張 勇， 李 哲，張玉坤

1 背景與問題

隨著全球城市化的快速發(fā)展，越來越多的世界人口生活在城市之中[1，2]，預(yù)計到2050 年，世界城市人口占比將超過66%（約62.7 億）[3]。作為世界人口大國，據(jù)國家統(tǒng)計局公開發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，近年來我國人口城市化水平也在持續(xù)快速增長，并于2019 年突破了60%，增長速度遠(yuǎn)超世界平均水平[4]。城市發(fā)展已經(jīng)成為了社會進(jìn)步和人居環(huán)境質(zhì)量的重要標(biāo)志，但其同時也面臨著諸如高能耗、重?fù)矶隆⑸鷳B(tài)環(huán)境難以改善等日益嚴(yán)重的城市病，是可持續(xù)發(fā)展的重要陣地。自1987 年WCED 發(fā)表了報告《我們共同的未來》，定義了“可持續(xù)發(fā)展”概念之后[5-8]，可持續(xù)發(fā)展就逐步變成了城市的新的發(fā)展策略和模式，并日益成為學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一。隨著城市發(fā)展的日益復(fù)雜，“生態(tài)城市”、“綠色城市”等理論首先被提出和逐步走向完善，其核心思想就是可持續(xù)發(fā)展。再到20 世紀(jì)90 年代中后期，“新都市主義”、“精明增長”[9，10]和“緊湊型城市”[11-14]概念的相繼提出和完善，城市發(fā)展的原則和原理不斷得到完善和細(xì)化，各種城市發(fā)展理論日新月異，都在各自的方向上對城市的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行探索，并且努力在城市建設(shè)過程中探索和實踐，并不斷豐富和完善。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，在各種可持續(xù)城市發(fā)展理論的基礎(chǔ)上，一種新的改變城市屬性的發(fā)展模式逐步走向成熟和完善——生產(chǎn)性城市。該理念致力于改變傳統(tǒng)城市的單一消費(fèi)屬性，力求有機(jī)整合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、社會與文化資本開發(fā)與再利用等多種功能于一體的多層次城鎮(zhèn)體系；在每個層次的最小范圍內(nèi)開源節(jié)流并舉，積極主動地進(jìn)行綠色生產(chǎn)，力求最大限度自給自足，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展[15]。

隨著城市農(nóng)業(yè)的發(fā)展，利用城市農(nóng)業(yè)在城市內(nèi)生產(chǎn)食品提高了農(nóng)業(yè)績效，有助于資源較少的弱勢群體的食品安全。越來越多的城市將都市農(nóng)業(yè)視為提高城市地區(qū)糧食系統(tǒng)可持續(xù)性和恢復(fù)力的一條有希望的途徑，事實證明，提高建筑物的生產(chǎn)性能對于緩解能源短缺的壓力非常有效。在美國，隸屬于生產(chǎn)性城市的都市農(nóng)業(yè)甚至已經(jīng)成為城市更新規(guī)劃的重點(diǎn)[16]。生產(chǎn)性城市可持續(xù)性發(fā)展模式都被廣泛視為一條極具潛力的城市可持續(xù)發(fā)展道路。然而，實現(xiàn)城市的生產(chǎn)性更新是一個極具挑戰(zhàn)的全新課題，其發(fā)展和完善面臨著從單體建筑到城市社區(qū)，再到城市區(qū)域等一系列生產(chǎn)性更新策略和技術(shù)體系的構(gòu)建，特別是在用地和空間均非常局促的城市中，整個城市的生產(chǎn)性更新體系的構(gòu)建更加需要系統(tǒng)和詳盡的各層級研究。

