CN104746647B - 主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房 - Google Patents

Abstract

为了使应用相变材料的建筑物节能运行并使其墙体对室内空气的全年性调节、主动地提取自然冷量；提高相变墙板的蓄、效率及蓄、放热量和蓄热、蓄冷效率；提升室内的空气品质和室内舒适度，本发明提供了一种主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房，包括：屋面采光房、相变组合墙体、水系统、通风系统；所述屋面采光房包括四面不透光墙体的墙体和采光用的透光屋顶；相变组合墙体包括相变墙板、相变材料砂浆、毛细管网、玻璃盖板、风道及风口；所述水系统包括冷热水装置、储水装置和末端装置；所述通风系统包括送风装置、风道、风口及相应的密封装置。本方案对新能源及相变材料在建筑中的利用率的提高有很大意义。

Description

主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，更具体地，涉及一种主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房。

背景技术

在建筑领域，需求一种能够蓄集大量热量以减缓室内温度波动同时能够在热量需求较大时及时将储存的热量放出的建筑材料或建筑储能系统已成为建筑节能研究的重要方向。相变墙体的应用日益成为节能领域的研究热点。

相变材料在相变区间内进行蓄、放热时，其潜热放热量明显大于普通材料的显热放热量，将其与传统建筑材料进行掺混制成相变墙板并作为建筑墙体，在夏季，能够降低室外环境透过墙体对室内的辐射传热量，从而降低室内的峰值温度，在冬季，相变墙体通过对室内入射光照的辐射热量的吸收，能够提高夜间的谷值温度；而在过渡季，通过“削峰填谷”，能够减缓室内的温度波动，使室内温度维持在人体舒适区，而且能够降低室内的冷、热负荷，具有极大的节能潜力。

尽管现阶段有诸多关于相变墙体在各季节条件下的应用方式研究，但由于冬、夏季的蓄热原理不同，未有一种利用方式能够做到对相变墙体的全年性储能利用。相变墙体在夏季的节能利用是通过作为建筑外墙的相变墙体对直射在墙体上的太阳辐射热量的“阻隔”作用来减缓温度波向室内的传递，从而降低室内的峰值温度，并在夜间将墙体蓄集的热量通过自然通风或制冷设备带出室内。相变墙体在冬季的节能利用是通过相变墙体对通过窗户或透明顶棚的太阳直射辐射热量的“吸收”作用蓄集热量并在夜间将热量放出，从而提高夜间的谷值温度。可以看出，一个是对外的“阻隔”，一个是对内的“吸收”，单纯依靠被动式的蓄能方式难以使冬、夏季的利用方式相结合。

此外，由于相变材料固有的导热系数低的特点及相变墙体的应用往往受到室外环境影响等原因，相变墙体在储能阶段及放能阶段存在着蓄、放热效率低的缺陷。在储能阶段，一方面相变材料的导热系数较低，即使相变墙体的一侧不断有太阳直射热量的流入，较低的导热效率也会导致墙体不能在一定的时间内蓄集尽可能多的热量；另一方面，如果相变墙体以辐射蓄热为主要的储能方式，由于太阳辐射在一天中不断发生变化，峰值辐射并不能持续很长时间。同时墙体的辐射蓄热会受到阴雨天气的影响，而且受室内布局的影响，直射墙体并不能大面积地接受太阳辐射，所以单纯依靠太阳的直射辐射作为相变墙体的储能方式并不可靠。在放能阶段，相变墙体同样会由于相变材料的低导热系数的特性，致使其不能在一定的时间内将其所蓄集的热量完全放出。单纯依靠被动式蓄热将极大地受以上诸多条件的限制，相变材料的储能优势并不能完全发挥。所以，提高相变墙体的蓄、放热效率是推动相变材料在建筑中大力应用的重要问题。

