太阳能光热实验建筑外围护结构的艺术表现方法研究*

2022-09-15李成一王一平尹宝泉

西部人居环境学刊 2022年4期

李成一王一平尹宝泉

0 引言

根据清华大学建筑节能研究中心对我国建筑领域用能的核算结果，2018年我国建筑运行能耗占中国全社会能耗的23%，北方城镇供暖能耗占全国建筑总能耗的21%。太阳能集热器与建筑一体化，可为建筑提供生活热水和空间采暖，降低建筑能耗，是建筑发展的一个趋势[1]。但是，太阳能集热器与建筑一体化的发展受到了一些阻碍[2-4]，一个重要原因是太阳能集热器吸热板单调的黑色和深蓝色严重限制了其在建筑上的应用[5-7]。

为此，有一些研究致力于提升太阳能集热器的外观：如改变吸热板的颜色[8]；用瓦形[9]或波浪形[10]的盖板模仿传统瓦屋面，甚至直接用瓦片作为吸热体[11]；用减反射涂层改变玻璃盖板的颜色[12]，盖板保持高透过率的同时只反射单一波段的可见光，目前仅在少数示范建筑中应用[13]。上述研究存在的问题是，对集热器外观的美学提升改造往往只服务于某一种建筑风格或模仿特定的建筑外饰面材料，通用性比较差，且能效损失较多，应用范围仍受到严重限制。

根据国际能源署太阳能供热制冷委员会（IEA-SHC）的报告，太阳能集热器与建筑一体化，应该替代一部分外围护结构构件，并实现多功能性[14]。“一体化”的集热器可能会在效率上产生不可避免的损失，但这些损失可以通过“一体化”之后的“多功能性”得到补偿。因此，本研究要解决的问题就是探索一种更为通用的丰富太阳能集热器美学效果的方法，在保证较高能效的前提下丰富集热器美学效果，从而促进太阳能集热器与建筑外围护结构的一体化，扩展其在建筑中的功能。

太阳能平板集热器结构简单，一般由玻璃盖板、吸热板和保温外壳组成，传热介质在吸热板的管道内流动[15]，其盖板可以成为艺术表现的画面，其平板造型适宜与平整的墙体或屋顶相结合。在玻璃盖板上用彩色涂装表现某种建筑外饰面，是一种在保留集热器原有结构条件下即可改善外观的简单、通用的方法，涂装的灵活表现可模仿多种建筑外饰面，有利于一体化技术与更多建筑风格相结合[16-17]。在前人的研究和实践中，鲜有见到采用上述方法提升集热器美学效果的报道。然而在背后有黑色吸热板的玻璃盖板上表现出建筑外饰面的色彩、肌理甚至立体效果，并不是简单摹画就可以做到，这需要一定的表现策略和方法。

本研究以一座实验建筑为例，用太阳能平板集热器最大程度地代替屋顶和外墙的外饰面层和外保温层，形成内层为保温层和围护层，中间为空气层和吸热板，外层为玻璃盖板的一体化外围护结构（图1），外饰面效果来自玻璃盖板上的彩色涂装。本文在验证该一体化外围护结构多功能性的基础上，论证盖板涂装中运用的艺术表现策略和方法。

图1 外围护结构的构造图解Fig.1 diagram of the frame structure in the building envelope

1 实验建筑概况

1.1 方案和构造设计简介

实验建筑位于天津市，为一座普通的小型北方民居，三开间，正面朝南，双坡屋顶，室内面宽6 m，进深3.3 m，屋脊高3.1 m。太阳能集热器的吸热板最大化地嵌入南屋面，东、西山墙和南面窗下墙中预留的空腔内（图2），每套吸热板都配有传热介质循环系统和储能水箱。玻璃盖板阵列悬挂于空腔内的支架上，拼装成平整的玻璃外饰面层，外表面由彩色涂装模仿北方民居常见的外饰面材料。

图2 实验建筑中太阳能集热器的布置位置Fig.2 the placement of solar collectors in the experimental building

