楊梅蘭

(東莞理工學院城市學院 城市與環(huán)境科學系,廣東 東莞 523419)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快,一棟棟高樓拔地而起,建筑工程總量的增加和人們對居住環(huán)境舒適度要求的提高,建筑能耗在社會總能耗中所占比例越來越高。綠色建筑、生態(tài)建筑理念逐漸得到大家的認可。被動式低能耗住宅建筑是綠色建筑和生態(tài)建筑的研究范疇,也是節(jié)能建筑未來的發(fā)展方向,契合現代建設領域減少能耗,大力發(fā)展生態(tài)、可持續(xù)建筑的倡導。被動式環(huán)境調控建筑能夠與自然環(huán)境融為一體,是根據所在地區(qū)的氣候條件,風向、常年的溫度、濕度,從建筑本身內環(huán)境出發(fā),做出相應的體型設計、朝向設計、通風換氣設計、利用太陽能及風能、利用墻體變色等來保證屋內的人體感覺到舒適的溫度、濕度。

東莞市位于歐亞大陸的東南邊、廣東省南部、珠江三角洲東北部的東江下游,地處北回歸線以南,瀕臨南海。東莞市南亞熱帶季風氣候顯著,具有長夏短冬,光照充足,熱量豐富,氣候溫暖,溫度變幅小,雨量充沛,干濕季明顯的特點。

2 新型被動式太陽能變色墻環(huán)境調控技術構建

多種植物和動物為了適應環(huán)境,通過改變自身的顏色來偽裝自己應對天敵以及調節(jié)自身溫度。對于人類,深色的衣服,吸收太陽的光的熱量比較多,而淺色的衣服它能夠將太陽的光反射回去一部分,所以,淺色的衣服吸收的熱比深色的少。所以,夏季的衣服多以淺色為主,而冬季的衣服以深色為主。住宅建筑的外維護結構確實也如同其外衣,同樣可以實現變色的可能,但是原理相反,深色可以阻擋紫外線和紅外線,透明時利用太陽光為室內加熱,因此,根據不同季節(jié)的氣候特點,通過變換其顏色來調節(jié)室內的舒適度。

基于上述構想,可以在住宅建筑朝陽的外墻面根據變色來利用太陽能制熱制冷。低溫時節(jié),適當調節(jié)讓朝陽面呈現無色,炎熱季節(jié)稍作調整讓朝陽面變換成深色,同時可以利用太陽能制冷。能夠變色的部分可以做到無需翻轉,且兼具門窗功能。也就是說,冬季溫度較低時,可以呈現出原狀,吸收太陽光,為室內升溫,同時啟用制熱設備；漫長的夏季,可以改變構件的顏色,利用深色可以阻擋紫外線和紅外線來降溫,同時也能夠利用集熱組建件發(fā)揮太陽能制冷。

由此可知,被動式太陽能變色墻的變色部分是節(jié)能的核心構件。因為現有的固定式的太陽能集熱板只能固定在外墻上不能移動,存在維修及更換電池不方便的缺點,故難以大面積的推廣。太陽能變色技術將集熱構件以獨立產品的形式,可以外置于任何位置,安裝、拆卸和維修都極為方便。

太陽能變色墻的顏色與功能,在選擇時應該考慮與住宅建筑整體色調及自然環(huán)境和諧統(tǒng)一；變色構件顏色的改變采用溫控自動變換裝置,居住者可以自己設定溫度；集熱器部分收集的熱能在超過設定溫度時可以自動運行轉化成冷量送入室內,這樣,就可以解決東莞地區(qū)夏季炎熱的問題。

要實現這三個目標,太陽能變色墻應該滿足以下三個原則：第一,構件質量輕,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大眾的居家生活習慣,符合群眾的審美,更要實用,操控簡單并實現降溫的作用。第三,老百姓能接受的合理性價比。針對上述三個目標,著重從解決夏季炎熱,運行過程實現自動控制等方面入手,從變色裝置,自動運行控件,及運行調整方式等方面對太陽能變色墻進行研究。

3 被動式太陽能變色墻環(huán)境調控技術研制

被動式變色太陽能墻可以作為獨立的產品根據需要安裝在外維護結構上,其組成部分有：變色裝置,采光隔板,空氣隔熱層及擠塑聚苯乙烯泡沫板組成。并且,在采光隔板旁邊設置光伏發(fā)電機為太陽能制熱制冷設備供電,還設置了新風入口。

