太阳能保温体系

工作原理。在建筑模型中对太阳能保温体系的节能功效进行分析比较。同时展示了StoTherm Solar太阳能保温体系，并介绍了其在实际工程中的运用情况。

关键词：太阳能保温材料，太阳能保温构件／体系，单位面积建筑采暖能耗，StoTherm Solar

节能减排、可持续发展，在大形式的驱使下，建筑节能在中国已经走过了风风火火的十多个年头。在所有的建筑节能措施中，维护结构的外墙保温则是使用量最大，并且发展最为迅猛的一项节能手段。

纵观外墙外保温在欧洲近50年的发展史，保温材料虽然还是以EPS为主导，但是随着建筑物保温节能需求的不断提升，EPS板的使用厚度由当时的40mm增加到现在的160mm，而低能耗住宅或被动节能住宅使用的EPS板厚度甚至达到240～300mm。当然，人们在增加保温板厚度的同时，也在不断尝试改良保温材料的保温性能，即降低其导热系数λ值。在欧洲，一种添加石墨的黑色EPS保温材料，其λ值已经可以降到0.032以下。除了EPS以外，人们也在寻求具有更好保温性能的保温材料，譬如XPS（λ＝0.03），PU（λ＝0.024）等材料，虽说这些材料在欧美作为外墙保温材料的使用并不十分广泛，但其更佳的保温性能还是具备一定的吸引力。

这一现象在中国这些年的发展则尤为迅猛。不过我们不难发现，不管是加大板材的厚度，还是降低材料的导热系数，我们希望达到的最终效果则是一致的，即降低外墙部分的传热系数，从而减少透过外墙部分的热损耗！这种减少外墙热损耗的节能方式，在一定程度上可以将之定义为“被动式”的节能方式。那我们是否在降低热损耗的同时又能移入一种兼容“主动式”提供热源的墙体保温节能方式呢？答案是，这种外墙保温体系不仅早已研发成功，并且已经拥有十多年的工程实践经验。这种体系就是可以直接将太阳能转换成热能供墙体吸收的透明或半透明外保温体系——太阳能保温体系。

1 太阳能保温材料－源自自然界的 启示

早在80年代初期，德国的科学家就开始展开针对可以额外利用太阳辐射提供热源的透明或半透明的保温体系。在90年代下半叶，成熟的产品体系出台，开始真正接受大自然的挑战。而研发这种保温材料的启示，则源于大自然的造化：北极熊。

北极熊之所以可以在北极酷寒的气候环境下安然度日，其特殊的生理构造起到了决定性的作用：当我们观察北极熊，首先映入眼帘的是它那一身又浓又密的白色长毛，防潮御寒。但是大家是否有想过，掩藏在“白熊”毡垫般浓毛下部的肌肤又是怎样一个情形？其实它黑黑的口鼻部以及眼圈周边，可以让我们猜到一二：北极熊深藏的肌肤其实是黑色的！

显而易见，黑色可以最大限度地吸热，将光能最有效地转换成热能。其肌肤下侧的厚达十几厘米的脂肪层，又可以将这些热能进行有效的存储，用以御寒。但是，阳光的辐射又是怎么穿透那密实的长毛而最终到达黑色肌肤的呢？当我们进一步去研究北极熊的毛发的时候，会更惊奇地发现，这些长长的白毛其实并非真正白色，而是半透明的，其构造也与众不同，每一根都是中空的结构！正是这些“光导管”，确保了太阳辐射顺利到达黑色肌肤的畅通，而使其可以最终转换成宝贵的热能，同时这层毛发又是优异的保温防寒层。这些构造的组合真是大自然的杰作！

2 太阳能保温材料的定义

太阳能保温材料又称透明保温材料，是指由一种或多种材质组合而成的一种建筑构件，一方面通过其较低的传热系数可以降低透过的热损耗，如同普通的保温板材；另一方面，这种建筑构件又可以让太阳辐射穿透自身，并将之转换成热能，为室内环境提供额外的热源。

透明保温材料中提及的“透明”定义，并非一定指真正意义上的玻璃般的清澈，也包含了半透明状态，同时也包含太阳光谱中可见光以外部分的穿透性。

作为衡量太阳能保温材料保温效能的参数指标自然是传热系数k值。而用于衡量太阳辐射穿透性能指标的是总能量透过率g值。这里需要强调的是，由于不同时间，不同季节，太阳辐射的入射角度均不相同，此处的g值被定义为漫射情况下综合的总能量透过率（衡量玻璃总能量透过率的g值一般采用垂直入射情况下的数值）。

