南向玻璃内侧厚蓄热墙。日射温暖墙体,上下通风口引发对流(thermosyphon),夜间墙体向室内放热。
$$Q_{net} = G \cdot A \cdot \eta \cdot \alpha - U_g A (T_i - T_o),\quad \tau = \frac{\rho c_p V}{hA}$$
G:日射 (W/m²)、η:玻璃透过率、α:墙日射吸收率、U_g:玻璃热传递系数 (W/m²K)、τ:墙时间常数(热质量/对流热传递)。
通过南向厚重蓄热墙和双层玻璃捕获太阳热量,在夜间缓慢释放到室内,模拟 Trombe 墙的供暖性能。改变墙体材料、墙厚、玻璃、空气层、日射和外气温,净供暖量和太阳热贡献率(Solar Fraction)即时更新。
南向玻璃内侧厚蓄热墙。日射温暖墙体,上下通风口引发对流(thermosyphon),夜间墙体向室内放热。
$$Q_{net} = G \cdot A \cdot \eta \cdot \alpha - U_g A (T_i - T_o),\quad \tau = \frac{\rho c_p V}{hA}$$
G:日射 (W/m²)、η:玻璃透过率、α:墙日射吸收率、U_g:玻璃热传递系数 (W/m²K)、τ:墙时间常数(热质量/对流热传递)。
住宅供暖辅助:安装 20~40 m² 南向 Trombe 墙,在寒冷地区(外气约 0°C)可获得 1000~2000 W 室内供热,覆盖高效住宅供暖负荷的 30~60%。用本工具输入自宅南面墙面积和外气温,就能试算热泵电耗削减和 CO2 削减效果。
Passivhaus·LEED 认证住宅:欧美 Passivhaus 规范和美国 LEED v4.1 都把 Trombe 墙列为能源削减措施,是评估对象。三层 Low-E 玻璃 + 选择性表面涂料的组合,几乎消除夜间散失,与超高效建筑兼容性很好。
传统建筑的现代应用:中国黄土高原的窰洞和美国西南部 Anasazi pueblo(公元 1000 年)早就用过同样的"南向厚土墙 + 日射吸收"原理。现代土坯住宅(美国新墨西哥州、墨西哥)用本工具这样的分析来定量评估传统素材性能,和现代设备结合。
研究设施·农业温室:美国 NREL、PNNL、Sandia 国家实验室在 1970~1990 年代做过大量 Trombe 墙实测研究,开发了很多改进型如 Solar Air Heater(Sankey Trombe)。农业温室用水箱式 Trombe 墙作为夜间保温热源,燃料费可削减 40~70%。
最大的陷阱是"夏季过热"。Trombe 墙为冬季优化,但夏季也会捕获同样的日射,不采取措施室温会超过 35°C。实际设计要在夏季在墙前装外遮阳(挑檐)或卷式遮阳,关闭上下通风口停止对流,或把通风口改向室外旁通。日本本州以南尤其需要对策,本工具的试算是冬季前提,要留意。
其次,"墙厚越厚越好"的误解。60 cm 厚混凝土的热延迟会超过 24 小时,日射被锁在墙内无法进入室内。最佳厚度是 25~40 cm,超过这个数值性能反而停滞甚至下降。本工具把墙厚改到 60 cm 试试,净供暖量不一定改善。蓄热材的热扩散率 α=k/(ρcp) 决定最优厚度,水箱 15~20 cm 就够了。
最后,"不要追求 100% 太阳热贡献率"。要把 Solar Fraction 做到 80% 以上,需要巨大的墙面积(占南面的大部分)和海量蓄热,代价是成本和建筑自由度大幅降低。实务上应以 Solar Fraction 30~60% 为目标,剩余部分用热泵或高效燃气补充,这样的混合设计成本效益最好。连续阴天或寒潮时必须备用热源。
南向混凝土蓄热墙(密度 2400 kg/m³、比热 0.92 kJ/kg·K、厚 25 cm、面积 10 m²、空气层 80 mm),冬至时平均日射量 600 W/m² 照射 12 小时的情况:墙体热容量为 5.5 MJ/K,日射获得达 72 kWh/日。按玻璃辐射率 0.1 计算,玻璃损失约 180 W,室内供热约 450 W,24 小时净供暖能约 10.8 kWh/日,太阳热贡献率约 65%。