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段  琪1，姜曙光1，黃玉薇1，王  純2，楊婧超3，李  婷4

（1．石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子832003：2．石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆石河子832003；3．陜西省人防設(shè)計(jì)研究院，西安710061；4．南京地下工程建筑設(shè)

計(jì)院有限公司，南京210019）

[摘要]以太陽(yáng)能通風(fēng)墻為研究對(duì)象，利用已建成的1:1實(shí)體模型，針對(duì)不同構(gòu)造的集熱板、集熱罩和熱傳輸方式對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，集熱墻與地下蓄熱式通風(fēng)口同時(shí)開啟的工況下，白天室內(nèi)平均溫度提高了7.6℃，夜間提高了1.8℃，且溫度下降速率緩慢，有效地抑制了室溫的波動(dòng)；單框雙玻塑鋼集熱罩腔體內(nèi)溫度白天的峰值為62.3℃，在20：00室外溫度為6.1aC的情況下仍能達(dá)到16.5℃左右，比I型高1.8℃，阻止了腔體熱量損失的減少，提高了建筑的熱穩(wěn)定性；藍(lán)膜集熱板白天的集熱效率比普通集熱板高3%左右，夜間的保溫性能更是比其高出了一倍。

 [關(guān)鍵詞]太陽(yáng)能通風(fēng)墻；集熱板；集熱罩；熱性能；試驗(yàn) [中圖分類號(hào)] TU831,1

0  引  言

 太陽(yáng)能通風(fēng)墻作為被動(dòng)式太陽(yáng)能利用形式之一，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶��?yáng)能一建筑一體化技術(shù)，它對(duì)于降低室內(nèi)熱濕負(fù)荷、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，有明顯的作用。太陽(yáng)能通風(fēng)墻又稱之為TrombeWaIl（特朗伯墻），當(dāng)應(yīng)用于建筑物向室外排風(fēng)時(shí)，也稱之為太陽(yáng)能煙囪。到目前為止，人們對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻的研究多集中于提出各種模型以及如何提高對(duì)太陽(yáng)能輻射的吸收，而對(duì)于其組成模型的集熱部件的結(jié)構(gòu)和所用材料的優(yōu)化研究較少，因而有必要對(duì)其進(jìn)一步認(rèn)真細(xì)致的研究。集熱部件主要是指完成房間的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)集熱功能的設(shè)施或構(gòu)件，如直接受益窗、集熱墻以及附加陽(yáng)光間。太陽(yáng)能通風(fēng)墻主要的集熱部件是集熱罩和集熱板，提高集熱板的得熱，減少集熱罩的失熱可以有效地減少農(nóng)宅冬季的供暖能耗，提高其室內(nèi)熱舒適度。

 石河子位于新疆北部的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季的供暖期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月。經(jīng)測(cè)試無(wú)熱源無(wú)人居住狀態(tài)的農(nóng)宅供暖期末端3、4月份的室外平均溫度為3℃，室內(nèi)溫度在4~6℃之間。本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，對(duì)不同構(gòu)造的集熱罩、集熱板和熱傳輸方式對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要目的是綜合經(jīng)濟(jì)性考慮選出適宜石河子地區(qū)太陽(yáng)能通風(fēng)墻的最優(yōu)集熱部件，達(dá)到最大的集熱效率、節(jié)能效果的同時(shí)也可以提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅的熱舒適度。

1  太陽(yáng)能通風(fēng)墻

 地下土壤有蓄熱量大、溫度波動(dòng)小、有一定的濕度的特點(diǎn)，地下室及周圍土壤自身的熱量蓄調(diào)，能夠在陰雨雪天氣、夜間持續(xù)地進(jìn)行，大大降低了房屋室內(nèi)溫度隨室外溫度劇烈變化引起的波動(dòng)。將太陽(yáng)能通風(fēng)墻與地下室及土壤蓄熱有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可在修建單層農(nóng)宅時(shí)附加一層地下室作為儲(chǔ)能（冷、熱）室兼做儲(chǔ)藏室，在需要的時(shí)候打開地下室頂板的通風(fēng)口，冬季時(shí)向一層房屋主要房間輸送帶有濕度的暖風(fēng)，夏季輸送帶有濕度的涼風(fēng)，來(lái)平衡主要房間室溫，提高室內(nèi)的舒適度，達(dá)到冬暖夏涼的目的。

