در طی زمان، تغییراتی در ساختار دیوارهای ترومب برای بهبود کارایی آنها صورت گرفته است. بر اساس اکثر عملکرد هایی که برای دیوار ترومب در نظر گرفته می‌شود، می توان آنها را به دوسته تقسیم کرد: انواعی که برای مقاصد گرمایشی استفاده می‌شوند و انواعی که برای مقاصد سرمایشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

در این مقااله برای انواعی که به منظور گرمایش مورد استفاده قرار می‌گیرند هفت پیکربندی مختلف شرح داده خواهند شد که عبارت اند از: 

1. دیوار ترومب کلاسیک (CTW)
2. دیوار ترومب کاپوزیت یا دیوار ترومب-میشل (TMW)
3. دیوار ترومب آبی  (WTW)
4. دیوار ترومب زیگزاگی (ZTW)
5. دیوار ترومب خورشیدی شفاف (STW)
6. دیوار ترومب فلوییدایز (fluidise) شده (FTW)
7. دیوار ترومب فتوولتاییک (PVTW)

همچنین از انواع دیوار ترومب هایی که برای مقاصد سرمایشی مورد استفاده قرار می‌گیرند سه نوع پیکربندی مختلف معرفی خواهند شد: 

1. دیوار سرمایش تبخیری سرامیکی (CECW)
2. دیوار ترومب کلاسیک و دیوار ترومب فتوولتاییک برای حالت کارکرد سرمایشی 
3. ترکیب دیوار ترومب با دودکش خورشیدی (SCTW)

تصویر زیر دسته بندی عمومی این دیوارها را نشان می‌دهد. 

انواع گرمایشی دیوار ترومب

ایده‌ی دیوار ترومب برای اولین بار توسط موریس در قرن نوزدهم میلادی مطرح شد و بعدها توسط فلیکس ترومب و جکس میشل در سال 1957 توسعه داده شد و محبوبیت یافت. آنها در سال 1967 اولین خانه را که در آن از دیوار ترومب استفاده شده بود را در کشور فرانسه ساختند. این دیوار ترومب دارای یک پیکر بندی ساده بود و برای جمع آوری گرمای خورشید و فراهم آوردن گرمایش برای فضای داخل طراحی شده بود که تحت عنوان دیوار ترومب کلاسیک شناخته می‌شود. سطح خارجی دیوار، رنگ آمیزی سیاه داشت تا ضریب جذب افزایش پیدا کند و در جلوی آن یک سطح شیشه ای قرار داشت. بدین ترتیب کانالی بین دیوار و شیشه ایجاد می‌شد. تصویر زیر نشان دهنده‌ی نحوه کار این نوع دیوار می‌باشد.

دیوار ترومب کلاسیک می‌تواند از تابش خورشیدی برای ایجاد اثر گلخانه ای در فاصله هوایی دیوار و سطح شیشه ای استفاده کند و گرمای آن را جذب و آن را در دیوار حجیم ذخیره کند. بخشی از این انرژی از طریق رسانش به داخل منتقل می‌شود. در همین حین، هوای با دمای پایین از طریق دریچه های پایینی دیوار وارد فضای بین شیشه و دیوار می شود و توسط دیوار گرم می‌شود و در نتیجه اثر بویونانسی به سمت بالا حرکت می‌کند. این هوای گرم شده از طریق دریچه های بالایی دیوار وارد اتاق می‌شود. بدین ترتیب قسمتی از تبادل انرژی دیوار ترومب با فضای داخل از طریق تابش و بخشی از طریق تهویه‌ی انجام شده از طریق دیچه ها خواهد بود. این پیکربندی ساده‌ی دیوار ترومب دارای نقاط ضعف زیر خواهد بود:

1. مقاومت حرارتی پایین. در طول شب یا روزهای ابری طولانی، بخشی از شار حرارتی از سمت داخل به سمت خارج منتقل خواهد شد که نتیجه اش هدر رفت انرژی فراوان از ساختمان خواهد بود.
2. پدیده ترموسیفون معکوس. زمانی که دیوار خازن حرارتی سردتر از هوای لایه‌ی تهویه شده باشد، به صورت مشخص در شب های فصول سرد، این هوا خنک می‌شود و مجددا وارد اتاق می‌شود  و در نتیجه دمای اتاق را کاهش خواهد داد.
3. ارزش زیبایی شناختی پایین.

