装配式建筑中太阳墙复合墙板的设计及热性能模拟研究

郭清华，夏斐（通讯作者），刘晶/GUO Qinghua, XIA Fei (Corresponding Author), LIU Jing

1 引言

近年来，装配式建筑得到了广泛的关注与推广，装配式建筑中的外挂墙板，因其施工快捷、少污染、节约施工人力、降低施工成本等优点也越来越多地得到运用。无论钢结构建筑还是钢筋混凝土框架结构，对外墙板的研究与制造越来越细致。目前，外挂墙板的材料主要是加气混凝土类板墙、夹纤维类水泥砂浆水泥板，石膏类板材以及其他复合夹心板材，经计算与测试，其保温、隔音、防水等性能能够满足建筑专业设计的要求。对于装配式建筑中外挂墙板的节能研究，巨斌研究的装配式外墙板是两页预制钢筋混凝土墙板中间加保温层的做法，模拟出保温层的厚度对外墙保温的影响，得出当地最经济合理的保温层的材料和厚度[1]，孙源泽、蒋勤俭等研究了装配式钢结构住宅中采用轻质外墙板的优点和技术[2]，袁军对装配式框架结构中的外挂加气混凝土墙板的结构设计和计算均作了较详细的介绍[3]。日本的装配式住宅中的外墙板通常采用蒸压加气混凝土，分户墙有时也采用在轻钢龙骨两面贴附防火石膏板的做法[4]。目前，对装配式建筑中外挂墙板的节能研究已较为充分。

另一方面，太阳能与建筑一体化设计成为建筑领域的一个新趋势。早期的蓄热墙是集热器与建筑一体化的典型形式，主要用于冬季为建筑供热；与被动式太阳能利用相比，太阳墙是一种以空气为介质的渗透型的太阳能加热系统，由加拿大CONSERVAL公司与美国能源部共同研发的太阳能采暖通风技术，属于主动式太阳能集热系统[5]。

对于太阳墙的研究和应用，国外的研究和应用较多，国内较少。对于这类墙板的研究，国外学者从最初的太阳能板的孔间距、大小、形状、板的厚度、吸热性，到板的色彩、放置方式等都做了试验。如库彻尔（C. F. Kutscher）实验了孔间距、孔径和孔的排列方式的影响[6]。范德克（G. W. E. Van Decker）研究得出太阳墙板的效率与流经孔洞的空气速度成反比、与板厚成正比的结论[7]。克鲁托鲁（C. V. Croitoru）研究出墙板孔内的空气流动的路线越复杂，墙板的传热速度越快，孔洞结构如叶片状时热效率比传统的圆孔提高约40%[8]。国外学者也在不断地研究其构造做法，使太阳墙的节能效果不断增强，如把太阳墙做成模块化的太阳能管系统，集热效率提高约80%；在太阳墙板外附加部分光电板的做法，应用测试冬季晴天可使空气温度提升约20℃，产生的电力效果也很好[9]。国内对于太阳墙的应用和研究，始于2004年在山东建筑大学学生公寓[10]；在北京奥运村的运动员公寓中也有应用，测出冬季白天室内空气温升达16℃；秦昆、许道金等对太阳墙的经济性能通过模拟和实物测试两种途径进行了比较，两种结果近乎相同[11]，在一些建筑中的应用效果较好。

通过对国内应用太阳墙建筑的调研，发现一些应用中节能效果与预期的理论计算存在差异。其中一个比较重要的原因是裸露在外的太阳墙板热量散失严重；另外，太阳墙如何与装配式建筑中的外挂轻质保温墙板结合设计，进行模块化的生产和应用，也是备受关注的问题。下文将针对这两个问题进行研究。研究所针对的新型墙板以两种保温材料的墙板为基础，即加气混凝土板和聚苯板，与改造后的太阳墙板一体化设计，形成新型的复合墙板。该复合墙板的研究重点是对太阳墙的优化改进设计以及与轻质保温墙板的一体化设计；难点问题是新型外墙板的刚度，特别是作为结构层的加气混凝土层的强度和刚度，其厚度在满足当地最冷月最低温度的最小热阻要求的条件下，如何提高加气混凝土的强度及板材的刚度，使之达到墙板的安装使用要求是其中的重中之重。

