农宅南向复合节能太阳能墙体工程实测与节能分析

2018-12-17赵金秀王明辉马友方杨亚鑫岳丽芳

唐山学院学报 2018年6期

赵金秀，王明辉，马友方，杨亚鑫，岳丽芳

(唐山学院土木工程系，河北唐山 063000)

0 引言

据专业人士预测，到2050年，我国建筑能耗占全社会总能耗的比例将达到30%以上[1]。未来民用建筑能耗的巨大需求将会对中国的能源供应、资源环境形成巨大压力[2]。尤其是农村住宅建筑，其墙体围护结构的保温隔热性能较差，导致建筑能耗更高。因此，降低建筑能耗，改善围护结构热工特性，充分利用可再生能源，已成为建筑设计人员关注的焦点[3]。太阳能是一种取之不尽、用之不竭、洁净安全的可再生资源，被认为是21世纪化石能源的最佳替代者之一[4]。太阳能的利用已成为世界各国关注的焦点，如美国的“百万屋顶计划”、德国的“千顶计划”、日本的“朝日七年计划”等，都与太阳能的利用有关[5]。如果能够利用太阳能并结合建筑围护结构设置，不仅可以提高建筑围护结构的保温隔热效果，同时还可以为建筑供暖空调提供全部或部分能量，这将是一个非常理想的建筑节能设计方案。我们项目组结合建筑结构设计了一种农宅南向复合节能太阳能墙体结构。

1 农宅南向复合节能太阳能墙体结构

1.1 墙体结构的组成

农宅南向复合节能太阳能墙体结构由砖混结构层和节能复合层组成，厚度400 mm，从里到外分别为：砖混结构层，厚度255 mm(包括内抹灰15 mm，砖混结构240 mm)；节能复合层，厚度145 mm(包括保温层35 mm，空气层100 mm，钢化玻璃10 mm，涂层和遮阳幕)。墙体结构组成如图1所示。其中保温层为EPS保温板。采用EPS板给外墙保温，节能效果良好，同时透气性和隔声效果也很好，并且易于进行表面打磨，既环保又可再循环利用[6]，施工工艺简单，质量可靠，适合作为建筑墙体保温材料推广使用[7]。选择中国科学院兰州化学物理研究所制备的尖晶石型颜料太阳能选择性吸热涂料作为涂层，该涂层具有较高的太阳能吸收率(约0.95左右)和较低的发射率(约0.10左右)。遮阳幕是一种户外遮阳百叶窗，其叶片采用特殊AlMg3合金并结合防腐蚀的釉面烤漆工艺生产，可以任意角度调节光线，也可以完全收起。这种户外遮阳幕可以有效降低建筑围护结构对太阳能的吸收，大大减少夏季空调冷负荷。

图1 墙体结构的组成

1.2 墙体工作原理

农宅南向复合节能太阳能墙体结构冬天工作原理如图2所示。将外墙的遮阳幕收起，关闭外墙的上下两个风口，同时打开内墙的两个风口，充足的阳光照射墙体，加热外墙，使其温度升高，当空气层中的气体温度上升后，从上风口B进入室内，与冷空气形成对流，使室内温度上升，热空气进入房间放出热量被冷却后继续从下风口A进入墙体，形成一个室内与墙体之间的热循环过程，从而达到给室内供暖的目的。

图2 太阳能墙体冬季工作原理

农宅南向复合节能太阳能墙体结构夏天工作原理如图3所示。将外墙的遮阳幕放下，减少大部分太阳辐射，但外墙的温度依然会上升。关闭内墙的A，B风口，同时打开外墙的C，D风口，室外的空气从C风口进入空气层，被墙体加热，气流上升，从D风口流出室外，在室外与墙体之间形成不断的循环流动气流，带走外墙的热量，减少向室内传热。

图3 太阳能墙体夏季工作原理

1.3 墙体的施工和保温隔热性能

复合节能太阳能墙体结构在农宅建筑传统墙体施工工序的基础上，在南向墙体增加外保温层，然后采用安装玻璃幕墙的方法将钢化玻璃固定在外墙保温层外侧，中间留有规定厚度的空气层，最后进行钢化玻璃的太阳能吸热涂层的喷涂。通过上述工艺可以看出，该复合节能墙体结构相比带有幕墙结构的传统墙体只多了吸热涂层喷涂工序，费用增加100～150元/m2。该墙体与传统墙体的隔热保温性能的比较，见表1。