 圖1為太陽(yáng)能通風(fēng)墻的冬季工作原理圖，其原理是在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)的白天，太陽(yáng)能通風(fēng)墻內(nèi)的集熱板吸收太陽(yáng)輻射加熱墻體內(nèi)部空氣，使其空氣達(dá)到一定的溫度，此時(shí)，打開集熱墻上、下通風(fēng)口和地下室蓄熱式通風(fēng)口以形成循環(huán)對(duì)流來(lái)對(duì)室內(nèi)和地下室的空氣加熱，提高室內(nèi)空氣溫度、改善空氣品質(zhì)，同時(shí)儲(chǔ)存熱量在地下室，當(dāng)需要新鮮空氣或室外氣溫比較合適時(shí)，也可以通過(guò)打開玻璃蓋板下面的進(jìn)風(fēng)口、關(guān)閉集熱墻下面的通風(fēng)口來(lái)對(duì)室外空氣先加熱后再流人室內(nèi)；夜間，關(guān)閉集熱墻上、下通風(fēng)口，地下室將白天蓄存的熱量以及淺層土壤的蓄熱釋放到室內(nèi)以提高室內(nèi)空氣溫度。

 為了進(jìn)行太陽(yáng)能通風(fēng)墻主要集熱部件的熱性能優(yōu)化，作者選取了兩種不同構(gòu)造的集熱罩和集熱板，分別為由塑鋼單窗框和雙層玻璃蓋板組成的集熱罩簡(jiǎn)稱單框雙玻塑鋼集熱罩、由塑鋼單窗框和單層玻璃蓋板組成的集熱罩簡(jiǎn)稱單框單玻集熱罩、普通集熱板以及藍(lán)膜集熱板。本文采用兩兩組合的方法，設(shè)計(jì)了3種太陽(yáng)能通風(fēng)墻組合模型，即單框單玻塑鋼集熱罩+普通集熱板組成的太陽(yáng)能通風(fēng)墻模型（I型）、單框雙玻塑鋼集熱罩+普通集熱板組成的太陽(yáng)能通風(fēng)墻模型（Ⅱ型）以及單框雙玻塑鋼集熱罩+藍(lán)膜集熱板組成的太陽(yáng)能通風(fēng)墻模型（Ⅲ型），采用兩兩對(duì)比的試驗(yàn)方法，對(duì)比其集熱效率，具體構(gòu)造見表1。

2  研究方法和試驗(yàn)設(shè)施

 按照GB/T 15405-2006《被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)條件與熱性能試驗(yàn)方法》對(duì)石河子大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)2連已建成的1：1實(shí)體模型（見圖2a）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，該試驗(yàn)房2013年10月建成，正南方向布置，磚混結(jié)構(gòu)，為典型的新疆農(nóng)宅。地上1層，層高3.0m，地下l層，層高2.2 m，建筑面積176.40 m2。±0. 00標(biāo)高以上為240 mm厚黏土多孔磚砌筑，±0. 00標(biāo)高以下為370 mm厚黏土多孔磚砌筑。該實(shí)驗(yàn)房1層平面圖見圖2b所示。

