CN102312497A - 太阳能与建筑一体化幕墙系统及其安装施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能与建筑一体化幕墙系统及其安装施工方法，属于太阳能利用技术领域，主要包括矩形结构的龙骨，龙骨与外墙墙面之间设有保温材料层，龙骨远离墙面的一侧固定有透明外护材料层，龙骨的内侧复合有保温层，透明外护材料层与龙骨围成的空间内设有气液两相一体式集热板芯，安装施工时，先在建筑物外墙墙面内设置预埋固定件，并预留通向室内的开口，随后安装龙骨、保温材料层、气液两相一体式集热板芯等。本发明通过在建筑物外墙安装气液两相一体式集热板芯，可同时提供热风和热水，集外墙保温、外墙装饰、太阳能高效集热、高效利用于一体，实现了真正意义上的太阳能建筑一体化，同时具有防水防火、安全美观外饰功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能与建筑一体化幕墙系统及其安装施工方法，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
太阳能与建筑一体化工程成为未来低碳建筑的一种发展趋势，因此各种壁挂嵌入式集热器热水器应运而生，但他们仍然是建筑附属坠件，不是真正意义上的一体化，近年来引进的美欧的“太阳墙”，在外墙设置吸热金属孔板，有进一步的太阳能与建筑一体化的体现，但太阳能的利用率与效率均不高，且功能单一，使用寿命较短，传统的外墙保温也存在着防水防火效果差等不足。
专利CN101781915A公开了一种太阳墙体利用系统，以倾斜阳光射角和聚光集热方式配以用热取暖器、热水器和热风交换器。可以用于取暖、热风交换热水等生活用能，其缺点为：由于聚光和阳光射角垂直于墙体的空间相对增大，使用材料多，相对造价高，涉及施工难度大，墙面的附着强度要求高，抗风性能较差，存在安全隐患，局部单元之间的连接困难，敷设面与无敷设面之间观瞻性、规范性不足。同时相对有效集热面积较小，二次聚光提高了集热温度，但单位热转换效率较低，且热取暖器，热风换热器、热水器的多级换热及配套设施较复杂，大面积实施较为困难。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种解决了上述缺陷的，集外墙保温、太阳能高效集热利用于一体，可同时提供热水和热风的太阳能与建筑一体化幕墙系统及其安装施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统，包括建筑物，其特征在于：建筑物的外墙墙面上固定有矩形结构的龙骨，龙骨与外墙墙面之间设有保温材料层，龙骨远离墙面的一侧固定有透明外护材料层，龙骨的内侧复合有保温层，透明外护材料层与龙骨围成的空间内设有气液两相一体式集热板芯，气液两相一体式集热板芯由复合为一体的空气换热管和液相换热管组成，气液两相一体式集热板芯的向阳面上设有选择性吸热涂层板，其中空气换热管的两端分别与循环气进管和循环气出管相连接，液相换热管的两端分别与循环液进管和循环液出管相连接，空气换热管顶部还连接有通向室外的对流管，对流管上设有阀门。
所述的气液两相一体式集热板芯的液相换热管位于空气换热管的腔体内。
所述的选择性吸热涂层板为带有选择性吸热涂层的金属薄板或直接涂覆在气液两相一体式集热板芯向阳面上的选择性吸热涂层。
一种上述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在建筑物外墙墙面内设置预埋固定件，并预留通向室内的开口；
b、在外墙墙面固定贴合保温材料层；
c、将矩形结构的龙骨固定在预埋固定件上，并对外围龙骨框架的四周用防水材料进行密封处理；
d、在龙骨的内侧复合保温层；
e、在矩形结构的龙骨框架内安装气液两相一体式集热板芯，气液两相一体式集热板芯安装固定后，在其向阳面设置选择性吸热涂层板，并通过墙体预留的开口安装循环气进管、循环气出管、循环液进管和循环液出管，并将循环气进管、循环气出管分别与气液两相一体式集热板芯的空气换热管的两端相连接，将循环液进管、循环液出管分别与气液两相一体式集热板芯的液相换热管的两端相连接，循环气出管和循环液出管的另一端通向室内使用处，循环气进管和循环液进管的另一端分别与气源和水源相连接；
f、在气液两相一体式集热板芯的空气换热管顶部连接通向室外的对流管，在对流管上安装阀门；
