严寒地区太阳能通风墙的热性能试验研究

段  琪1，姜曙光1，黄玉薇1，王  纯2，杨婧超3，李  婷4

（1．石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832003：2．石河子大学生命科学学院，新疆石河子832003；3．陕西省人防设计研究院，西安710061；4．南京地下工程建筑设

计院有限公司，南京210019）

[摘要]以太阳能通风墙为研究对象，利用已建成的1:1实体模型，针对不同构造的集热板、集热罩和热传输方式对太阳能通风墙热性能的影响进行了试验研究。试验结果表明，集热墙与地下蓄热式通风口同时开启的工况下，白天室内平均温度提高了7.6℃，夜间提高了1.8℃，且温度下降速率缓慢，有效地抑制了室温的波动；单框双玻塑钢集热罩腔体内温度白天的峰值为62.3℃，在20：00室外温度为6.1aC的情况下仍能达到16.5℃左右，比I型高1.8℃，阻止了腔体热量损失的减少，提高了建筑的热稳定性；蓝膜集热板白天的集热效率比普通集热板高3%左右，夜间的保温性能更是比其高出了一倍。

 [关键词]太阳能通风墙；集热板；集热罩；热性能；试验 [中图分类号] TU831,1

0  引  言

 太阳能通风墙作为被动式太阳能利用形式之一，是一种极具发展潜力的太阳能一建筑一体化技术，它对于降低室内热湿负荷、改善室内空气品质，有明显的作用。太阳能通风墙又称之为TrombeWaIl（特朗伯墙），当应用于建筑物向室外排风时，也称之为太阳能烟囱。到目前为止，人们对太阳能通风墙的研究多集中于提出各种模型以及如何提高对太阳能辐射的吸收，而对于其组成模型的集热部件的结构和所用材料的优化研究较少，因而有必要对其进一步认真细致的研究。集热部件主要是指完成房间的太阳能供暖系统集热功能的设施或构件，如直接受益窗、集热墙以及附加阳光间。太阳能通风墙主要的集热部件是集热罩和集热板，提高集热板的得热，减少集热罩的失热可以有效地减少农宅冬季的供暖能耗，提高其室内热舒适度。

 石河子位于新疆北部的严寒地区，冬季的供暖期长达6个月。经测试无热源无人居住状态的农宅供暖期末端3、4月份的室外平均温度为3℃，室内温度在4~6℃之间。本文采用现场实测的方式，对不同构造的集热罩、集热板和热传输方式对太阳能通风墙热性能的影响进行了试验研究，主要目的是综合经济性考虑选出适宜石河子地区太阳能通风墙的最优集热部件，达到最大的集热效率、节能效果的同时也可以提高当地农宅的热舒适度。

1  太阳能通风墙

 地下土壤有蓄热量大、温度波动小、有一定的湿度的特点，地下室及周围土壤自身的热量蓄调，能够在阴雨雪天气、夜间持续地进行，大大降低了房屋室内温度随室外温度剧烈变化引起的波动。将太阳能通风墙与地下室及土壤蓄热有机结合起来，可在修建单层农宅时附加一层地下室作为储能（冷、热）室兼做储藏室，在需要的时候打开地下室顶板的通风口，冬季时向一层房屋主要房间输送带有湿度的暖风，夏季输送带有湿度的凉风，来平衡主要房间室温，提高室内的舒适度，达到冬暖夏凉的目的。

 图1为太阳能通风墙的冬季工作原理图，其原理是在太阳能辐射强的白天，太阳能通风墙内的集热板吸收太阳辐射加热墙体内部空气，使其空气达到一定的温度，此时，打开集热墙上、下通风口和地下室蓄热式通风口以形成循环对流来对室内和地下室的空气加热，提高室内空气温度、改善空气品质，同时储存热量在地下室，当需要新鲜空气或室外气温比较合适时，也可以通过打开玻璃盖板下面的进风口、关闭集热墙下面的通风口来对室外空气先加热后再流人室内；夜间，关闭集热墙上、下通风口，地下室将白天蓄存的热量以及浅层土壤的蓄热释放到室内以提高室内空气温度。

 为了进行太阳能通风墙主要集热部件的热性能优化，作者选取了两种不同构造的集热罩和集热板，分别为由塑钢单窗框和双层玻璃盖板组成的集热罩简称单框双玻塑钢集热罩、由塑钢单窗框和单层玻璃盖板组成的集热罩简称单框单玻集热罩、普通集热板以及蓝膜集热板。本文采用两两组合的方法，设计了3种太阳能通风墙组合模型，即单框单玻塑钢集热罩+普通集热板组成的太阳能通风墙模型（I型）、单框双玻塑钢集热罩+普通集热板组成的太阳能通风墙模型（Ⅱ型）以及单框双玻塑钢集热罩+蓝膜集热板组成的太阳能通风墙模型（Ⅲ型），采用两两对比的试验方法，对比其集热效率，具体构造见表1。

