關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、分布廣泛等優點。利用太陽墻系統將空熱加入后輸入室內，實現室內、室外空氣對流，同時與建筑一體化進行結合，為太陽能熱利用提供途徑。多孔太陽墻系統屬于太陽能建筑技術，由集熱與氣流輸送組成，主要覆在建筑外側，并與墻體保持間距從而實現空氣流動。外側一般為深色，可強烈吸收可見光，且空氣流動性較好。

關鍵詞：太陽墻；熱性能研究

1.太陽墻系統簡介

1.1工作原理

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

太陽墻系統除具備供暖通風作用，在夏季可吸收太陽輻射，阻斷受熱空氣進入室內降低建筑物的冷負荷。太陽墻系統的送風風機進口處安裝有溫度傳感器，可控制風機的起停。當空腔內溫度超過室內溫度時風機啟動將空氣輸送至室內，低于室內溫度時，則關閉風機。

1.2太陽墻系統

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。太陽墻板材多由多孔踱鋅鋼板組成，厚度約為1-2mm，其外側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。根據建筑物的功能，計算出板材上空洞大小、數量等，并結合地區所在維度、太陽能資源等具體情況。其具有以下優點，運行效率高達75%，能夠將新鮮空氣輸送至指定房間，并能控制流量與溫度，保證室內的舒適性。太陽墻能夠轉換光熱，又可維護建筑物，幾乎不需要維護，能夠與建筑有效結合。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，可節約能源，降低費用。

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，冬季太陽墻系統上下風口溫差為29°，天氣晴朗的白天，空腔內空氣質量流量可達到每秒0.011kg，而循環對流熱量高達435W。由圖2可知，在8點與17點時，循環對流熱量極低，降至為負值。表明太陽墻不能集熱反而出現散熱，因而在實際操作中應根據具體避開這兩個時間點，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至外側，封閉室內上風口與下風口，在室外開啟外循環模式。由圖3可知，在模擬結果中，內、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、室外平均溫度為27.8°C，太陽輻射為459W/m²。外循環模式下同煙囪模式結果基本一致。煙囪模式下，通道內溫度為321.23K，排出熱量為472.56W，空氣流量為每秒0.01926kg。外循環模式下外側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產生空氣流量，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分析預熱特性

選取冬季12點室外氣象參數進行模擬，且上風口與下風口相對壓力為OPa，其余參數詳見圖4。由速度場可知，通道內空氣流動較為復雜，由于熱壓作用下風口的空氣被均勻吸入，與聚苯板撞擊后沿通道向上運動，可形成局部漩渦區。上部空間對對流發展具有阻礙作用，因而在通道頂部易出現漩渦區，即常見的“熱墊層”區域。在通道下方，聚苯板界面溫度較低，而室內側墻體溫度相對較高，因而室內熱量傳向夾層。在通道上部，室內側墻體溫度低于聚苯板界面溫度，夾層中熱量傳向室內。模擬研究結果顯示，太陽墻預熱后，室內空氣流量為每秒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

在悶曬和吸風情況下，太陽墻系統集熱板內部與外部存在溫差，且隨著風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，可充分利用太陽墻系統的通風換氣作用。但太陽墻系統具有很多影響因素，例如室外氣象參數、太陽墻結構、太陽輻射強度、風量等，因而在使用過程中應根據實際情況進行調整，將多孔太陽墻系統的優勢充分發揮出來，更好的實現其經濟與節能價值。