1.2 涂装方法和模仿对象

玻璃盖板的色彩效果来自一种半色调涂装工艺，涂层按一定的网点模式和面积率分布在玻璃盖板上，网点部分反射的可见光表现出涂装的色彩效果，未反射的可见光和近红外光大部分透过盖板被吸热板吸收[18]（图3）。集热器有效透过率与吸收率乘积[19]的相关理论和笔者前期的相关研究[20]证明，盖板涂装的吸热使盖板温度升高，降低了集热器的热损失，彩色涂装造成的集热性能下降的比例小于盖板透过率下降的比例。

图3 太阳光在盖板表面半色调涂装的反射、透过与吸收Fig.3 reflection, penetration and absorption of sunlight in halftone coating on the glass cover surface

涂层以单孔透广告贴膜为辅助工具喷涂而成（图4），结合造型模板，模仿目标外饰面材料的色彩和肌理。南屋面涂层以红色为主，模仿油毡瓦屋顶的效果；南面窗下墙涂层以黄色为主，模仿外墙面砖的效果；东、西山墙涂层为灰色，模仿砂浆抹面的效果。

图4 半色调涂层的喷涂过程示意图Fig.4 painting process of the halftone coating

1.3 集热器多功能性测试

实验建筑外围护结构中的集热器具备三种运行模式：热水器模式、蓄热墙模式和夜间保温模式（图5）。热水器模式是指，集热器在白天正常运行，提供热水。蓄热墙模式是指，集热器在冬季白天关闭循环系统，用墙体储存太阳辐射热[21-22]。夜间保温模式是指，冬季夜间低温热水在吸热板内流动，截断通过外围护结构的热量流失，为建筑提供主动式保温[23]。

图5 运行模式示意图Fig.5 schematic diagram of operation mode

热水器模式的测试在2018年10月进行。根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）中的相关指标（表6.2.1-1热水用水定额），在天气晴好的条件下，四部分集热器一天提供的热水总量（表1）完全可以满足一个三口之家3～4天的热水用量。

表1 各集热器热水体积及水温统计Tab.1 statistics of hot water volume and temperature of each collector

蓄热墙模式和夜间保温模式的测试期在2019年1—2月，室内热源为两台电暖器，室温设定在23～25 ℃，为避免太阳辐照对室温和系统集热量的直接影响，门窗玻璃完全隔绝日照，循环系统白天关闭，不集热。夜间保温模式所用的热能由水箱内的电加热器提供，水温控制在13～14 ℃，模拟天津市浅层地下水的温度。系统夜间运行时段为晚19:00—次日早7:00，循环系统一天运行一天关闭交替进行。采用K型热电偶和测温仪，通过测定西墙在厚度方向上的4个温度值来验证上述两种模式对外围护结构热性能的影响。测温点位置分别为：墙体内表面T1，主要受室温影响，比较稳定；加气混凝土与内保温层界面T2，主要受墙体的蓄热和保温性能影响；吸热板表面T3受太阳辐照影响，变化最为剧烈；玻璃盖板外表面T4，受环境温度和T3影响，变化幅度比较大。可见通过T2可以更直观地反映出蓄热墙模式和夜间保温模式对外围护结构热性能的影响。

以2月15日和16日中午到次日凌晨西墙温度梯度变化过程为例，这两日均为晴好天气，日照充足，环境温度较低，15日夜间系统运行，16日夜间系统关闭。2月15日，T2由12:00的14.2 ℃增至20:00的22.8 ℃，最终在16日4:00降至19.4 ℃（图6a），但由于夜间保温模式的保温功能，仍高于15日16:00的18.4 ℃。2月16日，T2从12:00的17.8 ℃增至20:00的25.9 ℃，而在系统停止运行的情况下，最终在17日4:00下降到18.6 ℃，只比16日12:00的温度升高了0.8 ℃（图6b），这意味着几乎所有通过蓄热墙模式获得的热量都流失掉了。可见，夜间保温模式可以保留住蓄热墙模式获得的一部分热量，减少墙体蓄热量的流失。能耗测试结果表明，21个系统运行日的夜间采暖总电耗为270.52 kW·h，21个系统关闭日的夜间采暖总电耗为294.16 kW·h，夜间保温模式使采暖能耗降低约8%。

