生产型建筑表皮模组节能性能研究*

张 勇， 李 哲，张玉坤

1 背景与问题

随着全球城市化的快速发展，越来越多的世界人口生活在城市之中[1，2]，预计到2050 年，世界城市人口占比将超过66%（约62.7 亿）[3]。作为世界人口大国，据国家统计局公开发布数据显示，近年来我国人口城市化水平也在持续快速增长，并于2019 年突破了60%，增长速度远超世界平均水平[4]。城市发展已经成为了社会进步和人居环境质量的重要标志，但其同时也面临着诸如高能耗、重拥堵、生态环境难以改善等日益严重的城市病，是可持续发展的重要阵地。自1987 年WCED 发表了报告《我们共同的未来》，定义了“可持续发展”概念之后[5-8]，可持续发展就逐步变成了城市的新的发展策略和模式，并日益成为学界的研究热点之一。随着城市发展的日益复杂，“生态城市”、“绿色城市”等理论首先被提出和逐步走向完善，其核心思想就是可持续发展。再到20 世纪90 年代中后期，“新都市主义”、“精明增长”[9，10]和“紧凑型城市”[11-14]概念的相继提出和完善，城市发展的原则和原理不断得到完善和细化，各种城市发展理论日新月异，都在各自的方向上对城市的可持续发展进行探索，并且努力在城市建设过程中探索和实践，并不断丰富和完善。

进入21 世纪以来，在各种可持续城市发展理论的基础上，一种新的改变城市属性的发展模式逐步走向成熟和完善——生产性城市。该理念致力于改变传统城市的单一消费属性，力求有机整合农业生产、能源生产、社会与文化资本开发与再利用等多种功能于一体的多层次城镇体系；在每个层次的最小范围内开源节流并举，积极主动地进行绿色生产，力求最大限度自给自足，实现城市的可持续发展[15]。

随着城市农业的发展，利用城市农业在城市内生产食品提高了农业绩效，有助于资源较少的弱势群体的食品安全。越来越多的城市将都市农业视为提高城市地区粮食系统可持续性和恢复力的一条有希望的途径，事实证明，提高建筑物的生产性能对于缓解能源短缺的压力非常有效。在美国，隶属于生产性城市的都市农业甚至已经成为城市更新规划的重点[16]。生产性城市可持续性发展模式都被广泛视为一条极具潜力的城市可持续发展道路。然而，实现城市的生产性更新是一个极具挑战的全新课题，其发展和完善面临着从单体建筑到城市社区，再到城市区域等一系列生产性更新策略和技术体系的构建，特别是在用地和空间均非常局促的城市中，整个城市的生产性更新体系的构建更加需要系统和详尽的各层级研究。

在城市各类现有闲置空间中，屋顶和建筑墙体是天然的更新主体，而且与有限的建筑屋顶相比，得益于各类建筑墙的面积始终大于屋顶的面积[17]。建筑墙体具有更大的潜在更新改造面积和丰富的天然采光优势。在当前的研究中，墙体具有不与城市用地发生冲突的优势，而且对其功能的挖掘也证明了其可以在城市更新中发挥重要的作用，但有关具有生产功能的生产性建筑表皮的研究尚鲜见报道，与之相关的研究多聚焦于无防护性的垂直绿化及其其景观功能。在此背景下，本研究充分发挥城市环境中各类空间的自身资源禀赋，结合生产性城市的总体理念和发展目要求，有机结合生物对生产环境的需求特性，提出了“生产性建筑表皮系统”（Productive Architecutral Surface System-PASS）的构建模式。

对于PASS 的研究可以分为以下几个方面，首先，其对于建筑室内采光和通风，以及室内气流的循环会产生直接的影响；其次，新系统会改变建筑局部的热工性能，进而影响建筑的节能；第三，其对室内的观景效果和生产性能的发挥也是其研究的重要方面。但是，PASS 作为建筑的围护结构，其整体的热工性能直接决定了未来建筑的能耗，是其首要的性能指标，是其他各类研究的基础，因此需要先行研究。