在城市各類現(xiàn)有閑置空間中，屋頂和建筑墻體是天然的更新主體，而且與有限的建筑屋頂相比，得益于各類建筑墻的面積始終大于屋頂?shù)拿娣e[17]。建筑墻體具有更大的潛在更新改造面積和豐富的天然采光優(yōu)勢。在當(dāng)前的研究中，墻體具有不與城市用地發(fā)生沖突的優(yōu)勢，而且對其功能的挖掘也證明了其可以在城市更新中發(fā)揮重要的作用，但有關(guān)具有生產(chǎn)功能的生產(chǎn)性建筑表皮的研究尚鮮見報道，與之相關(guān)的研究多聚焦于無防護(hù)性的垂直綠化及其其景觀功能。在此背景下，本研究充分發(fā)揮城市環(huán)境中各類空間的自身資源稟賦，結(jié)合生產(chǎn)性城市的總體理念和發(fā)展目要求，有機(jī)結(jié)合生物對生產(chǎn)環(huán)境的需求特性，提出了“生產(chǎn)性建筑表皮系統(tǒng)”（Productive Architecutral Surface System-PASS）的構(gòu)建模式。

對于PASS 的研究可以分為以下幾個方面，首先，其對于建筑室內(nèi)采光和通風(fēng)，以及室內(nèi)氣流的循環(huán)會產(chǎn)生直接的影響；其次，新系統(tǒng)會改變建筑局部的熱工性能，進(jìn)而影響建筑的節(jié)能；第三，其對室內(nèi)的觀景效果和生產(chǎn)性能的發(fā)揮也是其研究的重要方面。但是，PASS 作為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其整體的熱工性能直接決定了未來建筑的能耗，是其首要的性能指標(biāo)，是其他各類研究的基礎(chǔ)，因此需要先行研究。

建筑能耗在發(fā)達(dá)國家一般占全國總能耗的30%～40%，例如在美國，建筑的耗能約占社會總耗能的39%[18]。我國的建筑能耗也處于世界耗能大國之列，根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2021》，全國建筑總能耗已達(dá)33%，其中運(yùn)行能耗占比22%，建造能耗占比11%[19]，建筑能耗長期以來一直都是牽動社會全局發(fā)展的重大問題。在建筑的運(yùn)行能耗中，如果按照傳熱形式來分類，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失占主導(dǎo)地位，大約占總耗熱量的73%～77%。而按照建筑構(gòu)件來分類，窗的傳熱損失加上其空氣滲透耗熱量就占建筑全部耗熱量的50%[20]，因此，如何有效降低透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱對于改善建筑的整體能耗水平具有關(guān)鍵的作用。

PASS 是依托建筑墻體的創(chuàng)新建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅需要具備完備的食物、能源生產(chǎn)性能和對室內(nèi)自然采光環(huán)境的調(diào)節(jié)功能[21，22]，其節(jié)能性能也是其重要的性能指標(biāo)之一。綜上分析，在生產(chǎn)性城市的微觀領(lǐng)域，亟待探索生產(chǎn)性空間與建筑本體的空間組織形式，并需要對其節(jié)能性能進(jìn)行明確，進(jìn)而為建筑的生產(chǎn)性更新提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 建筑生產(chǎn)型建筑表皮模組構(gòu)建

2.1 建筑生產(chǎn)型建筑表皮模型構(gòu)建

在我國的城市環(huán)境中，既有建筑的更新是實現(xiàn)生產(chǎn)性城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的有效途徑之一。在前期的研究中，針對生產(chǎn)性建筑空間的人和植栽的雙主體特點(diǎn)，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部光、溫、氣流等綜合環(huán)境要求，本文研究者構(gòu)建了單元化的生產(chǎn)型有機(jī)建筑表皮單元（PASS）[23]；并在前期的探索中，對其光熱、生產(chǎn)性能進(jìn)行了細(xì)致的研究和分析。PASS 與建筑本體結(jié)合的方式如圖1 所示?；谏鲜龅脑O(shè)計，在將維護(hù)功能和生產(chǎn)功能結(jié)合在一起的建筑表皮系統(tǒng)設(shè)計中?？梢詽M足城鎮(zhèn)居民在城市中種植植栽，提供必要的食物補(bǔ)充。