至于g值和k值必须要达到怎样的范围，才能够将此材料定义为太阳能保温材料或透明保温材料，至今未有法规上明确规范。但大量的试验数据和实践经验告诉我们，只有当透明保温材料的k值低于1.3，同时漫射g值至少达到0.4时，才能真正发挥太阳能保温材料的效能，即保温的同时利用太阳能产热。这几个数值是针对整个建筑构件进行定义的，即包括了其必要的防水外饰层材料。这一取值亦将保温玻璃或者玻璃纤维棉等材料排除在了太阳能保温材料之外。

3 太阳能保温体系的结构组成和工作原理

在太阳能保温材料的研发和应用中，存在不同的体系构造：一种是直接作为填充墙体（类似玻璃砖）的使用，另一种则是粘贴在实墙外侧取代传统的外保温体系的使用，还有一种是将太阳能保温构件作为背通风式干挂体系的功能性外饰面材料来使用。这里给大家介绍的，是上述三种体系构造中相对结构较为简易，因此也是使用相对广泛的太阳能保温构件作为外保温体系组成部分的结构组成及其工作原理（图1）。

作为完整外保温体系的一个组成部分，太阳能外保温体系在适当的位置取代了传统的EPS外保温体系，其厚度和四周的传统外保温材料保持一致。太阳能保温体系构件使用一种深色的建筑粘胶和实墙粘贴，这一深色的建筑粘胶同时也承担者太阳能保温体系中热转换层的作用。太阳能保温体系构件本身底部是黑色的绒毡层，和深色粘胶层一样，是热转换层的组成部分。太阳能保温构件的主体材料由耐候性出色的聚合碳酸酯细径光导管组成，其直径约3mm，其长度即太阳能保温构件的厚度间于60～160mm之间，主要取决于构件需要达到的传热系数k值以及周边传统外保温材料EPS板厚度的设计要求。构件的外饰材料由矩阵式排列的粒径为2～3mm的透明玻璃珠构成，并通过透明的粘胶层固定于细径光导管上部。为了增加整个构件的抗荷载强度，在间于细径光导管和饰面玻璃珠之间又加入了同样是透明的玻璃绵帛层用以加固。整个太阳能保温体系构件是工厂的预制构件，在现场只需粘贴构件以及处理构件和周边传统保温体系的接缝处理，施工较为简便。体系构件的温度承受限制为100～120°C，平均传热系数间于1.0～0.5之间（取决于构件厚度），漫射总能量透过率约50%（图2/图3）。

太阳能保温体系的基本工作原理是，太阳光辐射透过玻璃珠和细径光导管到达实墙的外侧部，同时也是热转换层的黑色绒毡层以及深色建筑粘胶层可以将光能最大程度地转换成热能。由于太阳能保温材料本身的低传热系数，产生的热能更容易被实墙所吸收。这些热量会逐渐向墙体的内侧传递，直至墙体的内表面，最终向室内以低温发射形式传递热量。室外的阳光辐射和室内的低温发射过程存在一个时间差，这一时间差的长短取决于墙体材料的热蓄功能及其厚度。

4 太阳能保温体系主要材料及其性能

从上述太阳能保温构件的结构组成可以看出，构件中最基本同时也是最重要的材料组成部分是紧密排列的聚合碳酸酯细径光导管。这些材料耐高温，在115～140°C的高温下具有长效稳定性。此外，这些光导管的透明度极高，且吸收率极低，由于在材料中加入了紫外线稳定添加剂，其抗紫外线老化的功能显著。同时这些光导管具备较好的阻燃性能，可以达到B1的防火等级（图4/图5）。

作为太阳能保温材料，必须具备在其结构体内最大限度降低热对流和限制热辐射交换。而后者的功效导致了太阳能保温材料非恒定性的导热系数λ值。垂直于热转换层排列的细径光导管可以确保在高热阻情况下的低反射值，因为绝大部分的入射光被垂直的光导管壁传导到热转换层。

光导管边缘部分、粘结部分以及由结构造成的漫反射阻碍的部分光线的传递，被吸收且部分转换成热量（热阻）。形成相对高热阻的重要条件是：光导管的直径和长度的比值（1：10以上可以降低热对流）；光导管壁的吸热功效及其微弱的导热性能。

5 太阳能保温体系在采暖周期中的功效

为了将太阳能保温体系在采暖周期中的功效进行量化分析，我们特地选择了一栋典型的四层公寓建筑（16住宅单元，总计1400m2使用面积）进行模拟计算。假设建筑物南立面40%的面积（162m2）采用太阳能保温体系，通过TRNSYS软件，分别根据不同的保温法规及其设计标准（82保温法规，95保温法规以及低能耗住宅设计规范／德国）进行采暖能耗计算。其中82保温法规模型完全按照相应设计标准进行建模；95保温法规模型则适当提高设计要求，采用90年代末德国较为普及的实用标准进行建模；低能耗住宅模型中除了更高的墙体和窗户的保温要就，还增加了必须的可控型热交换通风系统（图6/图7）。

