CN101059279B - 空气式太阳能集热换气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空气式太阳能集热换气系统，在太阳光辐射受光侧与背光侧的板材间，形成厚度约15mm以下，长度为数cm至数m左右，断面内部流速5m/s以下的极薄通气层，背光板材吸热板靠近两端的部位分别设有空气吸入口和空气吹出口，且分别面向受光侧和背光侧，受光板和吸热板形成的板状体作为空气式集热部材数片在受光面全部上下排列安装，空气吹出口面向板状体的背光侧，背光侧与墙体之间形成相互平行且隔离的上下方向的集合通气层和与空气吸入口连通的送风用连续空间。提供了足够用于防止化学物质污染、结露、发霉、虱虫的室内换气，利用太阳能在寒冷季节缓解换气用空气温度的低冷，防止温室现象、能源不足等方面起到积极的作用。

Description

空气式太阳能集热换气系统

技术领域

本发明是关于安装在建筑物墙面、屋面、遮阳板、阳台扶栏等部分的，主要针对需要换气、采暖的空间的空气式太阳能集热换气系统。

背景技术

日本的建筑的热性能从节能观点来看是非常的欠缺。夏季的暑热依靠电力空调度过，冬天的寒冷依靠大量燃烧石油来采暖，其结果住宅、建筑对能源危机及二氧化碳等引起的地球温暖化现象造成了巨大负面影响。

就建筑的热损失而言、如图27所示的建筑面积约120m²的住宅，新节能标准是339kacl/℃(0.39kW/℃)的热损失中预计屋面(8％)、外墙(27％)、地板(14％)、窗(44％)、门(2％)、换气(15％)的比例损失。而次世代标准提高至186kacl/℃(0.2kW/℃)的热损失，预计将来会进一步降低热损失，但其中的换气热损失的下降难以预料。

换气用空气，就一般结构的建筑而言，通过门框的周边、外墙及屋顶的缝隙自然流入，让足够的换气空气流入室内是常见的。由于强风、换气窗、暖炉燃烧空气等多种原因，引起建筑由外至内的压力下降，从而使外界空气通过缝隙、开口等流入室内。

但是，近年使用断热材料后出现的高保温、高气密建筑，上述的缝隙减少，积极的换气方法有必要被研究。日本修订的建筑基准法要求为了确保健康的生活，进行必要的建筑换气(每小时0.5次，该建筑物容积(称气积)的空气每2小时用室外空气置换1次。为了满足这样的换气，安装机械换气设备并且24小时工作，为此需要安排有计划的换气及空气流通。

如图28所示，现在的住宅所有者对换气系统的不满主要是高比例的人群冬天换气时感到寒冷。由此，换气量不被控制，或者秋冬春季节时，需要增加将室外空气加热到室内温度的热量。

该问题典型的解决方法是安装设有加热流入外气油气加热风机或者电加热风机，但是现在，发达国家应做的不是降低生活水准，而是探索提高生活水准的同时降低环境负荷的新方法。因此，要求建设不仅考虑风以及其他气象条件，而且其他外部环境条件也灵活应付的住宅和建筑，以及最佳的太阳能利用于室内采暖、空调、换气、除湿以及热水供给。

在使用建筑采暖的太阳能集热板时，空气由室内经集热板，再循环至室内。太阳能集热器效率的最高是进入它的空气与周围温度一样的时候。通常冬季的条件下，周围温度比室内温度低，因此冬季时，利用太阳能集热器的再循环是非常低效的。

对此，不利用油气加热风机或者电加热风机等消耗能源的、也不仅仅将室内空气简单地通过太阳能集热器回到室内的，而是将太阳能集热器设置于建筑的向南墙面，将换气用新鲜的外气先通过太阳能集热器，然后送入室内的方法和装置已在下列专利文献中出现。

