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

太阳能的集热器的最佳结合形式。4）全年利用率高，可以实现冬季的供暖与新风预热、夏季的隔热间接制冷和过度季节的热能供给与热损失的回收。5）设备可拓展范围广，成本低。6）节能环保，其应用可以有效节能，并减少温室气体和酸雨气体的排放。

3.2 应用前景

太阳墙技术很好的符合了我国太阳能建筑发展战略，作为被动式太阳能系统，太阳墙有着独特的性质，加上PV系统后很大地增加了系统的整体性能；太阳墙作为建筑外墙的覆层有效地增加了建筑围护结构的热阻，在倡导最佳使用室外新风的理念下，该系统可以利用热压进行强化自然通风；太阳墙可以给建筑的外墙带来新的技术和理念，不再局限在传统的石材上面；低成本高效率的太阳墙很适合在中国这个对建筑初投资要求较高的国家使用；由于全国的气候、资源、对热风热水的需求不同，太阳墙系统的多适应性就更加适合为不同的地区量身使用[5]。

4 结论

多孔板太阳墙系统以其结构简单、成本低、效率高的特点完全符合我国太阳能建筑的发展战略，所以做好太阳墙技术的消化、吸收和发展工作可以提高建筑的节能效果。因此，研究和推广太阳墙技术将是节能环保的一项重要事业。

5 参考文献：

[1] 王长贵、郑瑞澄主编，《新能源在建筑中的应用》，北京：中国电力出版社，

2003.7

[2] Gunnewuek L H．Ｅffect of wind on flow distributing in unglazed transpired-plate

collectors．Solar Energy．2002．72(4):317-325

[3] 宋德萱编著，《节能建筑设计与技术》，上海：同济大学出版社，2003.7

[4] 王崇杰，何文晶，薛一冰．欧美建筑设计中太阳墙的应用[N]．建筑学报，

2004-06-20

[5] 袁莹、胡林，《太阳能技术在建筑中的应用》，《世界建筑》，2000-04