CN102121298B - 气温自适应节能装置及节能墙体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气温自适应节能装置，该装置由外到内包括有太阳能光伏发电方阵层、散热层、热电热泵芯层和热辐射层，太阳能光伏发电方阵层是由光伏电池板拼接而成，热电热泵芯层是由热电热泵芯片组成，太阳能光伏发电方阵层与热电热泵芯层通过电线连接，电线上接有一电流转向开关。本发明还公开了一种节能墙体，其墙体侧壁和/或顶板上开凿有安装孔，安装孔中装设有前述的气温自适应节能装置。本发明的气温自适应节能装置及节能墙体具有结构简单紧凑、施工方便、成本低、温控和节能效果好等优点。
Description
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，尤其涉及一种具有多种温控功能的装置和装设有该装置的节能型建筑构件。
背景技术
在能源危机和环保的双重制约下，节能建筑逐渐成为建筑领域的发展趋势。目前，建筑围护结构节能技术主要包括墙体内/外保温、自保温、夹芯保温等局限于提高围护结构的热工性能或增加围护结构厚度的技术措施。众所周知，这些节能措施仅能满足严寒地区建筑在冬季的节能要求，对于夏天酷热的南方地区，尤其是凉爽的夜间，保温墙体反而可能成为夏季通风降温的阻力，弱化建筑物的节能效果。因此，冬季既能保温、夏季又能防热的建筑节能墙体及节能装置的研制，对减少建筑能耗、实现可持续发展具有重要意义。
目前，太阳能光伏建筑一体化技术得到了快速的发展，由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，可以缓解城市用地的紧张状况；更重要的是，将太阳能光伏发电方阵安装在建筑围护结构外表面来提供电力，能使得建筑物从单纯的耗能型变为供能型，可缓解城市发展与能源供应的巨大矛盾。然而，在太阳能电池发电的过程中，电池的背面温度高于表面温度和环境气温，随着太阳辐射照度增大和发电功率上升，电池背面温度不断升高；研究表明，光伏电池温度每升高1℃，转换效率平均下降0.4%～0.5%，在实际应用中，光伏电池工作时只有6%～15%的太阳能转换为电能输出，而剩下的85%以上都转换为热能，这使得现有太阳能光伏系统存在光电转换效率较低、发电成本相对较高的问题。为了提高光伏电池的转化效率，目前普遍采用的光伏电池散热方式是以空气或水作为冷却介质，但其效果并不十分理想；而普通节能建筑只是留足了太阳能电池组件的散热空间，在冬季室内需要采暖时，太阳能组件所产生的热能却被白白地浪费掉。因此，研究光伏发电高效率的散热系统对光伏发电系统整体效率的提高具有重要作用。
值得注意的是，太阳能光伏发电产生的是直流电，发电成本仅0.7元/kWh，通常在太阳能光伏发电系统将光能转换成直流电后，再通过各种管线流向汇流箱，汇流箱把集中起来的直流电输往光伏并网逆变器（逆变器的效率为84.4%），再转换成交流电送入电网；加上控制器和传输线路的电力损失，最终的系统能源利用效率大大降低，这导致目前并网发电成本大大提高（并网发电成本大约2元/kWh）。因此，我们有必要研究光伏发电的原地发电、原地用电的应用模式。
另一方面，太阳能驱动的制冷技术目前主要有吸附式和吸收式两类，但是这两类空调的体积大、效率低，难以实现小型化和紧凑化，更难以与建筑物围护结构进行结合实现太阳能建筑一体化的目标。
CN201466046U号中国专利文献公开了一种光电光热保温建筑一体化节能系统，其采用金属导热管对光伏电池基板进行吸热，并将热量储存在水中供给的人们的生产生活。然而，该系统仅仅是被动地将光伏电池板的热量转移到水中，并不是主动对光伏电池板的热能进行主动吸收并冷却，而且其不能实现制冷功能，系统结构也较为复杂，不能实现对室内环境温度的主动控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、施工方便、成本低、温控和节能效果好的气温自适应节能装置，相应还提供一种能适应季节和气候变化、具有供热、通风和降温等多种功能的的节能墙体。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种气温自适应节能装置，所述装置由外到内包括有太阳能光伏发电方阵层、散热层、热电热泵芯层和热辐射层，所述太阳能光伏发电方阵层是由光伏电池板拼接而成，所述热电热泵芯层是由热电热泵芯片组成，所述太阳能光伏发电方阵层与热电热泵芯层通过电线连接，电线上接有一电流转向开关。
