趙金秀，王明輝，馬友方，楊亞鑫，岳麗芳

(唐山學(xué)院 土木工程系，河北 唐山 063000)

0 引言

據(jù)專業(yè)人士預(yù)測(cè)，到2050年，我國(guó)建筑能耗占全社會(huì)總能耗的比例將達(dá)到30%以上[1]。未來(lái)民用建筑能耗的巨大需求將會(huì)對(duì)中國(guó)的能源供應(yīng)、資源環(huán)境形成巨大壓力[2]。尤其是農(nóng)村住宅建筑，其墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能較差，導(dǎo)致建筑能耗更高。因此，降低建筑能耗，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性，充分利用可再生能源，已成為建筑設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭、潔凈安全的可再生資源，被認(rèn)為是21世紀(jì)化石能源的最佳替代者之一[4]。太陽(yáng)能的利用已成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，如美國(guó)的“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”、德國(guó)的“千頂計(jì)劃”、日本的“朝日七年計(jì)劃”等，都與太陽(yáng)能的利用有關(guān)[5]。如果能夠利用太陽(yáng)能并結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置，不僅可以提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱效果，同時(shí)還可以為建筑供暖空調(diào)提供全部或部分能量，這將是一個(gè)非常理想的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案。我們項(xiàng)目組結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)。

1 農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)

1.1 墻體結(jié)構(gòu)的組成

農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)由磚混結(jié)構(gòu)層和節(jié)能復(fù)合層組成，厚度400 mm，從里到外分別為：磚混結(jié)構(gòu)層，厚度255 mm(包括內(nèi)抹灰15 mm，磚混結(jié)構(gòu)240 mm)；節(jié)能復(fù)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(yáng)幕)。墻體結(jié)構(gòu)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(jié)能效果良好，同時(shí)透氣性和隔聲效果也很好，并且易于進(jìn)行表面打磨，既環(huán)保又可再循環(huán)利用[6]，施工工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠，適合作為建筑墻體保溫材料推廣使用[7]。選擇中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所制備的尖晶石型顏料太陽(yáng)能選擇性吸熱涂料作為涂層，該涂層具有較高的太陽(yáng)能吸收率(約0.95左右)和較低的發(fā)射率(約0.10左右)。遮陽(yáng)幕是一種戶外遮陽(yáng)百葉窗，其葉片采用特殊AlMg3合金并結(jié)合防腐蝕的釉面烤漆工藝生產(chǎn)，可以任意角度調(diào)節(jié)光線，也可以完全收起。這種戶外遮陽(yáng)幕可以有效降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能的吸收，大大減少夏季空調(diào)冷負(fù)荷。

圖1 墻體結(jié)構(gòu)的組成

1.2 墻體工作原理

農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)冬天工作原理如圖2所示。將外墻的遮陽(yáng)幕收起，關(guān)閉外墻的上下兩個(gè)風(fēng)口，同時(shí)打開(kāi)內(nèi)墻的兩個(gè)風(fēng)口，充足的陽(yáng)光照射墻體，加熱外墻，使其溫度升高，當(dāng)空氣層中的氣體溫度上升后，從上風(fēng)口B進(jìn)入室內(nèi)，與冷空氣形成對(duì)流，使室內(nèi)溫度上升，熱空氣進(jìn)入房間放出熱量被冷卻后繼續(xù)從下風(fēng)口A進(jìn)入墻體，形成一個(gè)室內(nèi)與墻體之間的熱循環(huán)過(guò)程，從而達(dá)到給室內(nèi)供暖的目的。

圖2 太陽(yáng)能墻體冬季工作原理

農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)夏天工作原理如圖3所示。將外墻的遮陽(yáng)幕放下，減少大部分太陽(yáng)輻射，但外墻的溫度依然會(huì)上升。關(guān)閉內(nèi)墻的A，B風(fēng)口，同時(shí)打開(kāi)外墻的C，D風(fēng)口，室外的空氣從C風(fēng)口進(jìn)入空氣層，被墻體加熱，氣流上升，從D風(fēng)口流出室外，在室外與墻體之間形成不斷的循環(huán)流動(dòng)氣流，帶走外墻的熱量，減少向室內(nèi)傳熱。

圖3 太陽(yáng)能墻體夏季工作原理

1.3 墻體的施工和保溫隔熱性能

復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)在農(nóng)宅建筑傳統(tǒng)墻體施工工序的基礎(chǔ)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(cè)，中間留有規(guī)定厚度的空氣層，最后進(jìn)行鋼化玻璃的太陽(yáng)能吸熱涂層的噴涂。通過(guò)上述工藝可以看出，該復(fù)合節(jié)能墻體結(jié)構(gòu)相比帶有幕墻結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)墻體只多了吸熱涂層噴涂工序，費(fèi)用增加100～150元/m2。該墻體與傳統(tǒng)墻體的隔熱保溫性能的比較，見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能墻體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)墻體的隔熱保溫性能比較

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，新墻體是傳統(tǒng)墻體熱阻的2.7倍，可見(jiàn)隔熱保溫性能明顯提高。

2 農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)工程實(shí)測(cè)

2.1 實(shí)測(cè)墻體工程概況

農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于唐山市豐南區(qū)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(wú)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(cè)墻體在此基礎(chǔ)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(yáng)能吸熱涂層。房?jī)?nèi)配有電采暖器輔助供暖。