圖1 為生產(chǎn)型建筑表皮單元（以下簡稱單元）的概念（實驗艙）模型，該單元以加建的形式敷設(shè)在建筑外表皮，可分為與建筑窗戶結(jié)合或者墻體結(jié)合的方式。

生產(chǎn)型建筑表皮單元本身由上中下三個部分構(gòu)成，最上部為太陽能光熱、光伏組件，該組件為建筑提供必要的電能和熱水，同時該組件也輔助調(diào)控建筑內(nèi)部采光和為下部的植栽提供遮陰，并通過基于光學(xué)分析的設(shè)計實現(xiàn)其對建筑內(nèi)部光環(huán)境的響應(yīng)。單元中部為植栽生長空間，綜合建筑采光、太陽能采集、植栽生長等多重因素，該空間采用倒三角型剖面，實現(xiàn)其對空間綜合要求的響應(yīng)。單元最下部為水產(chǎn)養(yǎng)殖空間，該空間與中部的植栽空間共同構(gòu)成魚-菜共生系統(tǒng)，實現(xiàn)微型的生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)。

2.2 生產(chǎn)型建筑表皮模組與居住單元整合模式

PASS 單元模組以加建的模式敷設(shè)在居住單元南向窗戶或開放的陽臺外側(cè)，圖2 為生產(chǎn)型建筑表皮模組與居住單元整合模型。生產(chǎn)型模組的敷設(shè)，變原建筑的單層表皮為雙層腔體建筑表皮結(jié)構(gòu)。居住單元整合模組秉承PASS 概念模型的基本要素，在此基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步考慮了建筑層高、上下采光遮擋、通風(fēng)等綜合因素的影響。圖2 所示的居住單元整合模式可以實現(xiàn)PASS 光伏發(fā)電與植栽遮光的統(tǒng)一，上下層之間通過采光分析可以消除組件間的遮光影響，通風(fēng)窗的設(shè)計可實現(xiàn)PASS 全天候三段式自然通風(fēng)。PASS 下部的出儲水空間不但給水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了空間也為上部的水培蔬菜提供了營養(yǎng)液，支撐了PASS 內(nèi)的魚菜共生（Aquaponics）。

2.3 生產(chǎn)型建筑表皮模組性能分析

通過以上的前期設(shè)計，實現(xiàn)了PASS 模組與居住單元的有機(jī)融合，而融合之后PASS模組對居住單元的采光、通風(fēng)以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能的影響就是不得不深入研究的內(nèi)容。對于居住單元的采光、通風(fēng)等性能的影響，團(tuán)隊已在前期的研究中針對PASS 與建筑采光和其生產(chǎn)性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，除在一些外部光照條件非常不利的條件下PASS 的采光性能稍弱外，在通常情況下，整合PASS 模組后，建筑內(nèi)部的整體采光舒適度得到了有效的提高。而且，整合PASS 后，建筑立面對其外部的光污染得到了有效地控制。但前期的研究中并未對其作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)傳熱特性和其保溫隔熱性能進(jìn)行深入研究，相關(guān)的性能尚不明確，為此，本文搭建了試驗平臺，開展了PASS 熱物理性能的專項研究。

