農宅南向復合節能太陽能墻體工程實測與節能分析

趙金秀，王明輝，馬友方，楊亞鑫，岳麗芳

(唐山學院 土木工程系，河北 唐山 063000)

0 引言

據專業人士預測，到2050年，我國建筑能耗占全社會總能耗的比例將達到30%以上[1]。未來民用建筑能耗的巨大需求將會對中國的能源供應、資源環境形成巨大壓力[2]。尤其是農村住宅建筑，其墻體圍護結構的保溫隔熱性能較差，導致建筑能耗更高。因此，降低建筑能耗，改善圍護結構熱工特性，充分利用可再生能源，已成為建筑設計人員關注的焦點[3]。太陽能是一種取之不盡、用之不竭、潔凈安全的可再生資源，被認為是21世紀化石能源的最佳替代者之一[4]。太陽能的利用已成為世界各國關注的焦點，如美國的“百萬屋頂計劃”、德國的“千頂計劃”、日本的“朝日七年計劃”等，都與太陽能的利用有關[5]。如果能夠利用太陽能并結合建筑圍護結構設置，不僅可以提高建筑圍護結構的保溫隔熱效果，同時還可以為建筑供暖空調提供全部或部分能量，這將是一個非常理想的建筑節能設計方案。我們項目組結合建筑結構設計了一種農宅南向復合節能太陽能墻體結構。

1 農宅南向復合節能太陽能墻體結構

1.1 墻體結構的組成

農宅南向復合節能太陽能墻體結構由磚混結構層和節能復合層組成，厚度400 mm，從里到外分別為：磚混結構層，厚度255 mm(包括內抹灰15 mm，磚混結構240 mm)；節能復合層，厚度145 mm(包括保溫層35 mm，空氣層100 mm，鋼化玻璃10 mm，涂層和遮陽幕)。墻體結構組成如圖1所示。其中保溫層為EPS保溫板。采用EPS板給外墻保溫，節能效果良好，同時透氣性和隔聲效果也很好，并且易于進行表面打磨，既環保又可再循環利用[6]，施工工藝簡單，質量可靠，適合作為建筑墻體保溫材料推廣使用[7]。選擇中國科學院蘭州化學物理研究所制備的尖晶石型顏料太陽能選擇性吸熱涂料作為涂層，該涂層具有較高的太陽能吸收率(約0.95左右)和較低的發射率(約0.10左右)。遮陽幕是一種戶外遮陽百葉窗，其葉片采用特殊AlMg3合金并結合防腐蝕的釉面烤漆工藝生產，可以任意角度調節光線，也可以完全收起。這種戶外遮陽幕可以有效降低建筑圍護結構對太陽能的吸收，大大減少夏季空調冷負荷。

圖1 墻體結構的組成

1.2 墻體工作原理

農宅南向復合節能太陽能墻體結構冬天工作原理如圖2所示。將外墻的遮陽幕收起，關閉外墻的上下兩個風口，同時打開內墻的兩個風口，充足的陽光照射墻體，加熱外墻，使其溫度升高，當空氣層中的氣體溫度上升后，從上風口B進入室內，與冷空氣形成對流，使室內溫度上升，熱空氣進入房間放出熱量被冷卻后繼續從下風口A進入墻體，形成一個室內與墻體之間的熱循環過程，從而達到給室內供暖的目的。

圖2 太陽能墻體冬季工作原理

農宅南向復合節能太陽能墻體結構夏天工作原理如圖3所示。將外墻的遮陽幕放下，減少大部分太陽輻射，但外墻的溫度依然會上升。關閉內墻的A，B風口，同時打開外墻的C，D風口，室外的空氣從C風口進入空氣層，被墻體加熱，氣流上升，從D風口流出室外，在室外與墻體之間形成不斷的循環流動氣流，帶走外墻的熱量，減少向室內傳熱。

圖3 太陽能墻體夏季工作原理

1.3 墻體的施工和保溫隔熱性能

復合節能太陽能墻體結構在農宅建筑傳統墻體施工工序的基礎上，在南向墻體增加外保溫層，然后采用安裝玻璃幕墻的方法將鋼化玻璃固定在外墻保溫層外側，中間留有規定厚度的空氣層，最后進行鋼化玻璃的太陽能吸熱涂層的噴涂。通過上述工藝可以看出，該復合節能墻體結構相比帶有幕墻結構的傳統墻體只多了吸熱涂層噴涂工序，費用增加100～150元/m2。該墻體與傳統墻體的隔熱保溫性能的比較，見表1。

表1 農宅南向復合節能墻體結構與傳統墻體的隔熱保溫性能比較

從表1中數據可以看出，新墻體是傳統墻體熱阻的2.7倍，可見隔熱保溫性能明顯提高。

2 農宅南向復合節能太陽能墻體結構工程實測

2.1 實測墻體工程概況

農宅南向復合節能太陽能墻體結構被應用于唐山市豐南區某蔬菜大棚旁邊的一間休息房，此房坐北朝南，采光好，前后無遮擋。房子的東、西、南、北四面墻體均為240 mm厚磚墻，外覆蓋35 mm厚EPS保溫板，南側墻體在此基礎上增加100 mm空氣層，然后安裝10 mm厚鋼化玻璃，玻璃外表面噴涂太陽能吸熱涂層。房內配有電采暖器輔助供暖。