2 新型太阳墙复合外挂墙板的设计及应用

2.1 太阳墙集热板的改进

太阳墙采暖系统由集热系统和气流输送系统两部分组成。太阳能加热板由2mm～3mm厚的铝板制成，表面覆盖热转化率达80%的涂层。墙板上有许多直径为1cm的孔。由风扇将热空气输送到指定的房间。太阳墙系统的启动和关闭操作由安装在室内的温度控制器控制，当室内空气温度达到设定温度时，风扇自动关闭[12]。

为了有效提高太阳能墙板的利用率，在普通的太阳墙板的基础上对其结构形式进行了改进（图1）。将太阳墙板的构造分为两部分：下面1/3部分裸露在外，上部2/3部分稍微向外倾斜，外面用玻璃封住，其构造层次由外向内是：3mm厚的玻璃板；太阳墙集热板；60mm厚热空气输送管道；30mm厚的聚苯板保温层；100mm厚的加气混凝土板。每一块太阳墙单元由两部分组成：下部高度0.5m左右裸露在外，上部1m高的部分被玻璃封住。室外冷空气经下部的太阳墙加热，进入上部的空腔进行二次加热，同时上部分的太阳墙板也一样吸收太阳辐射热。在多层或高层建筑中，可将上面的单元以此向上组合。每个单元块由管道将热空气送到建筑物的顶部与上面的单元合并，顶部水平风管将各个竖管中的热空气集中收集，再由风机送入各个房间，太阳墙出风口设置在屋顶部位。冬季，新鲜的热风由风机直接送入室内；夏季，将热风送入屋顶水箱内的盘管中，与水箱内的水进行充分的热交换。

实验地点选在青岛市。为保证冬季围护结构内表面不低于室内的露点温度，建筑外墙需满足青岛本地的最小热阻R0.min。在此，忽略太阳墙部分的热阻，仅计算复合保温墙板的最小热阻R0.min。计算公式[13]是：

式中 R0.min——围护结构最小传热阻（m2·K/W）；ti——冬季室内计算温度（℃），一般建筑取18℃；高级居住建筑，医疗、托幼建筑等取20℃； te——围护结构冬季室外计算温度（℃）；n——温差修正系数，应按民用建筑热工设计规范中表4.1.1，n=1；Ri——围护结构内表面换热阻（m2·K/W）；[Δt]——室内空气与围护结构内表面之间的允许温差（℃）。

依据民用建筑热工设计规范（GB50176-93），该轻质复合墙体最小热阻附加值取40%。青岛冬季最冷室外计算温度-11℃，室内温度18℃，n=1，[Δt]=6℃，则

该轻质复合墙体最小热阻附加值取40%，则最小热阻是0.532×1.4=0.745m2·K/W。

计算该墙体的热阻，验证是否符合本地最小热阻所需要的热阻。

总热阻：R0=Re+R1+R2+Ri。各层材料热阻按R=d/λ计算，d为各层材料的厚度，λ为对应材料的热阻。由民用建筑热工设计规范（GB50176-93），查得：聚苯板导热系数0.042W/m·K，加气混凝土0.19W/m·K。墙体总热阻R0=0.04+0.03/0.042+0.1/0.19+0.11=1.39m·K/W，大于最小修正热阻0.745m·K/W，符合要求。另外，在其墙板外侧又附加了60mm厚的空气管道、太阳墙板、玻璃，其实际热阻比计算结果还要大许多。

2.2 复合墙板在装配式建筑中的应用

在装配式建筑中应用这种复合墙板，在中低层建筑中，将墙板与结构柱和结构梁连接，可以在建筑南立面中单独应用，也可以与其他类型的窗子相连接应用；在高层建筑，这种新设计的复合墙板可以和玻璃幕墙结合应用。将新型墙体做成单元式模块，其大小和形状依据计算所需提供的供热面积和立面的造型需要确定。如图2所示，假设的部分建筑外墙南立面，该建筑立面示意图中包含了复合墙板与其他外墙材料及门窗构件的组合应用，立面中采用该墙板，结合整体的立面设计调整墙板的大小。复合墙板的安装方式采用构件安装法。

