《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Statistical analysis and service life implications of four-year microclimatic measurements in the air gap of a Zero Emission Building
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本研究基于2021-2024年挪威特罗姆瑟零排放建筑表面温度长期监测数据，分析了不同朝向微气候特征，揭示了屋顶温度最高达53°C，南立面温度波动最大（71.1°C），北立面与 ambient最稳定。通过阿伦尼乌斯方程估算聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）膜材老化速率，较北立面快11%-71%，为建立实验室老化标准和延长材料寿命提供依据。
Johannes Brozovsky | Malin Sletnes | Klodian Gradeci | Petra Rüther
建筑、材料与结构，SINTEF社区，H?gskoleringen 7B，7034 特隆赫姆，挪威
摘要
本研究基于对挪威特隆赫姆一座高度隔热零排放建筑四年（2021–2024年）的表面温度测量数据进行分析得出的结果。在建筑的四面立面风屏障以及通风空腔内的屋顶基层安装了20个传感器。数据以15分钟为间隔进行采集，然后平均化为每小时值，并按建筑朝向进行汇总。分析内容包括统计摘要、温度分布以及季节性和昼夜变化模式，揭示了不同朝向之间的微气候差异。屋顶记录的最高温度为53°C，南立面的温度变化范围最大（71.1°C），而北立面的温度变化始终最小。季节性变化与太阳辐射强度相关：东立面的峰值温度出现在早晨，南立面和屋顶在中午，西立面则在下午晚些时候达到峰值。该数据集还用于使用阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation）估算建筑围护结构中两种常用聚合物（聚乙烯PE和聚丙烯PP）的热老化速率。根据老化阶段的不同，热老化速率平均而言，西立面的PE为11%，南立面的PE为71%，远高于北立面。通过提供长期、特定朝向的微气候数据，本研究为开发具有代表性的实验室老化测试方案以及改进聚合物建筑材料在实际使用条件下的使用寿命预测提供了宝贵依据。
引言
众所周知，建筑行业对全球温室气体排放和最终能源消耗的贡献巨大（分别占21%和31%）[1]。然而，在欧洲，建筑行业占温室气体排放和最终能源消耗的比例约为36%和40%，这凸显了节能低碳解决方案在该领域的重要性[2]。最近，欧盟（EU）推出了一系列政策以提升成员国建筑的能源效率。其中最重要的措施包括翻新计划[3]以及2024年发布的《建筑能效指令》（Energy Performance of Buildings Directive，EPBD）[4]。该指令特别强调了零排放建筑（ZEB）的重要性——这类建筑由于能源需求极低且现场碳排放为零，代表了欧盟对建筑行业气候影响的减少目标。从2030年起，所有新建建筑都必须实现零排放；现有建筑则应在2050年前完成改造。
除了可再生能源供应、使用低碳材料及智能控制系统进行高效能源管理外，具备优异热性能的高性能建筑围护结构以及防止室外空气渗透也是实现零排放建筑的关键[5,6]。然而，研究表明建筑物的气密性并非恒定不变，通常会随时间逐渐恶化。即使在高性能建筑中，气密性也可能在短短几年内下降约20–40%[7–10]。现代高性能建筑（如零排放建筑）通常采用聚合物膜（如风屏障和防潮层）及胶带来实现气密性。这得益于聚合物的多种优良特性，如防水性、化学稳定性（不易腐蚀）、耐候性、隔热性、轻质性、结构强度、电绝缘性及易于加工性[11]。不过，多种因素可能导致建筑气密性降低，包括建筑物初始加热引起的结构收缩产生的机械应力、不当或不一致的安装方式，以及使用或翻新过程中的穿刺等损坏[12]。此外，关键气密组件的老化（如膜、胶带和密封剂）也会因长期环境影响而加速[12]。
大多数与老化相关的过程由化学作用驱动，这些过程通常超出了传统工程教育的范畴。此外，复合材料或多材料系统在环境应力下的相互作用十分复杂，目前尚未完全理解。因此，许多建筑工程师难以掌握这些老化机制[13]，相关研究也较为匮乏。
许多因素都会导致塑料制品老化。虽然紫外线（UV）辐射通常被认为是聚合物老化的主要因素[14]，但其他因素也包括温度变化、水分或湿气的影响、微生物生长、大气污染物以及机械应力（如风压）等。不过，由于气密产品（如风屏障）通常位于墙体结构内部，它们受到保护，不易受到光线尤其是紫外线的伤害。雨水也会对聚合物表面造成侵蚀，但这种影响相对较小[13]。由于聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃的碳骨架结构，它们对水解等湿气诱导的老化具有很强的抵抗力[13,15]。因此，除机械损伤外，温度变化与氧气作用（热氧化）共同作用下的老化过程对气密产品的影响最为显著[12,13,15]。由于化学反应通常在温度升高时加速，可以通过阿伦尼乌斯方程等模型来估算温度对老化的影响[13]。