建筑能耗在发达国家一般占全国总能耗的30%～40%，例如在美国，建筑的耗能约占社会总耗能的39%[18]。我国的建筑能耗也处于世界耗能大国之列，根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》，全国建筑总能耗已达33%，其中运行能耗占比22%，建造能耗占比11%[19]，建筑能耗长期以来一直都是牵动社会全局发展的重大问题。在建筑的运行能耗中，如果按照传热形式来分类，建筑围护结构传热损失占主导地位，大约占总耗热量的73%～77%。而按照建筑构件来分类，窗的传热损失加上其空气渗透耗热量就占建筑全部耗热量的50%[20]，因此，如何有效降低透明围护结构的散热对于改善建筑的整体能耗水平具有关键的作用。

PASS 是依托建筑墙体的创新建筑围护结构，不仅需要具备完备的食物、能源生产性能和对室内自然采光环境的调节功能[21，22]，其节能性能也是其重要的性能指标之一。综上分析，在生产性城市的微观领域，亟待探索生产性空间与建筑本体的空间组织形式，并需要对其节能性能进行明确，进而为建筑的生产性更新提供理论依据和技术支撑。

2 建筑生产型建筑表皮模组构建

2.1 建筑生产型建筑表皮模型构建

在我国的城市环境中，既有建筑的更新是实现生产性城市可持续发展目标的有效途径之一。在前期的研究中，针对生产性建筑空间的人和植栽的双主体特点，结合建筑结构、内部光、温、气流等综合环境要求，本文研究者构建了单元化的生产型有机建筑表皮单元（PASS）[23]；并在前期的探索中，对其光热、生产性能进行了细致的研究和分析。PASS 与建筑本体结合的方式如图1 所示。基于上述的设计，在将维护功能和生产功能结合在一起的建筑表皮系统设计中。可以满足城镇居民在城市中种植植栽，提供必要的食物补充。

图1 为生产型建筑表皮单元（以下简称单元）的概念（实验舱）模型，该单元以加建的形式敷设在建筑外表皮，可分为与建筑窗户结合或者墙体结合的方式。

生产型建筑表皮单元本身由上中下三个部分构成，最上部为太阳能光热、光伏组件，该组件为建筑提供必要的电能和热水，同时该组件也辅助调控建筑内部采光和为下部的植栽提供遮阴，并通过基于光学分析的设计实现其对建筑内部光环境的响应。单元中部为植栽生长空间，综合建筑采光、太阳能采集、植栽生长等多重因素，该空间采用倒三角型剖面，实现其对空间综合要求的响应。单元最下部为水产养殖空间，该空间与中部的植栽空间共同构成鱼-菜共生系统，实现微型的生态种养系统。

2.2 生产型建筑表皮模组与居住单元整合模式

PASS 单元模组以加建的模式敷设在居住单元南向窗户或开放的阳台外侧，图2 为生产型建筑表皮模组与居住单元整合模型。生产型模组的敷设，变原建筑的单层表皮为双层腔体建筑表皮结构。居住单元整合模组秉承PASS 概念模型的基本要素，在此基础上， 进一步考虑了建筑层高、上下采光遮挡、通风等综合因素的影响。图2 所示的居住单元整合模式可以实现PASS 光伏发电与植栽遮光的统一，上下层之间通过采光分析可以消除组件间的遮光影响，通风窗的设计可实现PASS 全天候三段式自然通风。PASS 下部的出储水空间不但给水产养殖提供了空间也为上部的水培蔬菜提供了营养液，支撑了PASS 内的鱼菜共生（Aquaponics）。

2.3 生产型建筑表皮模组性能分析

通过以上的前期设计，实现了PASS 模组与居住单元的有机融合，而融合之后PASS模组对居住单元的采光、通风以及建筑围护结构的保温隔热性能的影响就是不得不深入研究的内容。对于居住单元的采光、通风等性能的影响，团队已在前期的研究中针对PASS 与建筑采光和其生产性能进行了研究，研究结果表明，除在一些外部光照条件非常不利的条件下PASS 的采光性能稍弱外，在通常情况下，整合PASS 模组后，建筑内部的整体采光舒适度得到了有效的提高。而且，整合PASS 后，建筑立面对其外部的光污染得到了有效地控制。但前期的研究中并未对其作为建筑围护结构的动态传热特性和其保温隔热性能进行深入研究，相关的性能尚不明确，为此，本文搭建了试验平台，开展了PASS 热物理性能的专项研究。

