東莞住宅智能變色墻被動式環(huán)境調(diào)控技術(shù)機(jī)理研究

楊梅蘭

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 城市與環(huán)境科學(xué)系,廣東 東莞 523419)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快,一棟棟高樓拔地而起,建筑工程總量的增加和人們對居住環(huán)境舒適度要求的提高,建筑能耗在社會總能耗中所占比例越來越高。綠色建筑、生態(tài)建筑理念逐漸得到大家的認(rèn)可。被動式低能耗住宅建筑是綠色建筑和生態(tài)建筑的研究范疇,也是節(jié)能建筑未來的發(fā)展方向,契合現(xiàn)代建設(shè)領(lǐng)域減少能耗,大力發(fā)展生態(tài)、可持續(xù)建筑的倡導(dǎo)。被動式環(huán)境調(diào)控建筑能夠與自然環(huán)境融為一體,是根據(jù)所在地區(qū)的氣候條件,風(fēng)向、常年的溫度、濕度,從建筑本身內(nèi)環(huán)境出發(fā),做出相應(yīng)的體型設(shè)計(jì)、朝向設(shè)計(jì)、通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)、利用太陽能及風(fēng)能、利用墻體變色等來保證屋內(nèi)的人體感覺到舒適的溫度、濕度。

東莞市位于歐亞大陸的東南邊、廣東省南部、珠江三角洲東北部的東江下游,地處北回歸線以南,瀕臨南海。東莞市南亞熱帶季風(fēng)氣候顯著,具有長夏短冬,光照充足,熱量豐富,氣候溫暖,溫度變幅小,雨量充沛,干濕季明顯的特點(diǎn)。

2 新型被動式太陽能變色墻環(huán)境調(diào)控技術(shù)構(gòu)建

多種植物和動物為了適應(yīng)環(huán)境,通過改變自身的顏色來偽裝自己應(yīng)對天敵以及調(diào)節(jié)自身溫度。對于人類,深色的衣服,吸收太陽的光的熱量比較多,而淺色的衣服它能夠?qū)⑻柕墓夥瓷浠厝ヒ徊糠?所以,淺色的衣服吸收的熱比深色的少。所以,夏季的衣服多以淺色為主,而冬季的衣服以深色為主。住宅建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)確實(shí)也如同其外衣,同樣可以實(shí)現(xiàn)變色的可能,但是原理相反,深色可以阻擋紫外線和紅外線,透明時利用太陽光為室內(nèi)加熱,因此,根據(jù)不同季節(jié)的氣候特點(diǎn),通過變換其顏色來調(diào)節(jié)室內(nèi)的舒適度。

基于上述構(gòu)想,可以在住宅建筑朝陽的外墻面根據(jù)變色來利用太陽能制熱制冷。低溫時節(jié),適當(dāng)調(diào)節(jié)讓朝陽面呈現(xiàn)無色,炎熱季節(jié)稍作調(diào)整讓朝陽面變換成深色,同時可以利用太陽能制冷。能夠變色的部分可以做到無需翻轉(zhuǎn),且兼具門窗功能。也就是說,冬季溫度較低時,可以呈現(xiàn)出原狀,吸收太陽光,為室內(nèi)升溫,同時啟用制熱設(shè)備；漫長的夏季,可以改變構(gòu)件的顏色,利用深色可以阻擋紫外線和紅外線來降溫,同時也能夠利用集熱組建件發(fā)揮太陽能制冷。

由此可知,被動式太陽能變色墻的變色部分是節(jié)能的核心構(gòu)件。因?yàn)楝F(xiàn)有的固定式的太陽能集熱板只能固定在外墻上不能移動,存在維修及更換電池不方便的缺點(diǎn),故難以大面積的推廣。太陽能變色技術(shù)將集熱構(gòu)件以獨(dú)立產(chǎn)品的形式,可以外置于任何位置,安裝、拆卸和維修都極為方便。

太陽能變色墻的顏色與功能,在選擇時應(yīng)該考慮與住宅建筑整體色調(diào)及自然環(huán)境和諧統(tǒng)一；變色構(gòu)件顏色的改變采用溫控自動變換裝置,居住者可以自己設(shè)定溫度；集熱器部分收集的熱能在超過設(shè)定溫度時可以自動運(yùn)行轉(zhuǎn)化成冷量送入室內(nèi),這樣,就可以解決東莞地區(qū)夏季炎熱的問題。

