外墻保溫研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3 外墻夾芯保溫

“物競天擇，適者生存”，經(jīng)過億萬年進化而來的生物體，生存機制自有其合理性，很多生態(tài)建筑原理都能夠從自然界中找到對應(yīng)的模型。作為新生的仿生研究，將其應(yīng)用到生態(tài)建筑設(shè)計是重要方法之一。

“鳥巢”^[29]作為國家主體育場館，建筑整體外形類似于編織的鳥巢，能夠引入更多陽光。國家游泳中心被稱為“水立方”，場館結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感來自細(xì)胞，外立面采用四氟乙烯打造，重量輕，隔熱性能好。澳大利亞墨爾本議會大廈 2 期的建筑外體采用白蟻巢穴的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自然對流和通風(fēng)棧道系統(tǒng)控制和維持溫度。大連貝殼博物館 ^[30] 作為全球最大的貝殼類博物館，其造型模擬貝殼的外形，外挑大屋蓋和樓板作為被動的遮陽系統(tǒng)，能夠有效減少夏季陽光直射，起到節(jié)能功效。 

仿生建筑在外形、結(jié)構(gòu)、功能等諸多方面都受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，結(jié)構(gòu)性能領(lǐng)域的理論研究雖取得了一定的進展，但對于合理結(jié)構(gòu)和節(jié)能性方面的整合還缺乏相關(guān)的研究。從建筑外墻保溫入手，應(yīng)用仿生技術(shù)原理，實現(xiàn)建筑節(jié)能的各種創(chuàng)新技術(shù)快速涌現(xiàn)。

北極熊 ^[31]的毛發(fā)具有特殊的中空多孔結(jié)構(gòu)，可以在其內(nèi)部捕獲空氣并降低自身的熱傳導(dǎo)率，形成的隔熱層能夠在不同風(fēng)速下保持其整體隔熱性能的穩(wěn)定性。將外墻結(jié)構(gòu)制成北極熊毛類似的結(jié)構(gòu)，能夠起到對外墻的保溫效果。

企鵝 ^[32] 的毛發(fā)保溫構(gòu)造與北極熊類似，它的每根纖維也具有其他纖維所沒有的細(xì)小微孔，大量的微孔嚴(yán)重阻礙熱量的傳遞，因此保溫性能極好。在墻體保溫中采用這種類似結(jié)構(gòu)的材料，也可以起到事半功倍的效果。根據(jù)甲蟲前翅開發(fā)的新型輕質(zhì)高強仿生板 ^[33]，將其與以農(nóng)作物秸稈填充空心墻板的新型預(yù)制墻板結(jié)合，對其保溫性能進行研究后發(fā)現(xiàn)，其可以滿足自保溫墻體的要求，且多項指標(biāo)均未達到限值，具有較高的安全冗余度。蜜蜂制造的蜂窩 ^[34] 也具有良好的隔熱功能，通過蜂窩的流體可以與其內(nèi)壁強迫對流，達到隔熱的目的，并且作為 3 種典型多孔材料之一的蜂窩結(jié)構(gòu)其空間架構(gòu)可以節(jié)省原材料。 

蝴蝶擁有著優(yōu)異的光學(xué)特性，通過對其體表研究發(fā)現(xiàn)，其翅膀表面含有一種結(jié)構(gòu)，排布著很多精準(zhǔn)重復(fù)的微小鱗片，能夠增加對入射光的吸收。陳浩卿^[35] 基于蝴蝶表面鱗片結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種陷光保溫外墻板，其基本原理就是利用蝴蝶鱗片表面的微納結(jié)構(gòu)吸收熱量來達到升溫的目的。將這種高效陷光的性能結(jié)構(gòu)應(yīng)用到外墻體表面之上進行外墻保溫也是重要的研究方向之一?；诤砻骥[片結(jié)構(gòu)的墻板保溫原理如圖 11 所示。

人們對各種生物體進行模仿，并將這些元素應(yīng)用到實際生活中，這是一種自然的仿生理念，如今仿生建筑已成為一種新的趨勢。摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計理念，運用嶄新的技術(shù)創(chuàng)新，真正合理地設(shè)計出復(fù)雜獨特的仿生建筑，這是一道新的難題。在外墻保溫中，將仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用到外墻表面上，同時加入一些環(huán)保材料，能夠發(fā)揮材料與結(jié)構(gòu)各方面共同的性能。目前，仿生外墻的研究成果較少，但這種新型方向在將來有著無限前景。

根據(jù)前文對外墻幾種保溫方式研究現(xiàn)狀的闡述，筆者對比了國內(nèi)外技術(shù)的優(yōu)缺點，具體如表 1 所示。

由表 1 可知，在表面或內(nèi)部應(yīng)用仿生結(jié)構(gòu)達到保溫隔熱效果這種新型方式要優(yōu)于傳統(tǒng)的保溫技術(shù)。

如今，社會提倡低碳生活、綠色節(jié)能。為響應(yīng)號召，建筑業(yè)作為耗能較大的產(chǎn)業(yè)，亟需采取有利于降低能耗的措施。外墻作為建筑體較大的圍護結(jié)構(gòu)，當(dāng)外墻保溫性能較差時，就會造成更嚴(yán)重的能耗損失。因此，我國乃至全球?qū)τ谕鈮Φ谋匮芯拷鼛啄贻^為熱門。 

筆者對外墻的 4 類保溫方式進行分析后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的外墻結(jié)構(gòu)單一，材料簡單，因此保溫效果較差，熱量的散失較為嚴(yán)重，建筑節(jié)能效果并不理想。學(xué)者們通過對動物翅膀表面以及皮毛等部位進行深入研究，發(fā)現(xiàn)其表面具有的各類結(jié)構(gòu)應(yīng)用到外墻表面可以極大提高外墻的光熱轉(zhuǎn)化效率，或者通過表面結(jié)構(gòu)來降低自身的熱傳導(dǎo)率，保溫效果也能夠得到相應(yīng)的提高。利用自然仿生原理減少建筑能耗損失，對外墻保溫乃至其他領(lǐng)域都有著極大的啟發(fā)以及參考價值。