淺析特朗勃墻體系統的工作原理、優點及研究現狀

王鶴霏

（北方工業大學建筑與藝術學院，北京 100144）

0 引言

被動式太陽能建筑就是通過建筑設計，使建筑在冬季充分利用太陽輻射熱取暖，盡量減少通過圍護結構及通風滲透而造成熱損失；夏季盡量減少因太陽輻射及室內人員設備散熱造成的熱量，以不使用機械設備為前提，完全依靠加強建筑物的遮擋功能，通過建筑上的方法，達到室內環境舒適的目的的環保型建筑。被動式太陽能建筑利用外部能源太陽能實現自我調節，能充分利用太陽能熱源，滿足建筑“冬暖夏涼”的要求。

特朗勃墻是集熱-蓄熱墻式被動式太陽能建筑的典型構件，起初由法國奧德曼太陽能研究所所長Trombe與Jacques Michel提出并進行試驗，并逐漸運用于被動式太陽能建筑中。特朗勃墻主要利用陽光照射到外面有玻璃罩的深色蓄熱墻體上，加熱透明蓋板和厚墻外表面之間的夾層空氣，通過熱壓作用使空氣流入室內向室內供熱，同時墻體本身直接通過熱傳導向室內放熱并儲存部分能量，夜間墻體儲存的能量釋放到室內。本文在分析特朗勃墻體系統工作原理和優點的基礎上，綜述特朗勃墻體系統研究現狀，并指明發展方向。

1 特朗勃墻體系統的應用背景

在現代社會中，日益嚴重的能源危機與環境問題敦促社會加大對可再生能源的研究與利用。太陽能作為新能源中常見的可再生能源，具有無污染、低能耗并且低成本的特點。而被動式太陽能建筑設計的核心，是在綜合考慮氣候特征、建筑材料、太陽能熱輻射、人體的熱舒適度等不同因素后，通過合理布置建筑朝向、建筑形體以及空間結構，運用合適的建筑材料，達到節能減排的目的。

被動式太陽能建筑常用的系統包括：儲熱墻系統、特朗勃墻體系統、水墻系統、半直接得熱系統、間接得熱系統、典型的被動式太陽能系統、熱虹吸系統、芭拉-康斯坦丁尼系統、虹吸式石床系統、地板下石床系統[1]。而在所有的被動式太陽能建筑系統中，特朗勃墻體系統是基于儲熱墻系統的升級，其適用范圍較儲熱墻系統更廣，除寒冷地區以及嚴寒地區外，同樣適用于夏熱冬冷地區，具有廣闊的應用范圍。

2 特朗勃墻體系統的工作原理

從構造上看，特朗勃墻是一堵具有很大熱輻射與玻璃材質的朝南向的深色墻體。其承重墻體可以采用磚、石材、鋼筋混凝土等材料。特朗勃墻的工作原理是通過太陽能的熱輻射加熱墻體，加熱墻通過輻射熱與對流熱的交換來加熱室內空氣，而其中的熱量交換通過墻壁頂部與底部的兩個通風口的空氣循環來得以實現。

但其工作原理根據冬夏季節以及晝夜的不同不盡相同。夏季白天時玻璃與絕熱層間的空氣由于受到太陽輻射上升從頂部通風口流出，冷空氣通過底部通風口流入保持空氣流動；待到夜間上下兩處通風口保持開啟，將絕熱層打開使其向室外輻射散熱，同時保持室內外冷熱空氣的交換。冬季時，由于墻體與玻璃間的溫室效應，其中空氣被加熱，通過兩個通風口向室內對流供暖。夜間墻體兩處通風口被關閉，通過墻體向室內加熱的空氣與室內氣流對流向室內供暖。特朗勃墻體系統的工作原理如圖1所示。

圖1 特朗勃墻體系統的工作原理示意圖

3 特朗勃墻體系統的優點

根據突尼斯的一項研究表明，墻能夠顯著影響居住者的熱舒適性。特朗勃墻不僅在與特朗勃墻相連的空間內提供熱舒適性，還為相鄰空間提供熱舒適性。除此之外，根據Sergei等[3]的研究表明，在寒冷的氣候條件下，特朗勃墻可作為建筑供暖的額外熱源。因此，在像哈爾濱這樣的氣候條件下，在供暖季節最冷的月份，特朗勃墻最高將能源成本降低至30%。此外，在供暖季節其余時間，能源消耗的減少可以達到50%。除去降低能源成本外，在Saadatian等[3]的研究中表明，特朗勃墻體每年可減少約33 噸的二氧化碳排放量，并且在Jaber 等人的研究中發現，使用特朗勃墻體系統可以節省37%的總成本。

由此可知，特朗勃墻體系統具有以下的優點：（1）特朗勃墻體可以提高建筑空間的熱舒適度；（2）特朗勃墻可以大幅度的減少能源消耗的成本；（3）特朗勃墻體可以節約部分總成本。因此，特朗勃墻體系統，在未來被動式太陽能建筑的發展中具有較好的前景。

4 特朗勃墻體系統研究現狀

4.1 特朗勃墻體的模擬研究

黑賞罡等[4]通過實驗模擬法，利用計算流體動力學以石河子地區帶有特朗勃墻體的實驗房為原型建立物理實驗模型，對特朗勃墻體尺寸參數的影響進行分析。通過建立的物理實驗模型，設置DO輻射換熱邊界、物理性質等參數，對實驗模型進行不同尺寸下的模擬實驗分析。通過提高進出口直徑的增加提高空氣夾層的流量，從而提高換熱效果。實驗結果表明：嚴寒地區改善被動式太陽能房的關鍵為局部熱不舒適，應通過提高窗戶以及玻璃罩的氣密性，增加室內的熱流循環來達到溫度分布相對均勻；由于墻體蓄熱傳熱有延遲現象，故在西北嚴寒地區應在太陽升起或落下后2h左右開啟或關閉通風口；尺寸為2.8m×3m的特朗勃墻體，通風口的最佳直徑尺寸為0.18m，空氣間層的最佳厚度為0.16～0.18m。

