浅析“双碳”背景下智慧装配立面系统助力城市高质量发展

沈景华 李德生 苗珍录 倪乙轶 戴丽君

自2020 年我国在联合国提出“3060”双碳目标，中国开启低碳新时代。随着2021 年碳交易市场的开放，各地落实“双碳”战略目标部署的步伐逐渐加快。在“双碳”和“数字中国”的背景下，“绿色化”、“数字化”与“智能化”的协同成为“十四五”规划纲要的主旋律。要达到此目标，低碳化建设是根本途径。“双碳”是“碳达峰”和“碳中和”的简称，是建设绿色城市、生态城市的重要战略。“双碳”目标对建筑行业提出巨大的挑战与机遇，作为实现碳减排的重要手段之一，建筑立面的节能与装配化设计施工至关重要。

1 建筑外立面设计施工的现状

在建筑外立面设计施工中，长期以来面临着节能水平底下、生产管理落后、能源消耗增加以及环境污染加剧等问题，急需采取有效措施解决。现行的建筑外立面围护结构大多数以厚重的墙体结构作为结构组件，为了满足节能保温、防水及耐久的功能，外立面墙体往往都为层片式结构，通过工地现场在基层墙体上进行施工保温层与防水屏障（图1）。而随着现代建筑科学的发展，当外立面墙体成为非主体结构组件，不再作为支撑楼层结构和屋顶结构时，外立面墙体就失去了主体结构属性，只承担抵抗风荷载等水平荷载作用以及节能防水屏障等外围护结构的性能。此外，随着现代工业化的发展，完全在现场手工作业的施工工艺也逐渐被工厂化成品制造替换，工地现场只进行简单的产品部件装配作业。

图1 现有外立面墙体往往都为层片式结构（来源：作者自绘）

现代建筑科学发展到今天，对于建筑外立面围护结构来说，性能要求与结构形式已经非常复杂，继续依赖现场手工作业以及厚重的层片式墙体结构已经难以满足技术与品质以及碳减排的要求。而外立面的系统构造、结构形式、材料运用、制造安装工艺也都形成了相对应的规范、性能标准以及检测方式。由此，基于“双碳”的背景下研发与发展智慧装配立面系统迫在眉睫。

2 智慧装配立面系统的研发

智慧装配立面系统是针对现有建筑立面设计施工的缺点，研发的一整套智能化装配节能外立面结构系统集成产品。是以建筑立面节能要求为目标，结合节能材料光伏材料组合运用，通过系统构造设计、工厂化生产、数字化管理等方式，达到快速装配、高效施工、缩短建设周期、提高建设效率，实现超低能耗的建筑外立面外墙结构，并可集成光伏能源转换、自然光的运用与智能遮阳系统、双层外墙智能通风换气、智能监测系统节能性能及智能监测室内空气环境为一体的多功能超低能耗装配式立面系统。同时，这些预制部品构件大都使用低碳环保绿色材料，且大多可以循环使用及回收运用，减少建筑废弃物的产生，实现资源的节约和环境的保护。

智慧装配立面系统采用与智能传感器、物联网、云计算等先进技术相结合，实现建筑状态的实时监测和维护。这些技术能够及时发现和解决建筑问题，提高建筑的使用寿命和安全性。此外，智慧装配立面系统还可以实现能源的智能化管理，通过智能传感器和控制系统，对建筑能源使用进行精细化管理，降低建筑能源消耗，实现节能减排。在“双碳”背景下，建筑外立面工程的节能设计、装配化工厂生产、与光伏能源集合、自然光的利用和智能通风控制、与智能数据探测及智能控制室内环境技术集成等等智慧装配立面系统的出现，将为城市的高质量发展提供了新的思路和解决方案。

3 智慧装配立面系统的性能

智慧装配立面系统是一款多功能集成化的、先进实用的建筑外立面装配化围护结构成套产品，具有以下的性能特性。

3.1 围护结构性功能

智慧装配立面系统不再承担建筑自重，而只承担其自重及作用在该系统上的风荷载、地震荷载、温度作用、平面变形等。一般情况下，围护结构是悬挂在主体结构外部，围护结构自身需具备承载能力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移变形能力。受力模式一般为面板承受的水平荷载传递给横向构件，横向构件传递给竖向构件，竖向构件挂接在土建结构梁柱的预设埋件上。

3.2 雨水管理功能与空气密封性能

智慧装配立面系统必须因地制宜设计研究防水结构，可根据建筑气候特征、建筑形态造型、性能要求进行专项设计防排水体系。同时，智慧装配立面系统及其内部的开启通风结构需有阻挡空气渗透的能力。