圖1 PASS 模組與建筑本體的空間融合模式圖

圖2 PASS 模組與單元式住宅建筑空間融合圖

3 生產(chǎn)性建筑表皮系統(tǒng)節(jié)能性能試驗

3.1 試驗儀器和方法

多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集，Agilent 34970A 數(shù)據(jù)自動采集儀（美國Agilent 公司），T 型熱電偶溫度傳感器（精度±0.2 ℃）?？諝鉁貪穸扔嫞篐OBO MX2301A 空氣溫濕度記錄儀，（美國ONSET 公司），溫度測量范圍-40℃～70℃，溫度精度±0.3℃；濕度測量范圍0 ～100%RH，濕度精度3%RH。多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)儀DRE-Ⅲ（湘潭湘儀儀器有限公司），導(dǎo)熱系數(shù)測定范圍0.005 ～50W/mk，熱擴(kuò)散系數(shù)0.1 ～100mm2/s，相對測量誤差≤3%，重復(fù)性誤差≤3%。高精度熱流數(shù)據(jù)采集器HFM-8（法國Capte 公司），熱流測定范圍-200Kw/m2～200 Kw/m2，溫度測定范圍-180 ～300℃，相對測量誤差≤3%。TESTO 875-2i pro 紅外熱像儀（德國德圖），探測器尺寸160 x 120 像素 = 19,200 個溫度測點(diǎn)，結(jié)合德圖Super 紅外超像素功能及專業(yè)紅外軟件，可將圖像質(zhì)量優(yōu)化至320 x 240 像素，熱靈敏度：＜ 0.05℃，具備冷/熱點(diǎn)自動追蹤，測量表面溫度并換算及直接顯示表面濕度分布圖像。試驗采用的方法為防護(hù)熱箱法，研究基于熱流法導(dǎo)熱分析，進(jìn)而研究PASS 與室內(nèi)界面以及各種不同墻體的傳熱特性。

3.2 試驗平臺搭建

（1）人工低溫環(huán)境氣候室實驗平臺

如圖3 所示，試驗所依托的人工低溫環(huán)境氣候室平臺具備5 個實驗艙口，內(nèi)部為連通的高絕熱防護(hù)腔體（100mm 高密度聚氨酯保溫層），可實現(xiàn)統(tǒng)一的內(nèi)部環(huán)境調(diào)控（可模擬-45℃以內(nèi)的，全國各地冬季室外溫度環(huán)境），在本試驗中，該實驗平臺模擬北京冬季的計算室外溫度環(huán)境。單個試驗艙口尺寸1000×1000mm，可獨(dú)立安裝不同結(jié)構(gòu)的測試墻體。每次可以同時開展5 個墻體的試驗。試驗平臺由計算機(jī)自動控制，可以確保內(nèi)部環(huán)境條件的多次一致重復(fù)。

（2）試驗墻體搭建

本次實驗設(shè)計9 種建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型，首先，本實驗平臺以1 ∶5 比例構(gòu)建了PASS 系統(tǒng)的縮尺模型，并在其內(nèi)部放置了等比例的水體（模擬Aquaponics），其結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4a 所示；其次，是多數(shù)既有建筑墻體所具有的240mm 厚燒結(jié)普通磚墻結(jié)構(gòu)，該墻體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4b 所示；第三，為了科學(xué)對比PASS 的節(jié)能性能，本研究搭建了兩種當(dāng)前住宅建筑普遍采用的外墻結(jié)構(gòu)，燒結(jié)多孔磚砌體墻+外保溫和混凝土小型空心砌塊+外保溫[24]，具體墻體結(jié)構(gòu)分為兩種類型，其中未敷設(shè)外保溫的墻體構(gòu)造見圖4c，圖4d；按民用建筑外墻規(guī)范敷設(shè)外保溫的腔體構(gòu)造見圖4e，圖4f；第四，本研究設(shè)置了未整合PASS 系統(tǒng)的3 種建筑采光圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該實驗設(shè)置三種中空玻璃結(jié)構(gòu)形式，5+6A+5 雙層中空玻璃（以下簡稱雙層中空玻璃）、5+6A+5+6A+5 三層中空玻璃（以下簡稱三層中空玻璃）和5+6A+5+空腔（118mm）+5+6A+5 中空玻璃雙層窗（以下簡稱中空玻璃雙層窗），構(gòu)造結(jié)構(gòu)詳見圖4g。