复合墙板与其他墙板的连接做法，如图2中的大样①。利用连接角码将铝合金横梁与铝合金立柱连接，再将复合墙板与横梁用自攻螺钉或螺栓连接，同时复合墙板最顶端内预埋铁件与横梁焊接，接缝处采用结构密封胶密封，外侧采用耐候密封胶后衬泡沫棒的做法。在楼板的外侧，楼层交界处，用岩棉阻火材料进行隔断，其外墙面部分可以采用金属板、大理石板等进行外立面装修，与整体墙面外装修的材料、质感、色彩效果相协调。

与玻璃幕墙的连接见图3中的大样②图，采用连接角码、连接立柱和横梁，再将复合墙板利用自攻螺钉连接在横梁上。接缝处采用结构密封胶、外侧采用耐候密封胶内衬衬泡沫棒的做法。与窗子的连接也是如此，如图3中的大样图③。

另外，对于新型复合墙板的难点问题，即材料的强度和墙板的刚度，有待实验探究。如在加气混凝土层中加入韧度较强的竹子或其他植物纤维，因这些植物的传热系数一般低于加气混凝土材料，增加后整体墙板的保温性能将会提高，也会使加气混凝土层的强度增加；再者，也可以改变加气混凝土层的断面形状，如将矩形板材断面改变为密肋断面，以增加板材的刚度，断面的大小将根据板材的需要确定；另外，改变加气混凝土材料的配比，通过对材料的性能模拟，选择合适的配合比来提高其强度。同时对新型复合墙板的层间变形能力、气密性、水密性、抗风压性进行现场试验。

3 新型太阳墙板的热性能模拟分析

未改造前的每平方米太阳墙板在冬季日照正常情况下可向建筑物内提供新鲜的热空气40m3/h,单位面积太阳墙板通过的空气量是30～50 m3/h。以青岛地区为例：每平方米的太阳板在冬季日照正常情况下每天可向室内提供17.6MJ热量，如100m2的办公楼需要5m2左右的太阳墙提供室内的热空气[14]。为了验证新型太阳墙的热性能，本实验设定1.5m×3m的新型太阳墙为90m2的办公楼提供热空气。实验中需要的青岛地区的冬季晴天、冬季多云天及夏季晴天的太阳辐照量是历经半年多的时间实测得到的，室外温度由中国气象局提供（表1-3）。

1 改进的新型太阳墙大样（绘制：郭清华）

本实验采用FLUENT软件模拟该新型太阳墙的热性能。模拟步骤如下：建模—打开能量方程—设置边界条件—求解设置—得出结果。对冬季晴天、冬季多云天、夏季晴天均采用该步骤模拟。模拟中设置的边界条件：送风量为50m3/h计算进口风速；集热板按太阳辐射转化率为0.8计算。最后得出模拟结果：太阳墙出风口的空气温度（图4、5）。

3.1 各种参数对新型太阳墙板的影响

参数条件对集热墙板有一定的影响，比如集热板的孔径、孔距、孔内的空气流速、室外的太阳辐射强度、室内外温差等。王崇杰、管振忠等模拟了这种太阳墙与墙板单位面积通过的送风量、太阳辐照量的关系，太阳墙出风口的温度随送风量的增大而减小，特别在40m3/h～90m3/h时下降最大，出风口的温度随着太阳辐射量的增大而增大[15]。依据后面改造前和改造后的比较效果，在此选择有差异的孔径、孔距等因素对新型太阳墙板进行了模拟。

3 复合墙板连接节点图（2.3绘制：夏斐）1-铝合金立柱（竖向龙骨）9-钢化中空玻璃2-铝合金横梁（横向龙骨）10-耐候密封胶后衬泡沫棒3-自攻螺钉111-耐候密封胶4-自攻螺钉212-夹心岩棉板（或贴面大理石板或铝合金）5-连接角码13-窗框6-结构密封胶14-窗扇7-双面贴15-岩棉防火阻隔材料8-自攻螺钉3

