浅析特朗勃墙体系统的工作原理、优点及研究现状

王鹤霏

（北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144）

0 引言

被动式太阳能建筑就是通过建筑设计，使建筑在冬季充分利用太阳辐射热取暖，尽量减少通过围护结构及通风渗透而造成热损失；夏季尽量减少因太阳辐射及室内人员设备散热造成的热量，以不使用机械设备为前提，完全依靠加强建筑物的遮挡功能，通过建筑上的方法，达到室内环境舒适的目的的环保型建筑。被动式太阳能建筑利用外部能源太阳能实现自我调节，能充分利用太阳能热源，满足建筑“冬暖夏凉”的要求。

特朗勃墙是集热-蓄热墙式被动式太阳能建筑的典型构件，起初由法国奥德曼太阳能研究所所长Trombe与Jacques Michel提出并进行试验，并逐渐运用于被动式太阳能建筑中。特朗勃墙主要利用阳光照射到外面有玻璃罩的深色蓄热墙体上，加热透明盖板和厚墙外表面之间的夹层空气，通过热压作用使空气流入室内向室内供热，同时墙体本身直接通过热传导向室内放热并储存部分能量，夜间墙体储存的能量释放到室内。本文在分析特朗勃墙体系统工作原理和优点的基础上，综述特朗勃墙体系统研究现状，并指明发展方向。

1 特朗勃墙体系统的应用背景

在现代社会中，日益严重的能源危机与环境问题敦促社会加大对可再生能源的研究与利用。太阳能作为新能源中常见的可再生能源，具有无污染、低能耗并且低成本的特点。而被动式太阳能建筑设计的核心，是在综合考虑气候特征、建筑材料、太阳能热辐射、人体的热舒适度等不同因素后，通过合理布置建筑朝向、建筑形体以及空间结构，运用合适的建筑材料，达到节能减排的目的。

被动式太阳能建筑常用的系统包括：储热墙系统、特朗勃墙体系统、水墙系统、半直接得热系统、间接得热系统、典型的被动式太阳能系统、热虹吸系统、芭拉-康斯坦丁尼系统、虹吸式石床系统、地板下石床系统[1]。而在所有的被动式太阳能建筑系统中，特朗勃墙体系统是基于储热墙系统的升级，其适用范围较储热墙系统更广，除寒冷地区以及严寒地区外，同样适用于夏热冬冷地区，具有广阔的应用范围。

2 特朗勃墙体系统的工作原理

从构造上看，特朗勃墙是一堵具有很大热辐射与玻璃材质的朝南向的深色墙体。其承重墙体可以采用砖、石材、钢筋混凝土等材料。特朗勃墙的工作原理是通过太阳能的热辐射加热墙体，加热墙通过辐射热与对流热的交换来加热室内空气，而其中的热量交换通过墙壁顶部与底部的两个通风口的空气循环来得以实现。

但其工作原理根据冬夏季节以及昼夜的不同不尽相同。夏季白天时玻璃与绝热层间的空气由于受到太阳辐射上升从顶部通风口流出，冷空气通过底部通风口流入保持空气流动；待到夜间上下两处通风口保持开启，将绝热层打开使其向室外辐射散热，同时保持室内外冷热空气的交换。冬季时，由于墙体与玻璃间的温室效应，其中空气被加热，通过两个通风口向室内对流供暖。夜间墙体两处通风口被关闭，通过墙体向室内加热的空气与室内气流对流向室内供暖。特朗勃墙体系统的工作原理如图1所示。

图1 特朗勃墙体系统的工作原理示意图

3 特朗勃墙体系统的优点

根据突尼斯的一项研究表明，墙能够显著影响居住者的热舒适性。特朗勃墙不仅在与特朗勃墙相连的空间内提供热舒适性，还为相邻空间提供热舒适性。除此之外，根据Sergei等[3]的研究表明，在寒冷的气候条件下，特朗勃墙可作为建筑供暖的额外热源。因此，在像哈尔滨这样的气候条件下，在供暖季节最冷的月份，特朗勃墙最高将能源成本降低至30%。此外，在供暖季节其余时间，能源消耗的减少可以达到50%。除去降低能源成本外，在Saadatian等[3]的研究中表明，特朗勃墙体每年可减少约33 吨的二氧化碳排放量，并且在Jaber 等人的研究中发现，使用特朗勃墙体系统可以节省37%的总成本。

由此可知，特朗勃墙体系统具有以下的优点：（1）特朗勃墙体可以提高建筑空间的热舒适度；（2）特朗勃墙可以大幅度的减少能源消耗的成本；（3）特朗勃墙体可以节约部分总成本。因此，特朗勃墙体系统，在未来被动式太阳能建筑的发展中具有较好的前景。

4 特朗勃墙体系统研究现状

4.1 特朗勃墙体的模拟研究

黑赏罡等[4]通过实验模拟法，利用计算流体动力学以石河子地区带有特朗勃墙体的实验房为原型建立物理实验模型，对特朗勃墙体尺寸参数的影响进行分析。通过建立的物理实验模型，设置DO辐射换热边界、物理性质等参数，对实验模型进行不同尺寸下的模拟实验分析。通过提高进出口直径的增加提高空气夹层的流量，从而提高换热效果。实验结果表明：严寒地区改善被动式太阳能房的关键为局部热不舒适，应通过提高窗户以及玻璃罩的气密性，增加室内的热流循环来达到温度分布相对均匀；由于墙体蓄热传热有延迟现象，故在西北严寒地区应在太阳升起或落下后2h左右开启或关闭通风口；尺寸为2.8m×3m的特朗勃墙体，通风口的最佳直径尺寸为0.18m，空气间层的最佳厚度为0.16～0.18m。