我们在图8中可以清晰地比较出通过太阳能保温体系赢取能量在总采暖能耗中占据的比例，也不难看出，通过更严格和有效的围护结构和通风系统节能措施，可以将太阳能保温赢取能量的比例从20％提升到30%以上。可见好的外保温体系是太阳能保温体系使用的大前提。

不过我们同时需要确认的是，提高太阳能保温赢取能量比例的有效手段并不是通过提高太阳能保温体系本身的赢取量来达到，而是通过更有效地加强整体建筑的保温效果，降低其综合能耗来达到。观察图9我们可以发现，通过太阳能保温体系的实际赢取量，其实是在下降：随着综合保温效果的提升，由110kWh下降到70kWh单位面积。由此可见，太阳能保温针对保温效应一般或较差的建筑物而言，实际经济效果会更强些。

所以我们不难从上述的结果看出，其实太阳能保温体系的太阳能赢取性能和保温性能其实存在一定的矛盾性，一方性能的增强会导致另一方性能的削弱。一个保温效果较差的建筑物使用太阳能保温体系，可以更大程度地赢取能量，由此导致的节省效果更为明显。不过话又说回来，即便在95保温法规（相当于我国65%节能设计要求，尚未达到低能耗住宅标准）的设计标准规程下，太阳能保温体系赢取能量所占综合采暖能耗比例仍然是相当可观的！

7 太阳能保温体系的实际运用－StoTherm Solar太阳能保温构件

在和Fraunhofer-Instituten佛朗霍夫建筑物理研究所（Stuttgart）以及佛朗霍夫太阳能利用研究所（Freiburg）的共同合作下，Sto在1996年成功研发StoTherm Solar太阳能保温体系，并荣获德国当年的年度创意大奖。 在之后的实际运用中StoTherm Solar太阳能保温体系又得到进一步优化，并在2002年荣获巴伐利亚州的节能大奖（图10/图11）。

StoTherm Solar太阳能保温构件全部在工厂预制完成。在施工现场，只需在预选的墙面位置粘贴构件，处理四周和传统保温体系的交接密封即可。StoTherm Solar太阳能保温构件的光量转换率高达95%，加之体系中产生的热能无需经过管道等进行传递，而是直接由蓄热墙体吸收贮存并向室内放热，同时鉴于构件本身出色的保温性能，可能的热损耗被降到最低（图12/图13/图14） 。

在冬季，当入射阳光几乎水平射入太阳能保温构件时，StoTherm Solar的热能转换功效接近峰值。在这种情况下，即便室外的气温远低于－10°C，热转换层以及墙体外表面的温度最高可以达到70°C，此最高温度限值也确保了周边传统材料保温体系不会受到任何伤害。冬至日太阳能保温构件的功效可以达到最高值。随着太阳光入射角度的加大，入射阳光被反射部分逐步增加，同样被折射到热转换层的比分也在持续下降，因而在夏天，也不会出现墙体过热的现象，尤其在盛夏，入射阳光几乎全部被饰面的玻璃珠层所反射，完全可以避免额外的遮阳装置，冬暖夏凉。当然在国内运用时要尽量避免西晒造成的平射效应。

StoTherm Solar太阳能保温构件可以结合Sto传统型、经典型以及岩棉体系同时使用，适用于新建建筑和既有建筑改造。标准构件尺寸间于1.0×0.6m至2.0×1.2m，也可以根据设计要求生产特殊造型。一般厚度为12cm和16cm（德国/欧洲新建建筑常用保温材料厚度），最小厚度为6cm。在中欧地区的地理环境及日照环境下，StoTherm Solar太阳能保温构件在南立面的单位面积年度平均太阳能赢取值是120kWh，东西立面约80kWh。使用该体系单位面积的二氧化碳减排量约为30kg每年。

8 项目介绍（StoTherm Solar太阳能保温体系的实际案例）

8.1 19世纪别墅改建成办公楼：Tannheim寓所，弗莱堡

地点和功能区：

Tannheim寓所地处弗莱堡，离太阳能体系研究所仅一箭之远。它是建于德国经济繁荣时期的一栋住宅楼，直到上世纪90年代仍为法国军队所用。1995年国际太阳能协会（ISES）将其总部设在弗莱堡，并迁入这幢楼。基于这个原因，协会对其进行了一番彻底的节能改造。这栋建筑共有三层，并带有全地下室。ISES的办公室在底楼和二楼，顶楼设有会客室。地下室的房间（展示间、酒吧等）使用频率不高，因此未装供暖设备。