g、在龙骨远离墙面的一侧固定安装透明外护材料层，使得气液两相一体式集热板芯位于透明外护材料层与龙骨围成的空间内。
所述的a步骤中采用的预埋固定件为T型螺栓或膨胀螺栓，每平方米的螺栓数目为2～6个，嵌入墙内深度3～15CM，螺栓口径5～10mm。
所述的b步骤中的保温材料层采用的保温材料为有机泡沫式无机矿棉或热固有机泡沫或两者结合使用，保温材料层的厚度为在1.5～10cm。
所述的c步骤中采用的龙骨由金属、热固塑料或热塑塑料制成。
所述的d步骤中的保温层采用有机绝热材料或无机绝热材料。
所述的e步骤中的气液两相一体式集热板芯可以为单个，也可以为多个组合使用。
所述的g步骤中的透明外护材料层为钢化玻璃板或双层中空式玻璃板。
气液两相一体式集热板芯是本发明的核心部件，其主要技术特征是由复合为一体的空气换热管和液相换热管组成，可为一体式铸件型结构，或机械复合型一体式结构；空气换热管和液相换热管共用一个选择性吸热涂层板，可以在一体式换热管上直接涂镀选择性吸热涂层，也可以在空气换热管安装固定好后，在其向阳面固定带选择性吸热涂层的金属薄板，带选择性吸热涂层的金属薄板覆盖龙骨框架内全部的有效受光面积。空气集热与液相集热为独立的循环系统，在同时段两种集热切换时可加装自动温控电磁阀控制，当空气温度达到某一高度时，自动切换液相储能。
可以直接在气液两相一体式集热板芯的向阳面涂镀选择性吸热涂层，也可以将带有选择性吸热涂层的金属薄板与空气换热管和液相换热管三合一机械复合为一体式结构，或采用焊接、铆接或螺接等固定方法。
选择性吸热涂层可以是采用阳极氧化涂层、镀镍铬层、氮氧化钛吸热涂料层等。
在安装施工时，可以以一个楼层为一个大单元；以户或室为个体单元；也可以是东向、南向、西向、一面墙为一个大单元，以每层为小单元，也可以以整个建筑为一个集中中央控制，并入中央空调系统和集中热水工程，根据实际需要确定使用的气液两相一体式集热板芯的数目，可以并排设置或并列设置。
循环气出管和循环液出管的另一端通向室内使用处，如中央空调系统、热水器的储水罐等，循环气进管和循环液进管的另一端分别与气源和水源相连接，如进气管路，进水管路等。
本发明所具有的有益效果是：本发明通过在建筑物外墙安装气液两相一体式集热板芯，可同时提供热风和热水，集外墙保温、外墙装饰、太阳能高效集热、高效利用于一体，实现了真正意义上的太阳能建筑一体化，同时具有防水防火、安全美观外饰功能，涵盖了目前传统的太阳能吸热孔板和太阳能单一热水器、热风空调等功能，性价比高。
本发明可广泛应用于：住宅、写字楼、高层、多层、小高层、高层及超高层别墅及新农村建筑，以及相关学校、医院、家庭、部队、大型会展中心、候车厅、恒温冷库、工厂车间、工业干燥热利用及工农业生产之用，具有应用的普遍和广谱性，标准件、规范化、产业化的特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、外墙；2、龙骨；3、保温材料层；4、透明外护材料层；5、保温层；6、气液两相一体式集热板芯；7、空气换热管；8、液相换热管；9、带有选择性吸热涂层的金属薄板；10、循环气进管；11、循环气出管；12、循环液进管；13、循环液出管；14、对流管；15、阀门；16、换热水箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1所示，建筑物的外墙1墙面上固定有矩形结构的龙骨2，龙骨2与外墙1墙面之间设有保温材料层3，龙骨2远离墙面的一侧固定有透明外护材料层4，龙骨2的内侧复合有保温层5，透明外护材料层4与龙骨2围成的空间内设有气液两相一体式集热板芯6，气液两相一体式集热板芯6由复合为一体的空气换热管7和液相换热管8组成，气液两相一体式集热板芯6的向阳面上固定有带有选择性吸热涂层的金属薄板9，其中空气换热管7的两端分别与循环气进管10和循环气出管11相连接，液相换热管8的两端分别与循环液进管12和循环液出管13相连接，空气换热管7顶部还连接有通向室外的对流管14，对流管14上设有阀门15，液相换热管位8于空气换热管7的腔体内。
上述太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法为：
a、在建筑物外墙墙面内设置预埋固定件，并预留通向室内的开口；
b、在外墙墙面固定贴合保温材料层3；
c、将矩形结构的龙骨2固定在预埋固定件上，并对外围龙骨框架的四周用防水材料进行密封处理；