近些年，不断有研究者指出：通过改变相变材料的材料特性，如在相变材料中添加石墨或金属粉等方式进来改善其导热性能，能够在一定程度上提高相变储能系统的蓄、放热效率。但采用改变材料特性的方式对相蓄、放热效率的改善毕竟是有限的，并且如果将相变材料应用于建筑领域，相变墙板的蓄、放热效率在很大程度上还会受到外界环境变化的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，发明人认为：强制性蓄热或放热的方式即主动的方式是提高相变墙板蓄、放热效率的有效手段。基于此，本发明提出一种合理、有效、便捷的主动式与被动式相结合并做到全年性利用的相变储能房，对新能源及相变材料在建筑中的利用率的提高有很大意义。

本发明的目的为：使应用相变材料的建筑物节能运行并使其墙体对室内空气的全年性调节、主动地提取自然冷量；提高相变墙板的蓄、效率及蓄、放热量和蓄热、蓄冷效率；提升室内的空气品质和室内舒适度。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案实现的：

一种主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房，包括：屋面采光房、相变组合墙体、水系统、通风系统；所述屋面采光房包括四面不透光墙体的墙体和采光用的透光屋顶；相变组合墙体包括相变墙板、相变材料砂浆、毛细管网、玻璃盖板、风道及风口；所述水系统包括冷热水装置、储水装置和末端装置；所述通风系统包括送风装置、风道、风口及相应的密封装置。

进一步地，所述墙体采用轻质彩钢板制成。

进一步地，透光屋顶为双层中空low-e玻璃，由多块透光玻璃组成，通过该多块玻璃的灵活开启能使室内有良好的自然通风，且四面墙体均可作为外墙或内墙。

进一步地，所述相变墙板是由相变砖体通过组合并粘结而成。

进一步地，相变墙板与所述内彩钢板之间留有夹层，其中布置毛细管，内彩钢板表面贴附反射层，在相变墙板的外侧间隔一定空隙设置玻璃盖板，空隙内设置透光隔板，且在空隙的两侧布置通风系统，并在每个隔板之间布置送风口。

进一步地，所述通风系统的风口包括进风口、新风口、排风口和出风口，其中，进风口用于引入室内空气，新风口用于引入室外空气，出风口用于向室内送入空气，排风口用于向室外排出空气。

进一步地，所述新风口及进风口出配有风机。

进一步地，所述各风口设置有风阀，各风阀通过如下设置方式实现室内换气、室内自循环、相变墙板蓄冷三种通风方式：

(i)开启进风口风阀)、出风口风阀及屋顶窗，关闭新风口风阀和排风口风阀形成室内换气的通风形式，将新风送入室内，同时通过屋顶窗将室内空气排出以维持风量平衡；

(ii)关闭新风口风阀、排风口风阀及屋顶窗，开启进风口风阀和出风口风阀形成室内自循环的通风形式，即机械通风形式；

(iii)关闭进风口风阀、出风口风阀，开启新风口风阀和排风口风阀形成夏季或过渡季夜间相变墙板蓄冷，控制相变墙板的放热效率及放热量；

(iv)关闭风阀进风口风阀、新风口风阀、排风口风阀和出风口风阀，同时向相变墙板内通热水或冷水，形成相变墙板封闭式蓄热或蓄冷模式；

(v)当仅开启屋顶窗时，即形成室内的自然通风。

进一步地，所述冷热水装置包括太阳能集热器和风冷式热泵，储水装置包括保温水箱，末端装置包括户用冷热水和相变墙。

进一步地，所述太阳能集热器与保温水箱之间、冷水进水端与保温水箱之间、排空及溢流端与保温水箱之间、保温水箱与风冷式热泵之间、保温水箱与户用冷热水端之间，以及保温水箱与相变墙之间均连接且通过阀门控制所述连接。

