## 太阳能墙：一种高效的被动式太阳能建筑技术
作为一项重要的绿色建筑技术，太阳能墙在提升建筑节能效益方面发挥着积极作用。从带有相变材料 (PCM) 的太阳墙，到复合太阳墙、光伏太阳墙、锯齿形太阳墙以及太阳能混合墙，各种不同的结构设计层出不穷。作为环保的被动式太阳能组件，太阳能墙能够有效提升建筑热舒适度并显著节约能源。太阳能墙也存在一些不足，例如热传递难以预测、部分系统存在夜间热损失或反向热虹吸现象等。借助适当的能源管理技术，我们可以有效控制和优化太阳能墙的性能。
面对日益增长的全球能源需求，太阳能和其他可再生能源，如风能、水力发电、潮汐能和地热能等，为我们提供了切实可行的解决方案。其中，太阳能作为一种清洁、环保且储量丰富的能源资源，备受关注。
近年来，利用被动式太阳能系统（如太阳能墙）收集太阳能来为建筑物供暖成为众多研究的主题，但鲜少用于制冷。
太阳能墙作为一项高效技术，能够以极低的环境影响收集、储存和合理利用“免费的太阳能”，为建筑提供舒适的室内环境。
相变材料 (PCM) 是一种潜热储存材料，与储存相同能量的传统材料相比，其组件重量更轻。
PCM 在近乎恒定的温度下储存和释放热量，改变了太阳能墙的热演变动态。
用于设计太阳能储存墙的 PCM 需要具备特定的化学、热学和动力学特性，包括：适宜的相变温度、高潜热、无或低过冷现象以及长期化学稳定性。
相变材料 (PCM)
本文介绍了一种自动控制系统的设计、构建和测试过程。该系统旨在通过优化太阳辐射控制，为 PCM 提供过热保护，从而提高太阳能墙的能源管理效率。
本文还展示了将该控制系统集成到两个实际太阳能墙项目中后，通过数据记录获得的实验结果。
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下图展示了本实验研究所用太阳能墙的垂直截面图。该太阳能墙分别安装在法国北部加来海峡省克鲁瓦西耶村的 A、B 两栋房屋上。
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带有传感器位置的太阳能墙垂直截面图
下两图分别展示了 B 房屋和 A 房屋的太阳能墙安装情况。
在长时间的阳光直射下，太阳能墙内部温度可能上升到 70 摄氏度以上。这种过热现象会对相变材料 (PCM) 造成损害，导致盐分分离，PCM 性能下降，储热容量降低。太阳能墙中用于储能的含盐砖块由聚烯烃材料制成，同样无法承受高温。
为解决这一问题，我们需要一个保护系统来限制或阻挡太阳辐射进入太阳能墙。该系统需要全年运行，因为即使在冬季晴朗的日子里，由于太阳高度角较低，太阳辐射强度依然很高。而在夏季，平均气温更高，日照时间更长，房屋对太阳能墙供暖的需求也更低。
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B 房屋上的太阳能墙
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A 房屋上的太阳能墙
在本研究所述的方案中，我们在太阳能墙外部玻璃前安装了卷帘门。下图展示了该保护系统的框图。
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自动保护系统框图
下图展示了该保护系统的硬件组成。
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电子控制箱照片
为了实现过热保护，我们安装了安全热触点系统。当温度过高时，卷帘门会自动关闭。下图展示了 2012 年 1 月四个晴朗日子的数据记录。
标记 ① 表示当储能砖块温度达到 60℃ 时，卷帘门自动关闭。当卷帘门关闭后，砖块温度和砖块外表面的热通量都得到了有效控制。
标记 ② 表示夜间相变材料凝固。当温度下降到 23℃ 时，砖块内部潜热迅速释放到内部通风层。自然对流传热不足以带走突然释放的潜热。 第二天太阳再次出现时，我们观察到砖块并没有完全放电，储存的热能没有得到充分利用。
储存墙外表面和内表面的太阳辐射、温度和热通量