به منظور افزایش مقاومت حرارتی دیوار ترومب کلاسیک و کنترل ملزومات آن، نوع دیگری از انواع گرمایشی دیوار ترومب که تحت عنوان دیوار ترومب کامپوزیت یا دیوار ترومب- میشل شناخته می‌شود، توسعه داده شده است. دیوار ترومب کامپوزیت از لایه های متعددی تشکیل یافته است. این لایه ها شامل یک لایه شفاف بیرونی، یک لایه هوای بسته، یک دیوار خازن، یک لایه هوای تهویه شده و در نهایت یک لایه عایق حرارتی می‌شود. طرز کار آن مطابق آنچه که شرح داده می‌شود خواهد بود. لایه اول، که شفاف است، مقدار زیادی از تابش خورشیدی دریافتی را به سمت داخل گسیل می‌کند. متعاقبا، دیوار خازن، بخشی از انرژی خورشیدی را جذب می‌کند و در نتیجه اثر گلخانه‌ای گرم می‌شود. این انرژی حرارتی می‌تواند از طریق رساش از طریق دیوار خازن از سمت خارج به داخل منتقل شود. سپس این انرژی می‌تواند از طریق همرفت منتقل شود در حالی که از پدیده جریان ترموسیفونی هوای بین دوار حجیم و دیوار عایق استفاده می‌کند. به علاوه، یک بخشی از انرژی از طریق رسانش از دیوار به اتاق منتقل می‌شود.  درنیتجه تقریبا کل انرژی از طریق تهویه لایه هوا در اختیار ساختمان قرار می‌گیرد. به دلیل مقاومت حرارتی بالای این طرح (وجود لایه عایق حرارتی و لایه های هوا) شار حرارتی اندکی از سمت داخل به خارج منتقل خواهد شد. علاوه بر این، کاربران می توانند نرخ گرمایش را همیشه از طریق تنظیم جریان هوا کنترل کنند. این در حالی است که این نوع دیوار ترومب نمی‌تواند مانع جریان معکوس ترموسیفونی موجود در دیوار ترومب کلاسیک شود و نیاز به مکانیسم هایی برای جلوگیری از آن دارد. 

شیوه‌ی دیگری برای کاهش هدر رفت حرارت در دیوار ترومب کلاسیک استفاده از آب به عنوان خازن حرارتی به جای مصالح ساختمانی مانند بتن، آجر، خشت و سنگ می‌باشد. از اینرو دیوار ترومب آبی اختراع گرید. به دلیل اینکه گرمای ویژه آب بیشتر از مصالح ساختمانی می‌باشد، دمای سطح آب به اندازه مصالح ساختمانی افزایش نمی‌یابد. در نتیجه گرمای کمتری از طریق سطح شیشه ای بازگردانده می‌شود (به سمت خارج). با این وجود، نگهداری آب بسیار سخت تر از نگهداری مصالح صلب مانند مصالح بنایی می‌باشد. 

نوع دیگری از دیوار ترومب، دیوار ترومب زیگزاگ می‌باشد که به منظور تقلیل دریافت حرارتی مازاد و خیرگی در روزهای آفتابی طراحی شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، این دیوار از سه مقطع تشکیل می شود. یک مقطع رو به جنوب می‌باشد. در حالی که به دو مقطع دیگر به نحوی زاویه داده شده است که رو به داخل باشند و یک دیوار به شکل V را ایجاد کنند. مقطعی که رو به جنوب شرق است دارای نورگذری است که در سرمای اول صبح، زمانی که گرمایش سریع مورد نیاز است، نور و حرارت را تامین می‌کند. در مقابل دیوار ترومب V شکل، دیوار ترومب کلاسیک قرار دارد که برای پخش حرارت در ساعات سرد شب گرما را ذخیره می‌کند.