专利文献1：日本专利特许第2675385号，换气用空气的预热方法及装置

如图29、30所示，专利文献1的波纹板其波形是垂直方向的，外形实质上也被规定是垂直方向的，由直接对外开放的数组3形成日光吸收性的波形集热板2固定在向南墙面1。

波形集热板2是被黑色涂层类热吸收材料所覆盖，集热板与墙面之间实质上被规定为垂直方向的，形成复数通道4。波形集热板2的上端设有四角形断面的空气集合箱罩5。

与空气集合箱罩5中的挡板相连接的是风机箱6，风机箱6有风机7。此外，有电动挡板8用于混合来自于室内的空气和来自于空气集合箱罩5内的被加热空气。与风机箱6连接的是装有纺织物制复数开孔的空气管。

外气沿上述组3向上流动，组3中的空气被来自集热板2的太阳能及来自向南墙面1的室内放射热加热。组3中的被加热的空气在集热板2的上端空气集合箱罩5取出，经空气管送入室内。

前述专利文献1的方法及装置是数组3直接对外开放的，受风等影响后加热的空气易分散，使空气集合箱罩5的集热困难。

此外，前述专利文献1，有可能仅聚集来自组3的空气，及来自组3的空气和通道4的两者空气，通道4有集热面、单边的空气入口、单方向空气流向、另一边空气出口所构成。接收太阳能热的集热面空气由空气入口进入、沿流向空气升温。因此、有必要根据使用温度决定集热面长度。

另一方面，可以想像集热通气层的高度越小，集热性能越好。但通气层的高度越小，通气的阻力越大，风机的动力及噪音也越大，实际上难以采用的想法。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明目的在于消除上述前例的矛盾，提高集热、热交换效率，并且构成部材的小尺寸、自由形状，更能提供满足与建筑设计相融的设计性，更者，因吸入空气不限定于前面，能防止灰尘和雨水等吸入，还能适用于循环系统等的空气式太阳能集热换气系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种空气式太阳能集热换气系统，包括太阳光辐射受光板与背光板材吸热板，在太阳光辐射受光侧与背光侧的板材间，形成厚度约15mm以下，长度为数cm至数m左右，断面内部流速5m/s以下的极薄通气层，上述背光板材吸热板靠近两端的部位分别设置有空气吸入口和空气吹出口，其空气吸入口和空气吹出口中的空气流向分别面向太阳光受光侧及背光侧，该受光板和背光板材吸热板形成的板状体作为空气式集热部材数片在太阳光辐射受光面全部上下方向排列安装，并且为均匀吸入空气而调整通气阻力，空气吹出口面向由板状体的太阳光辐射的背光侧，其背光侧与墙体之间形成相互平行且相互隔离的上下方向的集合通气层和送风用连续空间，前述空气吸入口连通送风用连续空间，从送风用连续空间将空气吸入极薄通气层，空气通过极薄通气层时接收辐射和对流或者传导的热交换，空气被吹出至集合通气层。

所述的空气式太阳能集热换气系统，在太阳光辐射受光侧，安装透光材料并形成密闭空气层。

本发明的集热部材以板状体为单元，该板状体通过极薄空气层吸取热量，以求集热/热交换效率的提高。即，由于通气层变薄，断面内部流速5m/s以下，太阳能辐射受光板材与流过通气层的接触效率提高，热交换性能得以提高。

再者，温度差热交换时，流经距离越短，温度差上升率越大，如此集热部材以板状体为单元，流经距离短又数片排列安装，进一步提高了热交换性能。极薄空气层里加热的被聚集到空气集合通气层，可以得到十分温热的空气。

此外，从(太阳光辐射受光侧与背光侧的空间)后面，将空气吸入极薄空气层，可以选择管道连接等吸入空气，形成循环系统，而且解决了集热面外表面灰尘和雨水等吸入堵塞的问题，还能在集合吸入口安装过滤网等针对扬尘花粉等。

本发明，在太阳光辐射受光侧，安装透光材料并形成密闭空气层在太阳光辐射受光侧，安装透光材料并形成密闭空气层，由此减少风等的影响，加上该空气层的隔热，可以取得高温的加热空气。

特别是密闭空气层，消除了玻璃下面的空气层中的积灰，防止了玻璃下面因积灰而不易清扫的问题。并且，空气层的密闭消除了因玻璃下面外气导入使空气层及集热板的冷却，而引起的阻碍热交换性能的提高。