图1 PASS 模组与建筑本体的空间融合模式图

图2 PASS 模组与单元式住宅建筑空间融合图

3 生产性建筑表皮系统节能性能试验

3.1 试验仪器和方法

多点温度数据采集，Agilent 34970A 数据自动采集仪（美国Agilent 公司），T 型热电偶温度传感器（精度±0.2 ℃）。空气温湿度计：HOBO MX2301A 空气温湿度记录仪，（美国ONSET 公司），温度测量范围-40℃～70℃，温度精度±0.3℃；湿度测量范围0 ～100%RH，湿度精度3%RH。多功能快速导热系数仪DRE-Ⅲ（湘潭湘仪仪器有限公司），导热系数测定范围0.005 ～50W/mk，热扩散系数0.1 ～100mm2/s，相对测量误差≤3%，重复性误差≤3%。高精度热流数据采集器HFM-8（法国Capte 公司），热流测定范围-200Kw/m2～200 Kw/m2，温度测定范围-180 ～300℃，相对测量误差≤3%。TESTO 875-2i pro 红外热像仪（德国德图），探测器尺寸160 x 120 像素 = 19,200 个温度测点，结合德图Super 红外超像素功能及专业红外软件，可将图像质量优化至320 x 240 像素，热灵敏度：＜ 0.05℃，具备冷/热点自动追踪，测量表面温度并换算及直接显示表面湿度分布图像。试验采用的方法为防护热箱法，研究基于热流法导热分析，进而研究PASS 与室内界面以及各种不同墙体的传热特性。

3.2 试验平台搭建

（1）人工低温环境气候室实验平台

如图3 所示，试验所依托的人工低温环境气候室平台具备5 个实验舱口，内部为连通的高绝热防护腔体（100mm 高密度聚氨酯保温层），可实现统一的内部环境调控（可模拟-45℃以内的，全国各地冬季室外温度环境），在本试验中，该实验平台模拟北京冬季的计算室外温度环境。单个试验舱口尺寸1000×1000mm，可独立安装不同结构的测试墙体。每次可以同时开展5 个墙体的试验。试验平台由计算机自动控制，可以确保内部环境条件的多次一致重复。

（2）试验墙体搭建

本次实验设计9 种建筑围护结构类型，首先，本实验平台以1 ∶5 比例构建了PASS 系统的缩尺模型，并在其内部放置了等比例的水体（模拟Aquaponics），其结构构造如图4a 所示；其次，是多数既有建筑墙体所具有的240mm 厚烧结普通砖墙结构，该墙体的结构构造如图4b 所示；第三，为了科学对比PASS 的节能性能，本研究搭建了两种当前住宅建筑普遍采用的外墙结构，烧结多孔砖砌体墙+外保温和混凝土小型空心砌块+外保温[24]，具体墙体结构分为两种类型，其中未敷设外保温的墙体构造见图4c，图4d；按民用建筑外墙规范敷设外保温的腔体构造见图4e，图4f；第四，本研究设置了未整合PASS 系统的3 种建筑采光围护结构，该实验设置三种中空玻璃结构形式，5+6A+5 双层中空玻璃（以下简称双层中空玻璃）、5+6A+5+6A+5 三层中空玻璃（以下简称三层中空玻璃）和5+6A+5+空腔（118mm）+5+6A+5 中空玻璃双层窗（以下简称中空玻璃双层窗），构造结构详见图4g。

（3）实验方法

本实验研究采用一种冬季环境，五种墙体类型、四种采光围护结构的实验方法。基础墙体类型包括：240mm烧结普通砖墙、190mm 空心砌块墙、240mm 烧结多孔砖墙；墙体保温构造为墙体外保温[25]；采光围护结构包括PASS，以及其它三种不同类型的中空玻璃。实验中，每个工况重复实验并截取1day 的数据，然后分组对比分析的实验方法，具体方法如下所述。为提高研究对于我国北方气候的适应性和代表性，实验研究的冬季温度环境采用我国北京的冬季室外计算温度（-9.9℃）[26]。

