新能源及可再生能源在建筑中的应用

太阳墙系统及其应用

冯淑娟

哈尔滨工业大学

摘要：介绍了太阳能领域里的一项节能环保技术太阳墙，并对其系统、特点及应用作了阐述。

关键词：太阳墙；建筑节能；应用

The System of Solar Wall and its Application

Shujuan Feng

Harbin Institute of Technology

Abstract：This article introduces a technology of solar wall in the aspects of the system structure，advantages and detailed application．It is used for energy saving and environmental protection．

Key words：Solar wall ；Building energy ；Application

0 引言

人类的生存和发展都离不开能源。随着社会的发展与进步，能耗大幅上升，全球环境污染日益严重。近20年来，人们逐渐认识到可持续发展的重要性，新能源和可再生能源的开发和应用也成了当前节能的重点。其中具有清洁、丰富、廉价、可再生等独特性质的太阳能的应用是一个重要的方面。太阳墙则是太阳能节能的一个重要应用，可以高效供暖、有效通风降温，对降低建筑能耗起到了重要的作用，同时很好的解决了太阳能建筑设计一体化的问题，实现了技术与艺术的有机结合[1]。太阳能墙技术在国外已经有了长期的应用，技术比较成熟，加强其在国内的推广应用对建筑节能具有重要的意义。

1 太阳墙系统

1.1 太阳墙的定义

美国国家能源部可再生能源实验室对太阳能墙是这样定义的：这是一种深色的带孔的金属薄板，以它为材料工程的墙体吸收太阳辐射，在建筑通风风机的抽吸作用下加热进入自身的小孔的外界新鲜空气。

1.2工作原理

太阳墙系统原则上属于被动式太阳能采暖系统，由集热和气流输送两部分系统组成，如图1-1[2]。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般在200mm 左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气。

图1-1

冬季，白天室外空气通过小孔进入空腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射热，受热压作用上升，进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间。板材底部不密封，保持了太阳墙内腔的干燥，同时起到排水作用。夜晚，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量，又补充了热量，使墙体起到了热交换器的作用，回收了过去不可避免的热损失。

夏季，风扇停止运转，室外热空气可从太阳墙板底部及孔洞进入，从上部和周围的孔洞流出，热量不会进入室内，因此不需特别设置排气装置，同时其通风可以降低外墙的温度，改善室内热环境。其工作原理如图1-2[2]。

图1-2

1.3 材料、构造和设计

太阳墙的主要材料是一种褶皱（波形）的多空的1～2mm厚的镀锌钢薄板或铝制薄板，外侧涂层具有强烈吸收太阳热、阻挡紫外线的良好功能，一般是黑色或深棕色，为了建筑美观或色彩协调，其他颜色也可以使用，主要的集热板用深色，装饰遮板或顶部的饰带用补充色。为空气流动及加热需要，板材上打有孔洞，孔洞的大小、间距和数量应根据建筑物的使用功能与特点、所在地区纬度、太阳能资源、辐射热量进行计算和试验确定，能平衡通过孔洞流入的空气量和被送入距离最近的风扇的空气量，以保证气流持续稳定均匀，以及空气通过孔洞获得最多的热量。不希望有空气渗透的地方，例如接近顶部处，可使用无孔的同种板材及密封条。板材由钢框架支撑，用自攻螺栓固定在建筑外墙上。

应根据建筑设计要求来确定所需的新风量，尽量使新风全部经过太阳墙板；如果不确定新风量的大小，则按最大尺寸设计南向可利用墙面及墙窗比例，达到预热空气的良好效果。一般情况下，每平方米的太阳墙空气流量可达到 22～44m3/h。风扇的个数需要根据建筑面积计算决定。风扇由建筑内供电系统或屋面安装的太阳能光电板提供电能，根据气温，智能或人工控制运转。屋面的通风管道要做好保温和防水[4]。

1.4 性能

经加拿大和美国相关部门跟踪测试，太阳墙的运行效率在75%以上。晴天的时候太阳墙可以获得60%～75%的可用太阳能。依据不同的流量，空气温升为16～40℃。除了吸收太阳直接辐射外，它还吸收漫射辐射。漫射辐射包括晴天时部分辐射和阴天的全部辐射，占全年到达地球表面的太阳能辐射量的25%。因此即使

在夜间也可以工作。

2 太阳墙的特点

太阳墙使用多孔波形金属板集热，与风机结合，与用传统的被动式玻璃集热的作法相比，有自己独到的优势和特点。

2.1 热效率高

一般认为，风会带走金属太阳墙板吸收的大部分热量。为了检验这种不同于用玻璃作集热构件的作法，研究者们使用风洞、红外线自动温度记录仪、计算机模拟以及实际安装做试验，结果表明，大部分热量被金属集热板表面吸收，只有很薄的一层热空气被风带走。实际上，风可以把空气推向集热板，有利于增加热量。

2.2良好的新风系统

目前对于很多密闭良好的建筑来说，冬季获取新风和保持室内适宜温度很难兼得。而太阳墙可以把预热的新鲜空气通过通风系统送入室内，合理通风与采暖有机结合，通风换气不受外界环境影响，气流宜人，有效提高了室内空气质量，保持室内环境舒适，有利于使用者身体健康。太阳墙系统与通风系统结合，不但可以通过风机和气阀控制新风流量、流速及温度，还可以利用管道把加热的空气输送到任何位置的房间。如此一来，不仅南向房间能利用太阳能采暖，北向房间同样能享受到太阳的温暖，更好的满足了建筑取暖的需要，这是太阳墙系统的独到之处。

2.3 经济效益好

该系统使用金属薄板集热，与建筑外墙合二为一，造价低。另外还能减少建筑运行费用、降低对环境的污染，最快可在两三年内收回初投资，经济效益很好。

3 太阳墙的应用

3.1 应用优势

太阳墙应用广泛，具体有以下应用优势：1）应用建筑类型多样。2）技术较为成熟简单，在欧美已应用了近15年，有很多成功的案例。3）与建筑结合巧妙，既可以完成利用太阳能的任务又可以直接充当建筑围护结构。是将建筑本身作为