3.1 變色裝置的確定

變色裝置通過改變顏色來增加或者減少太陽輻射熱的吸收,該裝置改變顏色的方式有通電變色,根據光強弱光控變色,依據溫度高低的溫控變色,還有人工變色四種。通電變色是指特定材料在通電后其光學特性顯現出穩(wěn)定的、可恢復原色的現象,表面上表現為光亮度和顏色的循環(huán)變化。光控變色是指變色材料在在特定波長和強度的照射下內部結構發(fā)上變化致使其顏色做出對應的變化,當然條件改變后也可以恢復原來的顏色。溫控變色是指材料根據室內設定溫度控制顏色變化,室內溫度超過25度時,顏色變成深色阻擋太陽輻射得熱,同時啟用太陽能制冷裝置送風；室內溫度低于18度時,顏色變成原色,吸收太陽輻射熱為室內升溫,同時可以啟用制熱設備。人工變色是指室內人體感到不舒服時,可以自行手動調整來改變顏色。

對比以上四種變色方式,通電變色會使整個變色墻帶電,對于住宅建筑使用該種方式顯然不夠安全,而且不夠經濟。光控變色對光的要求比較高,東莞地區(qū)雨季較長,特別是雷雨季節(jié)暴風雨來臨如同瞬間變成黑夜,并且夜晚沒有陽光無法控制,所以光控變色不適用于東莞。在東莞來說,夏季炎熱且比較長,夜晚的溫度常常超過25度,如果選擇人工變色會影響休息,不夠人性化。而溫控變色可以避免上述所有問題,整個變色部分可以自動運行而且無需耗費多于的能量,所以在東莞地區(qū)設置太陽能變色墻選擇溫控變色最合適。

3.2 采光隔板的選擇

現有的很多建筑物都采用玻璃作為隔板,雖然玻璃采光性能好,但是容易老化,易破碎,極易傷到人,所以不夠安全。針對這一安全隱患,太陽能變色墻的采光隔板應該使用不易老化、不易破碎的透光材料來替代玻璃。這類材料有PVC透明板、生態(tài)樹脂版和工業(yè)PC采光板等。

PVC透明板從外觀看與有機玻璃相似,有一定的硬度,透光好,但是不耐高溫,容易變形,不宜與集熱裝置共同使用。生態(tài)樹脂板采用高分子材料制作而成,具有一定的強度,抵抗變形的能力也比較好,耐久性也好,但是采光性能較差。工業(yè)PC采光板具有質量輕、采光性能好、抗沖擊性能好、遇高溫不老化不變形、阻燃性好且強度高等特點,可以與有機玻璃媲美,俗稱鋼化板。這種板材可以根據實際需要裁成不同的尺寸,并且安裝和密封也方便快捷。因此選擇工業(yè)PC采光板作為隔板。

工業(yè)PC采光板選用1.8毫米的板材,該種板材的詳細性能有：第一,燃點高,工業(yè)PC板燃點可以達到630攝氏度,屬于阻燃性材料。第二,耐腐蝕性能好,工業(yè)PC板遇到化學溶液不會發(fā)生腐蝕,在常溫下接觸各種酸性物質如無機酸、有機酸、弱酸、鹽溶液及乙醇都不會發(fā)生反應。第三,物理穩(wěn)定性好,工業(yè)PC板溫度適應性較好,能夠應對高溫氣候,在零下40℃時不發(fā)生冷脆,在125℃時不軟化,而且可以在-40℃至120℃范圍保持各項物理性能的穩(wěn)定性。第四,抗沖擊性能強,抵抗沖擊強度的能力是常用玻璃的三百倍,是鋼化玻璃的二十倍,有“鋼化板”的美稱。第五,質量輕。密度只有普通玻璃的一半,可以減少運輸、安裝、拆卸和受力框架的費用。此外,還有防紫外線、防結露等優(yōu)點。

3.3 擠塑聚苯乙烯泡沫板對環(huán)境調控的作用

太陽能變色墻安裝在外墻上的部位需要設置擠塑聚苯乙烯泡沫板(XPS板),它有保溫隔熱的作用,防止空氣間層及室內冷量散失到室外。XPS板的優(yōu)點有：第一,抵抗破壞的能力強,該種板結構特殊,抵抗壓力的性能和抗沖擊性能都特別強,且有不同厚度和不同型號的板可供選擇。第二,隔熱性能極佳,這種聚合物線膨脹系數很低,熱阻特別高,所以其具有穩(wěn)定和持久的保溫性能。第三,質量輕,XPS板具有蜂窩狀結構,因此密度低,質量很輕,可以根據需要裁剪,運輸方便,安裝也很容易。第四,耐久性能好,經實踐證明,這種材料在使用中,不會產生對人體有害的物質,不會發(fā)生老化現象,不會發(fā)生霉變,更不會分解,并且具有很強的憎水性能,不會出現受潮現象。第五,XPS板綠色環(huán)保,在使用中經檢測沒有有毒有害物質散發(fā),也不會產生工業(yè)污染,屬于綠樹環(huán)保型的建筑材料?；谝陨蟽?yōu)點,XPS板是市面上建筑保溫隔熱材料的極佳選擇。

