流失；当室外空气温度上升到较舒适的范围时，则开启新风机和门、窗进行通风换气，充分利用白天太阳辐射产生的空气热量，通过智能化控制系统，自动控制通风量的大小和室内空气的流动方向，起到改善室内空气舒适度的效果。

2 改造策略与分析

2.1 场地分析

“Sunshine”小木屋位于厦门大学思明校区曾呈奎楼南侧，包括客厅、卧室、餐厅、卫生间、设备间及中庭等，建筑面积约97.9 m2，客厅和卧室朝南，面宽为11.9 m。在原有结构上进行部分改造，空间的平面布局如图1 所示。由图1 可知，客厅的南立面设有2 个采光窗，卧室南立面设有一个窗户，便于南面采光和夏季通风散热。中庭平面形状为“T”字型，位于客厅、卧室与餐厅之间，形成南北两区域的过渡通道空间。南面朝向夏季主导风向，可与中庭形成较好的穿堂风效果；中庭的中间交汇处设置可开启天窗，可用来引导室内热空气向上排出室外[7]。

图1 空间布局与室内外热交换的示意关系（来源：作者自绘）

2.2 改造策略

基于绿色建筑热环境智能化控制、可变建筑表皮热环境影响研究、虚拟仿真等课题研究成果，通过综合室内外热环境参数分析的智能化控制，对新风机、电动遮阳装置等可变建筑表皮的优化设计和实时调节，以满足绿色低碳建筑的总体策略[8]。与传统的建筑表皮相比，可变建筑表皮能够更好地适应不断变化的气候环境，对改善室内的环境舒适度和节约能源均具有直接影响。

在太阳辐射量智能化调节方面，采用自动化、智能化、系统化的建筑技术，综合室内外热环境参数调节南立面夏季太阳光辐射量，图1 的C1、C11、C12、C13 室内位置上分别装有电动遮阳百叶；中庭顶部设有3 个电动天窗。在控制调节太阳辐射量方面，卧室和客厅的南立面窗户安装电动遮阳百叶，并增加中庭3 个天窗的电动蜂巢遮阳帘（见图1 的天窗标注）。中庭天窗玻璃采用新型的节能环保夹胶玻璃，这种玻璃能够反射99%的红外线[9]。

缓冲空间是一种基于建筑设计层面的综合性被动式设计策略，在设计中根据不同建筑空间的作用，保留一定的过渡辅助空间作为不同空间热交换调节的容器，可用于调节建筑主要空间的热环境。在通风量自动控制调节方面，如图1 的C8、C11、C13 位置上分别安装电动开窗器，既可为中庭空间提供天然采光照明，又可作为散热通风道。此外，在图1 的M1、M3 门上和客厅的北面墙上方，分别安装新风机。以中庭空间作为通风道，充分利用中庭的热量缓冲空间作用，形成中庭东、西、南三面与天窗的通风道（见图1 中的箭头方向）。

集成的智能化控制系统以LINX-215 设备为主控制器。主控制器一方面接收来自于云平台、手机端、PC 端的设置参数，另一方面通过MODBUS总线采集来自气象站、室内外传感器、仪表的实时传输数据，这些参数和数据在主控器内部进行系统分析、比较和处理后，通过LIOB-100 设备，控制继电器组分别对电动遮阳百叶、电动开窗器、电动窗帘等实施控制调节。同时，主控制器还根据处理结果通过L-DALI-ME201设备分别控制新风机、空调、灯光的启停，形成对天窗的风压散热和更换新鲜空气，如图2 所示。

图2 智能化控制思路（来源：作者自绘）

客厅通风量调节方面，在客厅南面两个窗户上装有电动开窗器，并在北面墙上方装有电动格栅新风机，充分利用厦门市的夏天主导风向，使客厅形成“穿堂风”式的通风道，提高客厅的通风散热换气效率。

2.3 控制措施及分析

由于室内各房间的功能及使用频率不同，各区域对于热环境舒适度的需求也存在差异。对于生活居住空间，客厅使用频率较高，同时需要较好的室内热舒适度。相对而言，作为辅助空间的中庭位置，在过渡空间使用热容量较大的石墙材料装饰中庭的同时，可以作为室内热环境调节的热量储存容器，调节客厅、卧室等其他空间的热环境[10]。

以中庭中间（测点1）、客厅（测点2）和“Sunshine”小木屋南门前广场为例进行空气温度实测，以1 d 为周期测量现场空气的温度，实验数据采集时间为2023 年5 月6 日（立夏），数据采样间隔为60 min，采集分析室内外24 h 的空气温度变化状况如表1所示。从中庭的空气温度可以看出，由于10:00—17:00的太阳高度角较大，对中庭天窗辐射作用较为明显，使中庭空气温度快速升高，大量增加中庭热量，宜由智能化控制系统关闭天窗的遮阳帘，减少太阳的直射辐射；17:00—18:00 时，可开启天窗，形成中庭散热通道，提高中庭空间的换热效率；18:00—24:00 时，则由智能化控制系统同时打开新风机和厅门，形成如图1 所示的“客厅―门（M4）―中庭―天窗”和“新风机―中庭―天窗”两条室内外热环境调节通风道。

表1 24 h 室内外空气温度分布

从表1 可以看出，对于初夏季节，00:00—08:00 和14:00—24:00 共计18 h 的室外空气温度均低于室 内两个测点的空气温度。其中，室外00:00—08:00 和18:00—24:00 共 计14 h 的温度均低于28 ℃，智能化控制系统通过电动开窗器进行开窗通风，并合适控制新风机的开启量，以便于利用自然风散热。

从上述研究分析和实测数据得出以下结论：在夏季，可根据室外气候热环境中的昼夜变化，相应调节遮阳措施和空间热交换通道；在冬季，当室内需要热量时，可以利用中庭与客厅的蓄热量进行建筑内部空间热交换。

2.4 模拟分析

为进一步验证系统设计方案的可行性，利用Revit 和COMSOL 软件进行模拟仿真试验。工况条件如下：新风风速为1 m/s，室内测点1 和测点2的温度均为31 ℃，室外温度为28 ℃，风速场观测点高度为1.5 m。在稳态湍流下模拟室内风环境结果（图3），与智能化系统在实际环境下风速场测试的流通方向及其大小基本一致。结合实测数据和风环境模拟仿真分析，可以得出“客厅―门（M4）―中庭―天窗”和“新风机―中庭―天窗”两个室内外热环境通风道的风速场分布，在设定的室内外工况条件下，均有利于自然风的通风散热[10]。

图3 风速场模拟分布（来源：作者自绘）

3 结语

可变建筑表皮是对建筑热环境的一种交互动态调节的过程，根据“气候参数―计算分析―智能化控制”等步骤来实现建筑对气候热环境因素的智能化调节。

本文以厦门大学的“Sunshine”小木屋为例，进行可变表皮智能化控制改造，运用LINX 控制器进行智能化集成控制，以中庭作为热量缓冲空间，尝试对小木屋的客厅和中庭进行室内热环境调节分析。文中采用现场试验和模拟分析相结合的方法，研究了可变建筑表皮对室内热环境的改善情况，总体达到了预期效果，能够为相关研究提供借鉴。