本发明空气式太阳能集热换气系统是，通过具有极薄通气层的集热部材，调整空气阻力使空气均等的吸入，构成一定大小·形状的集热面，并能提高集热/热交换效率。而且集热部材的构成大小·形状的自由，更能提供满足与建筑相融的设计性。更者，因吸入空气不限定于前面，能防止灰尘和雨水等吸入，还能适用于循环系统等的空气式太阳能集热换气系统。

本发明可提供足够用于防止化学物质污染、结露、发霉、虱虫的室内换气，另一方面，利用太阳能在寒冷季节缓解换气用空气温度的低冷，防止地球温室现象、能源不足问题等方面起到积极的作用。

附图说明

图1是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的第1实施方式的纵向剖面模式图。

图2是本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的纵向剖面模式图。

图3是本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的斜视图。

图4是本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的第1变形例说明图。

图5是本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的第2变形例说明图。

图6是本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的第3，4变形例说明图。

图7是表示本发明空气式太阳能集热换气系统中使用的板状体的第5变形例的斜视图。

图8是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的第2实施方式的纵向剖面模式图。

图9是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的第3实施方式的纵向剖面模式图。

图10是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的安装例的纵向剖面模式图。

图11是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的应用例的纵向剖面模式图。

图12是表示本发明与以前的集热比较，短流动时温度差热交换实验结果图。

图13是表示本发明与以前的集热比较，薄空气层时温度差热交换实验结果图。

图14是本发明空气式太阳能集热换气系统与蓄放热体组合的第1例白天时的说明图。

图15是本发明空气式太阳能集热换气系统与蓄放热体组合的第1例夜晚时的说明图。

图16是本发明空气式太阳能集热换气系统与蓄放热体组合的第2例白天时的说明图。

图17是本发明空气式太阳能集热换气系统与蓄放热体组合的第2例夜晚时的说明图。

图18是本发明空气式太阳能集热换气系统与太阳能电池驱动并用的第1例说明图。

图19是本发明空气式太阳能集热换气系统与太阳能电池驱动并用的第2例说明图。

图20是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的外墙安装的第1例纵向剖面模式图。

图21是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的外墙安装的第2例纵向剖面模式图。

图22是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的屋顶安装的第1例纵向剖面模式图。

图23是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的屋顶安装的第2例纵向剖面模式图。

图24是表示本发明空气式太阳能集热换气系统的遮阳板安装例的纵向剖面模式图。

图25是本发明空气式太阳能集热换气系统与辐射采暖炉组合的说明图。

图26是利用本发明空气式太阳能集热加温换气系统与阳光房组合的说明图。

图27是表示关于建筑热损失的比较图。

图28是表示对换气系统的住宅所有者的不满分布图。

图29是表示以前发明的斜视图。

图30是表示以前发明的主要部件平面图。

1…墙  2…集热板  3…组  4…通道  5…空气集合箱罩

6…风机箱  7…风机  8…电动挡板  9…空气管

10…板状体  11…受热板  12…吸热板  13…极薄通气层

14…空气吸入口  15…空气吹出口  16…连接部

17…墙面  18…集合通气层  19…太阳辐射透光材料

20…空气层  21…衬垫  22…密封材  23…对象空间

24…送风机  25…蓄放热体  26…太阳能电池  27…控制器

28…采暖炉  29…阳光房  30…室内直接用风机

31…管道  32…地板下空间吹出用风机

40…送气用连续空间  41…送气管  44…外气吸入管

45…屋顶

具体实施方式

图1是空气式太阳能集热换气系统的第1实施方式的纵向剖面图。图中10，也如图2、3所示，是介于太阳光辐射受光板11与背光板材吸热板12之间的距离约15mm以下(例如8mm)的极薄通气层13，平行安装的扁平状板状体。该板状体10也可能是曲面形状。并且，如图7所示的受光板11也可以有凹凸的波形板，以此增加受光面积。

极薄通气层13，由于通气层变薄，受光板与流过通气层的空气接触效率提高，热交换性能得以提高，其厚度大约15mm以下，较佳的厚度约为8mm。(但是，如处理风量有较大不同，则通气层高度也相应调整。)