两个模拟中采用的相同的参数是：室外温度t0=5Co，太阳辐射强度I=650W/m2，送风量取50m3/h。保持孔距L=25mm不变，改变孔径的大小进行模拟，结果如图6：出风口的平均温差变化不大，当孔径D=2.5mm时，温度平均升高20.8Co;孔径增大到6.5mm时，温度平均升高20Co。同样，保持孔径D=25mm不变，模拟孔距的变化对温升的影响，结果见图7：当孔距L=20mm时，出风口的平均温升是20.4Co，当孔距增大到50mm时，出风口的平均温升是19.5Co。由图6、图7可以看出，保持孔隙率不变，墙板上孔径和孔距越小，其效果较好。改造后的新型太阳墙板，被封闭的部分其辐射热能会增加，穿过密而小的流动换热也加强。

3.2 冬季和夏季太阳墙板的热性能模拟

在冬季晴天、冬季多云天和夏季晴天的多次模拟中，设置相同的参数：孔的大小设定为20mm×5mm、孔距50mm、板厚2mm、设定单位面积太阳墙送风量为50m3/h、上部外罩的玻璃板对太阳辐射量的反射率按15%计算、太阳辐射转化率为80%。

3.2.1 新型太阳墙冬季晴天的热性能模拟及改造前后的对比分析

太阳辐射量和即时的室外温度是2020年1月青岛地区一个晴天得到的。多次模拟的数据见表1：冬季晴天白天能将室外温度平均提高21.2℃，在太阳辐射的高峰期，从12:00到13:00，室外温度7℃，太阳墙能将室外空气的温度提高约27℃，出风口的最高温度为34℃。上午9:00室外温度是4℃，出口温度可达到26℃。16:00后随着太阳辐射量的减少，送风温度下降较快，但也能使室外温度提升12℃，16:00出风口温度下降至21℃。

在表1的最后一栏就是实测的山建大绿色学生公寓的太阳墙出风口的空气温度。与改造前全部暴露在外的太阳墙相比，新型太阳墙的出风口的温度平均升高大约4.5℃。未改造前，在绿色学生公寓的应用中实测出的数据，2005年1月经过30天的逐时检测，日出前夜间太阳墙内空气温度比室外环境高6℃左右。在11:00至15:00的太阳辐射高峰期，太阳墙可使室外气温升高约15℃～30℃[16]。公寓中采用的太阳墙的参数是：孔的大小是5mm×1mm，孔距上下20mm、左右13mm、20mm间隔布置（平均孔距L=18mm），板厚2mm，送风量为40m3/h，集热墙板的太阳辐射转化率为80%。模拟中选择的青岛2020年1月内某天的室外温度、太阳辐照量与公寓所在地济南冬季1月某一天很接近，太阳墙板的厚度一样，转化率一样，但绿色学生公寓中采用的孔径、孔距和送风量都比本实验模拟中采用的数据小。本模拟中采用的参数与学生公寓中不同的是：孔的大小是20mm×5mmm、孔距L=50mm、送风量为50m3/h。从上面对孔径和孔距的模拟中和王崇杰[15]等对送风量的模拟结果中可以看到，如果在本次模拟中也采用相同的孔径、孔距、送风量，模拟出的出风口的空气温度将会比现在的参数条件下模拟的还要高，改造效果更明显。

3.2.2 新型太阳墙冬季多云天的热性能模拟

2020年1月的一个全云天，模拟结果见表2：工作时间段（9:00-17:00），新型太阳墙能将室外空气温度平均提高20.3℃；在13:00太阳辐射高峰时，能使室外气温升提升24℃，室外温度4℃，最高出风口的温度可达31℃；在9:00室外温度1℃时出风口的温度可达22℃。16:00以后气温下降较快，16:00时室外温度3℃，出风口温度下降到13℃，温升10℃。可见，改进后的太阳墙多云天的效果也很明显。