下图显示了二月份的四个寒冷天气的记录。
平均室外温度在零下，第二天和第三天晚上达到零下十度。
太阳辐射在前两天很低，之后有所增加。
请注意房屋 A（红色曲线）的温度低于房屋 B（紫色曲线）的温度。
下午房屋温度曲线的增长表明受太阳辐射的好处。
太阳能通量、外壳的外部温度和环境温度
下图提供了A号房子的太阳能墙功能分析。
如图所示，天气非常冷，室外温度始终低于7℃，并在2012年2月7日早上8点达到-10℃。
通过进气口进入的新鲜空气温度与房屋温度相同，气流通常从下通风口到上通风口流动以加热房屋。
当通风层中的空气被加热时，下部通风口空气的温度实际上与房屋的温度相当，在房间温度梯度内。
当储存砖比房屋更冷时，气流倾向于从上通风口向下通风口流动。
但机械系统避免了这种反向热循环，冷空气被阻挡在下通风口。
在上通风口，孔始终打开，空气温度也受到房屋的主要供暖系统的影响。
实际上，热电偶传感器就在隔板后面，因此它测量空气温度的变化。
分析房屋 a 中的墙体的功能
下图显示了B号房屋相同的记录。
尽管室外温度低于0℃，但上部通风孔（Tuv B）的温度于2012年2月7日下午6点达到了38℃。
分析房屋 b 中的墙体的功能
下图提供了两个太阳能墙在存储部分的外表面和内表面的通量密度情况下的热行为比较。
能量交换发生在存储部分的内表面上，通过内表面传递的能量是与通风层交换的能量，在正通量时释放到房屋中加热。
负通量应对应于从房屋到存储部分的反向交换，并且在通风层中具有自上而下的循环，这应导致房屋冷却效应。
正如上面所解释的那样，由于反向循环系统的防止，这种功能是不可能的。
2012年2月7日两堵墙的功能分析
通量曲线的形状相似，房屋B墙壁的曲线（蓝色和紫色）稍有延迟。
实际上，由于邻居的房屋早上遮住了阳光，以及百叶窗的开启时间，直射阳光的到达时间会稍晚一些。
在图上中，在通量值的数值积分中，提供了储存和释放能量的估计。
当外表面的通量（绿色和蓝色线）为正时，墙壁正在存储能量。
当通量为负时，能量就会流失到外面。
对于内部通量（红色和紫色线），正值表示释放给住房的能量，而负值则对应着能量的损失。
对正的外部通量的积分提供了一个良好的能量捕获值，并证明了墙壁储存了大量能量。
2012年3月，记录了窗帘的位置。
窗帘控制继电器的一个接触被连接到数据记录仪上，在下面的两张图中，底部的灰色线显示了窗帘的位置。
较低的位置（0）表示窗帘关闭，较高的位置（1）表示窗帘被卷起。
观测数据记录于2012年3月22日，夜间窗帘关闭，在早上9点，可编程时间开关控制着窗帘的打开。
那是一个非常晴朗的日子，图中的太阳辐射强度在早上10点到下午4点的六个小时内大于500 W/m²。
砖块由于传入的热通量快速储能，蓝线表示。
下图显示了从上午10点开始的太阳能墙运行情况。
上部通风孔的温度上升到35℃，黄线表示。
房屋温度红线和下部通风孔温度蓝线也都上升了。
在紫色线上，可以看到砖块温度上升到下午1点达到52℃的阈值。
这种过高的温度改变了安全热开关，断开了继电器，窗帘卷下并将墙体关闭。
传入通量被关闭，砖块温度的上升被止住了。
这种效应验证了墙体内部组件过热保护，尤其是砖块材料的有效性。
本研究探讨了集成相变材料 (PCM) 的太阳能墙的能源管理实验研究。
它的显着特点是以真实尺寸在两个有人居住的房屋中进行实际部署。
实验结果表明，基于微控制器的自动控制系统可以有效地保护 PCM 免受过热影响，并提升太阳能墙能源管理流程的效率。
在这项实验研究中，定时开关被用于实现昼夜控制，以减少夜间热损失。
此年开关允许编程夏季/冬季季节性控制，该控制涉及关闭太阳能进气口，在阳光充足的夏季，这样做无益甚至可能对太阳能系统的节能造成损害。
未来的研究可以集中于使用风扇加速内层的通风，从而提取更多热量，例如在下午释放 PCM 材料。
这种复合对流可以提高太阳能墙的效率。
另一个解决方案可以通过在房屋的窗口处安装电动闸门来精确控制逆热循环，并避免房间可能的过热期。
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