共同模拟基于自然的复合立面和传统复合立面对温带气候下建筑物热性能和能源性能的影响

《Green Technologies and Sustainability》：Co-simulating the effects of nature-based and conventional composite facades on building thermal and energy performance in temperate climates

1.建筑立面材料组合对室内外热舒适及能耗的影响研究，采用ENVI-met与EnergyPlus耦合模拟分析六种材料组合方案（全混凝土、砖砌、生物基绝热层及混合 hempcrete），发现生物基材料显著降低冬季能耗（最大降幅52%）并改善夏季热岛效应，其中混合 hempcrete年能耗减少48%，且立面温度昼夜波动更平缓。

　　在当前全球面临气候变化挑战的背景下，建筑行业作为主要的碳排放源，正面临着巨大的减排压力。建筑外墙材料的选择对室内与室外的热舒适性以及整体建筑能效有着直接的影响。因此，研究和应用具有自然属性的外墙材料成为实现净零碳建筑（NZCB）和提升建筑可持续性的关键策略之一。本研究通过结合ENVI-met与EnergyPlus的共模拟方法，评估了六种不同外墙组合对伦敦地区建筑室内能耗和室外热环境的影响。这些外墙组合包括一个基准场景（全混凝土）、两个以砖为基底的设计、两种堆叠的生物基保温材料以及一种混合混凝土-生物基材料（亚麻混凝土）。研究结果揭示了不同材料组合在不同季节对建筑热环境和能耗的影响差异，强调了生物基材料在减少碳排放和提高能效方面的潜力。

### 外墙材料对热环境的影响

研究发现，在夏季，所有外墙组合的外部墙体表面温度在白天都会升高，但砖基外墙在夜间能够迅速降温，而生物基保温外墙则在夜间保持较高的温度。这一现象表明，不同材料对太阳辐射的吸收和反射特性在白天和夜间存在显著差异。例如，白漆砖（WRW）和砖基复合材料（BRB）由于其较高的反射率和较低的吸热性，在白天能够有效减少墙体吸热，从而降低建筑内部的温度升高幅度。而在夜间，这些材料则有助于维持较低的表面温度，从而缓解城市热岛效应。

在冬季，所有外墙组合的墙体表面温度在整个白天和夜间都较低，而混合亚麻混凝土（MHC）外墙则在整个季节中表现出更显著的降温效果。这主要归因于MHC的低热传导性和高热容量，使其能够更好地缓冲外界冷空气对室内环境的影响。同时，MHC的较低密度和良好的湿度调节能力，使其在寒冷条件下能够吸收和释放水分，从而进一步降低表面温度。此外，生物基材料如亚麻和大麻纤维在冬季表现出优异的保温性能，能够有效减少热量流失，提高建筑的热舒适性。

### 建筑能耗的变化

从建筑能耗的角度来看，夏季的峰值能耗在不同外墙组合之间存在显著差异。研究显示，所有外墙组合的能耗相比基准混凝土外墙均有所增加，其中大麻和亚麻复合外墙（PHP和PJP）的能耗增加幅度最大，分别达到91%和98%。这主要是因为这些材料在夏季高温条件下无法有效阻止太阳辐射带来的热量累积，导致建筑内部需要更多的冷却能源。然而，混合亚麻混凝土（MHC）在夏季的能耗增加幅度相对较低，仅为12%，这表明其在热调节方面具有一定的优势。

相比之下，在冬季，生物基外墙材料的能耗显著下降。其中，混合亚麻混凝土（MHC）的能耗减少了56%，而PHP和PJP的能耗分别减少了64%和66%。这主要得益于这些材料的高热阻特性，使其在寒冷条件下能够有效减少热量流失，从而降低供暖需求。同时，砖基外墙（BRB和WRW）也表现出一定的节能效果，分别减少了25%和27%的能耗。然而，与生物基材料相比，砖基材料的节能潜力仍然有限。

### 年度能耗表现

从年度角度来看，生物基外墙材料的整体能耗表现优于砖基材料。研究显示，混合亚麻混凝土（MHC）和PHP外墙组合的年度能耗分别减少了48%和51%，而PJP外墙组合的能耗减少了52%。这些数据表明，生物基材料在全年范围内都能有效降低建筑的能源消耗，从而对实现净零碳建筑目标具有重要意义。相比之下，砖基外墙材料（BRB和WRW）的年度能耗仅减少了24%至25%，说明其在整体节能方面的效果不如生物基材料。