脊檩为东西向，因此屋顶面主要朝南。入口处和楼梯间在建筑的东侧，北侧通向马路。特别一提的是东西立面，由于树木丛生，起到了遮阳的效果。

结构：

厚实的外墙为30～40cm的砖墙结构，外墙至勒脚部分使用8cm厚的EPS外墙外保温系统。建筑物的天然石花纹由于保温板的缘故而消失，于是，利用96%可回收的旧玻璃制作装饰线条铺在外墙，从而保留了寓所的原貌。

屋顶约占了建筑物供暖部分围墙结构面积的三分之一，是热能损耗较大的部分，因此屋顶和阁楼使用再生报纸制成的纤维材料做保温。建筑物的单扇窗装上高档三层式内含稀有气体的低幅射镀膜玻璃，玻璃的理论K值为0.4W/m2K。

节能概念：

改建的目的是新业主理想中的节能改造。旧建筑物的能耗相当惊人，每平方米居住面积每年达到230kWh，改造后的现代化低能耗建筑所需的能量则降至70kWh/m2a。在此，应展示一下旧房屋改造中使用的新型节能解决方案——太阳能保温体系。这种翻新对于设计者来说是一种挑战，作为保护建筑，寓所的外层虽然焕然一新，却不能改变原有的外观。

由于南立面分成几部分，面积较小且受光不足，不适宜使用太阳能外保温，因而在西立面铺设52m2的太阳能保温体系。西侧为太阳能保温构件与建筑物形状相融合提供了可能性。模拟测试的结果显示，装上太阳能保温体系后每平方米每年热能节省50kWh，总能耗将降低6.5%。

房屋技术：

为了完整的贯彻节能的概念，供暖设备将由带有750L缩冲存储器的新型煤气燃烧器替代，它同也供应热水。此供暖设备的能源供给来自于埋在南面屋顶的7.5m2太阳能收集器。

评价：

动态热能仿真计算显示，此改建措施已达到节能目的，热能耗降低超过三分之二。分析能耗测试值将带来更多重要信息。目前此寓所为一处样板工程，可对新型太阳能体系在建筑师中的接受度起到促进的作用。在这个案例中，利用太阳能作为旧房屋改造的新型技术得到很好的验证。

8.2 低能耗房屋Maier, 位于Stutensee—Blankenloch

1996年在Stutensee-Blankenloch造了一栋三层九户住宅楼。地下室为当地社区所用。通过整套保温节能措施，热能耗根据计算为20kWh/m2a（太阳能保温体系降低的能耗不计在内）。不算前檐后檐，整栋建筑形状可得到最佳的表面积体积比。从勒脚至脊檩，整栋建筑被包裹在厚厚的保温壳中。外墙的保温层为20cm，屋顶处为27cm，地板下为16cm。窗户装上K值为0.4 W/m2K的氙气玻璃。东南西立面铺设约100m2的太阳能保温体系，可随着日照的变化补充从窗户获取的太阳能。房间装有排风设备用于可控通风，社区站内装有热能回收通风装置。这栋居住和使用面积总计达814m2的住宅能耗仅相当于一栋单户住宅的平均能耗30kWh。

此外，利用18m2的真空管状太阳能收集器，可抵销热水约一半的能耗。虽然外墙构造和地坪铺设使用了新型技术，但这个工程的特点是工期极短，仅为7个月。

8.3 多户住宅WAG, A-Linz

WAG位于Linz的住宅小区是第一个使用超过100m2太阳能保温体系的样板改建工程。这个案例表明，在保留楼房原有外貌的前提下，使用TWD也较为经济。

这栋建筑有16户住户，总住宅面积为1200m2，外墙由30cm厚的混凝土灰砖组成，采用140m2的太阳能外保温复合系统，墙面其它部分使用10cm厚的传统EPS外墙外保温复合系统。中空保温玻璃窗的K值为1.6W/m2K。

太阳能保温构件作为构造和分割元素铺设在窗户旁，与彩色砂浆色块相匹配，形成有设计感的外墙立面。每年通过光照得到的能源约为100kWh/m2。

9 结语

太阳能技术其实已经得到了较为广泛的运用，比如太阳能光电板，太阳能真空管等；外保温技术和产品体系这些年在国内建筑业更是发展迅猛。而两者的有机结合，更为我们寻求新的外保温技术开创了契机：在降低热损耗的同时利用可再生能源提供热能。成功的技术和成熟的产品体系以及超过10年的实践经验为我们在国内市场的引入和推广做好了最充分的准备。一些试验性项目即将进入实质性阶段。相信太阳能保温体系会为国内外保温技术提供新的发展方向。

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