本发明的有益效果如下：

1)将相变材料应用于建筑墙体，通过“削峰填谷”的作用达到了建筑的节能运行；

2)相变墙体的被动式蓄、放热与主动式蓄、放热相结合实现了墙体对室内空气的全年性调节；

3)房间四周封闭，顶部开窗的采光方式不仅能够大大增加房间的采光面积，而且能增加相变墙体的太阳直射面积，提高房间对相变墙体的利用率；

4)通过太阳能集热器的使用不仅可以在最大程度上减少阴雨天气对的相变墙体光照利用率的影响，而且能够扩大相变墙体的光照利用面积；

5)通过风冷式热泵的使用，使得相变墙体从被动地利用自然冷量的方式变为主动地提取自然冷量的方式；

6)通过在相变墙板一侧布置水管并通入冷、热水的强制性蓄冷、蓄热方式，极大地提高了相变墙板的蓄、效率及蓄、放热量；

7)通过将相变墙板与室内空气隔离以减少墙板与室内的对流换热量，提高了相变墙板的蓄热、蓄冷效率；

8)通过将相变墙板与主动式通风相结合，不仅通过机械通风增大室内的换气次数提高了室内的空气品质，而且通过提高相变墙板的蓄、放热效率进而增加了室内的舒适度，充分地利用了室外自然热量或冷量为室内或相变墙板加热或降温。

9)施工与运行简单、灵活、便捷。

附图说明

图1示出了相变储能房原理图；

其中：1—进风口；2—风道；3—排风口；4—相变组合墙体；5—墙板供水管；6—墙板回水管；7—房间；8—保温水箱；9—冷热水回水管；10—冷热水供水管；11—集热器支架；12—风冷式热泵；13—太阳能集热器；14—屋顶

图2示出了屋面采光房结构及方位示意图；

图3示出了相变组合墙体的具体施工方法示意图；

其中：15—相变砖体；16—相变砖组合体；17—相变墙板；18—内彩钢板；19—保温材料；20—外彩钢板；21—毛细管网；22—反射层；23—相变材料砂浆；24—夹层；25—玻璃盖板；26—透光隔板；27—空气夹层；28—进风口；29—新风口；30—送风风道；31—送风口；32—出风风道；33—排风口；34—出风口

图4示出了相变组合墙体的侧立面示意图；

其中：17—相变墙板；18—内彩钢板；19—保温材料；20—外彩钢板；21—毛细管网；22—反射层；23—相变材料砂浆；24—夹层；25—玻璃盖板；26—透光隔板；27—空气夹层

图5示出了水系统季节性运行示意图；

图6示出了通风系统日运行示意图。

数字45-54表示风阀编号

具体实施方式

一种主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房(参见图1)，包括：屋面采光房、相变组合墙体、水系统、通风系统；所述屋面采光房包括四面不透光墙体的墙体和采光用的透光屋顶；相变组合墙体包括相变墙板、相变材料砂浆、毛细管网、玻璃盖板、风道及风口；所述水系统包括冷热水装置、储水装置和末端装置；所述通风系统包括送风装置、风道、风口及相应的密封装置。

如图1所示，相变组合墙体4、房间7、屋顶14构成房间构造；进风口1、风道2、排风口3构成通风系统，与相变组合墙体4及房间7相连接；墙板供水管5、墙板回水管6、保温水箱8、冷热水回水管9、冷热水供水管10、风冷式热泵12、太阳能集热器13构成水系统，与相变组合墙体4相连接。集热器支架11为太阳能集热器13的支撑构造。

下面结合其他附图详细说明该储能房的各个组成部分。其中相同的附图标记表示相同的部件或组件。本领域技术人员清楚的是，在对下文的结构和工作原理的描述的理解的前提下，清楚地理解附图中的图示和附图标记表达的含义。

1.屋面采光房

四面墙体均为不透光墙体，通过透光屋顶采光。透光屋顶为双层中空low-e玻璃，既可以在夏季及冬季减少室外向室内的传热，又能减少冬季室内对天空的长波辐射造成的热量散失，同时能够保证良好的采光效果。屋顶由多块透光玻璃组成，通过玻璃的灵活开启能使室内有良好的自然通风。四面墙体均可作为外墙或内墙，可多面铺设相变墙板。现已西面外墙铺设相变墙板，且墙体为轻质彩钢板为例进行说明。