d、在龙骨2的内侧复合保温层5；
e、在矩形结构的龙骨框架内安装气液两相一体式集热板芯6，气液两相一体式集热板芯6安装固定后，在其向阳面固定带选择性吸热涂层的金属薄板9，并通过墙体预留的开口安装循环气进管10、循环气出管11、循环液进管12和循环液出管13，并将循环气进管10、循环气出管11分别与气液两相一体式集热板芯6的空气换热管7的两端相连接，将循环液进管12、循环液出管13分别与气液两相一体式集热板芯6的液相换热管8的两端相连接，循环气出管11和循环液出管13的另一端通向室内使用处，循环气进管10和循环液进管12的另一端分别与气源和水源相连接；
f、在气液两相一体式集热板芯6的空气换热管7顶部连接通向室外的对流管14，在对流管14上安装阀门15；
g、在龙骨1远离墙面的一侧固定安装透明外护材料层4，使得气液两相一体式集热板芯6位于透明外护材料层4与龙骨1围成的空间内。
a步骤中采用的预埋固定件为T型螺栓或膨胀螺栓，每平方米的螺栓数目为2～6个，嵌入墙内深度3～15CM，螺栓口径5～10mm。
b步骤中的保温材料层3采用的保温材料为有机泡沫式无机矿棉或热固有机泡沫或两者结合使用，保温材料层的厚度为在1.5～10cm。
c步骤中采用的龙骨2由金属、热固塑料或热塑塑料制成。
d步骤中的保温层5采用有机绝热材料或无机绝热材料。
e步骤中的气液两相一体式集热板芯6可以为单个，也可以为多个组合使用。
e步骤中的带有选择性吸热涂层的金属薄板9的固定方式为机械固定、焊接、铆接或螺接。
g步骤中的透明外护材料层4为钢化玻璃板或双层中空式玻璃板。
本实施例中，循环气进管10的进口位于室内下部，循环气出管11的出口位于室内上部，循环液进管12的进口连接至换热水箱16的底部，循环液出管13的出口连接至换热水箱16的顶部。
工作原理为：
当太阳光辐射时，透过透明外护材料层4后被气液两相一体式集热板芯6的带有选择性吸热涂层的金属薄板9吸收转化为热能并热传递给通过一体式结构的导热金属空气换热管7和液相换热管8，经换热将腔体内的空气或液体介质加热，空气换热管7中的空气被加热后，由于密度减小而上升流动进入循环气出管11，通向室内上端的出风口，将室内空气加热。由室内的下端进风口经循环气进管10补入室内的冷空气，形成自动热循环涡流。液相换热管8被加热后，将其管内介质加热、管道介质随热力流动上行沿循环液出管13通向换热水箱16，与其内的水换热。换热后降温的介质经循环液进管12流回，再次经过液相换热管8加热形成自动热流循环。不断的换热加温将换热水箱16里的水加热。
这种集热区在下位，换热水箱16及室内对流在上位的可进行自动热循环，这种是最节能环保的一种形式。
当集热区在上位，换热水箱16、室内对流空间在下位时，不能产生自动热循环，或者集中中央控制时，使用强制循环换热，利用风机及水泵使气液相介质热循环。
当夏天环境温度升高时室内需要降温时，首先将太阳光的辐射热能经液相换热吸收加热，换热水箱16的热水储存后，开启在通向环境的阀门15，同时关闭室内上的热风出口，热空气沿空气换热管7腔体上行至环境对流，将热量抽出至环境，背向窗口的凉风进入室内经下端进入循环气进管10，流至空气换热管7腔体内形成空气流循环，以达到室内降温作用。
冬季以暖风为主，热水为辅，目的是室内采暖，启动热水功能主要是调节和均衡室内温度，因为太阳能为不稳定能源，早上午中午下午各时段的辐射强度不同，上午及下午时段的辐射强度差，环境温度低，需要空气加热，热水关闭，而中午时段环境温度较高，不需要加热时，启动热水功能储能，集热区随太阳辐射强度增强而不断升温，均衡了输入室内热风温度，提高热利用率，热风热水的功能切换用温控电磁阀实现自动切换控制。
夏季以室内降温为主，将太阳辐射热能被液相集热吸收，供应使用频率较高的生活洗浴用水，在满足热水储能基础上，开启与环境的对流阀门15，将太阳辐射至幕墙的热能抽至环境，以起到降温作用。
当本发明需要采用集中控制大型强制性循环时，可与中央空调配合使用。冬季为中央空调提供热风为主，夏季以为提供热水，为制冷剂提供冷媒蒸发热源，有很高的热利用率。这是传统的单一功能的热水和单一功能的热风装置所不能实现的，提高了热利用率50％左右，投资回收期缩短50％左右。
本发明使用寿命可达30年以上，钢化玻璃使用于高层，安全可靠，可采用全部无机材料，为A级防火材料，解决了外墙保温易燃烧安全问题，有靓丽的外观和华丽饰面效果。