图3 建筑围护结构热工性能实验平台

图4 试验建筑围护结构构造图

墙体热性能实验I：所有墙体均不敷设外保温，在不敷设内外保温层的墙体结构下，测试不同墙体围护结构的基本保温性能；形成PASS 模组与建筑墙体结构的热工性能的基础数据；

墙体热性能实验II：仅对烧结多孔砖墙与混凝土空心砌块墙体敷设外保温结构，具体结构见图4c，图4d；中空玻璃采用3 层中空玻璃，具体结构详见图4e；通过本实验，获得PASS 与居住建筑外保温墙体的热性能对比数据；

墙体热性能实验III：所有墙体结构与实验II 相同，但与PASS 冬季运行状态一样，将PASS 实验模组中的水温维持在20℃度，模拟在冬季环境下，PASS 的正常运行状态，该状态简称PASS-Antifreesing；通过本实验，获得PASS 在冬季维持正常生产时，与居住建筑外保温墙体的热性能对比数据；以上所有实验重复3 次，待所有实验数据稳定后采用Origin 进行图表分析。

4 结果与分析

4.1 实验平台各空间温度环境结果与分析

（1） 实验空间温度变化分析

在实际工况中，建筑所面临的外部环境一般以自然日为步长周期重复。因此，在多次实验后，截取实验从开始降温到数据收敛的过程（1day，1440min），数据分析如图5 所示。

图5 表示了实验平台各功能空间的温度变化，从图中可以得到，室内温度（模拟建筑的室内环境）维持在稳定的26℃，代表稳定的室内环境。而实验腔内温度（模拟建筑室外环境）从和室内温度相同开始，逐步降低到-10℃，在降温到达设计温度后维持在-10℃。PASS-Inner 与PASS-Antifreesing 分别代表处于不加温（自然节律运行）和水体加温（适宜生长环境运行）两种工况下的PASS 内温度；从图中可知，PASS-Inner 的温度随着外界温度的下降，持续降低，在1day 的降温过程中逐步趋近于0℃，而相比之下，PASS-Antifreesing的温度开始随着外界温度的下降而下降，在PASS 是室内温度接近10℃时，开始稳定在该温度点，不再持续下降，而该温度可保障绝大部分的喜温植栽的正常生长和发育，保障PASS 生产功能的发挥。图5 中，Aqua 与Aqua-Living 分别代表处于不加温（自然节律运行）和水体加温（适宜生长环境运行）两种工况下的种植槽内的水体温度，从图中可知，Aqua 的温度随着外部的温度下降和低温的持续，其水温不断降低，在1day 的时间中其水温降低至6℃，而这一温度条件下，大部分的植栽会出现不可逆的冻害。而相比之下，处于适宜生长环境运行工况下的Aqua-Living 其水温始终保持在20±2℃，该温度既处于植栽根区的适宜温度范围，也是Aquaponic 系统中鱼类生存发育的适宜温度，可保障系统的正常运行。

（2）实验围护结构界面温度场分析

经过一个完整降温周期的实验，实验墙体表现出明显的表面温度场差异，具体如图6 所示，其中图6a 表征了实验墙体与室内界面的温度场，P1、P2 分别代表了不同位置的温度剖面线，图6b 表征的是两条温度剖面线所反映的平均温度剖面。

图5 实验平台各功能空间温度曲线

图6 PASS 与无保温墙体室内界面温度场对比图

从图6 的可以直观地得到，界面温度最低保持在15.5℃以上，最高为21.8℃。整体的室内界面温度趋势表现为PASS ＞240mm 多孔砖墙＞240mm 砖墙＞190mm空心砌块墙，PASS 的热工性能优于本研究中的无敷设保温层的其他砌块墙体。