（3）實驗方法

本實驗研究采用一種冬季環(huán)境，五種墻體類型、四種采光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實驗方法。基礎(chǔ)墻體類型包括：240mm燒結(jié)普通磚墻、190mm 空心砌塊墻、240mm 燒結(jié)多孔磚墻；墻體保溫構(gòu)造為墻體外保溫[25]；采光圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括PASS，以及其它三種不同類型的中空玻璃。實驗中，每個工況重復(fù)實驗并截取1day 的數(shù)據(jù)，然后分組對比分析的實驗方法，具體方法如下所述。為提高研究對于我國北方氣候的適應(yīng)性和代表性，實驗研究的冬季溫度環(huán)境采用我國北京的冬季室外計算溫度（-9.9℃）[26]。

圖3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能實驗平臺

圖4 試驗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

墻體熱性能實驗I：所有墻體均不敷設(shè)外保溫，在不敷設(shè)內(nèi)外保溫層的墻體結(jié)構(gòu)下，測試不同墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本保溫性能；形成PASS 模組與建筑墻體結(jié)構(gòu)的熱工性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

墻體熱性能實驗II：僅對燒結(jié)多孔磚墻與混凝土空心砌塊墻體敷設(shè)外保溫結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖4c，圖4d；中空玻璃采用3 層中空玻璃，具體結(jié)構(gòu)詳見圖4e；通過本實驗，獲得PASS 與居住建筑外保溫墻體的熱性能對比數(shù)據(jù)；

墻體熱性能實驗III：所有墻體結(jié)構(gòu)與實驗II 相同，但與PASS 冬季運(yùn)行狀態(tài)一樣，將PASS 實驗?zāi)＝M中的水溫維持在20℃度，模擬在冬季環(huán)境下，PASS 的正常運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)簡稱PASS-Antifreesing；通過本實驗，獲得PASS 在冬季維持正常生產(chǎn)時，與居住建筑外保溫墻體的熱性能對比數(shù)據(jù)；以上所有實驗重復(fù)3 次，待所有實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定后采用Origin 進(jìn)行圖表分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 實驗平臺各空間溫度環(huán)境結(jié)果與分析

（1） 實驗空間溫度變化分析

在實際工況中，建筑所面臨的外部環(huán)境一般以自然日為步長周期重復(fù)。因此，在多次實驗后，截取實驗從開始降溫到數(shù)據(jù)收斂的過程（1day，1440min），數(shù)據(jù)分析如圖5 所示。

圖5 表示了實驗平臺各功能空間的溫度變化，從圖中可以得到，室內(nèi)溫度（模擬建筑的室內(nèi)環(huán)境）維持在穩(wěn)定的26℃，代表穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境。而實驗腔內(nèi)溫度（模擬建筑室外環(huán)境）從和室內(nèi)溫度相同開始，逐步降低到-10℃，在降溫到達(dá)設(shè)計溫度后維持在-10℃。PASS-Inner 與PASS-Antifreesing 分別代表處于不加溫（自然節(jié)律運(yùn)行）和水體加溫（適宜生長環(huán)境運(yùn)行）兩種工況下的PASS 內(nèi)溫度；從圖中可知，PASS-Inner 的溫度隨著外界溫度的下降，持續(xù)降低，在1day 的降溫過程中逐步趨近于0℃，而相比之下，PASS-Antifreesing的溫度開始隨著外界溫度的下降而下降，在PASS 是室內(nèi)溫度接近10℃時，開始穩(wěn)定在該溫度點(diǎn)，不再持續(xù)下降，而該溫度可保障絕大部分的喜溫植栽的正常生長和發(fā)育，保障PASS 生產(chǎn)功能的發(fā)揮。圖5 中，Aqua 與Aqua-Living 分別代表處于不加溫（自然節(jié)律運(yùn)行）和水體加溫（適宜生長環(huán)境運(yùn)行）兩種工況下的種植槽內(nèi)的水體溫度，從圖中可知，Aqua 的溫度隨著外部的溫度下降和低溫的持續(xù)，其水溫不斷降低，在1day 的時間中其水溫降低至6℃，而這一溫度條件下，大部分的植栽會出現(xiàn)不可逆的凍害。而相比之下，處于適宜生長環(huán)境運(yùn)行工況下的Aqua-Living 其水溫始終保持在20±2℃，該溫度既處于植栽根區(qū)的適宜溫度范圍，也是Aquaponic 系統(tǒng)中魚類生存發(fā)育的適宜溫度，可保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）實驗圍護(hù)結(jié)構(gòu)界面溫度場分析

