基于自然与常规复合立面在温带气候下对建筑热工及能源性能影响的协同模拟研究

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

　　

建筑立面材料与构造的选择对室内外热舒适及能源效率具有显著影响。然而，大多数建筑材料的碳足迹对气候变化产生负面影响，强化了对净零碳建筑（Net-Zero Carbon Buildings, NZCBs）的需求。将自然基材料纳入立面构造有助于减少建筑行业的碳排放。然而，其对室内外气候相互作用及节能的影响研究尚不充分。本研究采用ENVI-met与EnergyPlus协同模拟方法，分析了六种不同立面构造——包括参照组（全混凝土）、两种砖基设计、两种堆叠生物基保温材料及一种混合混凝土-生物基材料（麻混凝土，hempcrete）——对室内能耗及室外热环境的影响。结果表明，夏季所有立面场景在白天均表现出较高的外墙表面温度，其中砖基墙体在夜间降温，而生物基保温墙体在夜间保持较高温度；冬季所有墙体在昼夜均较低温。混合麻混凝土（Mixed Hemp-Crete, MHC）立面在各季节均持续保持较低温度。其他立面构造影响环境温度，夏季观察到白天增温与夜间降温效应，表明这些材料具有缓解城市热的潜力。受构造差异影响，夏季峰值能耗较全混凝土立面系统增加12%–98%，而冬季能耗降低25%–68%。全年尺度下，堆叠及混合生物基立面场景供暖能耗降低48%–52%，凸显其在漫长寒冷冬季地区降低能耗的潜力。研究结果强调了自然基立面材料对全球碳减缓的重要贡献，为实现NZCBs提供了可行路径。

研究背景方面，人类工业、商业及居住活动加剧全球气候变化，建筑行业约占全球能源消耗36%、二氧化碳（CO₂）排放39%，欧洲建筑能耗及温室气体排放超总量40%，其中近50%能量损失源于围护结构保温不良，加之气温上升导致空间制冷需求增加，提升建筑能效是降本减排及改善室内热环境最具成本效益的策略。温带地区如英国近年频现极端高温（2022年7月达40.3 °C），加剧室内过热与健康风险，建筑保温质量、材料及通风设计对缓解过热至关重要。在此背景下，麻（hemp）与黄麻（jute）等生物基材料因可持续性、可再生及低隐含能，兼具保温与碳汇功能，契合净零碳建筑（Net-Zero Carbon Buildings, NZCBs）目标。现有文献多孤立评估室内热工或能源性能，鲜少结合微气候与能源模拟探讨生物基材料在立面系统中的双重交互，且采用ENVI-met与EnergyPlus协同模拟评估温带气候立面的研究尚属空白。为此，研究人员以伦敦这一中纬度温带海洋性气候城市为对象，构建协同模拟框架，评估六种立面构造对室外热舒适与室内能耗的影响，助力气候韧性低碳建筑设计及NZCBs政策目标。

为开展研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：选用英国伦敦盖特威克（Gatwick, London, latitude 51° 09’N, longitude 0° 10’W）的EnergyPlus Weather（EPW）文件作为基础气象输入；利用ENVI-met V5（三维非 hydrostatic 微气候计算流体动力学模型，采用标准k-ε湍流模型封闭Reynolds-Averaged Navier–Stokes, RANS方程）模拟110 m × 110 m × 100 m域内25栋10 m × 10 m × 10 m三层低密度住宅街区无植被场景的室外微气候与立面表面温度，空间分辨率2 m × 2 m × 2 m，模拟时长96 h以涵盖峰值的冬夏日前后天；通过EnergyPlus 23.1.0（基于热平衡原理的整体建筑能源模拟程序，采用Conduction Transfer Function, CTF与Finite Difference, FD方法模拟多层墙体瞬态传热，并应用Thermal Analysis Research Program, TARP算法模拟对流换热）模拟室内能耗，设定冬季18 °C、夏季24 °C理想空调设定点，窗墙比20%；构建协同模拟框架，将ENVI-met域内近建筑表面网格气象输出平均生成修正EPW文件驱动EnergyPlus，克服各自局限以反馈建筑与室内外微气候及能源使用的交互，六种立面场景仅变立面材料而屋顶（terracotta）、窗、内负荷等其余参数一致。