上述技术方案是基于以下技术思路：即首先利用光伏发电直接产生直流电的光电效应，将产生的直流电直接输送至半导体的热电热泵芯层，然后利用热电热泵芯层在获得较低品位热量方面（如建筑供热，生活热水以及低温干燥等）的高效率和独特优势，将光伏发电技术与热电热泵技术有机结合；在此基础上，通过利用散热风道密闭后形成的空气介质层，使制热时的半导体热泵热电芯片充分吸收光伏电池基板的热量，进而将太阳能光电、光热产生的能量同时利用并有效转化为室内供热，使光伏发电系统、热电热泵系统的利用效率均得到有效提升，以最大限度地提高太阳能光伏发电系统的利用效率和稳定性，提高热源温度，满足建筑的能源供应。
作为对上述技术方案的进一步改进，上述的气温自适应节能装置中，所述散热层设有与所述热电热泵芯片相连接的散热器，所述散热器与太阳能光伏发电方阵层之间设有一散热风道，所述散热风道的通风口设有控制通风口启闭的风道开关。通过调节风道开关的启闭，可以实现散热风道的不同功能，并对应实现上述气温自适应节能装置不同的工作状态。例如，优选的，当所述散热风道设有上、下两个通风口时，上、下两个通风口处分别设有对应的上风道开关和下风道开关，在冬季需要采暖的制热工况下，上、下风道开关可同时关闭，散热风道则成为一密闭空间，其中的空气介质则能起到良好的保温效果，使光伏电池板散发的热量能够蓄存在密闭的散热风道中，同时直接利用光伏电池产生的直流电来驱动热电热泵芯片组吸收光伏电池板基板的热量，使光伏电池板基板的温度降低，减小热电热泵芯片两端的温差，进而在提高光伏方阵发电效率的同时，提高了热电热泵芯片的制热效率。在夏季制冷时，则同时打开上风道开关和下风道开关，散热风道便具备了类似于烟囱的工作状态，其能够加强本发明的气温自适应节能装置在向室内制冷工况下的通风和散热，解决了因太阳能电池过热影响发电及制冷效果的问题。
作为进一步的改进，在上述的气温自适应节能装置中，所述热电热泵芯层的内侧连接有一热辐射层，所述热辐射层是由辐射板构成，所述辐射板的腔体内填置有蓄热材料（蓄热材料可采用水作为介质，或采用其他相变点在20℃左右的蓄能材料，优选用水）或者在辐射板的内侧设置通向室内的散热翅片。当辐射板内置有蓄热材料时，其能够使从热电热泵芯片蓄积的热量或冷量更加缓慢、均匀地释放到室内。当辐射板与室内接触的内侧面设置为散热翅片时，其可增大散热面积，改善热电热泵芯片的散热情况。
在上述优选的气温自适应节能装置中，所述散热器的内侧和辐射板的外侧相应位置均可设置栅格状凸条，所述凸条由隔热材料制成，所述热电热泵芯片设置在凸条与散热器内侧面和辐射板的外侧面所共同围成的网格状凹槽中。
上述的各气温自适应节能装置，所述电流转向开关优选设有分别控制电流正流、逆流和断开的三个档位（从太阳能光伏发电方阵层到热电热泵芯层的电流流向为正流），三个档位反应到热电热泵芯片向着室内工作面的工作状态分别为制热、制冷和不工作；所述太阳能光伏发电方阵层连接有蓄电池，所述电流转向开关处于断开档位时（亦即热电热泵芯片不工作时），太阳能光伏发电方阵层则可向所述蓄电池充电以储藏电能，以供备用。本优选的技术方案仅提供电流转向开关档位的设置方式以及其与蓄电池的配合方式，本领域普通技术人员可依据公知常识完成电流转向开关的电路连接。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种节能墙体，所述墙体侧壁和/或顶板上开凿有安装孔，所述安装孔中装设有前述的气温自适应节能装置，所述气温自适应节能装置向室内制热时，所述上风道开关和下风道开关关闭，使散热风道形成密闭空间，所述电流转向开关设置在正流档位；所述气温自适应节能装置向室内制冷时，开启所述上风道开关和下风道开关，所述电流转向开关设置在逆流档位。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明直接利用太阳能光伏电池板产生的直流电驱动热电热泵芯片向建筑物内部供热/制冷，实现光伏发电的“原地发电、原地用电”。本发明的技术方案在制热时利用光伏电池发电驱动半导体热泵吸收光伏电池基板的热量，在大大提高光电整体利用效率及热电热泵工作效率的同时，还提升了建筑物围护、墙体结构自身的自保温/隔热性能，提高了室内环境的舒适度，实现了能量的多级利用，为建筑物实现真正的“零能耗”提供了前提。本发明不使用传统能源，运行时无能源成本，且节能装置本身重量较轻，室内空间占用小；在对节能墙体进行施工时，不仅节省工时，而且施工方便，最后建造的节能墙体具有保温、通风和降温等多重功能，具有很强的适应性和可操作性。
