集热蓄热墙-特朗伯墙

摘要：可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、低热能和海洋能等多种形式。太阳能既是一次能源又是可再生能源，资源丰富，对环境无污染，是一种非常清洁的能源，在建筑中得到了较为广泛的应用。

可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、低热能和海洋能等多种形式。太阳能既是一次能源又是可再生能源，资源丰富，对环境无污染，是一种非常清洁的能源，在建筑中得到了较为广泛的应用。

我国的太阳能资源十分丰富。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×103-8.4×106kJ／(m2·a)之间，相当于2.4×104亿t标准煤。

太阳能在建筑中的应用技术可分为太阳能光热利用技术、太阳能光电利用技术以及自然光利用技术。

以采集太阳能作供暖使用的太阳能建筑，按照利用太阳能的方式，可分为主动式系统和被动式系统两类。

被动式太阳能建筑又称作被动式太阳房，即是依靠建筑围护结构本身来完成吸热、蓄热、防热功能的采暖系统。被动式太阳房的外围护结构应具有较大的热阻，室内要有足够的热重质材料，如砖石、混凝土或相变蓄热材料，以保持房屋有足够的蓄热性能。

按照房间采集太阳能方式的不同，被动式太阳房可分为如下几类：

1）直接受益式

2）集热蓄热墙

3）附加日光间

4）蓄热屋顶池式

5）对流环式

集热蓄热墙：

集热蓄热墙是对普通外墙构造的改良，墙体能更好地收集和储存太阳能。这种形式的被动式太阳房是由透光玻璃罩和蓄热墙体构成，中间留有空气层，墙体上下部位设有通向室内的风口。日间利用南向集热蓄热墙体吸收穿过玻璃罩的阳光，墙体会吸收并传入一定的热量，同时夹层内空气受热后成为热空气通过风口进入室内；夜间集热蓄热墙体的热量会逐渐传入室内。集热蓄热墙体的外表面涂成黑色或某种深色，以便有效的吸收阳光。为防止夜间热量散失，玻璃外侧应设置保温窗帘和保温板。

按照墙体材料及原理的不同，集热蓄热墙可以分为特朗伯墙，水墙，载水墙，太阳墙等几种基本类型。

特朗伯墙：

1.定义

如果集热蓄热墙采用重的砌体材料(混凝土、土坯、砖等等)，墙体表面涂成深色，当阳光穿过玻璃投射到它上面时则更便于被加热；同时在墙体的顶部与底部设置通风口，房间的冷空气下降进入底部风口，在蓄热体与玻璃之间受热上升，通过顶部风口进入房间。这种系统通常就叫做特朗伯墙。

溯源：

20世纪60年代法国太阳能实验室主任费利克斯·特朗伯(Felix Trombe)和建筑师雅克·米歇尔(Jacques Michel)采用这种墙体的设计在比利尤斯建造了几幢住宅，从而在那个时代大大促进了它的发展。由于这一系统是由特朗伯首先提出并试验的，故通称“特朗伯墙”。

2.原理

这种集热蓄热墙利用热虹吸管/温差环流原理，使用自然的热空气来进行热量循环，从而降低供暖系统的负担。以往的太阳热吸收外墙是利用厚厚的热惰性材料来维持室内的温度，而特朗伯墙吸收了这些传统的手法，同时具备了更轻盈的形象和更高的热效率以及更主动地适应气候变化的能力。在天气较冷的时候，热惰性墙体可以利用它自身收集太阳辐射热量的能力为室内供暖。新鲜空气从外墙底部进入空气腔中，被热惰性材料吸收的太阳辐射热加热后进入室内，使热空气在屋内循环。在炎热的气候条件下，特朗伯墙则通过使空气直接上升并排到室外来防止热量进入室内。这时墙体从北面汲取较冷的空气进入室内，达到自然降温的效果。

工作原理：

将集热墙向阳外表面涂以深色的选择性涂层加强吸热并减少辐射散热，使该墙体成为集热和蓄热器。待到需要时（如夜间）又成为放热体。离外表面10cm左右处装上玻璃或透明塑料薄片，使与墙外表明间构成-空气间层。冬季白天有太阳时，主要靠空气间层被加热的空气通过墙顶与底部通风孔向室内对流供暖。夜间则主要靠墙体本身的储热向室内供暖。

晚上，特朗伯墙的通风孔要关闭，玻璃与墙之间设置隔热窗帘或百叶，同时由于玻璃透射短波而反射长波辐射的特性，这时墙体储存的热量绝大部分向室内辐射并由靠近墙面的热气流向室内对流传热。

夏季工作过程：

在同一系统中，用相同的构件，使用另外一种方法使建筑物降温。由于玻璃能反射长波辐射，所以为了夏天墙体更好的能向外辐射热量，一是建议把玻璃罩移去。在白天将隔热窗帘或百叶放在特朗伯墙前，隔热层外表面用浅色或铝箔反射太阳热，减少墙体对太阳热的吸收。在夜间将热层移开，让特朗伯墙向室外辐射散热而得到冷却，同时冷却后的墙体从室内吸收热量进而降低室温。

二是在玻璃的顶部与底部同样开两个通风孔，夏季时打开通风孔，这样间层的热空气可以从玻璃上顶部通风孔流走，并从下底部吸入冷空气，以在白天时候缓解对墙体的热供应，晚上及时带走墙体的热量。

