东莞住宅智能变色墙被动式环境调控技术机理研究

杨梅兰

(东莞理工学院城市学院 城市与环境科学系,广东 东莞 523419)

1 引言

随着我国城镇化步伐的加快,一栋栋高楼拔地而起,建筑工程总量的增加和人们对居住环境舒适度要求的提高,建筑能耗在社会总能耗中所占比例越来越高。绿色建筑、生态建筑理念逐渐得到大家的认可。被动式低能耗住宅建筑是绿色建筑和生态建筑的研究范畴,也是节能建筑未来的发展方向,契合现代建设领域减少能耗,大力发展生态、可持续建筑的倡导。被动式环境调控建筑能够与自然环境融为一体,是根据所在地区的气候条件,风向、常年的温度、湿度,从建筑本身内环境出发,做出相应的体型设计、朝向设计、通风换气设计、利用太阳能及风能、利用墙体变色等来保证屋内的人体感觉到舒适的温度、湿度。

东莞市位于欧亚大陆的东南边、广东省南部、珠江三角洲东北部的东江下游,地处北回归线以南,濒临南海。东莞市南亚热带季风气候显著,具有长夏短冬,光照充足,热量丰富,气候温暖,温度变幅小,雨量充沛,干湿季明显的特点。

2 新型被动式太阳能变色墙环境调控技术构建

多种植物和动物为了适应环境,通过改变自身的颜色来伪装自己应对天敌以及调节自身温度。对于人类,深色的衣服,吸收太阳的光的热量比较多,而浅色的衣服它能够将太阳的光反射回去一部分,所以,浅色的衣服吸收的热比深色的少。所以,夏季的衣服多以浅色为主,而冬季的衣服以深色为主。住宅建筑的外维护结构确实也如同其外衣,同样可以实现变色的可能,但是原理相反,深色可以阻挡紫外线和红外线,透明时利用太阳光为室内加热,因此,根据不同季节的气候特点,通过变换其颜色来调节室内的舒适度。

基于上述构想,可以在住宅建筑朝阳的外墙面根据变色来利用太阳能制热制冷。低温时节,适当调节让朝阳面呈现无色,炎热季节稍作调整让朝阳面变换成深色,同时可以利用太阳能制冷。能够变色的部分可以做到无需翻转,且兼具门窗功能。也就是说,冬季温度较低时,可以呈现出原状,吸收太阳光,为室内升温,同时启用制热设备；漫长的夏季,可以改变构件的颜色,利用深色可以阻挡紫外线和红外线来降温,同时也能够利用集热组建件发挥太阳能制冷。

由此可知,被动式太阳能变色墙的变色部分是节能的核心构件。因为现有的固定式的太阳能集热板只能固定在外墙上不能移动,存在维修及更换电池不方便的缺点,故难以大面积的推广。太阳能变色技术将集热构件以独立产品的形式,可以外置于任何位置,安装、拆卸和维修都极为方便。

太阳能变色墙的颜色与功能,在选择时应该考虑与住宅建筑整体色调及自然环境和谐统一；变色构件颜色的改变采用温控自动变换装置,居住者可以自己设定温度；集热器部分收集的热能在超过设定温度时可以自动运行转化成冷量送入室内,这样,就可以解决东莞地区夏季炎热的问题。

要实现这三个目标,太阳能变色墙应该满足以下三个原则：第一,构件质量轻,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大众的居家生活习惯,符合群众的审美,更要实用,操控简单并实现降温的作用。第三,老百姓能接受的合理性价比。针对上述三个目标,着重从解决夏季炎热,运行过程实现自动控制等方面入手,从变色装置,自动运行控件,及运行调整方式等方面对太阳能变色墙进行研究。

3 被动式太阳能变色墙环境调控技术研制

被动式变色太阳能墙可以作为独立的产品根据需要安装在外维护结构上,其组成部分有：变色装置,采光隔板,空气隔热层及挤塑聚苯乙烯泡沫板组成。并且,在采光隔板旁边设置光伏发电机为太阳能制热制冷设备供电,还设置了新风入口。