表1 农宅南向复合节能墙体结构与传统墙体的隔热保温性能比较

从表1中数据可以看出，新墙体是传统墙体热阻的2.7倍，可见隔热保温性能明显提高。

2 农宅南向复合节能太阳能墙体结构工程实测

2.1 实测墙体工程概况

农宅南向复合节能太阳能墙体结构被应用于唐山市丰南区某蔬菜大棚旁边的一间休息房，此房坐北朝南，采光好，前后无遮挡。房子的东、西、南、北四面墙体均为240 mm厚砖墙，外覆盖35 mm厚EPS保温板，南侧墙体在此基础上增加100 mm空气层，然后安装10 mm厚钢化玻璃，玻璃外表面喷涂太阳能吸热涂层。房内配有电采暖器辅助供暖。

2.2 实测墙体所用仪器

对房子实测过程中用到的仪器主要包括热电偶、数据采集器、电量计量仪表等，详见表2。

表2 复合节能太阳能墙体结构工程测试仪器

2.3 墙体测点布置

为了比较加设复合节能太阳能墙体结构的休息房(称试验房)和未使用复合节能太阳能墙体结构的休息房(称对比房)的室内温度情况和节能效果，分别在试验房和对比房进行温度测点布置，利用热电偶进行测温，通过数据采集器与计算机连接，连续记录和读取数据。试验房与对比房室内温度测点布置如图4所示，温度数据采集原理见图5。

图4 试验房与对比房室内温度测点布置

图5 温度数据采集原理图

2.4 测试过程及数据分析

测试时间为2016年12月，冬季工况，测试天数为15 d，其中晴天10 d，阴天5 d。测试时间段为8：00-18：00，数据的采集以30 min为间隔，通过测量室内测点的温度，求平均值以代表室内平均温度。选取晴天1 d和阴天1 d的数据，对室外温度、空气层内温度和室内平均温度进行比较，绘制成图，见图6，图7。

图6 晴天试验房室外温度、空气层内温度和室内平均温度

图7 阴天试验房室外温度、空气层内温度和室内平均温度

通过温度图线发现，冬季室外温度较低时，只要天气晴朗，有阳光，南向复合节能太阳能墙体就会充分吸收太阳能，使室内温度升高。可以看出，早晨在未吸收太阳能之前，室内与空气层温度一致，温度略高于室外气温，随着太阳辐射的不断加强，室外气温渐渐上升，空气层不断吸收太阳辐射能，并转为热能加热空气，通过热对流作用，加速升高室内温度；中午太阳辐射最强的时候，空气层温度达到最高，相应的室温也达到最高点25 ℃；到了下午14：00以后，太阳辐射逐渐减弱时，空气层吸热能力开始下降，但由于房屋围护结构的绝热保温效果，围护结构热损失小，所以在室外气温达到2.8 ℃时室温仍能维持在16 ℃以上。

在阴天的时候，太阳辐射弱，太阳能墙体的吸热能力不强，上午受室外温度影响，房间温度和空气间层温度基本持平；当下午室外温度下降后，空气层温度随之下降，但由于房屋保温结构的作用，在室内气温波动较小时，能维持在10 ℃以上。

图8，图9分别是晴天和阴天情况下试验房平均温度和对比房平均温度的比较图。

图8 晴天试验房与对比房室内平均温度比较

图9 阴天试验房与对比房室内平均温度比较

从图中可以看出，同样的太阳辐射照度下，试验房在8：00-18：00这段时间内，房间的温度要比对比房的温度高。晴天时，试验房温度最高值比对比房高出6.8 ℃，白天平均温度约20.1 ℃，对比房平均温度为15.2 ℃；阴天时，试验房温度最高值比对比房高出2.8 ℃，白天平均温度约11.8 ℃，对比房平均温度为10.2 ℃。可见，加设南向复合节能太阳能墙体晴天和阴天时使房间的平均温度分别提高了32.2%和15.7%。

2.5 节能分析

北方冬季白天有太阳辐射时，加设复合节能太阳能墙体的房间可以不启动采暖设施，在8：00-18：00的时间段室内可以达到舒适温度16 ℃。通过DEST软件模拟房间全天负荷可以得到休息房全天采暖总能耗为4 169.75 W，不启动采暖设施的时段采暖负荷为1 452.6 W，由此得出加设南向复合节能太阳能墙体的休息房晴天全天节省采暖能耗约34.8%。

冬季白天为阴天时，房间不能满足供暖温度要求，需要启动采暖设备，但房间温度比没有太阳能墙体时要高，所需采暖负荷比普通墙体约能减少50%，通过DEST软件模拟房间全天负荷可以得到休息房全天采暖总能耗为4 486.5 W，太阳能墙体节约采暖负荷约为804 W，可以得出加设复合节能太阳能墙体的休息房阴天全天节省采暖能耗约17.9%。