要實(shí)現(xiàn)這三個目標(biāo),太陽能變色墻應(yīng)該滿足以下三個原則：第一,構(gòu)件質(zhì)量輕,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大眾的居家生活習(xí)慣,符合群眾的審美,更要實(shí)用,操控簡單并實(shí)現(xiàn)降溫的作用。第三,老百姓能接受的合理性價比。針對上述三個目標(biāo),著重從解決夏季炎熱,運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)自動控制等方面入手,從變色裝置,自動運(yùn)行控件,及運(yùn)行調(diào)整方式等方面對太陽能變色墻進(jìn)行研究。

3 被動式太陽能變色墻環(huán)境調(diào)控技術(shù)研制

被動式變色太陽能墻可以作為獨(dú)立的產(chǎn)品根據(jù)需要安裝在外維護(hù)結(jié)構(gòu)上,其組成部分有：變色裝置,采光隔板,空氣隔熱層及擠塑聚苯乙烯泡沫板組成。并且,在采光隔板旁邊設(shè)置光伏發(fā)電機(jī)為太陽能制熱制冷設(shè)備供電,還設(shè)置了新風(fēng)入口。

3.1 變色裝置的確定

變色裝置通過改變顏色來增加或者減少太陽輻射熱的吸收,該裝置改變顏色的方式有通電變色,根據(jù)光強(qiáng)弱光控變色,依據(jù)溫度高低的溫控變色,還有人工變色四種。通電變色是指特定材料在通電后其光學(xué)特性顯現(xiàn)出穩(wěn)定的、可恢復(fù)原色的現(xiàn)象,表面上表現(xiàn)為光亮度和顏色的循環(huán)變化。光控變色是指變色材料在在特定波長和強(qiáng)度的照射下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)上變化致使其顏色做出對應(yīng)的變化,當(dāng)然條件改變后也可以恢復(fù)原來的顏色。溫控變色是指材料根據(jù)室內(nèi)設(shè)定溫度控制顏色變化,室內(nèi)溫度超過25度時,顏色變成深色阻擋太陽輻射得熱,同時啟用太陽能制冷裝置送風(fēng)；室內(nèi)溫度低于18度時,顏色變成原色,吸收太陽輻射熱為室內(nèi)升溫,同時可以啟用制熱設(shè)備。人工變色是指室內(nèi)人體感到不舒服時,可以自行手動調(diào)整來改變顏色。

對比以上四種變色方式,通電變色會使整個變色墻帶電,對于住宅建筑使用該種方式顯然不夠安全,而且不夠經(jīng)濟(jì)。光控變色對光的要求比較高,東莞地區(qū)雨季較長,特別是雷雨季節(jié)暴風(fēng)雨來臨如同瞬間變成黑夜,并且夜晚沒有陽光無法控制,所以光控變色不適用于東莞。在東莞來說,夏季炎熱且比較長,夜晚的溫度常常超過25度,如果選擇人工變色會影響休息,不夠人性化。而溫控變色可以避免上述所有問題,整個變色部分可以自動運(yùn)行而且無需耗費(fèi)多于的能量,所以在東莞地區(qū)設(shè)置太陽能變色墻選擇溫控變色最合適。

3.2 采光隔板的選擇

現(xiàn)有的很多建筑物都采用玻璃作為隔板,雖然玻璃采光性能好,但是容易老化,易破碎,極易傷到人,所以不夠安全。針對這一安全隱患,太陽能變色墻的采光隔板應(yīng)該使用不易老化、不易破碎的透光材料來替代玻璃。這類材料有PVC透明板、生態(tài)樹脂版和工業(yè)PC采光板等。

PVC透明板從外觀看與有機(jī)玻璃相似,有一定的硬度,透光好,但是不耐高溫,容易變形,不宜與集熱裝置共同使用。生態(tài)樹脂板采用高分子材料制作而成,具有一定的強(qiáng)度,抵抗變形的能力也比較好,耐久性也好,但是采光性能較差。工業(yè)PC采光板具有質(zhì)量輕、采光性能好、抗沖擊性能好、遇高溫不老化不變形、阻燃性好且強(qiáng)度高等特點(diǎn),可以與有機(jī)玻璃媲美,俗稱鋼化板。這種板材可以根據(jù)實(shí)際需要裁成不同的尺寸,并且安裝和密封也方便快捷。因此選擇工業(yè)PC采光板作為隔板。