研究结果如下：

3.1. Effect of building fa?ade compositions on outdoor micro-climate and facade temperatures

研究人员通过ENVI-met模拟发现，夏季相较于全混凝土参照，砖基Bufflime brick/Red brick/Bufflime（BRB）立面日间07:00–18:00温度升高0.1–1.2 °C，其后低于参照；White brick/Red brick/White-painted（WRW）因高反射率低吸收率增温幅度0.3–1.2 °C仅维持4 h且冷却更早。堆叠生物基Plastered concrete/Hemp/Plastered concrete（PHP）与Plastered concrete/Jute/Plastered concrete（PJP）至10:00前呈冷却效应，夜间维持较高温，归因于保温材料高比热容减少传热与能量损失；混合麻混凝土（Mixed Hemp-Crete, MHC）因低密度、低导热系数、高比热容表现显著日间冷却。温差在南北向西晒面更显著。冬季各立面均较参照冷却，MHC因低导热系数致内部热量难传导至外表、低密度吸湿冻结构及低热质量致外表温降显著，全朝向最高降温达7 °C，冬季影响较夏季更明显。夏夜MHC、WRW、BRB呈冷却效应具缓解城市热岛潜力。内外墙温差夏季夜外部较内部低4–10 °C（MHC最显著），冬季反向差8–16 °C（日间缩至0.3–11 °C）。室外微气候方面，夏季日间通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index, UTCI）升高0.6–3 °C、夜间冷却?1.3?(?0.1) °C，WRW与PHP增温最显著，MHC全天候冷却达1.3 °C最优；冬季各立面贡献微小，MHC效应相对明显。综上PHP、WRW与MHC夜间降温显示缓解城市热岛与提升热舒适潜力。

3.2. Effect of building facade materialization on building energy consumption

研究人员指出住宅建筑能耗中暖通空调需求在温带尤为关键，立面材料决定热工性能，采用EnergyPlus模拟六种立面全年及极值12月与6月能耗以探究自然基材料适用性。

3.3. Energy consumption during winter

12月平均干球温度5.4 °C下，参照全混凝土立面供暖能耗最高达29.41 kWh/m²，保温不足致热损失大。BRB与WRW分别降25%（22.03 kWh/m²）与27%（21.53 kWh/m²），受益于砖材热质量与保温。PHP与PJP因麻与黄麻高保温性分别降66%（9.96 kWh/m²）与68%（9.28 kWh/m²），PJP保温最优；MHC降56%（13.08 kWh/m²），仍显著提升冬季供暖效率。

3.4. Energy consumption during summer

6月最高干球温度31.3 °C下，参照夏季能耗4.22 kWh/m²。MHC增12%（4.73 kWh/m²）为参照外最优；BRB增16%（4.88 kWh/m²），WRW增54%（6.48 kWh/m²）；PJP与PHP分别增91%（8.07 kWh/m²）与98%（8.33 kWh/m²），极端夏季隔热致得热难散限制降温效能。MHC兼顾环境与能效潜力。

3.4.1. Annual energy consumption

全年基准参照165 kWh/m²最高。BRB与WRW分别降至126 kWh/m²（降24%）与123 kWh/m²（降25%），砖材热质量与反射受益。MHC达86 kWh/m²（降48%），麻混凝土热质量与保温协同；PHP 81 kWh/m^{22（降52%）最优，黄麻与麻高阻湿调湿稳温大幅削减冷暖需求。生物基立面全年节能48%–52%显著优于砖基24%–25%。}