2.2 實(shí)測(cè)墻體所用儀器

對(duì)房子實(shí)測(cè)過(guò)程中用到的儀器主要包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集器、電量計(jì)量?jī)x表等，詳見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)工程測(cè)試儀器

2.3 墻體測(cè)點(diǎn)布置

為了比較加設(shè)復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)的休息房(稱試驗(yàn)房)和未使用復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)的休息房(稱對(duì)比房)的室內(nèi)溫度情況和節(jié)能效果，分別在試驗(yàn)房和對(duì)比房進(jìn)行溫度測(cè)點(diǎn)布置，利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，連續(xù)記錄和讀取數(shù)據(jù)。試驗(yàn)房與對(duì)比房室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，溫度數(shù)據(jù)采集原理見(jiàn)圖5。

圖4 試驗(yàn)房與對(duì)比房室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集原理圖

2.4 測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

測(cè)試時(shí)間為2016年12月，冬季工況，測(cè)試天數(shù)為15 d，其中晴天10 d，陰天5 d。測(cè)試時(shí)間段為8：00-18：00，數(shù)據(jù)的采集以30 min為間隔，通過(guò)測(cè)量室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度，求平均值以代表室內(nèi)平均溫度。選取晴天1 d和陰天1 d的數(shù)據(jù)，對(duì)室外溫度、空氣層內(nèi)溫度和室內(nèi)平均溫度進(jìn)行比較，繪制成圖，見(jiàn)圖6，圖7。

圖6 晴天試驗(yàn)房室外溫度、空氣層內(nèi)溫度和室內(nèi)平均溫度

圖7 陰天試驗(yàn)房室外溫度、空氣層內(nèi)溫度和室內(nèi)平均溫度

通過(guò)溫度圖線發(fā)現(xiàn)，冬季室外溫度較低時(shí)，只要天氣晴朗，有陽(yáng)光，南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體就會(huì)充分吸收太陽(yáng)能，使室內(nèi)溫度升高?？梢钥闯觯绯吭谖次仗?yáng)能之前，室內(nèi)與空氣層溫度一致，溫度略高于室外氣溫，隨著太陽(yáng)輻射的不斷加強(qiáng)，室外氣溫漸漸上升，空氣層不斷吸收太陽(yáng)輻射能，并轉(zhuǎn)為熱能加熱空氣，通過(guò)熱對(duì)流作用，加速升高室內(nèi)溫度；中午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)候，空氣層溫度達(dá)到最高，相應(yīng)的室溫也達(dá)到最高點(diǎn)25 ℃；到了下午14：00以后，太陽(yáng)輻射逐漸減弱時(shí)，空氣層吸熱能力開(kāi)始下降，但由于房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱保溫效果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失小，所以在室外氣溫達(dá)到2.8 ℃時(shí)室溫仍能維持在16 ℃以上。

在陰天的時(shí)候，太陽(yáng)輻射弱，太陽(yáng)能墻體的吸熱能力不強(qiáng)，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(dāng)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(jié)構(gòu)的作用，在室內(nèi)氣溫波動(dòng)較小時(shí)，能維持在10 ℃以上。

圖8，圖9分別是晴天和陰天情況下試驗(yàn)房平均溫度和對(duì)比房平均溫度的比較圖。

圖8 晴天試驗(yàn)房與對(duì)比房室內(nèi)平均溫度比較

圖9 陰天試驗(yàn)房與對(duì)比房室內(nèi)平均溫度比較

從圖中可以看出，同樣的太陽(yáng)輻射照度下，試驗(yàn)房在8：00-18：00這段時(shí)間內(nèi)，房間的溫度要比對(duì)比房的溫度高。晴天時(shí)，試驗(yàn)房溫度最高值比對(duì)比房高出6.8 ℃，白天平均溫度約20.1 ℃，對(duì)比房平均溫度為15.2 ℃；陰天時(shí)，試驗(yàn)房溫度最高值比對(duì)比房高出2.8 ℃，白天平均溫度約11.8 ℃，對(duì)比房平均溫度為10.2 ℃。可見(jiàn)，加設(shè)南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體晴天和陰天時(shí)使房間的平均溫度分別提高了32.2%和15.7%。

2.5 節(jié)能分析

北方冬季白天有太陽(yáng)輻射時(shí)，加設(shè)復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體的房間可以不啟動(dòng)采暖設(shè)施，在8：00-18：00的時(shí)間段室內(nèi)可以達(dá)到舒適溫度16 ℃。通過(guò)DEST軟件模擬房間全天負(fù)荷可以得到休息房全天采暖總能耗為4 169.75 W，不啟動(dòng)采暖設(shè)施的時(shí)段采暖負(fù)荷為1 452.6 W，由此得出加設(shè)南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體的休息房晴天全天節(jié)省采暖能耗約34.8%。

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

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蔬菜大棚旁的休息房加設(shè)復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體和對(duì)比房進(jìn)行工程實(shí)測(cè)和節(jié)能分析，得到以下結(jié)論：農(nóng)宅南向復(fù)合節(jié)能太陽(yáng)能墻體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)墻體相比，施工工藝增加工作量較少，增加費(fèi)用較低，但墻體熱阻是傳統(tǒng)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(nèi)溫度更舒適。

在綠色低碳節(jié)能環(huán)保理念下，相信隨著研究的不斷深入，太陽(yáng)能這種綠色、可再生的能源在建筑中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。