3.4 智能溫控變色及送風運行原理

PC采光板可以制成中空狀態(tài),并在中間貼一層智能納米凝膠膜,這樣采光板就變成了一款智能溫控調光PC隔板,而且無需消耗能量就可以自行調節(jié)顏色,其外觀和玻璃一樣。當環(huán)境溫度升高并超過設定溫度時,智能溫控采光板由透明狀逐漸霧化,從室外看就像有一層霧,溫度越高霧化就越明顯,正好阻擋了紫外線和紅外線,起到降低室內溫度的作用。當環(huán)境溫度降低到設定溫度時,采光板又恢復成原來的透明狀,這種溫控變色裝置無需手動操作,不用電,也不需要消耗其他能量,由溫度控制,真正做到了人性化和綠色智能。

對于室內溫度的控制是根據空氣對流原理,熱空氣向上流動,涼空氣向下流動,所以溫控開關設置在房間層高的中間偏下部位,用來感知溫度。當室內溫度低于十八攝氏度時,溫控開關向光伏制熱制冷裝置發(fā)出信號,讓其為室內提供熱量,當室內溫度高于二十五攝氏度時,溫控開關向光伏制熱制冷裝置發(fā)出信號,為室內提供冷氣。光伏制冷制熱裝置主要由太陽能提供電量,當太陽光充足時,光伏機將多余的電量儲存起來,供夜晚使用,同時陽光不足時,也可以使用。太陽能光伏制熱制冷裝置可以根據室內設定的舒適溫度,接受溫控開關的發(fā)出的指令自行開關為室內輸送新鮮的冷風或者熱風,利用的是綠色清潔的太陽能,無需人工操作,也做到了環(huán)保智能化。

3.5 太陽能變色墻運作機理

通過對變色裝置,采光隔板,擠塑聚苯乙烯泡沫板及智能溫控變色及送風運行原理的研究發(fā)現,太陽能變色墻可以實現夏季降溫和低溫季節(jié)采暖的功能,并且高度智能化、人性化,屬于綠色環(huán)保節(jié)能建筑構件?？紤]到東莞地區(qū)會出現夏季極端高溫和冬季極端低溫,特配備太陽能制熱制冷設備,應對極端氣候的出現,創(chuàng)造最佳的舒適智能人居環(huán)境。

人體舒適溫度區(qū)是18攝氏度至25攝氏度,使用者可以在溫控開關上選擇設定自己感覺舒適的具體溫度。太陽能變色墻的運作機理是當室外溫度較高,超過變色墻設定溫度時,采光板會霧化變成深色阻擋紫外線和紅外線,如果這樣室內溫度還是高于二十五攝氏度,溫控開關向光伏制熱制冷機發(fā)出指令開啟冷氣,室內溫度降至十八至二十五度之間時,溫控開關發(fā)出指令停止供應冷氣。當室外溫度較低時,低于變色墻設定溫度時,采光板保持原來的無色透明狀態(tài),吸收太陽能為室內提供熱量,如果這樣室內溫度還是低于18攝氏度,溫控開關向光伏制熱制冷機發(fā)出指令開啟暖氣,室內溫度升至十八至二十五度之間時,溫控開關發(fā)出指令停止供應暖氣。

4 結束語

被動式環(huán)境調控技術隨著社會可持續(xù)發(fā)展的需要而發(fā)展,并將持續(xù)成為綠色環(huán)保建筑節(jié)能技術的熱門問題。智能被動式外墻環(huán)境調控技術的核心要素就是以盡可能少的能量消耗作為目標,構建具有良好隔熱保溫以及自動調節(jié)室內舒適度的外維護結構,為了應對極端氣候,同時配備智能環(huán)保的太陽能制熱制冷送風系統(tǒng)。我國幅員遼闊,不同地區(qū)氣候特點相差較大,所以,應該結合地域氣候特征進行被動式環(huán)境調控技術的研究。

東莞地區(qū)夏季較長,而且炎熱潮濕,冬季會出現較低溫度。住宅建筑采用被動式太陽能變色墻調節(jié)室內溫度,當溫度過高時,溫度感應裝置會讓變色墻顏色變深,阻擋紫外線和紅外線,減少墻體對熱輻射的吸收,同時室內溫度高于設定溫度時自動打開光伏制熱制冷設備,該設備可以吸收太陽能,在需要的時候將其轉化成熱氣或冷氣送入室內,增加室內人體的舒適度。當溫度較低時,采光板呈現原來的透明狀,利用太陽能為室內升溫,必要時可以啟用光伏制熱制冷設備升溫。在進行環(huán)境調控技術設計時,盡可能采用被動式的節(jié)能技術,整合理念,從整個建筑內環(huán)境進行全面考慮和設計。

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