نوع خلاقانه‌ی دیگری از انواع گرمایشی دیوار ترومب، دیوار ترومب شفاف می‌باشد. این نوع دیوار ترومب، یک دیوار شفاف مدولار می باشد که هم گرما و هم روشنایی را برای فضای ساکنین فراهم می‌کند. بنابراین، دیوار ترومب شفاف یک نقش زیبایی شناختی را از طریق ایجاد دسترسی بصری به داخل بنا را ایفا می‌کند. این دیوارها از یک محفظه بسته آب بین دو قاب شیشه که توسط یک قاب فلزی نگه داشته می‌شوند، تشکیل یافته اند. یک صفحه نیمه شفاف جاذب بین دو قاب موازی شیشه قرار دارد. بخشی از تابش خورشیدی دریافتی به وسیله آب و صفحه شیشه ای نیمه شفاف جذب می‌شود و ما بقی تابش عبور داده شده هم باعث گرمایش و هم ایجاد روشنایی لازم برای فضای داخل می‌شود. بنابراین این سیستم هم از سیستم جذب مستقیم و هم از سیستم جذب غیر مستقیم استفاده می‌کند و برای مکانهایی که دمای در طول روز زیاد است، مناسب می‌باشد. مشکل اصلی این سیستم وجود انتقال حرارت از طریق همرفت در دیوار شفاف است که با نصب تیغه های شفاف می توان بر این مشکل فائق آمد. 

یک ایده‌ی جدید از دیوارهای ترومب فلوییدایز شده که از نوع دیوارهای ترومب گرمایشی است، توسعه داده شده است که بر اساس دیوار ترومب کلاسیک است ولی فضای خالی بین دیوار ترومب و پوشش شیشه ای توسط مواد فوق جاذب با دانسیته‌ی پایین پر شده است. انرژی خورشیدی دریافت شده توسط این ذرات فوق جاذب از طریق فن هوا جریان به فضای داخل منتقل می‌شود. دو فیلتر در بالا و پایین این کانال هوا از ورود ذرات فوق جاذب به داخل فضا جلوگیری می‌کنند. این نوع دیوار ترومب بسیار کاراتر از دیوار ترومب کلاسیک می‌باشد زیرا هوا (سیال انتقال دهنده حرارت (HTF)) مستقیما با ذرات فلوییدایز شده در ارتباط است. 

نوع دیگری از دیوار ترومب های گرمایشی با به کار گرفتن سلول های خورشیدی در دیوار ترومب کلاسیک اختراع شده است که تحت عنوان دیوار ترومب فتو‌ولتاییک شناخته می‌شود. این دیوار ترومب فتولتاییک نه تنها حرارت لازم برای گرمایش فضا را فراهم می‌اورد بلکه انرژی الکتریسته نیز تولید می‌کند که در عین حال ارزش زیبایی شناختی آن را نیز بالا می‌برد. پوشش فتوولتاییک بر روی شیشه، قابلیت گرمایشی دیوار ترومب را کاهش می‌دهد، اگرچه این نوع دیوار ترومب الکتریسیته تولید می‌کند که در مقایسه با انرژی گرمایشی از ازرش بالاتری برخوردار است. 

انواع سرمایشی دیوار ترومب

ایده های سرمایش غیر فعال برای ساختمان را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

1. کاهش گرمای خورشیدی و همرفتی ورودی: جهت گیری، سایه اندازی توسط ساختمان‌های مجاور، سایه اندازی توسط گیاهان، سایه اندازی توسط نما های پیشآمده طرح‌دار، سطوح منعکس دهنده و در پناه بودن از بادهای گرم.
2. کاهش انتقال حرارت: عایق حرارتی، لایه هوا
3. افزایش هدررفت حرارت از طریق تابش: المان‌های متحرک، مساحت سطوح زیاد
4. افرایش هدررفت حرارت از طریق همرفت: مدیریت بادهای خارجی، تهویه طبیعی داخلی، تهویه اجباری داخلی، تونل های هوای زمینی که در آن ها آب جریان دارد.
5. افزایش هدررفت حرارت از طریق تبخیر: سرمایش هوای داخل و خارج، سرمایش سطوح ساختمان.