經(jīng)過一個完整降溫周期的實驗，實驗墻體表現(xiàn)出明顯的表面溫度場差異，具體如圖6 所示，其中圖6a 表征了實驗墻體與室內(nèi)界面的溫度場，P1、P2 分別代表了不同位置的溫度剖面線，圖6b 表征的是兩條溫度剖面線所反映的平均溫度剖面。

圖5 實驗平臺各功能空間溫度曲線

圖6 PASS 與無保溫墻體室內(nèi)界面溫度場對比圖

從圖6 的可以直觀地得到，界面溫度最低保持在15.5℃以上，最高為21.8℃。整體的室內(nèi)界面溫度趨勢表現(xiàn)為PASS ＞240mm 多孔磚墻＞240mm 磚墻＞190mm空心砌塊墻，PASS 的熱工性能優(yōu)于本研究中的無敷設(shè)保溫層的其他砌塊墻體。

但在實踐中，除既有建筑中大量存在無保溫的240mm 磚墻外，多孔磚墻大都敷設(shè)有保溫層，而且為了增加保溫性能，中空玻璃雙層窗也是建筑高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的常用形式。因此本研究進(jìn)一步對比分析了PASS 與敷設(shè)外保溫層的多孔磚墻和中空玻璃雙層窗的熱工性能。外保溫多孔磚墻體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4f 所示，墻體的界面溫度場分析如圖7 所示。

從圖7 的界面溫度場分布分析可以得到，PASSAntifreesing 的室內(nèi)界面平均溫度為21.79℃高于PASS（室內(nèi)界面平均溫度20.97℃）和中空玻璃雙層窗（室內(nèi)界面平均溫度20.40℃），但略低于保溫空心磚墻（室內(nèi)界面平均溫度22.08℃）。PASS-Antifreesing 表現(xiàn)出接近于敷設(shè)外保溫的多孔磚墻的界面溫度，但對于其實際的熱通量尚不清楚，需要后續(xù)的研究進(jìn)一步明確其熱工性能，進(jìn)而判斷其保溫節(jié)能的實際性能。

4.2 實驗平臺各空間界面熱流實驗結(jié)果與分析

（1） PASS 與無保溫構(gòu)造墻體空間界面?zhèn)鳠岱治鲈谏鲜龈骺臻g溫度條件下，為進(jìn)一步明確PASS 作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性和保溫節(jié)能效果，本研究對各空間界面的熱流進(jìn)行了系統(tǒng)地監(jiān)測和分析，結(jié)果如圖8所示，其中圖8 表征的是PASS 與室內(nèi)空間界面熱流與其它建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同空間位置界面的熱流對比。從圖8 可以直觀地得到，在降溫開始階段，PASS 的界面熱量散失熱流均超過其它類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，僅較雙層中空玻璃和三層中空玻璃有較好的保溫效果，其傳熱熱流也小于以上兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)。但隨著溫度的近一步降低和低溫的持續(xù)，PASS 與室內(nèi)界面熱流分別在降溫持續(xù)120min（2 h）的時刻，開始小于空心砌塊墻體（無外保溫構(gòu)造）、中空玻璃雙層窗；而且在降溫持續(xù)360min（6 h）的時刻，開始穩(wěn)定地小于多孔磚墻（無外保溫構(gòu)造）；最后，在降溫持續(xù)到810min（13.5 h）后，其與室內(nèi)界面的熱通量穩(wěn)定地小于240mm 燒結(jié)普通磚墻。實驗結(jié)果表明，較上述均未敷設(shè)保溫層的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)外維持穩(wěn)定的36℃溫差條件下，PASS 具有相對較低的整體熱流，具有更好的節(jié)能保溫效果。