2.1試驗(yàn)方法

2.1.1  試驗(yàn)工況

 試驗(yàn)過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段測(cè)試熱傳輸方式對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響，熱傳輸方式為同時(shí)開啟集熱墻與地下蓄熱式通風(fēng)口即工況1、只開啟集熱墻通風(fēng)口即工況2、同時(shí)關(guān)閉所有通風(fēng)口即工況3。試驗(yàn)期間，集熱墻通風(fēng)口在太陽(yáng)能通風(fēng)墻腔體空氣溫度達(dá)到30℃時(shí)打開，腔體空氣溫度下降到與室內(nèi)溫度相同時(shí)關(guān)閉，根據(jù)不同日出、日落時(shí)間做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)；地下蓄熱式通風(fēng)口需要開啟時(shí)，與集熱墻通風(fēng)口同時(shí)開啟，夜間不關(guān)閉。第二階段測(cè)試不同構(gòu)造的集熱板、集熱罩對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響，采用對(duì)比方法，以普通集熱板與藍(lán)膜集熱板，單框單層與單框雙層玻璃塑鋼集熱罩為對(duì)比因素，總結(jié)出2組對(duì)比試驗(yàn)，即將I型與Ⅱ型對(duì)比之后將Ⅱ型與Ⅲ型對(duì)比，選出最優(yōu)類型。

2.1.2  測(cè)試系統(tǒng)

 采用TN30紅外測(cè)溫儀測(cè)量各個(gè)房間的壁面、頂板和地面平均溫度，同時(shí)在每間房的太陽(yáng)能通風(fēng)墻體內(nèi)位于集熱墻與空氣集熱罩之間的腔體幾何中心位置以及集熱墻所開的通風(fēng)口處安裝溫度自計(jì)議進(jìn)行其溫度測(cè)，其測(cè)試點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)9如圖3所示；室外溫度通過(guò)RC4外置傳感器記錄儀記錄，數(shù)據(jù)每10 min自動(dòng)記錄1次。本文采用短期連續(xù)的測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)間為2015年3月~ 2015年4月。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1  熱傳輸方式對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響

 選取Ⅱ型進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同熱傳輸方式對(duì)Ⅱ型室內(nèi)溫度變化的影響，如圖4所示。

 對(duì)比工況3，工況2即使用太陽(yáng)能通風(fēng)墻的房間，全天室內(nèi)平均溫度11.9℃，最高溫差達(dá)8.3 0C。由此說(shuō)明使用太陽(yáng)能通風(fēng)墻的房間供暖效果較好，太陽(yáng)能通風(fēng)墻對(duì)于提高室內(nèi)溫度、降低建筑能耗有明顯的作用。

 工況1開啟地下蓄熱式通風(fēng)口，白天對(duì)室內(nèi)空氣加熱的同時(shí)，將大量的熱量?jī)?chǔ)存在地下室，夜間當(dāng)室外溫度降低時(shí)，地下室儲(chǔ)存的熱量釋放到室內(nèi)以提高室內(nèi)空氣溫度。白天室內(nèi)平均溫度為13.6℃，夜間室內(nèi)平均溫度為11.2cC，日夜溫差最大為5.8℃。0:00~11:00時(shí)間段內(nèi)3種工況的室內(nèi)溫度均呈直線分布，工況1的室內(nèi)溫度在12.50C左右，比工況2、工況3的溫度分別高2.5 0C、50C；11:00~15：00時(shí)間段內(nèi)3種工況均呈上升趨勢(shì)，工況2的溫度上升速率最快，15：00時(shí)達(dá)到峰值18.1 0C，比工況2、工況3的溫度分別高1.4℃、11.90C；15：00~ 23：00時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)溫度呈下降趨勢(shì)，工況2呈直線下降趨勢(shì)速率快，在23：00時(shí)趨于穩(wěn)定，工況1在21:00時(shí)溫度呈上升趨勢(shì)，在23：00時(shí)趨于穩(wěn)定。這就充分表明地下室的蓄熱作用有效地抑制了室溫的波動(dòng)，提高了建筑的熱穩(wěn)定性，熱舒適度好，因此，工況1更適用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)宅。

3.2不同構(gòu)造的集熱罩對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響

 本試驗(yàn)采用了對(duì)比法，分析在工況1和集熱板相同的情況下，單框單層與單框雙層玻璃塑鋼集熱罩（即I型和Ⅱ型）對(duì)其腔體溫度及室內(nèi)溫度變化的影響，如圖5、圖6所示。圖5中，在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的階段(11:00~15：00)，2種集熱罩腔體平均溫度均呈折線上升趨勢(shì)，在15：00均達(dá)到最高值，I型上升趨勢(shì)較為明顯且最高值達(dá)67.80C，比Ⅱ型高5.5℃。在15：00之后，由于太陽(yáng)輻照減弱，室外空氣平均溫度逐漸降低，2種集熱罩腔體平均溫度也隨之降低，Ⅱ型腔體平均溫度下降速率較為緩慢，在0:00室外溫度為0.4℃的情況下仍能達(dá)到13.6℃比I型高1.8℃，延緩了室內(nèi)平均溫度因室外溫度驟降帶來(lái)的波動(dòng)，總體來(lái)說(shuō)Ⅱ型比I型的集熱效果好。