2.相变组合墙体

相变组合墙体包括相变墙板、相变材料砂浆、毛细管网、玻璃盖板、风道及风口。如下图所示。其中相变墙板是由相变砖体通过组合并粘结而成，如图3中(c)、(d)、(e)所示。相变砖体是通过将相变材料掺入建筑材料并入模成型制成。在相变墙板与内彩钢板之间留有夹层，夹层内可布置毛细管网并灌注相变材料砂浆，以使毛细管网紧贴相变墙板及内彩钢板，如图3中(a)、(b)、(f)所示。作为参考，图4示出了相变组合墙体的侧立面示意图。

内彩钢板表面贴附反射层，防止毛细管网辐射冷、热量的对外散失，如图3中(a)所示。在相变墙板的外侧间隔一定空隙安装玻璃盖板，空隙内安装透光隔板，如图3中(g)所示。在空隙的两侧安装通风系统，并在每个隔板之间布置送风口，如图3中(h)所示。

参照图3，相变组合墙体的具体施工方法如下：

(1)a在内彩钢板上铺设反射层后铺设毛细管网并固定；

(2)a→b制备相变材料砂浆并均匀覆盖于毛细管网表面；

(3)c→d→e→f将提前制备好的相变砖体组合成相变墙板，砖体用相变材料砂浆粘结，并将相变墙板与毛细管网通过相变材料砂浆紧密粘结在一起；

(4)f→g将透光隔板固定于相变墙板表面并在缝隙处做密封处理，与相变墙板间隔一定空隙布置玻璃盖板，并在缝隙处做密封处理；

(5)g→h安装风道及风口，同时对所有敞口及缝隙进行密封，完成后进行气密性检测，保证玻璃盖板内空气与室内空气完全隔离；

(6)在水系统及通风系统安装完成后，将水系统及通风系统与相变组合墙体接出的风道及水管连接。

毛细管网为水系统的末端设备，管网内通太阳能集热器制备的热水或风冷式热泵制备的热水，起到为相变墙板提供热量或冷量的作用。广义地将，冷热水的除了利用太阳能集热器及热泵制备外，还可以通过周边余热、多种形式热泵制备，或者是低温自来水、低温地下水、空调冷凝水，还可以是利用低谷电价制备的冷热水。由于毛细管网比普通管更细、更轻，不仅能使管网内水的冷、热量得到充分地散出，而且其所需的热水温度相比于普通管网的水温更低，在冬季极有利于与太阳能集热系统相结合，并且毛细管网的使用能够在很大程度上节约空间，其轻质的特性更便于固定与施工。夹层内不仅仅限于布置毛细冷、热水管网，还可以布置电热膜，将光伏发电系统产生的电量通入电热膜从而为相变墙板提供热量同样是一种高效利用太阳能的储能方式。

通风系统通过进风口引入室内空气，通过新风口引入室外空气，通过出风口向室内送入空气，通过排风口向室外排出空气。此外，通过开启玻璃窗，能够大量引入室外空气或排出室内空气，维持室内的风量平衡，增加室内换气次数，起到良好的通风效果。

玻璃盖板采用low-e玻璃，玻璃盖板及空气夹层可以减少相变墙板在蓄热、蓄冷阶段与室内的自然对流与辐射，既能减少墙板在蓄热、蓄冷时的热量、冷量散失，又能提高墙板的蓄热、蓄冷效率。透光隔板可以使空气形成有组织的气流，增强空气与墙板的换热效果。玻璃盖板采取密封措施做到夹层空气与室内空气的隔离。