圖7 PASS 與外保溫墻體室內(nèi)界面溫度場對比圖

圖8 PASS 與無保溫墻體熱通量分析圖

在上述分析得到初步的性能概況后，進(jìn)一步對其熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下具體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體熱通量指標(biāo)。在降溫持續(xù)810min（13.5 h）后，在測試實驗艙內(nèi)外維持穩(wěn)定的36℃的溫差下，各種不同結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平均熱通量的對比關(guān)系如下：PASS (26.52w/m2) ＜ 240mm 多孔磚墻(30.25w/m2) ＜ 240mm 磚墻(33.75w/m2) ＜ 150mm 中空玻璃雙層窗(39.81w/m2) ＜ 27mm 3 層中空玻璃(50.33w/m2) ＜ 190mm 空心砌塊墻(51.05w/m2) ＜ 16mm 雙層中空玻璃(82.51w/m2)。綜上所述，PASS的節(jié)能性能優(yōu)于未敷設(shè)保溫層的空心砌塊和多孔磚墻，在其持續(xù)保溫性能方面甚至超過了普通的240mm 磚墻。因此，在對既有建筑的墻體升級改造中，PASS 能有效改善建筑墻體薄弱環(huán)節(jié)的節(jié)能性能，有助于拓展建筑表皮更新的手段和方式方法。

（2） PASS 與敷設(shè)外保溫墻體空間界面?zhèn)鳠岱治?/p>

上述研究中，已經(jīng)明確了PASS 與傳統(tǒng)的既有建筑240mm 厚燒結(jié)磚墻體以及未敷設(shè)保溫構(gòu)造的空心砌塊與多孔磚的保溫性能差別。但在實踐項目中，除常規(guī)的240mm 磚墻外，按照《外墻外保溫建筑構(gòu)造》[25]，當(dāng)前的普通民用建筑墻體的常規(guī)構(gòu)造一般為敷設(shè)外保溫的混凝土空心砌塊墻和多孔磚墻。據(jù)此，本研究進(jìn)一步探索了PASS 與敷設(shè)外保溫的墻體節(jié)能保溫性能差異，并重點(diǎn)研究了處于正常運(yùn)行的PASS-Antifreesing（具備智能加熱系統(tǒng)，用以維持Aqua 系統(tǒng)的水體處于20℃的適宜溫度范圍，本實驗條件下耗電量為1.5kw·h/day）與敷設(shè)外保溫建筑墻體的熱工性能差異，詳細(xì)實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 PASS-Antifreesing 與外保溫墻體熱通量分析圖

從圖9的趨勢圖中可以得到，雖然在降溫開始的階段，無論是PASS 還是PASS-Antifreesing 其與室內(nèi)空間界面的熱通量均大于相同位置的240mm 磚墻、240mm 保溫多孔磚墻和190mm 保溫空心砌塊墻。但在降溫持續(xù)到600min（10 h）時和1500min（25 h）時PASS-Live和PASS 的界面?zhèn)鳠岱謩e開始小于240mm 磚墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體傳熱趨于穩(wěn)定，其界面熱通量分別穩(wěn)定在18.03和26.52 w/m2，換算整體導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.69 和0.74 w/(m2·k)，兩者均小于《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于外窗傳熱系數(shù)的限值1.4 w/(m2·k)[27]，表現(xiàn)出更加有利于建筑節(jié)能的熱工性能。而PASS 與PASS-Antifreesing 相比，在持續(xù)保溫性能方面也表現(xiàn)出不同的特性，尤其是PASS-Antifreesing，在持續(xù)降溫750min（12.5 h）后，其界面熱通量出現(xiàn)了和保溫墻體一致的傳熱趨勢。PASS-Antifreesing 與外保溫墻體的熱工性能差別，僅表現(xiàn)在其熱通量的具體值相比外保溫多孔磚墻（平均熱通量6.08w/m2；換算整體導(dǎo)熱系數(shù)0.17 w/m2·k）和外保溫空心砌塊墻（平均熱通量12.41w/m2；換算整體導(dǎo)熱系數(shù)0.34 w/m2·k）分別高11.95w/m2和5.62 w/m2，其整體傳熱系數(shù)較性能優(yōu)良的外保溫多孔磚高0.52 w/(m2·k)。