3.3 节能功能以及冷凝水与结露控制

智慧装配立面系统通过提高外立面围护结构的节能措施、材料运用、系统构造设计可以最大限度地降低建筑立面对能源的需求，比如保温隔热、遮阳、气密性设计、自然通风、采光等。并且系统也使用各种技术措施避免围护结构产生冷凝水与结露。

3.4 结构位移考虑及耐久性能

智慧装配立面系统需适应风荷载、自重荷载、温度作用、主体结构带来的位移变形。考虑长期的系统使用功能与美学效果，对材料的耐久性和耐腐蚀性，提出较高的要求。

3.5 隔音功能

外立面围护的隔音性是影响室内环境舒适性的重要因素之一，通过使用隔声材料的组合可提高外立面围护结构对外部噪音的隔绝能力。

3.6 通风设置及光伏组件集成

可以根据建筑特征设计通风方式，使用主动式通风或者被动式通风设置，也可与光伏组件一起进行集成设计，结合通风设置与遮阳设计为一体。通风设置的开启端与智能控制监测系统进行联动，可根据室内外环境变化自动开启通风系统。

3.7 智能控制

在外立面围护结构内表面隐蔽部位安装室内空气监测仪，24 h 连续监测室内甲醛、PM2.5、CO2、以及室内外空气中存在的挥发性有机化合物的总量（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）和温度与湿度变化，并可实时通过大屏显示或手机APP、微信端查看。在空气质量环境参数超标的情况下，实时发布超标预警并自动打开通风设置进行通风。监测系统可以配合外通风设置、新风机、空气净化器、中央空调等实现联动，进行智能化控制。

3.8 防火性能

外立面围护结构需根据建筑特性布置正确的竖向防火隔离带与横向防火隔离带，并要考虑防火耐热时间与耐烟性能。

3.9 施工装配功能

根据建筑效果进行合理划分，选取标准单元作为定型部品，部品完全工厂化生产，产品部品进行现场吊装装配作业，形成完整的建筑外立面围护结构。

3.10 可维护的功能以及可回收再利用低碳材料

智慧装配立面系统的材料及组件都是经过机械装配进行组合，系统允许部品组件在使用过程中进行维护、维修与更换。部品构件可以使用低碳环保绿色材料，并大部分可以循环使用及回收应用。

3.11 经济性

智慧装配立面系统在综合考虑实现以上各种性能的前提下，进行合理的成本管理，通过研究系统优化、材料选择、结构分析、工艺简化等方式建立标准化产品线进行精细化管理以获得合理性价比。

4 智慧装配立面系统的节能与防水设计

智慧装配立面系统的系统元素与部品及子部品涉及到多个材料专业、机械设计与机械制造配合工作，进行各种系统元素的整合集成，形成智慧装配外立面的成套产品。比如系统使用的保温材料由材料供应商提供，但其又必须满足防火性能、热工性能、防潮性能与耐久性能的要求，并且节能材料的安装固定在部品上也需要考虑机械装配及连接措施。如果立面系统中有镶嵌门窗结构，这又需要深入研究门窗的系统结构性能、防水性能、热工性能，以及门窗与部品接缝的防水与保温处理，如图2 所示。

图2 镶嵌门窗的热工性能计算云图（来源：作者自绘）

智慧装配立面系统部品单元立面划分原则是将外立面进行合理的分割，一般选取一个楼层为高度，加上一个标准宽度为一个部品。部品之间使用镶嵌插接实现，镶嵌插接处的密封性能与节能性能至关重要，部品之间镶嵌插接及热工性能计算云图如图3 所示。一般情况下，使用多道插接的方式形成等压腔体。在满足节能要求的构造考虑之外，还需考虑防水密封性能，通过多腔插接建立可靠的多道防水体系，按照雨幕原理等压腔结构进行系统设计，排水路径应清晰明了。

图3 部品镶嵌装配化插接及热工性能计算云图（来源：作者自绘）

同时，根据建筑立面的复杂程度及建筑高度，防排水系统需进行单元分区处理，防止系统过载。防水单元分区处理是指根据建筑所在地风雨实际情况、建筑特征、系统构造特点在外立面进行防水分区，可以设置一个楼层为一个防水单元分区，也可以根据实际情况设置多个楼层及其他情况，作为一个防水单元分区。其次，对于系统的防水构造设计还应考虑系统在其最大压差下的防排水的承受能力。一旦压差与水量超过其承受能力容易发生漏水，故设计需考虑系统的最大防水能力，防止系统过载[1]。

