王鶴霏

（北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144）

0 引言

被動式太陽能建筑就是通過建筑設(shè)計，使建筑在冬季充分利用太陽輻射熱取暖，盡量減少通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)及通風(fēng)滲透而造成熱損失；夏季盡量減少因太陽輻射及室內(nèi)人員設(shè)備散熱造成的熱量，以不使用機械設(shè)備為前提，完全依靠加強建筑物的遮擋功能，通過建筑上的方法，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境舒適的目的的環(huán)保型建筑。被動式太陽能建筑利用外部能源太陽能實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，能充分利用太陽能熱源，滿足建筑“冬暖夏涼”的要求。

特朗勃墻是集熱-蓄熱墻式被動式太陽能建筑的典型構(gòu)件，起初由法國奧德曼太陽能研究所所長Trombe與Jacques Michel提出并進(jìn)行試驗，并逐漸運用于被動式太陽能建筑中。特朗勃墻主要利用陽光照射到外面有玻璃罩的深色蓄熱墻體上，加熱透明蓋板和厚墻外表面之間的夾層空氣，通過熱壓作用使空氣流入室內(nèi)向室內(nèi)供熱，同時墻體本身直接通過熱傳導(dǎo)向室內(nèi)放熱并儲存部分能量，夜間墻體儲存的能量釋放到室內(nèi)。本文在分析特朗勃墻體系統(tǒng)工作原理和優(yōu)點的基礎(chǔ)上，綜述特朗勃墻體系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并指明發(fā)展方向。

1 特朗勃墻體系統(tǒng)的應(yīng)用背景

在現(xiàn)代社會中，日益嚴(yán)重的能源危機與環(huán)境問題敦促社會加大對可再生能源的研究與利用。太陽能作為新能源中常見的可再生能源，具有無污染、低能耗并且低成本的特點。而被動式太陽能建筑設(shè)計的核心，是在綜合考慮氣候特征、建筑材料、太陽能熱輻射、人體的熱舒適度等不同因素后，通過合理布置建筑朝向、建筑形體以及空間結(jié)構(gòu)，運用合適的建筑材料，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

被動式太陽能建筑常用的系統(tǒng)包括：儲熱墻系統(tǒng)、特朗勃墻體系統(tǒng)、水墻系統(tǒng)、半直接得熱系統(tǒng)、間接得熱系統(tǒng)、典型的被動式太陽能系統(tǒng)、熱虹吸系統(tǒng)、芭拉-康斯坦丁尼系統(tǒng)、虹吸式石床系統(tǒng)、地板下石床系統(tǒng)[1]。而在所有的被動式太陽能建筑系統(tǒng)中，特朗勃墻體系統(tǒng)是基于儲熱墻系統(tǒng)的升級，其適用范圍較儲熱墻系統(tǒng)更廣，除寒冷地區(qū)以及嚴(yán)寒地區(qū)外，同樣適用于夏熱冬冷地區(qū)，具有廣闊的應(yīng)用范圍。

2 特朗勃墻體系統(tǒng)的工作原理

從構(gòu)造上看，特朗勃墻是一堵具有很大熱輻射與玻璃材質(zhì)的朝南向的深色墻體。其承重墻體可以采用磚、石材、鋼筋混凝土等材料。特朗勃墻的工作原理是通過太陽能的熱輻射加熱墻體，加熱墻通過輻射熱與對流熱的交換來加熱室內(nèi)空氣，而其中的熱量交換通過墻壁頂部與底部的兩個通風(fēng)口的空氣循環(huán)來得以實現(xiàn)。

但其工作原理根據(jù)冬夏季節(jié)以及晝夜的不同不盡相同。夏季白天時玻璃與絕熱層間的空氣由于受到太陽輻射上升從頂部通風(fēng)口流出，冷空氣通過底部通風(fēng)口流入保持空氣流動；待到夜間上下兩處通風(fēng)口保持開啟，將絕熱層打開使其向室外輻射散熱，同時保持室內(nèi)外冷熱空氣的交換。冬季時，由于墻體與玻璃間的溫室效應(yīng)，其中空氣被加熱，通過兩個通風(fēng)口向室內(nèi)對流供暖。夜間墻體兩處通風(fēng)口被關(guān)閉，通過墻體向室內(nèi)加熱的空氣與室內(nèi)氣流對流向室內(nèi)供暖。特朗勃墻體系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 特朗勃墻體系統(tǒng)的工作原理示意圖