### 生物基材料的环境与经济优势

生物基材料不仅在热性能方面表现出色，还在环境和经济层面具有显著优势。首先，这些材料通常具有较低的碳足迹，能够在建筑生命周期内持续吸收二氧化碳，成为碳汇。例如，大麻混凝土（hempcrete）在生产、使用和废弃过程中，都能有效减少碳排放。其次，生物基材料的低环境影响使其成为可持续建筑的重要选择。其低能量密度和高热阻特性不仅有助于减少建筑的能源需求，还能改善室内空气质量，提高居住者的舒适度。

然而，生物基材料也存在一些挑战。例如，它们对湿度较为敏感，容易受到潮湿环境的影响，可能导致材料性能下降或结构损坏。此外，生物基材料的耐久性可能不如传统建筑材料，需要特殊的处理和维护。因此，在实际应用中，必须综合考虑材料的热性能、环境影响以及经济成本，选择最适合特定气候条件的外墙材料。

### 城市热岛效应与热舒适性

城市热岛效应是城市化进程中的一个严重问题，尤其是在夏季，高温天气会显著影响建筑的热舒适性和能耗。本研究发现，混合亚麻混凝土（MHC）和白漆砖（WRW）等材料在夏季夜晚表现出较强的降温能力，有助于缓解城市热岛效应。这种降温效果主要源于材料的高反射率和低吸热性，使其能够有效减少太阳辐射对建筑外部环境的影响。

此外，生物基材料在改善热舒适性方面也展现出良好的潜力。通过减少外部墙体的吸热，这些材料能够降低建筑内部的温度波动，从而减少空调系统的运行时间。这种自然调节机制不仅有助于降低能耗，还能提高居住者的热舒适度。例如，在夏季，MHC外墙能够有效降低建筑外部的温度，减少热量向室内传递，从而降低冷却需求。而在冬季，这些材料则能够减少热量流失，提高供暖效率。

### 建筑设计与材料选择的综合考量

建筑外墙材料的选择不仅影响建筑的能耗，还与建筑的整体设计密切相关。例如，在设计过程中，应考虑材料的热惯性、热阻和反射率等因素，以实现最佳的热调节效果。同时，材料的厚度和组合方式也会影响其性能。研究表明，将保温材料放置在墙体的外层或中间层，能够显著提高其保温效果。此外，不同材料的组合方式（如混合使用大麻混凝土和混凝土）能够进一步优化建筑的热性能。

在实际应用中，材料的选择还应结合具体的气候条件。例如，在具有长期寒冷冬季的地区，如北欧或北美，生物基材料可能更加适用。而在温暖地区，如非洲，这些材料的性能可能会受到限制，需要进一步优化。因此，建筑设计师和工程师在选择外墙材料时，应充分考虑当地的气候特征，以确保材料能够发挥最佳的热调节和节能效果。

### 未来研究方向

尽管本研究展示了生物基外墙材料在热调节和节能方面的潜力，但仍有许多方面需要进一步探索。例如，未来的研究可以关注这些材料在整个生命周期中的表现，包括其生产、使用和废弃阶段的环境影响。此外，材料的耐久性和维护成本也是需要考虑的重要因素。通过长期实验和模拟，可以更全面地评估生物基材料的实际应用效果，并为其在建筑行业的推广提供科学依据。

另外，研究还应考虑不同材料组合在不同建筑类型和气候条件下的表现。例如，高层建筑和低层建筑在热调节方面可能存在不同的需求，因此需要针对不同建筑形式进行定制化研究。同时，应探索其他类型的生物基材料，如棉秆、椰枣木、岩棉和稻草板，以找到最适合不同气候条件的材料组合。

总之，本研究为生物基外墙材料在可持续建筑中的应用提供了重要的科学依据。通过合理的材料选择和设计，可以有效降低建筑的能耗，提高热舒适性，并减少碳排放。未来的研究应进一步优化材料性能，探索其在不同建筑类型和气候条件下的适用性，以推动建筑行业向更加环保和节能的方向发展。