工業(yè)PC采光板選用1.8毫米的板材,該種板材的詳細(xì)性能有：第一,燃點(diǎn)高,工業(yè)PC板燃點(diǎn)可以達(dá)到630攝氏度,屬于阻燃性材料。第二,耐腐蝕性能好,工業(yè)PC板遇到化學(xué)溶液不會發(fā)生腐蝕,在常溫下接觸各種酸性物質(zhì)如無機(jī)酸、有機(jī)酸、弱酸、鹽溶液及乙醇都不會發(fā)生反應(yīng)。第三,物理穩(wěn)定性好,工業(yè)PC板溫度適應(yīng)性較好,能夠應(yīng)對高溫氣候,在零下40℃時不發(fā)生冷脆,在125℃時不軟化,而且可以在-40℃至120℃范圍保持各項(xiàng)物理性能的穩(wěn)定性。第四,抗沖擊性能強(qiáng),抵抗沖擊強(qiáng)度的能力是常用玻璃的三百倍,是鋼化玻璃的二十倍,有“鋼化板”的美稱。第五,質(zhì)量輕。密度只有普通玻璃的一半,可以減少運(yùn)輸、安裝、拆卸和受力框架的費(fèi)用。此外,還有防紫外線、防結(jié)露等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 擠塑聚苯乙烯泡沫板對環(huán)境調(diào)控的作用

太陽能變色墻安裝在外墻上的部位需要設(shè)置擠塑聚苯乙烯泡沫板(XPS板),它有保溫隔熱的作用,防止空氣間層及室內(nèi)冷量散失到室外。XPS板的優(yōu)點(diǎn)有：第一,抵抗破壞的能力強(qiáng),該種板結(jié)構(gòu)特殊,抵抗壓力的性能和抗沖擊性能都特別強(qiáng),且有不同厚度和不同型號的板可供選擇。第二,隔熱性能極佳,這種聚合物線膨脹系數(shù)很低,熱阻特別高,所以其具有穩(wěn)定和持久的保溫性能。第三,質(zhì)量輕,XPS板具有蜂窩狀結(jié)構(gòu),因此密度低,質(zhì)量很輕,可以根據(jù)需要裁剪,運(yùn)輸方便,安裝也很容易。第四,耐久性能好,經(jīng)實(shí)踐證明,這種材料在使用中,不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì),不會發(fā)生老化現(xiàn)象,不會發(fā)生霉變,更不會分解,并且具有很強(qiáng)的憎水性能,不會出現(xiàn)受潮現(xiàn)象。第五,XPS板綠色環(huán)保,在使用中經(jīng)檢測沒有有毒有害物質(zhì)散發(fā),也不會產(chǎn)生工業(yè)污染,屬于綠樹環(huán)保型的建筑材料?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),XPS板是市面上建筑保溫隔熱材料的極佳選擇。

3.4 智能溫控變色及送風(fēng)運(yùn)行原理

PC采光板可以制成中空狀態(tài),并在中間貼一層智能納米凝膠膜,這樣采光板就變成了一款智能溫控調(diào)光PC隔板,而且無需消耗能量就可以自行調(diào)節(jié)顏色,其外觀和玻璃一樣。當(dāng)環(huán)境溫度升高并超過設(shè)定溫度時,智能溫控采光板由透明狀逐漸霧化,從室外看就像有一層霧,溫度越高霧化就越明顯,正好阻擋了紫外線和紅外線,起到降低室內(nèi)溫度的作用。當(dāng)環(huán)境溫度降低到設(shè)定溫度時,采光板又恢復(fù)成原來的透明狀,這種溫控變色裝置無需手動操作,不用電,也不需要消耗其他能量,由溫度控制,真正做到了人性化和綠色智能。

對于室內(nèi)溫度的控制是根據(jù)空氣對流原理,熱空氣向上流動,涼空氣向下流動,所以溫控開關(guān)設(shè)置在房間層高的中間偏下部位,用來感知溫度。當(dāng)室內(nèi)溫度低于十八攝氏度時,溫控開關(guān)向光伏制熱制冷裝置發(fā)出信號,讓其為室內(nèi)提供熱量,當(dāng)室內(nèi)溫度高于二十五攝氏度時,溫控開關(guān)向光伏制熱制冷裝置發(fā)出信號,為室內(nèi)提供冷氣。光伏制冷制熱裝置主要由太陽能提供電量,當(dāng)太陽光充足時,光伏機(jī)將多余的電量儲存起來,供夜晚使用,同時陽光不足時,也可以使用。太陽能光伏制熱制冷裝置可以根據(jù)室內(nèi)設(shè)定的舒適溫度,接受溫控開關(guān)的發(fā)出的指令自行開關(guān)為室內(nèi)輸送新鮮的冷風(fēng)或者熱風(fēng),利用的是綠色清潔的太陽能,無需人工操作,也做到了環(huán)保智能化。