图6 西墙墙体温度梯度变化过程Fig.6 process of temperature gradient change of the west wall

综上测试结果，实验建筑中的集热器不仅能提供一定量的生活热水，还能通过蓄热墙模式和夜间保温模式降低建筑的采暖能耗，证明了该一体化外围护结构的多功能性。

2 盖板涂装的艺术表现策略

在太阳能集热器提升了建筑整体性能的基础上，外观效果就决定了其应用范围，盖板涂装能够模仿的建筑外饰面材料种类越多，其适用的建筑风格就越多。在模仿中应把握住建筑观察活动中观察者、建筑以及观察条件三方面特点，遵循如下三条艺术表现策略。

2.1 形状特征优先

人眼在观察物体时具有这样一种倾向，能在亮度明显不同的区域之间的边界附近看到亮带或暗带，这种亮带或暗带被称作“马赫带”，俗称视觉的“勾边”效应[24]。“马赫带”效应是由于视网膜上相邻部分之间的侧抑制作用而产生的，这种抑制作用的功能之一就是增强反差，通过对视觉信息的畸变达到突出观察对象的重要特征和增强空间分辨的目的。这说明人在观察过程中，不自觉地通过视网膜的活动勾画出观察对象最醒目的外形特征，从而抽取出其最关键的视觉信息。因此，在模仿中抓住模仿对象最主要的形状特征是最重要的一点。

2.2 以明暗对比为主

在现实中是没有勾勒形状的抽象线条的，“一切视觉表象都是由色彩和亮度产生的”。界定形状的轮廓线是视觉系统依靠“马赫带”效应通过区分亮部和阴影推导出来的，而亮部和阴影的对比需要通过色彩表现的技巧来表达。

色彩效果往往通过色相、明暗、冷暖、面积等对比来表现。按照建筑设计中对立统一的美学原则，一栋建筑不会具有过多色调，往往由一种主色调及其少量明度变化搭配无色调（黑、白、灰）视觉元素生成建筑立面。在色调对比和明暗对比中往往以明暗对比为主[25]，例如，瓦屋面的波浪和层叠效果是通过受光面和阴影的对比表现出来的，砖墙的肌理也是通过砖块与砖缝之间遮挡产生的阴影效果呈现出来的。视觉效果的艺术表达要遵循人眼的认识机能，明暗对比总是占支配地位，所以在模仿中要注重利用明暗对比突出光影效果。

2.3 兼顾观察距离和角度

根据相关城市设计原理，建筑和视点距离在30 m之内，在晴天无眩光的自然天光下，空气中含悬浮物不超过三级，观察对象非发光体，观察者视力不低于1.0，可以看清楚建筑的颜色、细部乃至材料的质地纹理和浮雕装饰，留下深刻印象，这种对建筑的观察条件可称为建筑强场[26-27]。本研究中所设定的理想观察范围是超出半色调网点的辨识距离，并处于建筑强场之内，拟达到的效果是，观察者看到的效果与他们对某些建筑材料的印象相匹配。然而受观察距离的影响，大气中的悬浮物和光散射作用都会使视觉效果的分辨率下降，色调向中性灰偏移，这就需要在强调明暗对比的基础上，通过冷暖对比或面积对比等方法来夸大对比效果，以保证在有效的距离之内加强视觉效果。

除了距离因素，观察角度也会影响视觉效果。正面能观察到的透视效果在转过一定角度后可能会减弱。建筑立面并非都是竖直面对观察者的，例如“第五立面”——坡屋面就与观者的视平面成一定角度，从而在视野里产生了一定的景深。因此，在与视平面成角度的平面上表现透视效果，需要通过一些图案、肌理的设计，甚至通过“反透视”等造型技法在平面中创造出凹凸感和空间感等视错觉[28]。

3 实验建筑的立面表现手法分析

实验建筑中，东、西山墙模仿砂浆抹面效果，窗下墙模仿外墙面砖效果，屋顶模仿油毡瓦效果。山墙集热器嵌于墙体正中，只采用了单一的浅灰色涂装，并利用盖板接缝模仿抹灰分隔缝效果，以求自然与周围的砂浆抹面相融合。而窗下墙和屋顶部分的涂装则本着视觉效果好和表现难度小的原则进行了精心的设计（图7a）和选择。本节着重介绍上述设计和选择过程，以及在此过程中对表现策略的应用。