2.2 實測墻體所用儀器

對房子實測過程中用到的儀器主要包括熱電偶、數據采集器、電量計量儀表等，詳見表2。

表2 復合節能太陽能墻體結構工程測試儀器

2.3 墻體測點布置

為了比較加設復合節能太陽能墻體結構的休息房(稱試驗房)和未使用復合節能太陽能墻體結構的休息房(稱對比房)的室內溫度情況和節能效果，分別在試驗房和對比房進行溫度測點布置，利用熱電偶進行測溫，通過數據采集器與計算機連接，連續記錄和讀取數據。試驗房與對比房室內溫度測點布置如圖4所示，溫度數據采集原理見圖5。

圖4 試驗房與對比房室內溫度測點布置

圖5 溫度數據采集原理圖

2.4 測試過程及數據分析

測試時間為2016年12月，冬季工況，測試天數為15 d，其中晴天10 d，陰天5 d。測試時間段為8：00-18：00，數據的采集以30 min為間隔，通過測量室內測點的溫度，求平均值以代表室內平均溫度。選取晴天1 d和陰天1 d的數據，對室外溫度、空氣層內溫度和室內平均溫度進行比較，繪制成圖，見圖6，圖7。

圖6 晴天試驗房室外溫度、空氣層內溫度和室內平均溫度

圖7 陰天試驗房室外溫度、空氣層內溫度和室內平均溫度

通過溫度圖線發現，冬季室外溫度較低時，只要天氣晴朗，有陽光，南向復合節能太陽能墻體就會充分吸收太陽能，使室內溫度升高。可以看出，早晨在未吸收太陽能之前，室內與空氣層溫度一致，溫度略高于室外氣溫，隨著太陽輻射的不斷加強，室外氣溫漸漸上升，空氣層不斷吸收太陽輻射能，并轉為熱能加熱空氣，通過熱對流作用，加速升高室內溫度；中午太陽輻射最強的時候，空氣層溫度達到最高，相應的室溫也達到最高點25 ℃；到了下午14：00以后，太陽輻射逐漸減弱時，空氣層吸熱能力開始下降，但由于房屋圍護結構的絕熱保溫效果，圍護結構熱損失小，所以在室外氣溫達到2.8 ℃時室溫仍能維持在16 ℃以上。

在陰天的時候，太陽輻射弱，太陽能墻體的吸熱能力不強，上午受室外溫度影響，房間溫度和空氣間層溫度基本持平；當下午室外溫度下降后，空氣層溫度隨之下降，但由于房屋保溫結構的作用，在室內氣溫波動較小時，能維持在10 ℃以上。

圖8，圖9分別是晴天和陰天情況下試驗房平均溫度和對比房平均溫度的比較圖。

圖8 晴天試驗房與對比房室內平均溫度比較

圖9 陰天試驗房與對比房室內平均溫度比較

從圖中可以看出，同樣的太陽輻射照度下，試驗房在8：00-18：00這段時間內，房間的溫度要比對比房的溫度高。晴天時，試驗房溫度最高值比對比房高出6.8 ℃，白天平均溫度約20.1 ℃，對比房平均溫度為15.2 ℃；陰天時，試驗房溫度最高值比對比房高出2.8 ℃，白天平均溫度約11.8 ℃，對比房平均溫度為10.2 ℃。可見，加設南向復合節能太陽能墻體晴天和陰天時使房間的平均溫度分別提高了32.2%和15.7%。

2.5 節能分析

北方冬季白天有太陽輻射時，加設復合節能太陽能墻體的房間可以不啟動采暖設施，在8：00-18：00的時間段室內可以達到舒適溫度16 ℃。通過DEST軟件模擬房間全天負荷可以得到休息房全天采暖總能耗為4 169.75 W，不啟動采暖設施的時段采暖負荷為1 452.6 W，由此得出加設南向復合節能太陽能墻體的休息房晴天全天節省采暖能耗約34.8%。

冬季白天為陰天時，房間不能滿足供暖溫度要求，需要啟動采暖設備，但房間溫度比沒有太陽能墻體時要高，所需采暖負荷比普通墻體約能減少50%，通過DEST軟件模擬房間全天負荷可以得到休息房全天采暖總能耗為4 486.5 W，太陽能墻體節約采暖負荷約為804 W，可以得出加設復合節能太陽能墻體的休息房陰天全天節省采暖能耗約17.9%。

3 結論

通過對蔬菜大棚旁的休息房加設復合節能太陽能墻體和對比房進行工程實測和節能分析，得到以下結論：農宅南向復合節能太陽能墻體結構與傳統墻體相比，施工工藝增加工作量較少，增加費用較低，但墻體熱阻是傳統墻體熱阻的2.7倍，從而使建筑的隔熱保溫效果大大提高，不僅減少了建筑能耗，也使室內溫度更舒適。

在綠色低碳節能環保理念下，相信隨著研究的不斷深入，太陽能這種綠色、可再生的能源在建筑中的應用會越來越廣泛。