3.1 变色装置的确定

变色装置通过改变颜色来增加或者减少太阳辐射热的吸收,该装置改变颜色的方式有通电变色,根据光强弱光控变色,依据温度高低的温控变色,还有人工变色四种。通电变色是指特定材料在通电后其光学特性显现出稳定的、可恢复原色的现象,表面上表现为光亮度和颜色的循环变化。光控变色是指变色材料在在特定波长和强度的照射下内部结构发上变化致使其颜色做出对应的变化,当然条件改变后也可以恢复原来的颜色。温控变色是指材料根据室内设定温度控制颜色变化,室内温度超过25度时,颜色变成深色阻挡太阳辐射得热,同时启用太阳能制冷装置送风；室内温度低于18度时,颜色变成原色,吸收太阳辐射热为室内升温,同时可以启用制热设备。人工变色是指室内人体感到不舒服时,可以自行手动调整来改变颜色。

对比以上四种变色方式,通电变色会使整个变色墙带电,对于住宅建筑使用该种方式显然不够安全,而且不够经济。光控变色对光的要求比较高,东莞地区雨季较长,特别是雷雨季节暴风雨来临如同瞬间变成黑夜,并且夜晚没有阳光无法控制,所以光控变色不适用于东莞。在东莞来说,夏季炎热且比较长,夜晚的温度常常超过25度,如果选择人工变色会影响休息,不够人性化。而温控变色可以避免上述所有问题,整个变色部分可以自动运行而且无需耗费多于的能量,所以在东莞地区设置太阳能变色墙选择温控变色最合适。

3.2 采光隔板的选择

现有的很多建筑物都采用玻璃作为隔板,虽然玻璃采光性能好,但是容易老化,易破碎,极易伤到人,所以不够安全。针对这一安全隐患,太阳能变色墙的采光隔板应该使用不易老化、不易破碎的透光材料来替代玻璃。这类材料有PVC透明板、生态树脂版和工业PC采光板等。

PVC透明板从外观看与有机玻璃相似,有一定的硬度,透光好,但是不耐高温,容易变形,不宜与集热装置共同使用。生态树脂板采用高分子材料制作而成,具有一定的强度,抵抗变形的能力也比较好,耐久性也好,但是采光性能较差。工业PC采光板具有质量轻、采光性能好、抗冲击性能好、遇高温不老化不变形、阻燃性好且强度高等特点,可以与有机玻璃媲美,俗称钢化板。这种板材可以根据实际需要裁成不同的尺寸,并且安装和密封也方便快捷。因此选择工业PC采光板作为隔板。

工业PC采光板选用1.8毫米的板材,该种板材的详细性能有：第一,燃点高,工业PC板燃点可以达到630摄氏度,属于阻燃性材料。第二,耐腐蚀性能好,工业PC板遇到化学溶液不会发生腐蚀,在常温下接触各种酸性物质如无机酸、有机酸、弱酸、盐溶液及乙醇都不会发生反应。第三,物理稳定性好,工业PC板温度适应性较好,能够应对高温气候,在零下40℃时不发生冷脆,在125℃时不软化,而且可以在-40℃至120℃范围保持各项物理性能的稳定性。第四,抗冲击性能强,抵抗冲击强度的能力是常用玻璃的三百倍,是钢化玻璃的二十倍,有“钢化板”的美称。第五,质量轻。密度只有普通玻璃的一半,可以减少运输、安装、拆卸和受力框架的费用。此外,还有防紫外线、防结露等优点。

3.3 挤塑聚苯乙烯泡沫板对环境调控的作用

太阳能变色墙安装在外墙上的部位需要设置挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS板),它有保温隔热的作用,防止空气间层及室内冷量散失到室外。XPS板的优点有：第一,抵抗破坏的能力强,该种板结构特殊,抵抗压力的性能和抗冲击性能都特别强,且有不同厚度和不同型号的板可供选择。第二,隔热性能极佳,这种聚合物线膨胀系数很低,热阻特别高,所以其具有稳定和持久的保温性能。第三,质量轻,XPS板具有蜂窝状结构,因此密度低,质量很轻,可以根据需要裁剪,运输方便,安装也很容易。第四,耐久性能好,经实践证明,这种材料在使用中,不会产生对人体有害的物质,不会发生老化现象,不会发生霉变,更不会分解,并且具有很强的憎水性能,不会出现受潮现象。第五,XPS板绿色环保,在使用中经检测没有有毒有害物质散发,也不会产生工业污染,属于绿树环保型的建筑材料。基于以上优点,XPS板是市面上建筑保温隔热材料的极佳选择。