3.1 外墙面砖效果

在设计之初，窗下墙玻璃涂装的备选方案包括民居中常见的清水砖墙和外墙面砖，这两种外墙的肌理都是通过砖与砖缝的排列组合而形成的，区别在于砖面和砖缝的尺寸比例以及砖面的色彩效果。在许多描绘村镇、市井生活的美术作品中，只勾勒些许砖缝即可表现出传统屋巷的神韵。因此，突出墙面的肌理特征是表达的第一要点。清水墙砖面窄、砖缝相对较宽，红砖或青砖颜色均比较深，与水泥灰缝在明度上差异较小。在一定距离外观察，对比不够强烈，容易混在一起。铺贴墙面中外墙面砖普遍颜色较浅且砖面较宽，砖缝细窄，选择深色砖缝，则拼贴效果简洁明了，对比强烈，肌理清晰。相比之下外墙面砖的表现难度更小，被选为模仿对象。

面砖颜色选择了常见的奶黄色，砖缝设为深灰色（图7b）。由于吸热板本身为黑色，墙面又正对观察者，砖缝部分无需喷涂，直接透出玻璃背后的黑色即可。为了增强反差，表现技巧中运用了一点冷暖对比，由于暖色会使观察者产生画面物体靠近自己的感觉，因此在砖面上喷涂少量橘色，以加强砖面相对于砖缝的凸出感。

3.2 瓦屋面效果

屋顶涂装的模仿对象是最常见的瓦屋面，备选方案为筒板瓦和油毡瓦。瓦屋面共同的基本特征是瓦片从屋脊到檐口一片压一片，一层压一层，这种层叠效果是靠上层瓦片在下层瓦片上投射的阴影来呈现的。因此，表现中的第一要点是突出瓦片与阴影的对比。筒板瓦的层叠方式较为复杂，而且凹凸感更强，在涂装中要有表现阴影和暗部的深色、瓦片的本色和表现凸起效果的亮色（图7c）。经过试验，较多色调的组合弱化了明暗对比效果，预期的立体效果在十几米的距离和角度稍偏的观察条件下色彩混杂成一片难以区分的中性灰。

最终屋顶涂装选择了模仿难度较低的油毡瓦，色彩仅为瓦片的本色（暗红+少量橘色）和表现阴影的黑色，肌理的图案为上下层瓦片错位排列，而且有意缩小了瓦片的面积，增大了阴影的宽度。这样做的原因之一是瓦的暖色调具有视觉膨胀感，而黑色具有视觉收缩感，调整面积比例可达到视觉上的均衡，效果更接近真实肌理；二是由于坡屋面与视平面成一定角度，需要利用“反透视”技巧形成视平面上的透视错觉，用更宽的黑色将瓦片的暗面和阴影简化表现为一个色域，更突出对比效果（图8）。上下层瓦片错位排列则是利用遮挡打破图案的竖向联系，强化水平向的联系，使屋顶从侧面观看依然表现出瓦片错落有致的层叠效果（图7d）。

图7 涂装过程和喷涂效果Fig.7 coating process and results

图8 “反透视”技巧在屋顶集热器盖板涂装中的应用Fig.8 application of “inverse perspective” technique in the painting of the glass covers on roof

3.3 与其他元素的结合

涂装盖板的模仿效果除了有赖于表现技巧，也需要细致的收边和接缝处理，还要在设计中利用一些构件作为造型元素与涂装玻璃板相结合。在此以窗台、挡水和封檐板的设计为例作以阐述。

由于窗间墙较窄，并未布置集热器，外饰面为砂浆抹面，与窗下墙不同。设计采用了通长的窗台作为分隔，避免了上下两部分的生硬衔接，同时又利用窗台的“滴水”构造防止了雨水由盖板上缘渗入集热器腔体。盖板以下部分做了突出墙面的“挡水”构造，既实现了盖板与墙面的自然过渡，又符合建筑的防水要求。

为避免屋面盖板边缘和集热器边框暴露在外，设计采用了封檐板和天沟遮挡住地面观察者的视线，以隐藏集热器的设备特征。这种做法也为屋顶提供了有组织排水，同时形成的宽屋檐又具备一定的遮阳功能，屋檐在夏季午间产生的阴影正好落在窗台之上而不会遮挡窗下的集热器（图2）。