因此，详细了解这些聚合物产品所处环境条件至关重要，因为建筑围护结构内的微气候可能与外界环境有很大差异。ISO 15686-1标准也强调了这一点：要准确预测建筑构件的使用寿命，必须掌握其使用条件下的微气候[16]。然而，这类数据极为罕见。因此，需要长期实验研究来全面记录建筑围护结构内的环境条件。尽管木材是全球最常用的建筑材料之一[17–21]，并且通常会配合雨幕和通风间隙来防止湿气损害，但针对通风间隙内微气候的研究仍然很少[22]。
现有研究大多仅覆盖较短的时间段（通常少于一年[23,24,25]），或未能涵盖建筑的所有围护表面[26]。因此，这些研究无法提供评估气密产品长期环境暴露情况的全面数据。尽管如此，它们仍表明通风间隙内的条件可能与外界环境存在显著差异。例如，Valachova等人[23]发现，由于与夜空的辐射热交换，通风屋顶空腔在夜间会出现高达5.5°C的降温现象；Rahim等人[24]观察到，由于太阳辐射，外墙背后的空气温度可升高至比环境温度高10–15°C；Girma和Tariku[25]的研究也发现类似结果，他们记录到外墙背后空气温度比环境温度高12°C。Riahinezhad等人[26]对加拿大渥太华一座木结构建筑的围护结构内的温度条件进行了为期六年的研究，发现温度波动范围为-25°C至+45°C。尽管作者对测量结果进行了描述、分类和分析，并提供了统计数据，但并未对比这些温度与环境温度的差异，也未研究建筑的所有围护表面。
由于研究范围有限且统计可靠性不足，这些研究结果无法得出可靠结论，也不足以作为应用阿伦尼乌斯方程计算材料热氧化老化的依据。因此，目前仍缺乏关于建筑外墙或屋顶围护结构内实际微气候的全面现场测量数据。特别是涵盖完整温度范围、时间分布及统计特性的现场数据极为稀缺。这些数据对于开发实用的加速老化测试方案和提高气密材料使用寿命预测至关重要。解决这一缺口有助于减少长期建筑性能的不确定性，更精确地将老化效应纳入设计过程，并支持更有针对性的维护计划。据作者所知，目前尚未有基于全面现场数据量化微气候变异性对建筑围护材料使用寿命影响的研究。
基于挪威特隆赫姆零排放建筑实验室（ZEB Lab）[27]之前关于建筑围护结构内微气候条件的研究[28–30]，本研究提供了ZEB Lab所有围护表面四年的现场测量数据（2021年1月1日至2024年12月31日），旨在实现以下目标：
- 1. 展示用于建筑气密处理的墙体和屋顶膜随时间变化所经历的温度条件。
- 2. 强调零排放建筑通风间隙内的微气候差异范围及变化，并以常用聚合物（PE和PP）的老化为例，说明微气候差异如何影响气密产品的使用寿命。
- 3. 为未来的研究提供基础性见解，促进更可靠的加速老化方法和使用寿命预测模型的发展。
本研究的新颖性和贡献主要体现在其独特的测量数据集上——这一数据集在文献中尚无先例（同一作者之前的研究除外）。其独特性不仅体现在测量持续时间上，还体现在数据点数量上（涵盖了ZEB Lab的所有五个围护表面）。此外，本研究还详细分析了通风间隙内风屏障表面温度的统计情况，并利用阿伦尼乌斯方程将这些数据转化为老化加速因子，从而架起了建筑物理学与使用寿命预测之间的桥梁。
研究设计
研究设计
本研究采用的整体方法如图1所示。研究分为两个部分：（1）对挪威特隆赫姆一座高性能办公楼的风屏障（墙体）和屋顶基层的长期（四年）表面温度测量结果进行展示和分析；（2）基于这些测量数据，以北立面为基准，计算建筑围护表面的加速老化因子。
测量数据的统计分析
研究期间，测量站点记录的气候变量范围如下：空气温度为-18.9至31.3°C，风速为0.0至10.6 m/s，相对湿度为11%至100%，降水量为0.0至14.2 mm，空气传热系数为0.0至729 W/m2，太阳辐射强度为0.0至504 W/m2（见图5）。四年数据收集期间的平均室外温度为6.2°C，这与特隆赫姆的气候特征基本一致。
结果解读
四年现场温度测量结果显示（2021年1月1日至2024年12月31日），同一建筑不同围护朝向之间的热暴露存在明显差异，尽管宏观气候条件相同。
北立面的热负荷始终最低，与环境温度变化一致，因为太阳辐射较弱；相比之下，东立面和西立面则表现出明显的昼夜温差。
结论
本研究提供了挪威特隆赫姆一座高度隔热零排放建筑四面立面风屏障及屋顶基层四年来的现场表面温度测量数据。基于超过70万个数据点，通过阿伦尼乌斯方程估算了聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）膜的热老化速率，从而分析了这些数据与材料使用寿命之间的关系。
作者贡献声明
Johannes Brozovsky：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、项目管理、方法论设计、数据分析、概念化。
Malin Sletnes：撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计、概念化。
Klodian Gradeci：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念化。
Petra Rüther：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、概念化。