3 特朗勃墻體系統(tǒng)的優(yōu)點

根據(jù)突尼斯的一項研究表明，墻能夠顯著影響居住者的熱舒適性。特朗勃墻不僅在與特朗勃墻相連的空間內(nèi)提供熱舒適性，還為相鄰空間提供熱舒適性。除此之外，根據(jù)Sergei等[3]的研究表明，在寒冷的氣候條件下，特朗勃墻可作為建筑供暖的額外熱源。因此，在像哈爾濱這樣的氣候條件下，在供暖季節(jié)最冷的月份，特朗勃墻最高將能源成本降低至30%。此外，在供暖季節(jié)其余時間，能源消耗的減少可以達(dá)到50%。除去降低能源成本外，在Saadatian等[3]的研究中表明，特朗勃墻體每年可減少約33 噸的二氧化碳排放量，并且在Jaber 等人的研究中發(fā)現(xiàn)，使用特朗勃墻體系統(tǒng)可以節(jié)省37%的總成本。

由此可知，特朗勃墻體系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點：（1）特朗勃墻體可以提高建筑空間的熱舒適度；（2）特朗勃墻可以大幅度的減少能源消耗的成本；（3）特朗勃墻體可以節(jié)約部分總成本。因此，特朗勃墻體系統(tǒng)，在未來被動式太陽能建筑的發(fā)展中具有較好的前景。

4 特朗勃墻體系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

4.1 特朗勃墻體的模擬研究

黑賞罡等[4]通過實驗?zāi)M法，利用計算流體動力學(xué)以石河子地區(qū)帶有特朗勃墻體的實驗房為原型建立物理實驗?zāi)Ｐ停瑢μ乩什獕w尺寸參數(shù)的影響進(jìn)行分析。通過建立的物理實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)置DO輻射換熱邊界、物理性質(zhì)等參數(shù)，對實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行不同尺寸下的模擬實驗分析。通過提高進(jìn)出口直徑的增加提高空氣夾層的流量，從而提高換熱效果。實驗結(jié)果表明：嚴(yán)寒地區(qū)改善被動式太陽能房的關(guān)鍵為局部熱不舒適，應(yīng)通過提高窗戶以及玻璃罩的氣密性，增加室內(nèi)的熱流循環(huán)來達(dá)到溫度分布相對均勻；由于墻體蓄熱傳熱有延遲現(xiàn)象，故在西北嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)在太陽升起或落下后2h左右開啟或關(guān)閉通風(fēng)口；尺寸為2.8m×3m的特朗勃墻體，通風(fēng)口的最佳直徑尺寸為0.18m，空氣間層的最佳厚度為0.16～0.18m。

此外，黑賞罡等[5]從理論計算、運行性能、CDF模擬、評估指標(biāo)等四方面開展研究，總結(jié)出特朗勃墻體的運行要素：材料、墻體尺寸參數(shù)、氣候特征，并總結(jié)了CDF模擬研究中邊界條件設(shè)定的注意事項。

4.2 特朗勃墻體結(jié)構(gòu)的研究

Ahmed等[6]介紹了在伊拉克天氣條件下，有直流風(fēng)機和無直流風(fēng)機的PV-Trombe 墻（PV-TW）系統(tǒng)性能的理論和實驗研究，基于能量平衡建立了理論模型，并建立了系統(tǒng)性能分析的實驗裝置。研究結(jié)果表明：直流風(fēng)機的存在顯著提高了被測PV-TW 系統(tǒng)的室內(nèi)溫度；PV-TW系統(tǒng)的電氣性能有所改善，其電氣效率高達(dá)12%。因此，直流風(fēng)扇的存在能夠提高室內(nèi)舒適度，并冷卻光伏電池。

Lin等[7]提出了一種將光伏（PV）板安裝在Trombe墻（TW）系統(tǒng)通道中間的新系統(tǒng)，稱為光伏集成特朗勃墻（PVMTW）。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)電、空間供暖和保溫等多種功能。研究者在合肥地區(qū)采暖季利用PVMTW系統(tǒng)的溫度場搭建了實驗臺，通過建立PVMTW系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證。利用經(jīng)驗證的模型，對PVMTW系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了研究，并與經(jīng)典的特朗勃墻（TW）進(jìn)行了比較。實驗結(jié)果表明：在白天，PVMTW系統(tǒng)的平均熱效率比傳統(tǒng)TW系統(tǒng)高65.2%；就室內(nèi)空氣溫度和墻壁上的內(nèi)表面溫度而言，PVMTW系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性幾乎與經(jīng)典TW系統(tǒng)相同；兩個房間的平均電效率和平均總效率分別達(dá)到0.120和0.585。

