关于温控通风双层太阳能墙系统对建筑热环境及能耗影响的研究

《Journal of Building Engineering》：Study on the Impact of Temperature-controlled Ventilated Double-air-layer Solar Wall System on Building Thermal Environment and Energy Consumption

　　

万子伟|于梦辉|王金轩|张新怡|马青松|高伟军|魏新东

iSMART，青岛理工大学，中国青岛266033

摘要

在碳达峰和碳中和目标的推动下，建筑领域需要通过创新技术和设计方法来实现功能整合和提升能源效率。由太阳能驱动的多功能复合建筑立面系统是实现建筑节能的重要途径。然而，目前这类系统面临许多瓶颈问题，如监管机制不明确、功能单一以及单位面积太阳能利用率低等。本研究提出了一种温控通风双层太阳能墙（TCVDA-SW）系统，该系统具有夏季除湿和制冷以及冬季集热的功能。通过实验和仿真方法研究了该系统对建筑热环境调节和能耗特性的影响。实验结果表明，与传统建筑相比，采用该系统的建筑在夏季室内温度可降低2.9°C，冬季可升高3°C。仿真结果显示，该系统具有显著的节能效果，夏季节能率为21.46%，冬季为25.79%。本研究有望丰富太阳能墙设计的理论体系，同时为建筑节能设计提供理论、数据和技术支持，具有重要的科学研究和工程应用价值。

引言

建筑行业在全球能源消耗和碳排放中占据重要地位。其能源消耗分为两部分：建设和运营。2022年，中国建筑运营的能源消耗约为11.2亿吨标准煤，占全国总能源消耗的21%[1]；建筑运营阶段的碳排放占其整个生命周期的70%[2]。建筑运营的能源消耗主要用于供暖、通风和空调系统，这些系统用于调节温度和湿度，确保室内环境质量。在能源短缺的背景下，如何满足室内热舒适性的要求已成为建筑可持续发展领域的核心挑战之一[3]。不可再生能源的相对较低的热利用率（仅为70%）以及严重的环境危害进一步加剧了这一问题[4]。未来，建筑行业的重点应放在充分利用可再生能源和减少化石能源的使用上，以实现低能耗和低碳目标。

作为一种可再生能源，太阳能相比传统能源具有显著优势，如减少二氧化碳排放和增强能源独立性，有利于实现可持续发展[5]。太阳辐射数据是关键的气候指标之一。将太阳能利用融入建筑设计是节能建筑设计的核心要素。主动式太阳能策略对室内环境有良好的控制效果，但其设备要求和资本成本相对较高[6]。被动式太阳能策略可通过建筑设计在冬季吸收更多热量、夏季减少热量，从而降低供暖、制冷和照明的负荷[7]，这对改善室内热环境和减少建筑能耗具有重要意义。研究表明，被动式太阳能技术可将年度供暖负荷降低25%[8]。此外，它在建筑的全生命周期成本方面更具可行性。Roach等人证明，其成本远低于主动式太阳能设计，并且能有效降低能耗和提高热舒适性[9]。

建筑围护结构对建筑性能有显著影响，其能源需求占比超过50%[10][11]。随着对节能和热舒适性要求的提高，建筑围护结构的设计变得十分紧迫。室内湿度也会显著影响热舒适性，适宜的相对湿度为40%-60%[12]。当湿度升高时，热感觉会加剧，舒适度会下降；当湿度与温度同时升高时，影响更为明显[13][14]。建筑围护材料的隔热和吸湿性能对建筑的热湿平衡有重要影响[15][16]。建筑中采用的被动式设计策略，如结合太阳能热收集技术和多孔吸湿材料，可以实现温度和湿度的协调调节，降低供暖和制冷的峰值能耗[17]。

太阳能墙是将太阳能热收集技术应用于建筑围护结构的典型形式[18]。其特点包括结构简单、无需维护且适合模块化施工，因此在现代建筑中得到广泛应用[19]。研究表明，太阳能墙可将建筑的全生命周期成本降低2.4%，每年减少约445公斤二氧化碳排放[20]。19世纪末，Edward Morse首次提出在建筑工程中利用太阳能[21]。20世纪60年代，Trombe和Michel发明了Trombe墙，这是一种太阳能墙的形式，由玻璃、空气层和储热墙组成[22]。Trombe墙利用温室效应在冬季提升室内热舒适性，引发了人们对被动式太阳能系统的兴趣。表1总结了近年来一些学者在太阳能墙系统方面的研究成果。

传统太阳能墙存在夜间热量损失严重[38]、美观性不足[39]以及夏季热量积聚过多[40]等问题。为克服这些限制，研究人员进行了大量创新和研究。近年来，关于太阳能墙的研究提出了一些新形式，在提升年度舒适性和节能方面取得了一定进展。然而，一些研究仅评估单一性能指标，缺乏与其他相关评估指标的综合考虑，对太阳能墙影响参数的评估也较为缺乏。现有研究尚未充分解决夏季高温和高湿度问题，尤其是在综合应对策略方面。

总之，本研究提出了一种TCVDA-SW系统。该系统优化了传统太阳能墙的结构和材料参数，集成了纤维素纤维保温材料和Trombe墙技术，并增加了额外的空气层和温控供气装置。该系统在夏季具有除湿和制冷功能，在冬季具有集热能力，能够精确控制室内热湿环境。

在本研究中，我们首先在青岛建立了两个实验房间，并在其中一间安装了TCVDA-SW系统。通过冬季和夏季的对比实验，探讨了该系统对建筑热环境的影响。然而，仅使用实验方法研究系统各参数对制冷和供暖负荷的影响较为困难。利用计算机软件仿真可以作为一种解决方案。我们使用THERB for HAM仿真软件建立了模型，计算了系统在冬季和夏季的运行能耗，评估了其在青岛的热性能和节能效果，并提高了其在寒冷地区应用的可能性。最后，通过仿真软件进一步优化了各参数，提升了系统的节能性能，为该TCVDA-SW系统的设计和应用提供了科学依据。图1为本文的研究流程图。

章节片段

工作原理

TCVDA-SW系统结合了纤维素纤维保温材料和双层太阳能墙技术，并集成了温控供气装置。该系统利用被动式太阳能热收集以及纤维素纤维的吸湿和脱湿作用，在夏季实现制冷除湿，在冬季实现集热。从外到内的系统结构包括玻璃、外层空气层、储热材料和内层空气层。

夏季实验结果

2022年9月21日至22日的实验期间，天气晴朗。图10显示了该实验房间和控制房间在此期间的室内热环境数据。实际上，本研究进行了更长时间的实验，整体性能趋势与图中数据显示一致。两天的数据集足以清晰说明该设备的运行行为和性能优势。

结论

鉴于传统太阳能墙的局限性，本研究设计了TCVDA-SW系统。我们进行了多次实验和仿真，以探讨其对建筑热环境和能耗的影响。研究结果表明，该系统能有效改善室内热环境，降低供暖和制冷负荷，显著提升建筑在夏季和冬季的热环境。主要结论如下：

CRediT作者贡献声明

魏新东：监督。高伟军：监督。马青松：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。张新怡：可视化。王金轩：可视化。于梦辉：可视化、验证、软件开发。万子伟：撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、数据整理

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52108015）和山东省自然科学基金（编号：ZR201910280141）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢编辑和审稿人对本文质量的精心评论和建设性建议。