Trombe 墙 被动式太阳能模拟器 返回
被动式建筑·太阳热

Trombe 墙 被动式太阳能模拟器

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。

参数设置
墙面积
墙厚
cm
25~40 cm 时热延迟为 6~12 小时
蓄热材料
自动设置密度、比热、热导率、日射吸收率
玻璃
自动设置 U 值(热传递系数)
空气层
mm
墙与玻璃间空气层厚度(对流通风口效率)
日射
W/m²
外气温
°C
室内设定
°C
玻璃透过率
%
计算结果
墙体热容量 (MJ/K)
日射获得 (kWh/日)
室内供热 (W)
玻璃损失 (W)
净供暖 (kWh/日)
太阳热贡献率 (%)
Trombe 墙 截面动画

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。

室温变化 vs 时刻(24h)
蓄热材料热容量对比
理论·主要公式

$$Q_{net} = G \cdot A \cdot \eta \cdot \alpha - U_g A (T_i - T_o),\quad \tau = \frac{\rho c_p V}{hA}$$

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)。

Trombe 墙被动式太阳能供暖 — 蓄热·对流

🙋
第一次听说 Trombe 墙。简单地说就是用墙来储存太阳热量?
🎓
大体上是这样。就是"南向厚混凝土墙 + 外侧双层玻璃"这样的简单系统。1957 年由法国物理学家 Felix Trombe 和建筑师 Jacques Michel 发表,1967 年在比利牛斯山中的 Saint-Félix-de-l'Aude 首次实现。不用电、不用泵,完全的被动系统。
🙋
我想象不出没有电的情况下热是怎么进到房间的…
🎓
分两个阶段。首先白天,通过玻璃的日射把墙表面加热到 50~70°C。混凝土热容量大,所以热缓慢传入墙内部。这就是"热延迟(thermal lag)",本工具中的 τ。30 cm 厚混凝土延迟约 6~12 小时,正好在夜间墙的内侧变热。同时,墙上下开的通风口产生对流(thermosyphon),温暖的空气流入房间。
🙋
我选了水箱,数值一下子好转了。水作为蓄热材料真的很优秀啊。
🎓
水的比热是 4186 J/kg/K,是混凝土的约 5 倍。同体积可获得约 4 倍蓄热量。1970 年代美国 NREL(国家可再生能源实验室)和 Sandia 国家实验室的试验房用过 200 升油桶排成的"水墙"。但水有漏水、腐蚀、霉菌等问题,商业上还是混凝土和砖块更普及。土坯(夯土)传统上也很强劲,中国黄土高原和美国西南部 Anasazi pueblo 从公元 1000 年左右就用同样的"向阳蓄热"原理了。
🙋
把玻璃从单层改为双层,损失下降到一半多了。寒冷地区效果更明显吧?
🎓
没错。Q_loss = U_g · A · ΔT,外气温越低(ΔT 越大)玻璃的 U 值影响越大。单层(U=5.8)的话,北日本或北欧夜间散失会超过白天获得,变成"反向供暖"。双层(U=2.8)是现实的基准,要达到 Passivhaus 规范的话用三层 Low-E(U=1.0),几乎消除窗侧损失。用本工具的滑块体验一下这些差别。
🙋
CO2 削减量也有显示。年减 1000 kg 好像是个很大的数字。
🎓
默认条件(25 m² 墙、混凝土 30 cm、双层玻璃、外气 0°C)时,净供暖 30.7 kWh/日,年 5500 kWh,CO2 削减约 1188 kg。相当于中型轿车跑 5000~6000 km。Passivhaus、LEED v4.1、日本 JIS 环保设计指南也都把 Trombe 墙列为评估对象,结合选择性表面涂料的改进型 Trombe 可以增加 30% 效率。除了冲绳,日本大多地区都能用。

常见问题

Trombe 墙是 1957 年由 Felix Trombe 和 Jacques Michel 提出的墙式蓄热被动式太阳能供暖系统。在南向(北半球)外墙上放置混凝土、砖块、土坯或水箱等大热质量,外侧安装双层玻璃来捕获太阳辐射。白天墙体蓄热,通过热延迟(thermal lag)在夜间向室内放热,利用上下通风口引导对流(thermosyphon),可覆盖 30~60% 的供暖负荷。
最常见的是混凝土(ρ=2300 kg/m³, cp=880 J/kg/K, k=1.7 W/m/K),入手性和蓄热性能平衡良好。土坯(夯土)是传统材料,在中国黄土高原和美国西南部 pueblo 已用了千年以上,比热容大、质量轻。水箱的比热 cp=4186 J/kg/K 约为混凝土的 5 倍,同体积可获得约 4 倍蓄热量,用于 Sankey Trombe 改进型。砖块性能介于两者之间,热导流平衡良好。
墙厚 25~40 cm 时,热延迟(thermal lag)约 6~12 小时,最适合将白天蓄热转化为夜间供暖。墙太薄会导致白天过热而夜间蓄热不足,太厚则热量无法有效传入室内。混凝土 30 cm 是标准设计值,本工具默认值也以此为基准。
Trombe 墙需要平衡日射获得和玻璃损失。单层玻璃(U=5.8 W/m²K)便宜但夜间损失大,在寒冷地区净供暖可能为负。双层玻璃(U=2.8 W/m²K)是现实的标准选择,本工具默认值。三层 Low-E(U=1.0 W/m²K)适用于 Passivhaus 等超高效建筑,几乎消除夜间损失,但透过率略有降低。

实际应用

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%。

常见误区和注意点

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。

使用指南

  1. 输入蓄热墙的面积(m²)和厚度(cm)。以混凝土墙为基准,通常设计厚度为 20~30 cm。
  2. 设置玻璃和混凝土墙间的空气层厚度(mm)。自然对流的热传递效率因此变化,建议在 50~100 mm 范围内检讨。
  3. 输入安装地点的日射量(W/m²),按执行按钮,即时算出墙体热容量、日射获得量、室内供热、玻璃放射损失、净供暖能量、太阳热贡献率。

具体计算例

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%。

实务中的注意