 分析這一結(jié)果的原因：?jiǎn)慰螂p玻塑鋼集熱罩，是將兩塊6 mm的玻璃周邊用玻璃條粘貼，形成厚密封的12 mm的空氣間層，再鑲?cè)雴螌哟翱騼?nèi)，減小了窗的縫隙長(zhǎng)度降低其傳熱系數(shù)，該空氣間層的熱阻遠(yuǎn)大于單層玻璃的熱阻，故單框雙玻塑鋼集熱罩的熱阻遠(yuǎn)大于單框單玻塑鋼集熱罩，Ⅱ型集熱罩的保溫性能大于I型的集熱罩，相對(duì)來(lái)說(shuō)，單層玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)大于雙層玻璃，故I型集熱罩的傳熱系數(shù)要大于Ⅱ型的集熱罩。因此在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的階段內(nèi)Ⅱ型腔體內(nèi)的溫度上升趨勢(shì)小于I型，而在夜間，單框雙玻塑鋼集熱罩的封密性能好，有效地阻止了腔體熱量損失的減少，在0:00室外溫度為0.4℃的情況下仍能達(dá)到13.6℃，提高了建筑的熱穩(wěn)定性。

 圖6中，11:00~15：00時(shí)段內(nèi)，I型、Ⅱ型室內(nèi)溫度分別上升了8.9℃、2.2℃；15：00之后，Ⅱ型室內(nèi)平均溫度下降速率較為緩慢，夜間室內(nèi)溫度穩(wěn)定時(shí)仍達(dá)到了12.4℃，比I型高1.4℃；I型日夜溫差最大為9.5℃，而Ⅱ型只有5.8℃，說(shuō)明Ⅱ型有效地減小了室內(nèi)晝夜溫差的波動(dòng)，提高了其熱舒適度。因此，Ⅱ型即單框雙玻塑鋼集熱罩更適用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)宅。

3.3集熱板對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響

3.3.1  集熱效率

集熱板的集熱效率η可由式(1)計(jì)算求得：

式中：Ac為集熱板面積，m2；cp為空氣比熱，KJ/( kg．K)；G為南向垂直面總太陽(yáng)輻射照度，W／m2；m為質(zhì)量流速，kg/s；Ti和T0為太陽(yáng)能通風(fēng)墻腔體通風(fēng)口進(jìn)出口溫度，℃。

 從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，南向垂直面總太陽(yáng)輻射照度相同的條件下，出風(fēng)口溫度越高，輸出熱量越多，集熱效率越高。分析在工況1和集熱罩相同的情況下，普通集熱板與藍(lán)膜集熱板（即Ⅱ型和Ⅲ型）對(duì)其出風(fēng)口溫度及室內(nèi)溫度變化的影響，如圖7、圖8所示。圖7中，在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的階段(11:00~15:00)，2種集熱板腔體出風(fēng)口溫度均呈折線上升趨勢(shì)，在15：00達(dá)到最高值，Ⅲ型上升趨勢(shì)較為明顯且最高值達(dá)72.8℃，比Ⅱ型高10.5℃，說(shuō)明Ⅲ型的集熱效果更好。在20：00室外溫度為6.1℃的情況下仍能達(dá)到29.6℃，比Ⅱ型高11.1℃�？傮w來(lái)說(shuō)，Ⅲ型白天的集熱效率比Ⅱ型高3%左右，夜間的保溫性能更是比Ⅱ型高出了一倍。