板状体10的用材是热传导比较好的材料如金属等即可，无特别限制。但受光板11是作为集热表面材料以黑色金属板、选择吸热膜板等为宜。而且、受光板11是作为集热表面材料使用太阳能电池板也有可能。能冷却太阳能电池板以防止发电效率的下降。

板状体10的一端是空气吸入口14、另一端为空气吹出口15，数组排列安置。板状体10的空气吸入口14、空气吹出口15共同设在太阳光辐射受光侧的相对侧，即吸热板12一侧。

板状体10的上下长度约900mm，可变范围可设定为数十mm-数十m。

而且，如图3、7所示，整体是有宽度的横长型，太阳光辐射受光面整体上极薄通气层13的流动方向长度较短(约数cm-1m)的数组并列设置，以便调整通气阻力均匀吸入空气。

如上所述，板状体10排列，考虑极薄通气层13的空气阻力平衡，使单位面积的风量基本相同，并且，由于分割的集热部材(板状体10)均匀吸入空气，小(短)的热交换(集热)，可得到想利用的温度。

上述极薄通气层13的断面内部流速，考虑到阻力平衡及后述常用风机24的压力(静压)，设定于约5m/s以下。

图1所示本实施方式，板状体10如受热面整体的安装面或集热单元的后板是建筑物墙面17时，太阳光辐射受光侧的相反侧(墙面17的之间)，形成集合通气层18。与此集合通气层18平行的各板状体10的空气吸入口14经送风管41连通送气用连续空间40。

此外，空气吸入口14与空气吹出口15的位置关系有平行、圆形和中心点、多角形等多种形式。如图所示空气吸入口14为下方、空气吹出口15为上方的形式以外、如图4所示空气吸入口14由上下方形成，空气吹出口15在吸热板12的中央的形式。如图5所示空气吹出口15由上下方形成，空气吹入口14在吸热板12的中央的形式。如图6所示，空气吸入口14由吸热板12的许多小孔形成的情况等。

还有，其他的实施方式如图8所示，太阳光辐射受光侧上，也适宜安装玻璃等透明板让太阳光透过的材料19而形成空气层。该空气层的端部密封形成密闭空气层20，期望与外部无空气交流。该密闭空气层20是由空气隔热成为隔温层。

更有，其他的实施方式，为固定极薄通气层13的通气层厚度，受热板11与背侧的板材吸热板12之间，安装铝材等传导性佳的材料作为衬垫21的板状体10。

图10是，本发明空气式太阳能集热换气系统的安装事例图，数组并列板状体10和集合通气层18及送气用连续空间40形成空气式太阳能集热部，在该空气式太阳能集热部与室内的对象空间23的及连通部分里安装风机24。

如此，在太阳光辐射受光位置设置数组板状体10，该板状体10从受光侧由空气吸入口14吸进外部空气，通过薄型空气层即极薄通气层13集取太阳能热量，每个板状体10的由空气吹出口15吹出集热后的空气，经集合通气层18聚集，风机24后供给对象空间23。

本发明处理风量及极薄通气层13的通气阻力与风机24的功率可以取得平衡。

本发明是利用极薄通气层，受热板与流经空气的接触效率得以提高，与辐射热的对流与传导的热交换性能提高，本发明的效果确论试验如图12-13所示。性能提高的关键是在较短的流经长度中进行温度差热交换及较薄通气层的热交换。

图11是本发明空气式太阳光集热换气系统的应用实例，风机24逆向运转后，空气的流动顺序是，对象空间23的空气、集合通气层18，太阳能集热部材板状体10、然后经送气用连续空间40到外气的逆向流动的运转模式。

由此逆向运转模式可以实现24小时换气。夏季白天，送气用连续空间40，集合通气层18，太阳能集热部材板状体10的流动空气形成空气帘，可以防止墙面上的辐射热的侵入。

更者，作为其他的应用实例，如图14-17所示，与集热空气接触热交换的位置设置蓄放热体25。图14、15是单独设置蓄放热体25，图16、17是一体化设置蓄放热体25。该蓄放热体25可使用混凝土、水、砖块、潜热蓄热体等。