بر اساس ایده های 1 تا 5، نخستین دیوار ترومب سرمایشی، دیوار سرمایش تبخیری سرامیکی می باشد. این دیوار از یک پرده‌ی عایق انعکاسی خارجی به منظور جلوگیری از ورود مستقیم تابش خورشیدی، استفاده می‌کند. در این نوع دیوار، عماصر سرامیکی متخلخل که با آب تمیز پر شده اند، در دیوار داخلی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ورودی هوای خارج از طریق شکافهایی در قسمت پایینی فاصله هوایی  و خروجی هوا در قسمت بالایی آن می باشد. در تابستان، این فاصله هوایی به عنوان فضای خنک کننده به منظور کاهش دمای هوای خارج از طریق پدیده سرمایش تبخیری عمل می‌کند.

دومین نوع دیوار ترومب سرمایشی بر اساس عملکرد دودکش خورشیدی توسعه یافته است. این نوع دیوار ترومب یک اختراع جدید نمی باشد بلکه تنها یکی از حالتهای عملکردی دیوار ترومب گرمایشی است. برای اقلیم های معتدل، زمانی که دمای خارج از دمای داخل پایین تر است، این دیوار ترومب سرمایشی به صورت تهویه طبیعی عمل می‌کند. هر چند در اقلیم های گرم، زمانی که دمای بیرون از دمای داخل بیشتر است، این دیوار به عنوان یک عایق طبیعی عمل کرده و دریافت حرارت اتاق را کاهش می‌دهد. بر اساس ایده های 2 و 4 هر دو حالت می‌توانند سرمایش غیر فعال برای فضای داخل ایجاد کنند. با این وجود این نوع دیوار ترومب سرمایشی از نظر معماری جذاب نبوده و فاقد جنبه های زیبایی شناختی می باشد. علاوه بر این در این نوع دیوار ترومب احتمال وقوع بیش گرمایش در فصل تابستان به دلیل فقدان کنترل بر روی انرژی عرضه شده توسط دیوار خازن وجود دارد. برای پاسخ دادن به نیازهای آسایش حرارتی و ارزش‌های زیبایی شناختی، از پنل های فتوولتاییک و دستگاه‌های سایه انداز در نوع دوم دیوار ترومب های سرمایشی استفاده می شود که خود نیز حالت عملکردی دیگری از دیوار ترومب فتوولتاییک در تابستان می‌باشد.

نوع دیگری از دیوار ترومب‌ها به صورت تجربی در مناطق گرم و خشک مورد آزمایش قرار گرفته است که ترکیبی از دیوار ترومب و دودکش خورشیدی است. این طرح خلاقانه  ایرادات اصلی دو سیستم قبلی را پوشش میدهد: عدم کاربرد دیوار ترومب در نیمی از سال و عدم توانایی دیوار ترومب در ایجاد جریان هوا در اوقات انتهایی روز. علاوه بر این، بر خلاف دیوار ترومب کلاسیک که سطح جاذب، تابش خورشیدی را فقط از یک سمت دریافت می‌کند، در این طرح جدید کانال تعبیه شده در دیوار ترومب امکان دریافت تابش خورشیدی توسط سطح جاذب را از 3 جهت شرق، جنوب و غرب فراهم می‌کند که دمای کانال و جریان هوای داخل آن افزایش پیدا کنند. گذشته از این موضوع، به منظور کاهش دمای هوا و افزایش رطوبت داخل اتاق، هر دو ورودی هوای تازه به سیستم های اسپری آب مجهز گشته اند. بر اساس نتایج تجربی، استفاده از اسپری آب کارایی حرارتی سیستم را حدودا 30 درصد بهبود می‌بخشد. 

منبع:

Hu, Z., He, W., Ji, J., Zhang, S., 2017. A review on the application of Trombe wall system in buildings. Renew. Sustain. Energy Rev. 70, 976–987. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2016.12.003