综上，本发明通过巧妙地利用太阳能光伏发电方阵、热电热泵芯片等材料，构建了完整的墙体作为建筑围挡结构，其有效解决了节能墙体在不同季节或不同气候条件下的适应性问题，通过太阳能光电、光热的全方位综合应用真正构筑起节能环保的生态型建筑，为实现建筑行业的可持续发展提供了广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中气温自适应节能装置的主视结构示意图；
图2为本发明实施例中气温自适应节能装置去掉外罩后的立体结构示意图；
图3为图1中A-A处的剖面图；
图4为图3中B-B处的剖面图；
图5为本发明实施例中热辐射层的结构示意图；
图6为本发明实施例中热辐射层另一种实施方式的结构示意图。
图例说明
1、光伏发电方阵层；2、散热层；21、散热器；22、散热风道；23、上风道开关；24、下风道开关；3、热电热泵芯层；31、热电热泵芯片；4、热辐射层；41、辐射板；42、隔热材料；5、电流转向开关；6、凸条；7、凹槽。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种如图1～图5所示的本发明的气温自适应节能装置，该装置由外到内（外侧是指装置朝向室外的一侧）包括有太阳能光伏发电方阵层1、散热层2、热电热泵芯层3和热辐射层4，各层依次拼装后机械固定成一个整体，并由一外罩包覆。
太阳能光伏发电方阵层1是由光伏电池板拼接而成的一个整体并处在同一平面上，热电热泵芯层3是由热电热泵芯片31组成（本实施例中的热电热泵芯片采用N.P半导体元件组成的热电芯片），散热层2设有与热电热泵芯片31相连接的散热器21，散热器21与太阳能光伏发电方阵层1之间设有一可调节的散热风道22，散热风道22的顶部和底部设有上、下两个通风口，散热风道22的上、下通风口分别设有控制通风口启闭的上风道开关23和下风道开关24。热辐射层4是由辐射板41构成，辐射板41的腔体内填置有蓄热材料（也可采用如图6所示的带散热翅片的辐射板型式）。辐射板41的外侧相应位置均设有栅格状的凸条6，热电热泵芯片31设置在凸条6与散热器21内侧面和辐射板41的外侧面所共同围成的网格状凹槽7中，各热电热泵芯片31由隔热材料42制成的。
太阳能光伏发电方阵层1与热电热泵芯层3通过电线及电线上设置的电流转向开关5连接。电流转向开关5设有分别控制电流正流、逆流和断开的三个档位，太阳能光伏发电方阵层1可连接有蓄电池（本实施例未示出）。
一种本发明的节能墙体，其墙体侧壁上开凿有安装孔，安装孔中装设有上述的气温自适应节能装置。
本实施例的气温自适应节能装置及节能墙体的工作原理为：
（1）当室内温度较低需要运行制热工况时，先同时关闭上风道开关23和下风道开关24，散热风道22形成一密闭空间，位于最外侧的太阳能光伏发电方阵层1吸收太阳能进行光伏发电，电流转向开关5置于正流档位，发电产生的直流电直接输送到热电热泵芯层3中，驱动其中热电热泵芯片31位于室内的一面进行制热，实现原地发电、原地用电；而热电热泵芯片31的另一面则制冷，由于光伏发电方阵层1的基板温度越高，发电效率越低，因此在制热工况下，热电热泵芯片31的制冷面可冷却光伏发电方阵层1的基板，转移散热风道中的热量，提升光伏发电方阵层1的发电效果。由于太阳能光伏发电方阵层1发电时，只将部分太阳能转化为电能，剩余的大部分通过光伏发电方阵层1的基板散失到密闭的散热风道2中，而此时热电热泵芯片31制热时的制冷面和该制冷面上连接的散热器21正好与散热风道22相通，吸收了光伏发电方阵层1的基板产生的热能后，经热电热泵芯片31冷热端的温差减小，在提高热电热泵芯片31工作效率的同时，还使光伏组件保持在较低温度下工作，提高光伏模块发电效率。经热电热泵芯片31的吸收、转移和提升，使光伏电池板散失的热能得以储存在辐射板41内置的蓄热材料中，其热能通过辐射板41进一步为室内提供热源，控制室内温度。可见，制热工况时，太阳辐射能量小部分被光伏电池板吸收后发电，实现光电转换；其余的大部分热能通过光伏电池板的基板散失到散热通道中，即实现光热转换，被热电热泵芯片吸收提升后同时作为室内的热源。根据我们的前期实验测试结果，1平方米大小的光伏电池板能得约130W的直流电，经热电热泵芯层热提升，供热量则可达600W，室内温度可达到约50℃。
