特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体

特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图 Cabin Modules / IR arquitectura. Image © Bujnovsky Tamas

    建筑中自古就有太阳能采暖,那时人们使用黏土和石头墙在白天储存热量,并在夜晚缓慢地释放它。然而,太阳能采暖的现代形式最早出现于1920年代,当时欧洲建筑师开始在集体住宅中实验被动的太阳能方法。在德国,Otto Haesler,格罗皮乌斯等人设计了概念性的 Zeilenbau 公寓,优化了日照。随着美国“向日住宅”的引进,二战期间的石油紧缺很快使太阳能采暖得到普及。这一系统的多种变体风靡全世界,但直到1967年第一堵特朗勃墙才被建筑师 Jacques Michel 在法国的Odeillo应用。得名于工程师菲利克斯·特朗勃(Felix Trombe),这一系统将玻璃和一种暗色的吸热材料结合起来,将热量缓慢地传导进房子内部。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(1) Jacques Michel's first Trombe Wall house in Odeillo. Image © Wikimedia Commons user OfHouses

    标准的特朗勃墙将玻璃放在距离10-41厘米厚的砌体墙约2-5厘米的位置。墙体往往是由砖,石头或混凝土制成。太阳的热量穿过玻璃,被蓄热的墙体吸收,接着缓慢地释放到住宅内部。尽管直接的太阳辐射波长更短,因而容易通过玻璃传导,从蓄热体中重新释放的热量辐射波长更长,无法轻易穿过玻璃。太阳辐射的这一特性,被维恩位移定律所描述,将热量捕捉在玻璃板和砌体墙之间,使特朗勃墙能够有效地吸热,并限制它想环境重新辐射。此外,由于玻璃板仅仅在墙体外侧,热量能够不受阻拦地进入住宅内部。对于一堵20厘米厚的特朗勃墙,这一过程一般需要花费8-10小时。通常而言,这意味着墙体在白天吸收热量,并在夜晚将其重新释放进住宅,显著减少传统供暖的需求。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(2) Nature & Environment Learning Centre / Bureau SLA. Image Courtesy of Bureau SLA

    特朗勃墙在发挥被动采暖的作用的同时,也可以满足承重的功能。为了使获得的太阳能最大化,墙的玻璃一侧往往面向赤道,使之能够在白天和冬季收集更多日照。不同的材料,尺寸,颜色和其他变化也可以影响特朗勃墙系统的效率。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(3) Hábitat 5 (H5) / Estudio Borrachia Arquitectos. Image © Esquema 3

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(4) Nature & Environment Learning Centre / Bureau SLA. Image Courtesy of Bureau SLA

    一种常见的变体是通风特朗勃墙,它在蓄热体的自然传导的基础上加入了孔洞以促进对流。孔洞被放置于玻璃板和砌体墙之间空间的顶部和底部。由于在这一空间中的空气是被加热的,它上升到顶部的孔洞,被引入住宅。与此同时,住宅内部的冷空气从底部的孔洞进入这一空间,被加热,随后经由顶部的孔洞进入住宅。

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    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(5) In Progress: Quimper Cornouaille Exhibition Center / Philippe Brulé Architectes. Image © Pascal Leopold

    另一个例子是“桶墙”,由 SteveBare 研发,使用水而不是混凝土或石头作为蓄热体。暗色的金属容器,例如油桶,被灌满水并堆在玻璃板后。由于水由比气体更大的热值,这一系统理论上能够比一般的特朗勃墙更有效地吸收热量。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(6) Libergier Sports Centre / philippe gibert architecte. Image © Philippe Ruault

    更小尺度上的改变也能够改善特朗勃墙的效率。例如,建筑师经常采用辐射屏障或选择性表面——通常是放置在砌体墙外表面的一片金属薄片——来达到更好的效果。金属薄片有很高的吸收性,使其能够吸收大量的日照并转化为热量,但它的发射率较低,能够防止热量被重新释放到玻璃上。如果金属薄片是一个滚动式的辐射屏障,它可以被专门用于减少夜晚的热量损失和夏天的热量增加。与挑檐等遮阳设备相结合,温暖季节的过热能够被显著缓解。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(7) Integral Territorial Center of the Commonwealth of Olivenza / Daniel Jiménez + Jaime Olivera. Image © Jesus Granada

    最后,对颜色,尺寸和材料的仔细挑选也能够优化特朗勃墙的效率。砌体墙的厚度会随着具体使用的材料而变化:导热性能更好的材料传热更快,这可以通过设计更厚的墙体被抵消。建筑师也可以将砌体墙涂黑以增加其吸热性能,或使用高传热性的玻璃最大化太阳能获得量。然而,客户也许会希望砌体墙更透明,使阳光能够进入住宅,要求设计者平衡审美要求和效率。建筑师也可以使用有纹理的玻璃使蓄热体变得模糊,这一选择不会牺牲玻璃的导热性。

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(8) Nature & Environment Learning Centre / Bureau SLA. Image © Filip Dujardin

    特朗勃墙:吸收太阳能的‘保温’墙体插图(9) Cabin Modules / IR arquitectura. Image © Bujnovsky Tamas

    尽管向日住宅的先驱者并未考虑气候变化,注入特朗勃墙的被动太阳能采暖系统,由于其低能耗和相对的可持续性,在今天看来十分吸引人。一个锡安(Zion)国家公园的国家再生能源实验室的研究表明,该建筑全年20%的采暖都由特朗勃墙提供。当然,在设计中使用特朗勃墙的建筑师必须克服特定的美学劣势,尤其是采光。不透明的朝向赤道的墙体所带来的昏暗能够被天窗,邻近的窗户和足量的人工照明所抵消。特朗勃墙也是一个高度气候依赖的系统,这意味着地点和气候的变化会对墙的有效性造成负面影响。然而,如果这些疑虑都能被充分处理,这一系统能够显著改善结构的能效,并显著降低采暖所带来的开销。

    翻译:Kaiyi Lin

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