5 智慧装配立面系统的光伏集成及双层皮设计

智慧装配立面系统的光伏集成，是综合运用光伏建筑一体化的技术的集成产品，光伏建筑是利用光伏电池将太阳能转变为电能，将建筑外立面以及遮阳与光伏发电功能相结合，通过产能形式满足能源需求，属于太阳能光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）的重要应用形式之一。

光伏材料的发展经历了多晶硅、单晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等等，在建筑立面系统上选择光伏电池时往往需根据建筑立面效果、透光性、遮阳、太阳能电池的朝向以及光电转换效率进行较为合适的太阳能电池选择。

需要注意的是，虽然光伏建筑能够将太阳能转变为电能，但根据焦耳定律：Q=I²Rt（Q为电流热效应所产生的热量，单位J；I为电流，单位A；R为电阻，单位Ω；t为时间，单位s），电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比，应特别注意太阳能电池在发电时产生的大量热量将影响并降低建筑的节能性能。所以光伏电池在智慧装配立面系统中的运用需与通风相结合，通过设置在电池板后的通风通道带走因发电产生的热量，或者直接选用短路电流低但不发热的光伏电池产品。

智慧装配立面系统的系统的另外一个运用是在建筑外立面上建立一个智能调节的双层外皮立面系统结构，无论是新建建筑还是既有建筑的节能改造均可使用此种结构，智慧装配立面系统之双层外墙结构如图4 所示。

图4 智慧装配立面系统之双层外墙结构（来源：作者自绘）

智慧装配双层外皮立面系统结构由外层立面墙体、内层立面墙体以及它们之间的热通道（空气腔）构成，上下方分别设置通风出风口和通风入风口，用自然通风或机械通风方式在热通道形成稳定的气流。其中，外层立面墙体也可以设置为光伏组件，并通过内部空气通风可以带走发电产生的热量。而针对既有建筑来说，可以在不拆除原有建筑外墙的情况下直接外挂外层装配化外墙（图4）。

智慧装配双层外皮立面系统结构具备优越的节能性能，在运用良好的材料与构造设计的情况下可以轻易满足超低能耗建筑的外立面节能与智能通风的要求。通过双层外皮之间的空气通风流通及空气对流排出夏季的暖空气，以达到节能性能。

中间层空气的流通的方式分为热压通风、风压通风2 种。热压通风是利用太阳照射使双层外皮之间的空气加热产生膨胀，利用此热压差产生气流动力使热空气上浮从排风口排到室外。室内外温差越大，进出风口高度越大，热压通风效果就越好。热压通风时，通过空气对流排出暖空气热量可通过下式计算[2]：

式中：Q为通过对流方式排出的热量、单位kW；p为空气密度、单位为kg/m3，20℃时，p≈1.2 kg/m3；c为 空气比热容、单位kJ/（kg•K），当20℃时，c≈1 kJ/（kg•K）；V为气流量、单位m2/s；ΔT为进入空气与排出空气之间的温差、单位K。

风压通风是利用进风口与出风口的高度差产生的气压差使双层外皮之间的空气形成烟囱效应，从而产生空气流通来排出夏季的暖空气。一般情况下，双层外皮立面系统会将热压通风与风压通风同步考虑，以实现更优的通风效果。

智慧装配双层外皮立面系统结构可以根据实际通风情况来进行节能分析计算，对于良好通风换气状态双层外的墙热阻值公式为[3]：

式中：Rcw，v为通风换气状态双层外墙热阻值，单位（m2•K）/W；Ucw，1为内层墙体传热系数，单位W/（m2•K）；Rsi为外层墙体内表面换热阻值，透明部分取0.13 （m2•K）/W，非透明部分取0.11 （m2•K）/W；Rse为外层墙体外表面换热阻值，取0.04 （m2•K）/W。

智慧装配双层外皮立面系统结构具备非常优越的隔声性能，可根据对周边环境的噪音影响，以确定项目的隔音设计指标。一般情况隔声性能是通过试验测量进行确定，也可通过下式进行简单的计算：

式中：ΔR为双层墙体整体隔声量，单位dB；f为外层墙体通风口占整个墙体面积的百分比；R1为外层幕墙封闭部分的隔声量，单位dB；A为墙体表面每米长度的等量声音吸收面积，单位m2。