3.2.3 新型太阳墙夏季晴天的热性能模拟及热量转化计算

2019年的7月的一个晴天，各数据和模拟的结果见表3：新型太阳墙能使室外空气的温度平均提高32.6℃，14:00时，太阳墙出风口的温度最高至67.5℃。为防止被加热的空气进入室内，热空气由管道引入屋顶水箱中的盘管内，与水进行充分的热交换[17]。

在本实验中，空气与水交换的热量取表3中的夏季晴天9个小时太阳辐射量的平均值777W/m2，太阳墙的吸热能力为80%，即热量Q=777W/m2×4.5m2×3600×9h/1000×80%=90629kJ；假设水箱中的水的质量m取500L，水的比热容c=4.2kJ/（kg·℃），忽略太阳墙热量的损失，则依据传热计算公式得出：Δt=Q/cm=90629÷4.2÷500=43.2℃[18]。可 见，面 积4.5m2的太阳墙产生的热空气能使500升的水升温43.2℃。

4 新型复合墙板与国内外的对比

4 模拟中新型太阳墙的模型

5 能量、湍流模型

6 太阳墙出风口的平均温升随孔径的变化

7 出风口的温升随孔距的变化（4-7绘制：郭清华）

表1 冬季晴天测出和模拟出的数据

表2 冬季全云天测出和模拟出的数据

表3 夏季晴天测出和模拟出的数据

表4 几种节能复合墙板及改造的太阳墙节能效果比较

目前国内外对于装配式外墙板的研究及做法主要集中在节能保温的复合墙板方面。如黄婷等的研究，得出结论是比原来的墙板保温、隔音、抗风沙效果良好[19]；陈兵研究的两层结构层中间夹心保温层的复合墙板的做法，其强度和保温性均达到要求[20]。这些对于外挂墙板的节能研究是在墙体的构造和材料上开展，与太阳能的应用没有关系。对于太阳墙的研究，如董建锴等的研究是将玻璃罩住的吸热板设计成一个模块挂在建筑南外墙上，贾斌广[22]也对太阳墙自身的构造进行了改造[21]；王臣臣研究了百叶型的集热墙[23]，他们的研究结果见表4。Yong-Hwan Kim等研究了在太阳墙外面附加光电板的做法，研究结果太阳能热电联产面板上的PV温度降低了9℃，电子输出提高了2W（约3W）[24]。

但是，目前国内外的应用一般是将太阳墙板通过二次设计与安装附加在建筑外墙上或屋顶上。无论是研究外挂墙体的保温还是太阳墙板的改进，往往是独立进行，没有进行墙板保温和太阳能利用同时进行的研究。将太阳能墙板应用于装配式建筑中，与外挂墙板一体化设计，成为外墙模块进行设计与研究，目前没有查到相关的研究和做法资料。在推行装配式建筑的进程中，能够将太阳能的应用与外挂轻质墙板进行一体化设计，设计成集热保温为一体的复合墙板，也是一个比较好的做法。

5 结语

在装配式建筑中采用该太阳墙复合墙，设计成单元模块，安装方便，缩短了工期，节约了能源，冬季为室内提供绿色健康的新鲜热空气；夏季太阳墙产生的热空气加热水箱中的水，为室内提供淋浴之用，同时成为外墙的遮阳装置。

该复合墙体质量轻，采用加气混凝土和聚苯板两种复合保温材料，满足青岛最冷地区最冷时的最小热阻要求，并与改进的太阳墙板一体化设计。该墙板可以当做钢结构、钢筋混凝土框架结构、木结构等的外挂墙板。

改进后的太阳墙板，在办公楼的工作时间期间，冬季晴天能将室外温度平均升高21.2℃，与未改造前相比温度平均提高4.5℃；冬季多云天也可以提升室外温度20.3℃；夏季晴天能将室外温度提升32.6℃，4.5m2的墙板产生的热空气能将500L的水升温43.2℃，同时夏季成为遮阳设施，与普通的房间比温度将会降低。

下一步将通过实物制作进行实验，测试复合墙板的热性能及复合墙板的层间变形能力、气密性、水密性、抗风压性能等，根据测试结果进行优化改进，使其尽快应用到装配式建筑的实践之中。□