总结讨论部分，研究人员指出本研究通过ENVI-met与EnergyPlus协同模拟探讨自然基保温及复合立面对温带城市室内节能与室外微气候影响，评估六类构造。结果除MHC各季节持续较冷外，其余夏季昼暖夜凉、夏季昼增温夜降温显MHC、WRW、PHP缓解城市热岛潜力。能耗方面夏季峰值冷却需求较参照增10%–19%（MHC、WRW最优），冬季生物基PHP、PJP（Plastered concrete/Jute）、MHC绝缘优异，供暖较混凝土降52%（MHC）、64%（PHP）、66%（PJP）；全年总能耗降48%–52%，优于砖基24%–25%。证实MHC兼顾室外热调节与节能，PHP、PJP、WRW亦显提升。研究强调UK等温带供暖主导下立面材料平衡热质量、保温与反射优化能效的关键，传统混凝土能耗最高，自然复合PHP与PJP最低显麻与黄麻保温优势及可持续设计潜力，砖基WRW与BRB中等但仍逊自然复合。成果为自然基复合立面纳入可持续建筑提供科学基础，麻混凝土与黄麻系统大幅降供暖需助净零碳与循环经济，未来应研生命周期、耐久与成本促推广。选材须依区域气候，长寒冬区如北欧北美宜麻黄麻基，暖区如非洲表现异，须因地施策。本研究基于伦敦气象与固定层厚10.5 cm（总32 cm），未来应探他气候、变厚度、试棉秆、枣椰木、岩棉、稻草捆等植物保温以优组合，并以实验与多平台验证强稳健性。总体推进生物基立面室外室内热动态与能源认知，显其增建筑韧性、减排与助全球可持续碳中和目标潜力。

研究结论部分原文翻译：本研究采用结合EnergyPlus与ENVI-met的协同模拟方法，调查了温带城市中自然基保温及立面构造对室内节能与室外微气候的影响。评估了六种立面配置，包括生物基、砖基及复合系统。结果表明，除混合麻混凝土（Mixed Hemp-Crete, MHC）立面外，所有配置在夏季尤其昼间表现较高墙体表面温度、夜间较低，MHC立面因优越热工与调湿性能各季节持续较冷。所有立面类型影响环境温度，夏季产生昼间增温与夜间降温效应。显著夜间降温表明MHC、WRW（White-painted Brick）与PHP（Plastered Concrete/Hemp）立面具缓解城市热岛效应潜力。能耗表现上，峰值夏季冷却能耗较参照混凝土立面增10%–19%，MHC与WRW表现最优；冬季生物基立面——尤其PHP、PJP（Plastered Concrete/Jute）与MHC——展现卓越保温能力，较混凝土立面能耗降幅达MHC 52%、PHP 64%、PJP 66%。全年上述立面总能耗降48%–52%，优于砖基BRB与WRW的24%–25%。结果确认MHC在室外热调节与节能的双重潜力，PHP、PJP与WRB亦带来显著改善。结果强调立面材料在如UK温带气候平衡热舒适与能效的核心作用，供暖占全年能耗主导。传统混凝土立面总能耗最高，自然与复合系统——尤其PHP与PJP——最低，凸显麻与黄麻保温优势及其可持续建筑设计潜力。砖基WRW与BRB显中等改进但逊于自然复合。总体而言，研究强调选材须平衡热质量、保温与反射以优化建筑能效。研究结果为自然基复合立面融入可持续建筑奠定科学基础。麻混凝土与黄麻基系统大幅降低供暖能耗，助力净零碳与循环经济目标。未来研究应审视此类材料全生命周期表现、耐久性与成本效益以促建筑业更广泛采纳。材料选型亦须考虑区域气候差异以最大化效率，如麻与黄麻基立面尤适长寒冬区如北欧或北美，但在非洲等暖区表现或异，故须以当地气候背景指导材料应用以实现最优能耗与舒适。虽结果显优异潜力，本研究基于UK伦敦气象数据与固定层厚10.5 cm每层（总32 cm），未来应探其他区域气候、变材料厚度并测试棉秆、枣椰木、岩棉、稻草捆等植物基保温以识别最优组合与序列，此外以实验测量与多模拟平台验证可增强结论稳健性。总体本研究推进生物基立面室外室内热动态与能源影响认知，强化其提升建筑韧性、减排放及支撑全球可持续与碳中和目标之潜力。

论文发表于《Green Technologies and Sustainability》。