4 外观效果评价与讨论

为验证盖板涂装的模仿效果，本研究进行了一次问卷调查并邀请专家进行了评价打分。

4.1 问卷内容与统计结果

问卷经网络发放，答题者通过对实验建筑的一幅照片（图9a）的观察回答三个层次的问题。第一层次是对实验建筑外观第一印象的评价；第二层次是在已知该建筑为太阳能建筑之后猜测集热器的安装位置；第三层次是在已知集热器位置后选择与自己对该位置的第一印象相匹配的外饰面材料。

共收到151份有效答卷，其中近四成认为实验建筑是“一座很普通的小房子”，其他答卷认为小房子有一定的特别之处，但大部分也只是觉得“有点奇怪”，并非“很不同寻常”（图9b）。综合第二、三层次的问题（图9c-d），窗下墙涂装的模仿效果最佳，接近四成答卷认为有“砖”或“面砖”的效果，并且超过六成的答题者未意识到窗下墙安装了太阳能集热器；屋顶涂装的模仿效果得到了超过三成答题者的认可；山墙的模仿效果最差，被选最多的答案是太阳能集热器。问卷也对答题者的身份做了调查，其中建筑相关行业的从业者或学生占50.99%，统计结果显示这些对建筑外饰面效果更敏感的人对盖板涂装的模仿效果更为认可（图9e）。

图9 问卷调查的问题及答题结果Fig.9 questions and results of the questionnaire survey

4.2 专家评价打分

为了能够深入了解观察者对涂装效果的看法，本研究组织了一次专家评价，对盖板涂装的艺术表现进行了讨论和打分。邀请的5位专家在建筑行业从事设计、施工、教学、科研等工作均超过10年。5位专家同样是对图2进行了观察之后，根据作者提供的对模仿对象的描述给涂装效果打分。由于是对视觉效果的评价，只需采用专家直接评分法，将评分结果进行加权平均即可[29]。具体计算方法如下：

5位专家所给分值的权重依次为λi（i=1, …, 5），专家给出的分值依次为ai（i=1, …, 5），加权平均值为

经过与各位专家的讨论后确定了评分标准，涂装模仿效果评价的对应得分取值为0～25、26～50、51～75、76～100，分别对应评语集不像、不太像、有点像、比较像。一共3条对涂装效果的评价问题：

第一，屋顶盖板涂装对油毡瓦的模仿效果；

第二，窗下墙盖板涂装对饰面砖的模仿效果；

第三，山墙盖板涂装对砂浆抹面的模仿效果。

评估内容、分值、加权平均值参见表2。

表2 盖板涂装模仿效果的评分Tab.2 the score of imitation effect of coating on cover plate

5位专家对三部分涂装的总体认可程度为：屋顶的模仿效果为有点像，窗下墙的模仿效果为比较像，山墙的模仿效果为不太像。而且5位专家对窗下墙模仿效果的评价最为接近，对山墙模仿效果评价的偏差稍大一点，专家普遍认为山墙的涂装没有对材质肌理的模仿，难以判断。

4.3 对评价结果的讨论

问卷调查和专家评价的结果，首先肯定了盖板上的彩色涂装消除了太阳能集热器的显著特征，使实验建筑整体上看起来并不算特别。

其次，通过三部分涂装模仿效果认可度的对比，窗下墙的认可度最高，屋顶次之，山墙的模仿效果基本上未得到认可。可见，在模仿中肌理是比色彩更重要的元素，屋顶和窗下墙的涂装都注重对肌理的表现，更有助于引导观察者联想到自己熟悉的外饰面材料的形貌特征，而山墙的涂装只有色彩没有肌理，特征不明显。证明三条艺术表现策略的应用是有效果的。

最后，涂装盖板与其他建筑元素的组合对表现效果有重要影响。窗台、挡水等元素与窗下墙的组合很符合人们对建筑外墙的固有印象，有助于提升外墙面砖喷涂的模仿效果，对观察者具有相当的迷惑性。而山墙盖板的模仿目标即为砂浆抹面，盖板与真正的砂浆抹面外墙在没有任何过渡的情况下并置，两种效果的区别一目了然，直接暴露了太阳能集热器的存在。

综上所述，盖板涂装所遵循的艺术表现策略和实验建筑中运用的艺术表现手法得到了部分验证。但是从实验建筑的整体外观效果和认可程度来看，盖板涂装的艺术表现策略和手法还可以进一步深化、扩展和完善，以适应更多的建筑风格。