图14、16表示白天的蓄热+温度调节的运行，可接收太阳光辐射的白天、集热的最高温度时让蓄放热体25蓄热(吸热)以缓解对象空间23的供气温度过高。

还有，图15、17表示夜晚的放热+加温调节的运行，太阳落日过程中，白天蓄放热体25的蓄热得以释放，以缓解对象空间23的供气温度如外气温度一样的过低。

如图18、19所示，利用太阳能电池26的发电以供运转使用的情形，由太阳能电池26及控制器27等构成独立运转的单元，即使无商业电源的供给，该单元单独安装后，也可以实现太阳能集热换气系统。例如，建筑改建翻新时安装、别墅等无人建筑、以及其他的利用。图18是太阳能电池26独立于板状体10安装的情形，而图19是太阳能电池26与板状体10一体化安装的情形。

作为其他实施例，如图25所示，替代太阳光辐射的，利用采暖炉28辐射，该辐射经板状体10的受热板11的受热，背侧吸热板12的放热，回收后的辐射热·对流热送入对象空间23。或者，采暖炉28的使用空间内循环利用也可。

本实施方式中，辐射热受热侧的背侧吸入空气，采暖炉的附近成为负压，不会对燃烧产生影响，而且，燃烧时的废气也不可能送入对象空间23。此类循环式热回收(交换)系统的构成，不必担心系统运转时影响采暖炉燃烧、废气送入等。

如图26所示，是板状体10的外侧是温室29的情形。温室29内部的集热升温空气送入对象空间23。

此情形时，温室29的地板也横向铺设板状体10形成集热地板，冬季，地板下面的空间吹出用风机32运转时，该板状体10的地板结构里流入空气，集热升温后的空气吹入室内换气。

冬季寒冷时期，温室29内部导入冷空气经板状体10集热加温后的空气吹入对象空间23换气时，因温室29内部导入冷空气而使集热面附近温度及集热表面温度下降，可能会降低集热性能提高的程度。

本发明，因构成循环系统，温室29内部(集热面附近)的空气温度及集热表面升高，可进一步提高集热性能。而且，当温室29内部的大量植物等发出臭气时，能将该臭气不送入对象空间23。

工业利用的可能性

以上的实施方式、是就数组并列设置的板状体10与集合通气层18组合而成空气式太阳能集热部安装在建筑墙面17上的情形下的说明，有如此在建筑的墙面17上安装的情形，也有如图20所示，外气吸入口44及与其连通的送气用连续空间40与墙面17的外表面形成，或如图21所示，外气吸入口44及与其连通的送气用连续空间40与建筑的外墙通气层形成的情形等。

图22、23数组并列设置的板状体10与集合通气层18组合而成空气式太阳能集热部安装在建筑屋面17上的情形。

图22是空气式太阳能集热部安装在建筑屋面45的外表面的情形，外气吸入口44及与其连通的送气用连续空间40与屋面45的外表面形成，图23是与建筑屋面的通气层形成的情形。

图24是数组并列设置的板状体10与集合通气层18组合而成空气式太阳能集热部安装在建筑遮阳板上的情形。

Claims (2)

1.一种空气式太阳能集热换气系统，其特征在于：包括太阳光辐射受光板与背光板材吸热板，在太阳光辐射受光侧与背光侧的板材间，形成厚度约15mm以下，长度为数cm至数m左右，断面内部流速5m/s以下的极薄通气层，上述背光板材吸热板靠近两端的部位分别设置有空气吸入口和空气吹出口，且空气吸入口和空气吹出口中的空气流向分别面向太阳光受光侧及背光侧，该受光板和背光板材吸热板形成的板状体作为空气式集热部材数片在太阳光辐射受光面全部上下方向排列安装，且为均匀吸入空气调整通气阻力，空气吹出口面向板状体的太阳光辐射的背光侧，其背光侧与墙体之间形成相互平行且相互隔离的上下方向的集合通气层和送风用连续空间，前述空气吸入口连通送风用连续空间，从送风用连续空间将空气吸入极薄通气层，空气通过极薄通气层时接收辐射和对流或者传导的热交换，空气被吹出至集合通气层。

2.根据权利要求1所述的空气式太阳能集热换气系统，其特征在于：在太阳光辐射受光侧，安装透光材料并形成密闭空气层。

Images