此外，黑賞罡等[5]從理論計算、運行性能、CDF模擬、評估指標等四方面開展研究，總結出特朗勃墻體的運行要素：材料、墻體尺寸參數、氣候特征，并總結了CDF模擬研究中邊界條件設定的注意事項。

4.2 特朗勃墻體結構的研究

Ahmed等[6]介紹了在伊拉克天氣條件下，有直流風機和無直流風機的PV-Trombe 墻（PV-TW）系統性能的理論和實驗研究，基于能量平衡建立了理論模型，并建立了系統性能分析的實驗裝置。研究結果表明：直流風機的存在顯著提高了被測PV-TW 系統的室內溫度；PV-TW系統的電氣性能有所改善，其電氣效率高達12%。因此，直流風扇的存在能夠提高室內舒適度，并冷卻光伏電池。

Lin等[7]提出了一種將光伏（PV）板安裝在Trombe墻（TW）系統通道中間的新系統，稱為光伏集成特朗勃墻（PVMTW）。該系統可以實現發電、空間供暖和保溫等多種功能。研究者在合肥地區采暖季利用PVMTW系統的溫度場搭建了實驗臺，通過建立PVMTW系統的數學模型進行驗證。利用經驗證的模型，對PVMTW系統的熱性能進行了研究，并與經典的特朗勃墻（TW）進行了比較。實驗結果表明：在白天，PVMTW系統的平均熱效率比傳統TW系統高65.2%；就室內空氣溫度和墻壁上的內表面溫度而言，PVMTW系統的室內熱舒適性幾乎與經典TW系統相同；兩個房間的平均電效率和平均總效率分別達到0.120和0.585。

4.3 特朗勃墻體的應用研究

劉義等[8]通過建立分隔型和連通型兩種特朗勃墻體模型，對其豎直空氣夾層傳熱、水平空氣夾層傳熱、房間空氣傳熱等進行數值模擬分析。其中，分隔型特朗勃墻式空腔建筑中的空氣平均溫度比連通型高1.3℃。因此，在冬季分隔型特朗勃墻式空腔傳熱效果更好。連通型特朗勃墻式空腔呈現兩個反方向流動區域，而分隔型特朗勃墻式空腔各層氣流分布較為均勻。因此，水平空氣夾層中熱空氣對上層房間的加熱作用具有較強的一致性。在劉義等的研究中發現：特朗伯墻式空腔建筑體系，通過特朗勃墻體與空氣實現熱交換向上層房間進行供熱；在對特朗勃墻體的數學模型的研究中發現空氣夾層內的熱空氣分布情況對室內溫度的分布有重要影響；在模擬的兩種特朗勃墻體空腔中分隔型特朗勃墻體空腔效果更好，具有更好的適應性。

王天鵬等[9]利用CFD模塊對大空間附加陽光間與小空腔空氣間層進行對比分析，并根據相關計算其冬時令的太陽能采暖的供熱量。研究結果表明：附加陽光間的特朗勃墻的對流供熱性能更好，其通風口速度較之前提高12%，中心點溫度提高約1℃；并且根據通風口直徑大小與頂部通風口布置位置的不同，對流供熱量可提高30%～40%左右。

王天鵬等[10]通過對蘭州地區某中學實驗樓的特朗勃墻體進行調研與評價分析，發現通過瓦楞鍍鋅鐵皮將空氣間層分為50mm與100mm內外兩個，其效率相較于無鐵皮特朗勃墻體綜合熱工與節能功效均大幅度提高。

Ma等[11]通過對某辦公樓的特朗勃墻體進行研究，利用THRB for HAM對辦公樓的墻體熱潛力進行了估算，除此之外對打開和關閉風扇效果下復合的特朗勃墻體進行研究，發現風扇打開的情況下可將特朗勃墻體的能源成本降低3.7%。

Sergei等對特朗勃墻體進行分類，并對其缺點、問題、可能改進方向等問題進行評估，最終對惡劣氣候條件下特朗勃墻體的結構進行研究，發現：在極端惡劣的條件下復合的特朗勃墻體、改良的特朗勃墻體更加適用；在極端惡劣的氣候情況下，特朗勃墻體的玻璃應采用雙層玻璃；極端惡劣的氣候情況下，通過增加自動改變室內和空氣間層溫度的風扇可以在白天利用墻體蓄熱，在夜間通過對流控制室內采暖；在極端惡劣的條件下特朗勃墻體最大能將能源成本降低到30%，其余月份能源消耗可減少50%。

5 結束語

在對被動式太陽能建筑特朗勃墻體系統的研究中發現，使用特朗勃墻體系統可以節省37%的總成本，并且能大幅度減少能源消耗。由此可知，特朗勃墻體系統在被動式太陽能建筑中具有較好的發展前景。但是，現階段國內外對于特朗勃墻體系統的研究多集中于數值模擬以及對熱性能、結構的研究。在今后的研究中，可對特朗勃墻體系統的美觀性，以及墻體與玻璃顏色對特朗勃墻體性能的影響等方面的研究。