但在实践中，除既有建筑中大量存在无保温的240mm 砖墙外，多孔砖墙大都敷设有保温层，而且为了增加保温性能，中空玻璃双层窗也是建筑高性能围护结构的常用形式。因此本研究进一步对比分析了PASS 与敷设外保温层的多孔砖墙和中空玻璃双层窗的热工性能。外保温多孔砖墙体的结构构造如图4f 所示，墙体的界面温度场分析如图7 所示。

从图7 的界面温度场分布分析可以得到，PASSAntifreesing 的室内界面平均温度为21.79℃高于PASS（室内界面平均温度20.97℃）和中空玻璃双层窗（室内界面平均温度20.40℃），但略低于保温空心砖墙（室内界面平均温度22.08℃）。PASS-Antifreesing 表现出接近于敷设外保温的多孔砖墙的界面温度，但对于其实际的热通量尚不清楚，需要后续的研究进一步明确其热工性能，进而判断其保温节能的实际性能。

4.2 实验平台各空间界面热流实验结果与分析

（1） PASS 与无保温构造墙体空间界面传热分析在上述各空间温度条件下，为进一步明确PASS 作为建筑围护结构的热工特性和保温节能效果，本研究对各空间界面的热流进行了系统地监测和分析，结果如图8所示，其中图8 表征的是PASS 与室内空间界面热流与其它建筑围护结构相同空间位置界面的热流对比。从图8 可以直观地得到，在降温开始阶段，PASS 的界面热量散失热流均超过其它类型围护结构，仅较双层中空玻璃和三层中空玻璃有较好的保温效果，其传热热流也小于以上两种围护结构。但随着温度的近一步降低和低温的持续，PASS 与室内界面热流分别在降温持续120min（2 h）的时刻，开始小于空心砌块墙体（无外保温构造）、中空玻璃双层窗；而且在降温持续360min（6 h）的时刻，开始稳定地小于多孔砖墙（无外保温构造）；最后，在降温持续到810min（13.5 h）后，其与室内界面的热通量稳定地小于240mm 烧结普通砖墙。实验结果表明，较上述均未敷设保温层的建筑围护结构，在室内外维持稳定的36℃温差条件下，PASS 具有相对较低的整体热流，具有更好的节能保温效果。

图7 PASS 与外保温墙体室内界面温度场对比图

图8 PASS 与无保温墙体热通量分析图

在上述分析得到初步的性能概况后，进一步对其热流数据进行分析，得到如下具体的围护结构整体热通量指标。在降温持续810min（13.5 h）后，在测试实验舱内外维持稳定的36℃的温差下，各种不同结构围护结构的稳定平均热通量的对比关系如下：PASS (26.52w/m2) ＜ 240mm 多孔砖墙(30.25w/m2) ＜ 240mm 砖墙(33.75w/m2) ＜ 150mm 中空玻璃双层窗(39.81w/m2) ＜ 27mm 3 层中空玻璃(50.33w/m2) ＜ 190mm 空心砌块墙(51.05w/m2) ＜ 16mm 双层中空玻璃(82.51w/m2)。综上所述，PASS的节能性能优于未敷设保温层的空心砌块和多孔砖墙，在其持续保温性能方面甚至超过了普通的240mm 砖墙。因此，在对既有建筑的墙体升级改造中，PASS 能有效改善建筑墙体薄弱环节的节能性能，有助于拓展建筑表皮更新的手段和方式方法。

（2） PASS 与敷设外保温墙体空间界面传热分析

上述研究中，已经明确了PASS 与传统的既有建筑240mm 厚烧结砖墙体以及未敷设保温构造的空心砌块与多孔砖的保温性能差别。但在实践项目中，除常规的240mm 砖墙外，按照《外墙外保温建筑构造》[25]，当前的普通民用建筑墙体的常规构造一般为敷设外保温的混凝土空心砌块墙和多孔砖墙。据此，本研究进一步探索了PASS 与敷设外保温的墙体节能保温性能差异，并重点研究了处于正常运行的PASS-Antifreesing（具备智能加热系统，用以维持Aqua 系统的水体处于20℃的适宜温度范围，本实验条件下耗电量为1.5kw·h/day）与敷设外保温建筑墙体的热工性能差异，详细实验结果如图9所示。