3.水系统

水系统包括太阳能集热器、风冷式热泵、保温水箱、毛细管网及管道、水泵、阀门等。太阳能集热器主要在冬季及过渡季提供热水。考虑到阴雨天气的影响，在冬季及过渡季风冷式热泵也能提供部分热水，或通过电加热装置提供热水。风冷式热泵主要在夏季及过渡季提供冷水。如果水系统的上水为温度较低的地下水、自来水或冷凝水，可不通过热泵直接向墙板提供冷水。集热器及热泵提供的冷热水通过保温水箱存贮，再供向末端的毛细管网。通过流速的调节，可以调节相变墙板的蓄热、蓄冷效率。

4.通风系统

通风系统包括送风风道与出风风道、风口及风机，以及风阀。在新风口及进风口出配有风机。通过灵活开启各风口的风阀，能够实现室内换气、室内自循环、相变墙板蓄冷三种通风方式，机械通风既能强化室内空气流通，又能提高相变墙板的放热效率，同时利用室外自然冷量为相变墙板蓄冷。风阀的调节不仅能够实现不同通风方式的转换，而且能够调节相变墙板的蓄、放热效率。

本申请的相变储能房的运行原理如下：

相变材料具有在人体舒适区温度范围内融化吸热、凝固放热的特性，且潜热量大大高于显热量。利用这一特性，将其应用于建筑制成相变墙体可以降低建筑的峰值负荷，将温度控制在人体舒适区。但现今相变墙体的限制因素有三：材料的低导热系数导致的蓄、放热效率低、阴雨天气导致的光照强度的不足已经直射辐射面积有限导致的光照面积的不足。分别通过冷热水冷却或加热及机械通风提取冷热量、使用热泵技术提取自然热量、增加墙体光照面积可缓解上述问题，本申请亦通过以上三种手段提高相变墙体的利用率。

运行方法：

房间的系统运行分为水系统季节性运行与通风系统日运行。

所述冷热水装置包括太阳能集热器和风冷式热泵，储水装置包括保温水箱，末端装置包括户用冷热水和相变墙。

所述太阳能集热器与保温水箱之间、冷水进水端与保温水箱之间、排空及溢流端与保温水箱之间、保温水箱与风冷式热泵之间、保温水箱与户用冷热水端之间，以及保温水箱与相变墙之间均连接且通过阀门控制所述连接。

如图5所示的水系统季节性运行示意图，其中：

阀门35、36分别控制系统的上水及排水，阀门41、42的开关控制用户的冷热水使用，阀门43、44的开关控制相变墙的冷热水利用。

(1)在冬季或过渡季蓄热工况下，开启阀门37、38使太阳能集热器产生的热水进入水箱供用户及相变墙蓄热使用，在阴雨天气，当集热器集热效率不高时，可开启阀门39、40通过风冷式热泵产生热水；

(2)在夏季或过渡季蓄冷工况下，开启阀门39、40使风冷式热泵产生的冷水进入水箱供用户及相变墙蓄冷使用。

如图6所示的通风系统日运行示意图，其中：

进风口风阀45、新风口风阀46、排风口风阀47、出风口风阀48、屋顶窗连通了室内与室外、室内与相变墙板、相变墙板与室外。其中风阀5表示的只是屋顶窗的开关，实际并不存在。

(1)开启进风口风阀45、出风口风阀48及屋顶窗，关闭其他风阀形成室内换气的通风形式，将新风送入室内，同时通过屋顶窗将室内空气排出以维持风量平衡，可以充分利用自然冷量或热量对房间进行空气调节，通过对风阀的调节可控制房间的换气次数及换气量；

(2)关闭新风口风阀46、排风口风阀47及屋顶窗，开启其他风阀形成室内自循环的通风形式，通过机械通风将相变墙板蓄集的热量及冷量带出并加热或冷却室内空气，通过对风阀的调节可控制相变墙板的蓄、放热效率及蓄、放热量；

(3)关闭进风口风阀45、出风口风阀48，开启其它风阀形成夏季或过渡季夜间相变墙板蓄冷，可充分利用夜间的自然冷量为相变墙板蓄冷，通过对风阀的调节可控制相变墙板的放热效率及放热量；