本发明的技术和经济指标：
本发明有较高热效率，以下列组件材料为例，南墙方向使用透光钢化玻璃板，透光率＞＝92％，氮氧化钛选择性吸热图层，吸收率为＞＝95％，发射率＜＝5.0，硅酸铝保温层厚度为30mm。本发明幕墙系统理论热效率可达82％，考虑阳光入射角和综合热损等因素，热转换效率＞＝75％，南墙方向，在年太阳能辐射总量6000MJ/年的二类光照资源地区，每平方米年节约204.4*0.75＝153.3KG标准煤，和383KG二氧化碳减排，比使用电能投资回收期在1.5年以内。
Claims (10)
1.一种太阳能与建筑一体化幕墙系统，包括建筑物，其特征在于：建筑物的外墙墙面上固定有矩形结构的龙骨，龙骨与外墙墙面之间设有保温材料层，龙骨远离墙面的一侧固定有透明外护材料层，龙骨的内侧复合有保温层，透明外护材料层与龙骨围成的空间内设有气液两相一体式集热板芯，气液两相一体式集热板芯由复合为一体的空气换热管和液相换热管组成，气液两相一体式集热板芯的向阳面上设有选择性吸热涂层板，其中空气换热管的两端分别与循环气进管和循环气出管相连接，液相换热管的两端分别与循环液进管和循环液出管相连接，空气换热管顶部还连接有通向室外的对流管，对流管上设有阀门。
2.根据权利要求1所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统，其特征在于：所述的气液两相一体式集热板芯的液相换热管位于空气换热管的腔体内。
3.根据权利要求1所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统，其特征在于：所述的选择性吸热涂层板为带有选择性吸热涂层的金属薄板或直接涂覆在气液两相一体式集热板芯向阳面上的选择性吸热涂层。
4.一种权利要求1所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在建筑物外墙墙面内设置预埋固定件，并预留通向室内的开口；
b、在外墙墙面固定贴合保温材料层；
c、将矩形结构的龙骨固定在预埋固定件上，并对外围龙骨框架的四周用防水材料进行密封处理；
d、在龙骨的内侧复合保温层；
e、在矩形结构的龙骨框架内安装气液两相一体式集热板芯，气液两相一体式集热板芯安装固定后，在其向阳面设置选择性吸热涂层板，并通过墙体预留的开口安装循环气进管、循环气出管、循环液进管和循环液出管，并将循环气进管、循环气出管分别与气液两相一体式集热板芯的空气换热管的两端相连接，将循环液进管、循环液出管分别与气液两相一体式集热板芯的液相换热管的两端相连接，循环气出管和循环液出管的另一端通向室内使用处，循环气进管和循环液进管的另一端分别与气源和水源相连接；
f、在气液两相一体式集热板芯的空气换热管顶部连接通向室外的对流管，在对流管上安装阀门；
g、在龙骨远离墙面的一侧固定安装透明外护材料层，使得气液两相一体式集热板芯位于透明外护材料层与龙骨围成的空间内。
5.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的a步骤中采用的预埋固定件为T型螺栓或膨胀螺栓，每平方米的螺栓数目为2～6个，嵌入墙内深度3～15CM，螺栓口径5～10mm。
6.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的b步骤中的保温材料层采用的保温材料为有机泡沫式无机矿棉或热固有机泡沫或两者结合使用，保温材料层的厚度为在1.5～10cm。
7.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的c步骤中采用的龙骨由金属、热固塑料或热塑塑料制成。
8.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的d步骤中的保温层采用有机绝热材料或无机绝热材料。
9.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的e步骤中的气液两相一体式集热板芯可以为单个，也可以为多个组合使用。
10.根据权利要求4所述的太阳能与建筑一体化幕墙系统的安装施工方法，其特征在于：所述的g步骤中的透明外护材料层为钢化玻璃板或双层中空式玻璃板。
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