3.4 智能温控变色及送风运行原理

PC采光板可以制成中空状态,并在中间贴一层智能纳米凝胶膜,这样采光板就变成了一款智能温控调光PC隔板,而且无需消耗能量就可以自行调节颜色,其外观和玻璃一样。当环境温度升高并超过设定温度时,智能温控采光板由透明状逐渐雾化,从室外看就像有一层雾,温度越高雾化就越明显,正好阻挡了紫外线和红外线,起到降低室内温度的作用。当环境温度降低到设定温度时,采光板又恢复成原来的透明状,这种温控变色装置无需手动操作,不用电,也不需要消耗其他能量,由温度控制,真正做到了人性化和绿色智能。

对于室内温度的控制是根据空气对流原理,热空气向上流动,凉空气向下流动,所以温控开关设置在房间层高的中间偏下部位,用来感知温度。当室内温度低于十八摄氏度时,温控开关向光伏制热制冷装置发出信号,让其为室内提供热量,当室内温度高于二十五摄氏度时,温控开关向光伏制热制冷装置发出信号,为室内提供冷气。光伏制冷制热装置主要由太阳能提供电量,当太阳光充足时,光伏机将多余的电量储存起来,供夜晚使用,同时阳光不足时,也可以使用。太阳能光伏制热制冷装置可以根据室内设定的舒适温度,接受温控开关的发出的指令自行开关为室内输送新鲜的冷风或者热风,利用的是绿色清洁的太阳能,无需人工操作,也做到了环保智能化。

3.5 太阳能变色墙运作机理

通过对变色装置,采光隔板,挤塑聚苯乙烯泡沫板及智能温控变色及送风运行原理的研究发现,太阳能变色墙可以实现夏季降温和低温季节采暖的功能,并且高度智能化、人性化,属于绿色环保节能建筑构件。考虑到东莞地区会出现夏季极端高温和冬季极端低温,特配备太阳能制热制冷设备,应对极端气候的出现,创造最佳的舒适智能人居环境。

人体舒适温度区是18摄氏度至25摄氏度,使用者可以在温控开关上选择设定自己感觉舒适的具体温度。太阳能变色墙的运作机理是当室外温度较高,超过变色墙设定温度时,采光板会雾化变成深色阻挡紫外线和红外线,如果这样室内温度还是高于二十五摄氏度,温控开关向光伏制热制冷机发出指令开启冷气,室内温度降至十八至二十五度之间时,温控开关发出指令停止供应冷气。当室外温度较低时,低于变色墙设定温度时,采光板保持原来的无色透明状态,吸收太阳能为室内提供热量,如果这样室内温度还是低于18摄氏度,温控开关向光伏制热制冷机发出指令开启暖气,室内温度升至十八至二十五度之间时,温控开关发出指令停止供应暖气。

4 结束语

被动式环境调控技术随着社会可持续发展的需要而发展,并将持续成为绿色环保建筑节能技术的热门问题。智能被动式外墙环境调控技术的核心要素就是以尽可能少的能量消耗作为目标,构建具有良好隔热保温以及自动调节室内舒适度的外维护结构,为了应对极端气候,同时配备智能环保的太阳能制热制冷送风系统。我国幅员辽阔,不同地区气候特点相差较大,所以,应该结合地域气候特征进行被动式环境调控技术的研究。

东莞地区夏季较长,而且炎热潮湿,冬季会出现较低温度。住宅建筑采用被动式太阳能变色墙调节室内温度,当温度过高时,温度感应装置会让变色墙颜色变深,阻挡紫外线和红外线,减少墙体对热辐射的吸收,同时室内温度高于设定温度时自动打开光伏制热制冷设备,该设备可以吸收太阳能,在需要的时候将其转化成热气或冷气送入室内,增加室内人体的舒适度。当温度较低时,采光板呈现原来的透明状,利用太阳能为室内升温,必要时可以启用光伏制热制冷设备升温。在进行环境调控技术设计时,尽可能采用被动式的节能技术,整合理念,从整个建筑内环境进行全面考虑和设计。

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