智慧装配立面系统运用之前挂后通风外墙结构，呼吸式外墙（Vorgehängte Hinterlüftete Fassaden，VHF），其在保温建筑物和外墙表皮之间有一个空气层，空气层确保外表皮的后部持续通风，并将潮湿和热量与保温结构隔开。这种隔离允许在建筑物外部安装封闭的保温层，从而使接触室外气候并引流雨水的表皮层与建筑外保温层隔开。和不设空气层的外围护结构相比，可在夏季提供更好的隔热性能，并在冬季提供结构关键区域的防水除湿。有保湿层的外墙，有空气通风层与通风层的结构对室内外温差的变化分别如图5与图6所示，无空气通风层的外墙结构的室内外空气温差是有空气通风层的外墙结构的室内外空气温差的5 倍，即不带“背通风”的外墙是带“背通风”的外墙热负荷的5 倍，外墙“背通风”结构可以节能80%左右。

图5 外墙有空气通风层的结构对室内外温差的变化（来源：作者自绘）

图6 外墙无空气通风层的结构对室内外温差的变化 （来源：作者自绘）

前挂后通风外墙结构通常由外表皮、空气层、保温层和墙体承重结构组成，因独特的通风与节能的结构体系，使其具备防晒隔热、防雨、保温、防潮等功能前挂后通风外墙结构的外墙保温原理[4]如图7 所示。

图7 前挂后通风外墙结构的外墙保温原理（来源：作者自绘）

对于新建建筑，可以将其整合成工厂化生产现场装配式安装的双层皮结构成套系统；而对既有建筑节能改造时，在保持一定的保温层厚度并在不损失使用面积的情况下，前挂后通风外墙结构提供了更高要求的节能改造的可能性。尽管呼吸式外墙构造更复杂，但它是一种理性能更好的建筑物围护结构。

虽然理论上智慧装配双层外皮立面系统结构与前挂后通风外墙结构可以通过自然通风、热空气浮力或机械通风方式在热通道形成稳定的气流，但是实际上通过自然通风形成稳定的气流非常困难。一般情况下，双层外皮立面应与建筑自然通风、空调系统同步设计，并应充分考虑通风口的热压通风、风压通风及通过空气对流排出夏季暖空气的可行性。而在风压通风状态下，需充分研究进风口与出风口距离及转角部位湍急气流形成较强气压差而造成的通风气流。

建立在双层皮通风基础上的节能外立面系统，以及集成光伏、智能通风换气、前挂后通风外墙结构、智能监测系统的集成化多功能外立面，将智慧装配立面的系统变为现实。

6 发展前景

据中国建筑节能协会统计，我国建筑碳排放约占全国碳排放总量的50%。通过外立面外墙及门窗流失的能量，约占建筑能耗约50%。我国既有建筑面积已超过600 亿m2，而2023年1 ～9 月，我国房地产施工面积累计值约为815688.35 万m2。但是据相关资料显示，99%的现有城乡建筑是高耗能建筑，95%以上的新建建筑是高耗能建筑[5]。因此，无论是现有建筑的外立面节能改造、还是新建建筑的外立面系统的节能装配系统研究，都是建筑节能非常关键的因素，也是整个降碳目标的重要角色。通过研究智慧装配立面系统，无论对于现有建筑还是新建建筑，都是目前最为经济有效的途径之一。根据对立面系统样本的测算，建筑造价约在5%～10%的节能成本可实现大约30%～75%的节能收益。

可见，智慧装配立面系统可以促进建筑行业的升级和转型，系统所采用的数字化设计和预制构件制造技术，能够有效提升建筑效率、降低成本、缩短工期，减少对环境的影响。此外，智慧装配立面系统行业的健康持续发展，还可以提供更多的就业机会，促进经济增长，产生良好的经济效益，可以带来更多的环保和可持续性。系统采用一些低碳材料和可再生能源，可以减少对环境的污染和破坏，同时也能够提高建筑的使用效率和舒适度。

7 结语

智慧装配立面系统的节能性能对我国建筑节能工程至关重要，需要在材料、结构、节能、通风、隔音、装配工艺上进行综合的系统研究开发。部品镶嵌装配化插接技术，集成光伏能源转换、双层皮通风系统、自然光的运用与智能遮阳系统、智能通风换气、智能监测系统节能性能及室内空气环境为一体的多功能超低能耗装配式立面系统，可实现碳达峰和碳中和的目标。智慧装配立面系统还可以提高城市的韧性和适应性，应对气候变化和自然灾害的影响。智慧装配立面系统在“双碳”背景下具有显著的经济效益和社会效益，可以为建筑行业转型升级、环保可持续性、城市形象和生活质量等方面带来积极的影响。

在“碳达峰、碳中和”背景下，绿色建造和智能建造将是我国建筑业当下和未来的发展重点，智慧装配立面系统正成为城市高质量发展的新助力，这一系统的研发与发展，将促进城市建设的绿色、智能和可持续发展，推动城市环境的优化和提升。