图9 PASS-Antifreesing 与外保温墙体热通量分析图

从图9的趋势图中可以得到，虽然在降温开始的阶段，无论是PASS 还是PASS-Antifreesing 其与室内空间界面的热通量均大于相同位置的240mm 砖墙、240mm 保温多孔砖墙和190mm 保温空心砌块墙。但在降温持续到600min（10 h）时和1500min（25 h）时PASS-Live和PASS 的界面传热分别开始小于240mm 砖墙，围护结构的整体传热趋于稳定，其界面热通量分别稳定在18.03和26.52 w/m2，换算整体导热系数分别为0.69 和0.74 w/(m2·k)，两者均小于《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对于外窗传热系数的限值1.4 w/(m2·k)[27]，表现出更加有利于建筑节能的热工性能。而PASS 与PASS-Antifreesing 相比，在持续保温性能方面也表现出不同的特性，尤其是PASS-Antifreesing，在持续降温750min（12.5 h）后，其界面热通量出现了和保温墙体一致的传热趋势。PASS-Antifreesing 与外保温墙体的热工性能差别，仅表现在其热通量的具体值相比外保温多孔砖墙（平均热通量6.08w/m2；换算整体导热系数0.17 w/m2·k）和外保温空心砌块墙（平均热通量12.41w/m2；换算整体导热系数0.34 w/m2·k）分别高11.95w/m2和5.62 w/m2，其整体传热系数较性能优良的外保温多孔砖高0.52 w/(m2·k)。

综合研究表明，虽然PASS 系统的室内界面传热远优于综合性能良好的中空玻璃双层窗，但与敷设外保温的建筑墙体相比，自然运行状态的PASS 保温热工性能相对不足，其墙体保温性能仅达到了在810min 后，优于未敷设保温层的240mm 砖墙。进一步实验研究揭示，处于适宜生长运行状态的PASS-Antifreesing 具有更优的节能保温效果，其热工性能非常接近于外保温墙体，虽然其内墙面界面稳态热通量较外常规的保温墙体高，但其整体热通量却仅为240mm 砖墙的42.86%，除此之外，PASS 设计之初就整合了完备综合生产功能。因此，综合上述研究，无论是PASS 还是PASS-Antifreesing，其热工性能均达到了我国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对于该类围护结构的传热性能限值，其满足了有作为既有建筑生产性更新改造方式的基本要求。

结语

（1）生产型建筑腔体表皮单元（PASS）具有较为优良和稳定的节能保温效果，其保温性能整体优于中空玻璃双层窗和未敷设保温的190mm 空心砌块和240mm多孔砖。长期性能方面，在经历了13.5h 的36℃温差持续低温后，其整体的界面稳定热通量为26.52w/m2（换算整体传热系数为0.74 w/m2·k），该性能超过了普通240mm 砖墙的保温效果。

（2）生产型建筑腔体表皮单元的正常使用工况（PASS-Antifreesing）具有更加稳定的保温绝热性能，具有接近于外保温空心砌块的保温效果，其内墙面界面稳定传热热流18.03w/m2（换算整体传热系数为0.69 w/m2·k），分别较外保温多孔砖、外保温空心砌块分别高11.95w/m2和5.62 w/m2，其整体传热系数较性能优良的外保温多孔砖高0.52 w/(m2·k)，但其整体热损热流仅为240mm 砖墙的42.86%。

（3）与处于自然运行工况的PASS 相比，PASSAntifreesing 工况具有更加稳定的内部环境和保温性能，特别是在低温持续到10h 后，PASS-Antifreesing 不但保持了稳定的15 w/m2界面热损（换算整体传热系数为0.42 w/m2·k），同时也将PASS 内的温度稳定在10℃，既保障了其生产功能的正常发挥，也保障了其对建筑节能保温功能。

PASS 不但是对既有建筑进行生产性更新的有效措施之一，也是实现建筑的生产性更新的有效手段。其能在满足建筑生产性功能的同时，也提高了建筑的节能保温效果，在节能效果上实现了普通建筑外保温接近的效果[28,29]。本研究以期为既有建筑的生产性更新设计和建筑的节能提供实践参考。

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