關(guān)于多孔太陽墻的熱性能研究

潘偉英　盧艷秋　方修睦　張鑫

摘要：太陽能作為可再生資源，具有清潔、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)。利用太陽墻系統(tǒng)將空熱加入后輸入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、室外空氣對流，同時與建筑一體化進(jìn)行結(jié)合，為太陽能熱利用提供途徑。多孔太陽墻系統(tǒng)屬于太陽能建筑技術(shù)，由集熱與氣流輸送組成，主要覆在建筑外側(cè)，并與墻體保持間距從而實(shí)現(xiàn)空氣流動。外側(cè)一般為深色，可強(qiáng)烈吸收可見光，且空氣流動性較好。

關(guān)鍵詞：太陽墻；熱性能研究

1.太陽墻系統(tǒng)簡介

1.1工作原理

太陽墻系統(tǒng)由集熱與氣流輸送組成，主要以空氣為介質(zhì)，達(dá)到采暖通風(fēng)效果。其原理是在太陽輻射作用下，太陽墻板溫度迅速上升，并通過風(fēng)機(jī)作用，室外空氣流經(jīng)太陽墻表面時得到加熱，之后到達(dá)空腔頂部，由風(fēng)機(jī)輸送至室內(nèi)。夜晚，空腔內(nèi)的空氣吸收墻體向外散失的熱量，通過風(fēng)機(jī)重新輸送至室內(nèi)，保持風(fēng)量同時補(bǔ)充熱量，充分發(fā)揮熱交換作用，冬季晴朗時，空氣溫度可高達(dá)30°C，夜晚可與采暖系統(tǒng)配合保持室內(nèi)溫度。

太陽墻系統(tǒng)除具備供暖通風(fēng)作用，在夏季可吸收太陽輻射，阻斷受熱空氣進(jìn)入室內(nèi)降低建筑物的冷負(fù)荷。太陽墻系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)口處安裝有溫度傳感器，可控制風(fēng)機(jī)的起停。當(dāng)空腔內(nèi)溫度超過室內(nèi)溫度時風(fēng)機(jī)啟動將空氣輸送至室內(nèi)，低于室內(nèi)溫度時，則關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

1.2太陽墻系統(tǒng)

以金屬薄板材料為墻體，通過吸收太陽輻射，將加熱后的空氣輸送至室內(nèi)。太陽墻板材多由多孔踱鋅鋼板組成，厚度約為1-2mm，其外側(cè)的選擇性涂層能夠有效吸收太陽輻射，涂層顏色以深棕色或黑色為主。根據(jù)建筑物的功能，計算出板材上空洞大小、數(shù)量等，并結(jié)合地區(qū)所在維度、太陽能資源等具體情況。其具有以下優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行效率高達(dá)75%，能夠?qū)⑿迈r空氣輸送至指定房間，并能控制流量與溫度，保證室內(nèi)的舒適性。太陽墻能夠轉(zhuǎn)換光熱，又可維護(hù)建筑物，幾乎不需要維護(hù)，能夠與建筑有效結(jié)合。太陽能全年均可利用，具有供暖與隔熱的雙重功效，且使用期限較長，可節(jié)約能源，降低費(fèi)用。

2.多孔太陽墻的熱性能分析

2.1分析冬季集熱特性

由圖1可知，冬季太陽墻系統(tǒng)上下風(fēng)口溫差為29°，天氣晴朗的白天，空腔內(nèi)空氣質(zhì)量流量可達(dá)到每秒0.011kg，而循環(huán)對流熱量高達(dá)435W。由圖2可知，在8點(diǎn)與17點(diǎn)時，循環(huán)對流熱量極低，降至為負(fù)值。表明太陽墻不能集熱反而出現(xiàn)散熱，因而在實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)具體避開這兩個時間點(diǎn)，或者是清晨、傍晚時候。

2.2分析夏季隔熱特性夏季太陽墻可采用太陽能煙囪模式，將涂有白漆的板材轉(zhuǎn)至外側(cè)，封閉室內(nèi)上風(fēng)口與下風(fēng)口，在室外開啟外循環(huán)模式。由圖3可知，在模擬結(jié)果中，內(nèi)、外層玻璃的太陽吸收率分別為0.131、0.072，太陽能在雙層玻璃的透過率為0.543。煙囪模式下，室內(nèi)、室外平均溫度為27.8°C，太陽輻射為459W/m²。外循環(huán)模式下同煙囪模式結(jié)果基本一致。煙囪模式下，通道內(nèi)溫度為321.23K，排出熱量為472.56W，空氣流量為每秒0.01926kg。外循環(huán)模式下外側(cè)涂有白漆和選擇性涂層，其溫度差異較大。選擇性涂層可通過誘導(dǎo)產(chǎn)生空氣流量，但涂有白漆的板材隔熱效果好，其表面溫度較選擇性涂層低約1°。

2.3分析預(yù)熱特性

選取冬季12點(diǎn)室外氣象參數(shù)進(jìn)行模擬，且上風(fēng)口與下風(fēng)口相對壓力為OPa，其余參數(shù)詳見圖4。由速度場可知，通道內(nèi)空氣流動較為復(fù)雜，由于熱壓作用下風(fēng)口的空氣被均勻吸入，與聚苯板撞擊后沿通道向上運(yùn)動，可形成局部漩渦區(qū)。上部空間對對流發(fā)展具有阻礙作用，因而在通道頂部易出現(xiàn)漩渦區(qū)，即常見的“熱墊層”區(qū)域。在通道下方，聚苯板界面溫度較低，而室內(nèi)側(cè)墻體溫度相對較高，因而室內(nèi)熱量傳向夾層。在通道上部，室內(nèi)側(cè)墻體溫度低于聚苯板界面溫度，夾層中熱量傳向室內(nèi)。模擬研究結(jié)果顯示，太陽墻預(yù)熱后，室內(nèi)空氣流量為每秒0.02014m³，出口處溫度約為29℃，溫度差值約為30℃，能夠最大限度滿足冬季取暖需求。

3.影響多孔太陽墻熱性能的因素

在悶曬和吸風(fēng)情況下，太陽墻系統(tǒng)集熱板內(nèi)部與外部存在溫差，且隨著風(fēng)量增加溫差逐漸減少。在悶曬時空腔中溫度也存在較大差異，底部空氣在上升過程中受熱壓影響溫度逐漸升高。風(fēng)量處于低檔時，自底部至頂部溫度呈上升趨勢；而高檔時，頂部低于中部溫度，下午時底部溫度最高。

多孔太陽墻具有供暖與隔熱雙重功能，在冬季板材為選擇性表面，可有效吸收太陽輻射，防止熱量散失。夏季板材表面涂有白漆，隔熱效果好，在過渡的季節(jié)，可充分利用太陽墻系統(tǒng)的通風(fēng)換氣作用。但太陽墻系統(tǒng)具有很多影響因素，例如室外氣象參數(shù)、太陽墻結(jié)構(gòu)、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)量等，因而在使用過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，將多孔太陽墻系統(tǒng)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，更好的實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)與節(jié)能價值。