(4)关闭风阀进风口风阀45、新风口风阀46、排风口风阀47和出风口风阀48，同时向相变墙板内通热水或冷水，形成相变墙板封闭式蓄热或蓄冷模式，通过玻璃隔板的隔离，既可以减少相变墙板与室外的对流换热量，同时空气的不流通将提高相变墙板蓄热或蓄冷的效率；

(5)当仅开启屋顶窗时，即形成室内的自然通风。

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明一些具体实施方式的结构，并非详尽无遗或限制于上述所述具体形式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种主动式与被动式相结合的全年性利用相变储能房，包括：屋面采光房、相变组合墙体、水系统、通风系统；其特征在于，所述屋面采光房包括四面不透光墙体的墙体和采光用的透光屋顶；相变组合墙体包括相变墙板、相变材料砂浆、轻质彩钢板、毛细管网、玻璃盖板、风道及风口；所述水系统包括冷热水装置、储水装置和末端装置；所述通风系统包括送风装置、风道、风口及相应的密封装置；所述彩钢板包括内彩钢板和外彩钢板，相变墙板与所述内彩钢板之间留有夹层，其中布置毛细管，内彩钢板表面贴附反射层，在相变墙板的外侧间隔一定空隙设置玻璃盖板，空隙内设置透光隔板，且在空隙的两侧布置通风系统，并在每个隔板之间布置送风口。

2.根据权利要求1所述的相变储能房，其特征在于，透光屋顶为双层中空low-e玻璃，由多块透光玻璃组成，通过该多块玻璃的灵活开启能使室内有良好的自然通风，且四面墙体均可作为外墙或内墙。

3.根据权利要求1所述的相变储能房，其特征在于，所述相变墙板是由相变砖体通过组合并粘结而成。

4.根据权利要求1所述的相变储能房，其特征在于，所述通风系统的风口包括进风口、新风口、排风口和出风口，其中，进风口用于引入室内空气，新风口用于引入室外空气，出风口用于向室内送入空气，排风口用于向室外排出空气。

5.根据权利要求4所述的相变储能房，其特征在于，所述新风口及进风口出配有风机。

6.根据权利要求4所述的相变储能房，其特征在于，所述各风口设置有风阀，各风阀通过如下设置方式实现室内换气、室内自循环、相变墙板蓄冷三种通风方式：

(i)开启进风口风阀(45)、出风口风阀(48)及屋顶窗，关闭新风口风阀(46)和排风口风阀(47)形成室内换气的通风形式，将新风送入室内，同时通过屋顶窗将室内空气排出以维持风量平衡；

(ii)关闭新风口风阀(46)、排风口风阀(47)及屋顶窗，开启进风口风阀(45)和出风口风阀(48)形成室内自循环的通风形式，即机械通风形式；

(iii)关闭进风口风阀(45)、出风口风阀(48)，开启新风口风阀(46)和排风口风阀(47)形成夏季或过渡季夜间相变墙板蓄冷，控制相变墙板的放热效率及放热量；

(iv)关闭风阀进风口风阀(45)、新风口风阀(46)、排风口风阀(47)和出风口风阀(48)，同时向相变墙板内通热水或冷水，形成相变墙板封闭式蓄热或蓄冷模式；

(v)当仅开启屋顶窗时，即形成室内的自然通风。

7.根据权利要求1所述的相变储能房，其特征在于，所述冷热水装置包括太阳能集热器和风冷式热泵，储水装置包括保温水箱，末端装置包括户用冷热水和相变墙。

8.根据权利要求7所述的相变储能房，其特征在于，所述太阳能集热器与保温水箱之间、冷水进水端与保温水箱之间、排空及溢流端与保温水箱之间、保温水箱与风冷式热泵之间、保温水箱与户用冷热水端之间，以及保温水箱与相变墙之间均连接且通过阀门控制所述连接。