綜合研究表明，雖然PASS 系統(tǒng)的室內(nèi)界面?zhèn)鳠徇h(yuǎn)優(yōu)于綜合性能良好的中空玻璃雙層窗，但與敷設(shè)外保溫的建筑墻體相比，自然運(yùn)行狀態(tài)的PASS 保溫?zé)峁ば阅芟鄬Σ蛔悖鋲w保溫性能僅達(dá)到了在810min 后，優(yōu)于未敷設(shè)保溫層的240mm 磚墻。進(jìn)一步實驗研究揭示，處于適宜生長運(yùn)行狀態(tài)的PASS-Antifreesing 具有更優(yōu)的節(jié)能保溫效果，其熱工性能非常接近于外保溫墻體，雖然其內(nèi)墻面界面穩(wěn)態(tài)熱通量較外常規(guī)的保溫墻體高，但其整體熱通量卻僅為240mm 磚墻的42.86%，除此之外，PASS 設(shè)計之初就整合了完備綜合生產(chǎn)功能。因此，綜合上述研究，無論是PASS 還是PASS-Antifreesing，其熱工性能均達(dá)到了我國《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于該類圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能限值，其滿足了有作為既有建筑生產(chǎn)性更新改造方式的基本要求。

結(jié)語

（1）生產(chǎn)型建筑腔體表皮單元（PASS）具有較為優(yōu)良和穩(wěn)定的節(jié)能保溫效果，其保溫性能整體優(yōu)于中空玻璃雙層窗和未敷設(shè)保溫的190mm 空心砌塊和240mm多孔磚。長期性能方面，在經(jīng)歷了13.5h 的36℃溫差持續(xù)低溫后，其整體的界面穩(wěn)定熱通量為26.52w/m2（換算整體傳熱系數(shù)為0.74 w/m2·k），該性能超過了普通240mm 磚墻的保溫效果。

（2）生產(chǎn)型建筑腔體表皮單元的正常使用工況（PASS-Antifreesing）具有更加穩(wěn)定的保溫絕熱性能，具有接近于外保溫空心砌塊的保溫效果，其內(nèi)墻面界面穩(wěn)定傳熱熱流18.03w/m2（換算整體傳熱系數(shù)為0.69 w/m2·k），分別較外保溫多孔磚、外保溫空心砌塊分別高11.95w/m2和5.62 w/m2，其整體傳熱系數(shù)較性能優(yōu)良的外保溫多孔磚高0.52 w/(m2·k)，但其整體熱損熱流僅為240mm 磚墻的42.86%。

（3）與處于自然運(yùn)行工況的PASS 相比，PASSAntifreesing 工況具有更加穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境和保溫性能，特別是在低溫持續(xù)到10h 后，PASS-Antifreesing 不但保持了穩(wěn)定的15 w/m2界面熱損（換算整體傳熱系數(shù)為0.42 w/m2·k），同時也將PASS 內(nèi)的溫度穩(wěn)定在10℃，既保障了其生產(chǎn)功能的正常發(fā)揮，也保障了其對建筑節(jié)能保溫功能。

PASS 不但是對既有建筑進(jìn)行生產(chǎn)性更新的有效措施之一，也是實現(xiàn)建筑的生產(chǎn)性更新的有效手段。其能在滿足建筑生產(chǎn)性功能的同時，也提高了建筑的節(jié)能保溫效果，在節(jié)能效果上實現(xiàn)了普通建筑外保溫接近的效果[28,29]。本研究以期為既有建筑的生產(chǎn)性更新設(shè)計和建筑的節(jié)能提供實踐參考。

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