（2）当室内温度较高需要运行制冷工况时，先同时开启上风道开关23和下风道开关24，散热风道22成为散热的有效通道，位于最外侧的太阳能光伏发电方阵层1吸收太阳能进行光伏发电，电流转向开关5反向并置于负流档位，发电产生的直流电直接输送到热电热泵芯层3中，驱动其中热电热泵芯片31位于室内的一面进行制冷，实现原地发电、原地用电；热电热泵芯层3产生的冷风直接通过辐射板41传递到室内环境，为室内供冷。热电热泵芯片31的另一面则制热，热量通过散热器21进入散热风道22，其与太阳能光伏发电方阵层1基板产生的热量一起经散热风道22散失到空气中。由于散热风道22的上、下端风道开关均已打开的，由此形成烟囱式结构，热空气向上经上风道开关23涌出，冷空气则由下端的下风道开关24流入，从而以达到给光伏电池板和热电热泵芯片31的热端进行降温的作用，这正好与夏季人们对空调的需求相匹配，在增加室内舒适性的同时，降低了建筑热耗，减少了空调的用能，为电网用电高峰起到消减峰负荷的作用。
（3）当室内温度不需要调节时，开启开启上风道开关23和下风道开关24，散热风道22成为散热通道，切断太阳能光伏发电方阵层1与热电热泵芯层3之间的电流转向开关5，太阳能光伏发电方阵层1可发电输送至蓄电池蓄存，以防辐射强度不够时作为备用电源。
Claims (8)
1.一种气温自适应节能装置，其特征在于，所述装置由外到内包括有太阳能光伏发电方阵层、散热层、热电热泵芯层和热辐射层，所述太阳能光伏发电方阵层是由光伏电池板拼接而成，所述热电热泵芯层是由热电热泵芯片组成，所述太阳能光伏发电方阵层与热电热泵芯层通过电线连接，电线上接有一电流转向开关；所述散热层设有与所述热电热泵芯片相连接的散热器，所述散热器与太阳能光伏发电方阵层之间设有一散热风道，所述散热风道的通风口设有控制通风口启闭的风道开关。
2.根据权利要求1所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述散热风道设有上、下两个通风口，上、下两个通风口处分别设有对应的上风道开关和下风道开关。
3.根据权利要求1所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述热辐射层是由辐射板构成，所述辐射板的腔体内填置有蓄热材料或者在辐射板的内侧设置散热翅片。
4.根据权利要求2所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述热辐射层是由辐射板构成，所述辐射板的腔体内填置有蓄热材料或者在辐射板的内侧设置散热翅片。
5.根据权利要求4所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述辐射板的外侧相应位置均设有栅格状凸条，所述热电热泵芯片设置在凸条与散热器内侧面和辐射板的外侧面所共同围成的网格状凹槽中，所述各个热电热泵芯片之间填充隔热材料。
6.根据权利要求5所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述电流转向开关设有分别控制电流正流、逆流和断开的三个档位，所述太阳能光伏发电方阵层连接有蓄电池，所述电流转向开关处于断开档位时，太阳能光伏发电方阵层向所述蓄电池充电。
7.根据权利要求1或2所述的气温自适应节能装置，其特征在于，所述电流转向开关设有分别控制电流正流、逆流和断开的三个档位，所述太阳能光伏发电方阵层连接有蓄电池，所述电流转向开关处于断开档位时，太阳能光伏发电方阵层向所述蓄电池充电。
8.一种节能墙体，其特征在于，所述墙体侧壁和/或顶板上开凿有安装孔，所述安装孔中装设有权利要求6所述的气温自适应节能装置，所述气温自适应节能装置向室内制热时，所述上风道开关和下风道开关关闭，使散热风道形成密闭空间，所述电流转向开关设置在正流档位；所述气温自适应节能装置向室内制冷时，开启所述上风道开关和下风道开关，所述电流转向开关设置在逆流档位。
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