此外，黑赏罡等[5]从理论计算、运行性能、CDF模拟、评估指标等四方面开展研究，总结出特朗勃墙体的运行要素：材料、墙体尺寸参数、气候特征，并总结了CDF模拟研究中边界条件设定的注意事项。

4.2 特朗勃墙体结构的研究

Ahmed等[6]介绍了在伊拉克天气条件下，有直流风机和无直流风机的PV-Trombe 墙（PV-TW）系统性能的理论和实验研究，基于能量平衡建立了理论模型，并建立了系统性能分析的实验装置。研究结果表明：直流风机的存在显著提高了被测PV-TW 系统的室内温度；PV-TW系统的电气性能有所改善，其电气效率高达12%。因此，直流风扇的存在能够提高室内舒适度，并冷却光伏电池。

Lin等[7]提出了一种将光伏（PV）板安装在Trombe墙（TW）系统通道中间的新系统，称为光伏集成特朗勃墙（PVMTW）。该系统可以实现发电、空间供暖和保温等多种功能。研究者在合肥地区采暖季利用PVMTW系统的温度场搭建了实验台，通过建立PVMTW系统的数学模型进行验证。利用经验证的模型，对PVMTW系统的热性能进行了研究，并与经典的特朗勃墙（TW）进行了比较。实验结果表明：在白天，PVMTW系统的平均热效率比传统TW系统高65.2%；就室内空气温度和墙壁上的内表面温度而言，PVMTW系统的室内热舒适性几乎与经典TW系统相同；两个房间的平均电效率和平均总效率分别达到0.120和0.585。

4.3 特朗勃墙体的应用研究

刘义等[8]通过建立分隔型和连通型两种特朗勃墙体模型，对其竖直空气夹层传热、水平空气夹层传热、房间空气传热等进行数值模拟分析。其中，分隔型特朗勃墙式空腔建筑中的空气平均温度比连通型高1.3℃。因此，在冬季分隔型特朗勃墙式空腔传热效果更好。连通型特朗勃墙式空腔呈现两个反方向流动区域，而分隔型特朗勃墙式空腔各层气流分布较为均匀。因此，水平空气夹层中热空气对上层房间的加热作用具有较强的一致性。在刘义等的研究中发现：特朗伯墙式空腔建筑体系，通过特朗勃墙体与空气实现热交换向上层房间进行供热；在对特朗勃墙体的数学模型的研究中发现空气夹层内的热空气分布情况对室内温度的分布有重要影响；在模拟的两种特朗勃墙体空腔中分隔型特朗勃墙体空腔效果更好，具有更好的适应性。

王天鹏等[9]利用CFD模块对大空间附加阳光间与小空腔空气间层进行对比分析，并根据相关计算其冬时令的太阳能采暖的供热量。研究结果表明：附加阳光间的特朗勃墙的对流供热性能更好，其通风口速度较之前提高12%，中心点温度提高约1℃；并且根据通风口直径大小与顶部通风口布置位置的不同，对流供热量可提高30%～40%左右。

王天鹏等[10]通过对兰州地区某中学实验楼的特朗勃墙体进行调研与评价分析，发现通过瓦楞镀锌铁皮将空气间层分为50mm与100mm内外两个，其效率相较于无铁皮特朗勃墙体综合热工与节能功效均大幅度提高。

Ma等[11]通过对某办公楼的特朗勃墙体进行研究，利用THRB for HAM对办公楼的墙体热潜力进行了估算，除此之外对打开和关闭风扇效果下复合的特朗勃墙体进行研究，发现风扇打开的情况下可将特朗勃墙体的能源成本降低3.7%。

Sergei等对特朗勃墙体进行分类，并对其缺点、问题、可能改进方向等问题进行评估，最终对恶劣气候条件下特朗勃墙体的结构进行研究，发现：在极端恶劣的条件下复合的特朗勃墙体、改良的特朗勃墙体更加适用；在极端恶劣的气候情况下，特朗勃墙体的玻璃应采用双层玻璃；极端恶劣的气候情况下，通过增加自动改变室内和空气间层温度的风扇可以在白天利用墙体蓄热，在夜间通过对流控制室内采暖；在极端恶劣的条件下特朗勃墙体最大能将能源成本降低到30%，其余月份能源消耗可减少50%。

5 结束语

在对被动式太阳能建筑特朗勃墙体系统的研究中发现，使用特朗勃墙体系统可以节省37%的总成本，并且能大幅度减少能源消耗。由此可知，特朗勃墙体系统在被动式太阳能建筑中具有较好的发展前景。但是，现阶段国内外对于特朗勃墙体系统的研究多集中于数值模拟以及对热性能、结构的研究。在今后的研究中，可对特朗勃墙体系统的美观性，以及墙体与玻璃颜色对特朗勃墙体性能的影响等方面的研究。