3.5 太陽能變色墻運(yùn)作機(jī)理

通過對變色裝置,采光隔板,擠塑聚苯乙烯泡沫板及智能溫控變色及送風(fēng)運(yùn)行原理的研究發(fā)現(xiàn),太陽能變色墻可以實(shí)現(xiàn)夏季降溫和低溫季節(jié)采暖的功能,并且高度智能化、人性化,屬于綠色環(huán)保節(jié)能建筑構(gòu)件?？紤]到東莞地區(qū)會出現(xiàn)夏季極端高溫和冬季極端低溫,特配備太陽能制熱制冷設(shè)備,應(yīng)對極端氣候的出現(xiàn),創(chuàng)造最佳的舒適智能人居環(huán)境。

人體舒適溫度區(qū)是18攝氏度至25攝氏度,使用者可以在溫控開關(guān)上選擇設(shè)定自己感覺舒適的具體溫度。太陽能變色墻的運(yùn)作機(jī)理是當(dāng)室外溫度較高,超過變色墻設(shè)定溫度時,采光板會霧化變成深色阻擋紫外線和紅外線,如果這樣室內(nèi)溫度還是高于二十五攝氏度,溫控開關(guān)向光伏制熱制冷機(jī)發(fā)出指令開啟冷氣,室內(nèi)溫度降至十八至二十五度之間時,溫控開關(guān)發(fā)出指令停止供應(yīng)冷氣。當(dāng)室外溫度較低時,低于變色墻設(shè)定溫度時,采光板保持原來的無色透明狀態(tài),吸收太陽能為室內(nèi)提供熱量,如果這樣室內(nèi)溫度還是低于18攝氏度,溫控開關(guān)向光伏制熱制冷機(jī)發(fā)出指令開啟暖氣,室內(nèi)溫度升至十八至二十五度之間時,溫控開關(guān)發(fā)出指令停止供應(yīng)暖氣。

4 結(jié)束語

被動式環(huán)境調(diào)控技術(shù)隨著社會可持續(xù)發(fā)展的需要而發(fā)展,并將持續(xù)成為綠色環(huán)保建筑節(jié)能技術(shù)的熱門問題。智能被動式外墻環(huán)境調(diào)控技術(shù)的核心要素就是以盡可能少的能量消耗作為目標(biāo),構(gòu)建具有良好隔熱保溫以及自動調(diào)節(jié)室內(nèi)舒適度的外維護(hù)結(jié)構(gòu),為了應(yīng)對極端氣候,同時配備智能環(huán)保的太陽能制熱制冷送風(fēng)系統(tǒng)。我國幅員遼闊,不同地區(qū)氣候特點(diǎn)相差較大,所以,應(yīng)該結(jié)合地域氣候特征進(jìn)行被動式環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研究。

東莞地區(qū)夏季較長,而且炎熱潮濕,冬季會出現(xiàn)較低溫度。住宅建筑采用被動式太陽能變色墻調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,當(dāng)溫度過高時,溫度感應(yīng)裝置會讓變色墻顏色變深,阻擋紫外線和紅外線,減少墻體對熱輻射的吸收,同時室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時自動打開光伏制熱制冷設(shè)備,該設(shè)備可以吸收太陽能,在需要的時候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成熱氣或冷氣送入室內(nèi),增加室內(nèi)人體的舒適度。當(dāng)溫度較低時,采光板呈現(xiàn)原來的透明狀,利用太陽能為室內(nèi)升溫,必要時可以啟用光伏制熱制冷設(shè)備升溫。在進(jìn)行環(huán)境調(diào)控技術(shù)設(shè)計(jì)時,盡可能采用被動式的節(jié)能技術(shù),整合理念,從整個建筑內(nèi)環(huán)境進(jìn)行全面考慮和設(shè)計(jì)。

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