4.3 特朗勃墻體的應(yīng)用研究

劉義等[8]通過建立分隔型和連通型兩種特朗勃墻體模型，對其豎直空氣夾層傳熱、水平空氣夾層傳熱、房間空氣傳熱等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。其中，分隔型特朗勃墻式空腔建筑中的空氣平均溫度比連通型高1.3℃。因此，在冬季分隔型特朗勃墻式空腔傳熱效果更好。連通型特朗勃墻式空腔呈現(xiàn)兩個反方向流動區(qū)域，而分隔型特朗勃墻式空腔各層氣流分布較為均勻。因此，水平空氣夾層中熱空氣對上層房間的加熱作用具有較強的一致性。在劉義等的研究中發(fā)現(xiàn)：特朗伯墻式空腔建筑體系，通過特朗勃墻體與空氣實現(xiàn)熱交換向上層房間進(jìn)行供熱；在對特朗勃墻體的數(shù)學(xué)模型的研究中發(fā)現(xiàn)空氣夾層內(nèi)的熱空氣分布情況對室內(nèi)溫度的分布有重要影響；在模擬的兩種特朗勃墻體空腔中分隔型特朗勃墻體空腔效果更好，具有更好的適應(yīng)性。

王天鵬等[9]利用CFD模塊對大空間附加陽光間與小空腔空氣間層進(jìn)行對比分析，并根據(jù)相關(guān)計算其冬時令的太陽能采暖的供熱量。研究結(jié)果表明：附加陽光間的特朗勃墻的對流供熱性能更好，其通風(fēng)口速度較之前提高12%，中心點溫度提高約1℃；并且根據(jù)通風(fēng)口直徑大小與頂部通風(fēng)口布置位置的不同，對流供熱量可提高30%～40%左右。

王天鵬等[10]通過對蘭州地區(qū)某中學(xué)實驗樓的特朗勃墻體進(jìn)行調(diào)研與評價分析，發(fā)現(xiàn)通過瓦楞鍍鋅鐵皮將空氣間層分為50mm與100mm內(nèi)外兩個，其效率相較于無鐵皮特朗勃墻體綜合熱工與節(jié)能功效均大幅度提高。

Ma等[11]通過對某辦公樓的特朗勃墻體進(jìn)行研究，利用THRB for HAM對辦公樓的墻體熱潛力進(jìn)行了估算，除此之外對打開和關(guān)閉風(fēng)扇效果下復(fù)合的特朗勃墻體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇打開的情況下可將特朗勃墻體的能源成本降低3.7%。

Sergei等對特朗勃墻體進(jìn)行分類，并對其缺點、問題、可能改進(jìn)方向等問題進(jìn)行評估，最終對惡劣氣候條件下特朗勃墻體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：在極端惡劣的條件下復(fù)合的特朗勃墻體、改良的特朗勃墻體更加適用；在極端惡劣的氣候情況下，特朗勃墻體的玻璃應(yīng)采用雙層玻璃；極端惡劣的氣候情況下，通過增加自動改變室內(nèi)和空氣間層溫度的風(fēng)扇可以在白天利用墻體蓄熱，在夜間通過對流控制室內(nèi)采暖；在極端惡劣的條件下特朗勃墻體最大能將能源成本降低到30%，其余月份能源消耗可減少50%。

5 結(jié)束語

在對被動式太陽能建筑特朗勃墻體系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，使用特朗勃墻體系統(tǒng)可以節(jié)省37%的總成本，并且能大幅度減少能源消耗。由此可知，特朗勃墻體系統(tǒng)在被動式太陽能建筑中具有較好的發(fā)展前景。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)外對于特朗勃墻體系統(tǒng)的研究多集中于數(shù)值模擬以及對熱性能、結(jié)構(gòu)的研究。在今后的研究中，可對特朗勃墻體系統(tǒng)的美觀性，以及墻體與玻璃顏色對特朗勃墻體性能的影響等方面的研究。