 分析這一結(jié)果的原因：藍(lán)膜集熱板具有對(duì)太陽(yáng)輻射能極高的吸收率，可達(dá)95%以上，比普通的集熱板高出5%，在相同的太陽(yáng)直接輻射下，藍(lán)膜集熱板可以吸收更多的熱能使腔體內(nèi)溫度迅速上升，而藍(lán)膜集熱板在吸收太陽(yáng)輻射升溫后高于周圍環(huán)境溫度情況下熱發(fā)射率很低，低達(dá)3%以下，延緩了腔體溫度的散失，在夜間仍可以加熱室內(nèi)的溫度。

 圖8中，11:00~15：00時(shí)段內(nèi)，Ⅲ型室內(nèi)溫度上升到17.5℃，比Ⅱ型室內(nèi)溫度高0.8℃；15：00之后，Ⅲ型室內(nèi)溫度下降速率較為緩慢，20:00時(shí)室內(nèi)溫度低至12.3℃，比Ⅱ型低2.2℃；20:00~22:00時(shí)間段內(nèi)，Ⅲ型室內(nèi)溫度上升速率比Ⅱ型快，22:00之后溫度穩(wěn)定時(shí)仍達(dá)到了12.4℃，比Ⅱ型高1.40C，減小了室內(nèi)溫度因室外溫度驟降帶來(lái)的波動(dòng)，增加了室內(nèi)的熱舒適度。

3.3.2  經(jīng)濟(jì)性分析

 經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，市面上藍(lán)膜集熱板的價(jià)格是98元／m2，普通集熱板的價(jià)格是36元/m2，但普通集熱板的使用壽命是20 a，藍(lán)膜集熱板的使用壽命長(zhǎng)達(dá)50 a。試驗(yàn)期間每個(gè)模型的集熱板面積是24.5 m2，如果按50 a的使用期來(lái)計(jì)算，使用藍(lán)膜集熱板的價(jià)錢是2 401元，比使用普通集熱板節(jié)約245元，中間普通集熱板到達(dá)20 a后需要更換，人工費(fèi)也較高，相比之下普通集熱板的造價(jià)較貴。綜合經(jīng)濟(jì)性及集熱效果考慮，Ⅲ型即藍(lán)膜集熱板適用于石河子地區(qū)的太陽(yáng)能通風(fēng)墻。

4  結(jié)  論

 利用石河子大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)2連已建成的1：1實(shí)體模型，對(duì)不同構(gòu)造的集熱板、集熱罩以及熱傳輸方式對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)墻熱性能的影響進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

 1)工況1即集熱墻與地下蓄熱式通風(fēng)口同時(shí)開啟的熱傳輸方式，白天室內(nèi)溫度提高7.6℃，夜間提高1.8℃，且溫度下降速率緩慢，有效地減小了夜間室內(nèi)溫度的波動(dòng)，提高了建筑的熱穩(wěn)定性。

 2)Ⅱ型即單框雙玻塑鋼集熱罩腔體內(nèi)白天溫度峰值為62.3 0C，比單框單玻塑鋼集熱罩低5.50C，但在0：00室外溫度為0.4℃的情況下仍能達(dá)到13.6 0C比I型高1.8 0C，有效地阻止了腔體熱量損失的減少。

 3)藍(lán)膜集熱板白天的集熱效率比普通集熱板高3%左右，夜間的保溫性能更是比其高出了一倍，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，藍(lán)膜集熱板適用于石河子農(nóng)村地區(qū)的太陽(yáng)能通風(fēng)墻系統(tǒng)。

 4)Ⅲ型即單框雙玻塑鋼集熱罩+藍(lán)膜集熱板模型為最優(yōu)集熱部件組合的太陽(yáng)能通風(fēng)墻，在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)的情況下集熱效果明顯，有效地提高了室內(nèi)溫度；夜間溫度下降速率緩慢，延緩了室內(nèi)平均溫度因室外溫度驟降帶來(lái)的波動(dòng)，提高了建筑的熱穩(wěn)定性，適用于石河子地區(qū)寒冷漫長(zhǎng)的冬季，可推廣應(yīng)用于改善當(dāng)?shù)孛窬拥淖≌瑮l件。