2  研究方法和试验设施

 按照GB/T 15405-2006《被动式太阳房技术条件与热性能试验方法》对石河子大学试验场2连已建成的1：1实体模型（见图2a）进行现场试验测试，该试验房2013年10月建成，正南方向布置，砖混结构，为典型的新疆农宅。地上1层，层高3.0m，地下l层，层高2.2 m，建筑面积176.40 m2。±0. 00标高以上为240 mm厚黏土多孔砖砌筑，±0. 00标高以下为370 mm厚黏土多孔砖砌筑。该实验房1层平面图见图2b所示。

2.1试验方法

2.1.1  试验工况

 试验过程分为两个阶段，第一阶段测试热传输方式对太阳能通风墙热性能的影响，热传输方式为同时开启集热墙与地下蓄热式通风口即工况1、只开启集热墙通风口即工况2、同时关闭所有通风口即工况3。试验期间，集热墙通风口在太阳能通风墙腔体空气温度达到30℃时打开，腔体空气温度下降到与室内温度相同时关闭，根据不同日出、日落时间做出相应的调节；地下蓄热式通风口需要开启时，与集热墙通风口同时开启，夜间不关闭。第二阶段测试不同构造的集热板、集热罩对太阳能通风墙热性能的影响，采用对比方法，以普通集热板与蓝膜集热板，单框单层与单框双层玻璃塑钢集热罩为对比因素，总结出2组对比试验，即将I型与Ⅱ型对比之后将Ⅱ型与Ⅲ型对比，选出最优类型。

2.1.2  测试系统

 采用TN30红外测温仪测量各个房间的壁面、顶板和地面平均温度，同时在每间房的太阳能通风墙体内位于集热墙与空气集热罩之间的腔体几何中心位置以及集热墙所开的通风口处安装温度自计议进行其温度测，其测试点1~测点9如图3所示；室外温度通过RC4外置传感器记录仪记录，数据每10 min自动记录1次。本文采用短期连续的测试方法，测试时间为2015年3月~ 2015年4月。

3试验结果与分析

3.1  热传输方式对太阳能通风墙热性能的影响

 选取Ⅱ型进行试验，分析不同热传输方式对Ⅱ型室内温度变化的影响，如图4所示。

 对比工况3，工况2即使用太阳能通风墙的房间，全天室内平均温度11.9℃，最高温差达8.3 0C。由此说明使用太阳能通风墙的房间供暖效果较好，太阳能通风墙对于提高室内温度、降低建筑能耗有明显的作用。

 工况1开启地下蓄热式通风口，白天对室内空气加热的同时，将大量的热量储存在地下室，夜间当室外温度降低时，地下室储存的热量释放到室内以提高室内空气温度。白天室内平均温度为13.6℃，夜间室内平均温度为11.2cC，日夜温差最大为5.8℃。0:00~11:00时间段内3种工况的室内温度均呈直线分布，工况1的室内温度在12.50C左右，比工况2、工况3的温度分别高2.5 0C、50C；11:00~15：00时间段内3种工况均呈上升趋势，工况2的温度上升速率最快，15：00时达到峰值18.1 0C，比工况2、工况3的温度分别高1.4℃、11.90C；15：00~ 23：00时间段内室内温度呈下降趋势，工况2呈直线下降趋势速率快，在23：00时趋于稳定，工况1在21:00时温度呈上升趋势，在23：00时趋于稳定。这就充分表明地下室的蓄热作用有效地抑制了室温的波动，提高了建筑的热稳定性，热舒适度好，因此，工况1更适用于当地的农宅。

3.2不同构造的集热罩对太阳能通风墙热性能的影响

 本试验采用了对比法，分析在工况1和集热板相同的情况下，单框单层与单框双层玻璃塑钢集热罩（即I型和Ⅱ型）对其腔体温度及室内温度变化的影响，如图5、图6所示。图5中，在太阳辐射最强的阶段(11:00~15：00)，2种集热罩腔体平均温度均呈折线上升趋势，在15：00均达到最高值，I型上升趋势较为明显且最高值达67.80C，比Ⅱ型高5.5℃。在15：00之后，由于太阳辐照减弱，室外空气平均温度逐渐降低，2种集热罩腔体平均温度也随之降低，Ⅱ型腔体平均温度下降速率较为缓慢，在0:00室外温度为0.4℃的情况下仍能达到13.6℃比I型高1.8℃，延缓了室内平均温度因室外温度骤降带来的波动，总体来说Ⅱ型比I型的集热效果好。

 分析这一结果的原因：单框双玻塑钢集热罩，是将两块6 mm的玻璃周边用玻璃条粘贴，形成厚密封的12 mm的空气间层，再镶入单层窗框内，减小了窗的缝隙长度降低其传热系数，该空气间层的热阻远大于单层玻璃的热阻，故单框双玻塑钢集热罩的热阻远大于单框单玻塑钢集热罩，Ⅱ型集热罩的保温性能大于I型的集热罩，相对来说，单层玻璃的遮阳系数大于双层玻璃，故I型集热罩的传热系数要大于Ⅱ型的集热罩。因此在太阳辐射最强的阶段内Ⅱ型腔体内的温度上升趋势小于I型，而在夜间，单框双玻塑钢集热罩的封密性能好，有效地阻止了腔体热量损失的减少，在0:00室外温度为0.4℃的情况下仍能达到13.6℃，提高了建筑的热稳定性。