第一种方法拿掉了玻璃盖板，则就失去了特朗伯墙的意义所在，况且夏季没有玻璃的保护，隔热层很容易受到损坏，所以这种方法应用不多，而第二种方法应用居多。另外，夏季阳光照射时，在屋檐或者遮阳板下面靠近墙体位置，容易产生热空气涡流，导致热空气长期逗留，而容易通过窗户传入室内，所以呢，采取一种措施，在遮阳板根部开孔洞，及时的排出热空气，保证夏季室内的温度不至于过高。

建筑物北侧墙体同样采用重质材料，一是冬季保温性能好，二是夏季隔热性能好，如上图，为白天冬季夏季的特朗伯墙工作示意图，夏季排走室内热空气的方法采用空气对流式，此种建筑夏季时北侧应多为冷空气。

墙体厚度：

混凝土等重质材料的蓄热墙有个优点，即其从外侧吸收太阳能到向室内释放该能量之间有时间延迟。这是由于混凝土有热惰性的缘故，而时间延迟的长短取决于墙的厚度，有代表性的为6-12个小时。因此，夜间对流加热无效时正是辐射加热最有效的时候。

储热墙的厚度根据建筑用途不同而有一定差别，Trombe在比利尤斯用于他的第一幢房屋地墙厚是600mm，该墙一年期间内，对室温控制在20℃的情况下提供了总需热量的70%，后来又试验了较薄的墙，Trombe及其同事们认为400-500mm是最适宜的厚度。而洛斯阿美国拉莫斯国家实验室的D.Balcomb等对美国不同地区用计算机模拟研究指出，如果室温在18-24℃间变动，则300mm厚的混凝土墙每年对全部所需热量可做出最高贡献。

构造：

这种基本设计由外部玻璃装置，内部储热墙体，控制气流的逆止风门，以及各种调整和结合用的细部构件组成。

清华大学环境楼的特朗伯墙

太阳能研究中心，特朗伯墙能充分吸收半沙漠地带的太阳热辐射，在白昼防止室内温度的升高，夜间则缓缓释放存储的热量，以保持室内的温度。

特朗伯墙式太阳房避免了直接受益式太阳能采暖系统午后室内温度较高而全天温度波动大的缺点，尤其适合于太阳能资源丰富、昼夜温差较大而平均气温较低的地区，如青藏高原地区。特朗伯墙在过去的几十年内得到了广泛的应用并有了很多的改进方案，一般与其他手段结合起来使用才能发挥更大的作用。这些手段如采用热绝缘玻璃、改良的热吸收墙体、空腔中控制空气流的风扇、利用水来储藏热量等。

但是该技术也存在着以下问题：

(1)构造比较复杂，使用不太灵活。

(2)美观性差：集热墙外表面涂成深色，且以透明玻璃板覆盖，因此整个系统外观呈现深色，和绝大多数建筑表面不好协调。

(3)由于特朗伯墙系统需要较大面积的实墙，因此会较大程度的影响建筑物的南面的采光。

PV-Trombe墙：

针对特朗伯墙的上述问题，结合在光伏电池模块的背面铺设流道、通过流体带走热量的思想，有人提出了一种新的BIPV方案：PV-Trombe墙。在特朗伯墙的玻璃盖板的背面贴上光伏电池就构成了新型的带有光伏电的特朗伯墙，即PV-Trombe墙。它集BIPV和特朗伯墙的优点于一体，解决了传统特朗伯墙功能单一的缺陷，在发电的同时，冬季可以向室内供暖，夏季可以降低室内冷负荷；不仅如此它还改善了建筑外表面的视觉舒适性，使建筑外观更有魅力。这也就是主动式与被动式太阳能利用系统的一种紧密结合。

PV-Trombe墙由光伏玻璃板，集热墙，光伏玻璃板和集热墙体之间的空气流道(以下简称空气流道)，冬季用上下通风口和夏季用上下挡板(以下分别简称上下通风口或上下风口，和上下挡板)，以及夏季用卷帘(以下简称卷帘)组成，其中光伏玻璃板由玻璃盖板和光伏电池构成。

工作原理：在冬季白天，打开集热墙上的上下通风口，关闭上下挡板，收起卷帘。当太阳辐射投射到光伏玻璃板的有光伏电池部分，小部分被光伏电池吸收，转化成电能，大部分转化成热能，使光电池温度升高;当太阳辐射投射到光伏玻璃板的玻璃盖板部分，小部分被玻璃盖板吸收，大部分透过玻璃盖板被集热墙吸收，导致集热墙温度升高。吸收太阳辐射后升温的光伏玻璃板和集热墙，通过对流的方式加热空气流道内的空气，然后被加热的空气在热虹吸作用下通过上通风口进入室内，带走光伏玻璃板和集热墙的热量，达到冷却光伏电池和采暖的目的。另外，集热墙吸收的热量也有小部分通过集热墙的热传导被导入室内。

在夜间，关闭上下通风口，防止室内的热空气往空气流道倒流，导致更大热损。由于墙体的蓄热作用，白天吸收的热量一部分被集热墙和室内其他墙体吸收贮存于墙体内，到夜间再通过墙体的内表面以辐射和自然对流方式将热量释放到室内，这样可以避免中午可能温度过高和全天温度波动大引起居住者的不舒适感。