 图6中，11:00~15：00时段内，I型、Ⅱ型室内温度分别上升了8.9℃、2.2℃；15：00之后，Ⅱ型室内平均温度下降速率较为缓慢，夜间室内温度稳定时仍达到了12.4℃，比I型高1.4℃；I型日夜温差最大为9.5℃，而Ⅱ型只有5.8℃，说明Ⅱ型有效地减小了室内昼夜温差的波动，提高了其热舒适度。因此，Ⅱ型即单框双玻塑钢集热罩更适用于当地的农宅。

3.3集热板对太阳能通风墙热性能的影响

3.3.1  集热效率

集热板的集热效率η可由式(1)计算求得：

式中：Ac为集热板面积，m2；cp为空气比热，KJ/( kg．K)；G为南向垂直面总太阳辐射照度，W／m2；m为质量流速，kg/s；Ti和T0为太阳能通风墙腔体通风口进出口温度，℃。

 从实际应用来看，南向垂直面总太阳辐射照度相同的条件下，出风口温度越高，输出热量越多，集热效率越高。分析在工况1和集热罩相同的情况下，普通集热板与蓝膜集热板（即Ⅱ型和Ⅲ型）对其出风口温度及室内温度变化的影响，如图7、图8所示。图7中，在太阳辐射最强的阶段(11:00~15:00)，2种集热板腔体出风口温度均呈折线上升趋势，在15：00达到最高值，Ⅲ型上升趋势较为明显且最高值达72.8℃，比Ⅱ型高10.5℃，说明Ⅲ型的集热效果更好。在20：00室外温度为6.1℃的情况下仍能达到29.6℃，比Ⅱ型高11.1℃。总体来说，Ⅲ型白天的集热效率比Ⅱ型高3%左右，夜间的保温性能更是比Ⅱ型高出了一倍。

 分析这一结果的原因：蓝膜集热板具有对太阳辐射能极高的吸收率，可达95%以上，比普通的集热板高出5%，在相同的太阳直接辐射下，蓝膜集热板可以吸收更多的热能使腔体内温度迅速上升，而蓝膜集热板在吸收太阳辐射升温后高于周围环境温度情况下热发射率很低，低达3%以下，延缓了腔体温度的散失，在夜间仍可以加热室内的温度。

 图8中，11:00~15：00时段内，Ⅲ型室内温度上升到17.5℃，比Ⅱ型室内温度高0.8℃；15：00之后，Ⅲ型室内温度下降速率较为缓慢，20:00时室内温度低至12.3℃，比Ⅱ型低2.2℃；20:00~22:00时间段内，Ⅲ型室内温度上升速率比Ⅱ型快，22:00之后温度稳定时仍达到了12.4℃，比Ⅱ型高1.40C，减小了室内温度因室外温度骤降带来的波动，增加了室内的热舒适度。

3.3.2  经济性分析

 经市场调查，市面上蓝膜集热板的价格是98元／m2，普通集热板的价格是36元/m2，但普通集热板的使用寿命是20 a，蓝膜集热板的使用寿命长达50 a。试验期间每个模型的集热板面积是24.5 m2，如果按50 a的使用期来计算，使用蓝膜集热板的价钱是2 401元，比使用普通集热板节约245元，中间普通集热板到达20 a后需要更换，人工费也较高，相比之下普通集热板的造价较贵。综合经济性及集热效果考虑，Ⅲ型即蓝膜集热板适用于石河子地区的太阳能通风墙。

4  结  论

 利用石河子大学试验场2连已建成的1：1实体模型，对不同构造的集热板、集热罩以及热传输方式对太阳能通风墙热性能的影响进行了现场测试试验，得到以下结论：

 1)工况1即集热墙与地下蓄热式通风口同时开启的热传输方式，白天室内温度提高7.6℃，夜间提高1.8℃，且温度下降速率缓慢，有效地减小了夜间室内温度的波动，提高了建筑的热稳定性。

 2)Ⅱ型即单框双玻塑钢集热罩腔体内白天温度峰值为62.3 0C，比单框单玻塑钢集热罩低5.50C，但在0：00室外温度为0.4℃的情况下仍能达到13.6 0C比I型高1.8 0C，有效地阻止了腔体热量损失的减少。

 3)蓝膜集热板白天的集热效率比普通集热板高3%左右，夜间的保温性能更是比其高出了一倍，结合经济性考虑，蓝膜集热板适用于石河子农村地区的太阳能通风墙系统。

 4)Ⅲ型即单框双玻塑钢集热罩+蓝膜集热板模型为最优集热部件组合的太阳能通风墙，在太阳能辐射强的情况下集热效果明显，有效地提高了室内温度；夜间温度下降速率缓慢，延缓了室内平均温度因室外温度骤降带来的波动，提高了建筑的热稳定性，适用于石河子地区寒冷漫长的冬季，可推广应用于改善当地民居的住宅条件。