CN106854901A - 一种热梯度复合保温一体化建筑材料及节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料高效保温和除湿，以及能源利用与节约的技术领域。该复合保温材料包括正中间的保温板本体，所述的保温板本体内设有电热层，所述的保温板本体两侧各夹一层保温砂浆层，所述的两层保温砂浆层与所述的保温板本体相连，最外侧是分别是两层抗裂砂浆板。正中间的所述的电热层连接电源并由热梯度控制器调节。上述所有层级机构都平行于墙体表面相连接。所述的复合保温材料要达到两个目的，首先就是通过对热梯度和热量流失速率的控制来提高保温效率，其次就是消除或尽可能避免湿度对建筑保温材料造成消极影响。

Description

一种热梯度复合保温一体化建筑材料及节能方法

技术领域

本发明关于建筑材料高效保温和除湿，以及能源利用与节约的技术领域。

技术背景

保温的实质就是阻止热量的流动，尤其是阻止热量从期望保留的地方向不期望的地方流失。根据热力学的原理可以知道，热量的流动需要存在热梯度——即热能只会从温度高的地方向温度低的地方传递。另外，根据傅立叶导热定律可以知道，温差越大热量流失的速度越快，因此我们可以利用该保温材料来减小热梯度，从而降低热量的流失速度。

最近几年国内许多地区都对一些住宅用建筑采取了保温手段，用来提高建筑的保温效率并间接得提高能源利用率，从而达到节能的目的。如在专利“一种复合保温板”(CN 203755474U)中提到的复合保温板，使用了抗裂砂浆、保温砂浆和保温层的方法。但是，在这些已有的发明中所使用的保温手段却忽略了外界环境变化尤其是湿度对保温效果以及材料结构方面的影响。事实证明，湿度的变化对保温效率的影响是巨大的，其表现为，对于通常用的保温材料来说，湿度的上升会导致保温效率的直接下降；另外材料吸湿会使得材料内部更容易腐化，对材料的稳定和使用寿命产生巨大的消极影响。与此同时，已有的发明中所使用的保温手段并没有推动能源的高效利用，以及对新能源的直接利用，从而并未对节能产生直接的积极推动。

这项发明的产生就是为了解决上述的几个问题，首先就是通过对热梯度和热量流失速率的控制来提高保温效率，其次就是消除或尽可能避免湿度对建筑保温材料造成消极影响，最后就是利用建筑本身来收集能源并加以利用，从而达到保温节能的目的。

发明内容

为了解决之前出现的问题，从而达到保温除湿节能的目的，这就需要使用这个复合保温材料。该复合保温材料包括：位于正中的电热层，该电热层被放置于保温板本体中间，保温板本体两侧各夹一层保温砂浆层，这两层保温砂浆与保温板本体相连，最外侧是分别是两层抗裂砂浆层。正中间的电热层连接电源并由热梯度控制器调节。上述所有层级结构都平行于墙体表面相连接。

根据这项发明的一项目的，电热层所连接的电源可以是有建筑外附加的太阳能或风能所

产生的电力来源，合适的情况下也可以使用电网供电。

说明书中所提到的术语“电热层”大致可以描述为这样的结构，包含一层或多层结构的发热装置，这个发热装置可以是电热丝也可以电热薄膜等任何适合采用的电热材料；还包含一层或多层热导体，这些热导体与其他层级结构平行且大小相同。术语中提到的“电源”可以是任意可采用的电能来源，最好是在建筑表面利用的自然能源所转化的电源。

根据本发明的优选示例的具体情况，复合保温材料应该覆盖全部的建筑外表面，由于室内的温度比室外温度高，通过热梯度的作用，热量就要穿过墙壁通过复合材料向室外流失。

根据本发明的结构描述，电热层连接有电源并由热梯度控制器调节。发热装置是一个电热设备，消耗很低的功率来进行加热，并由与其紧贴或者将其包裹的热导体将热量向外传递。热导体通常使用金属材料制成，当然也可以是其他任何可以使用的热导材料。他的位置处于复合保温材料的正中间并与其他层级结构平行且大小相同，这样可以将发热设备所产生的热量均匀得传导到整个复合材料。电源为任意可采用的电能来源，最好是在建筑表面利用的自然能源所转化的电源。热梯度控制器由两个温度检测装置和一个温度控制器组成。两个温度检测装置分别用于监测室内外的实时温度，温度控制器用于调节控制电热层的温度，使其温度稳定地处于室内外温度的中值。

在使用中，室内温度要高于室外温度，因此热量就要从室内向室外流失，这个流失过程需要经过墙壁和复合保温材料，这时，由电源供电提供电热层发热，使得温度处于室内外温度的中值，根据傅立叶导热定律可以容易知道，这个状态下热量无论从室内传递向复合保温材料还是从复合保温材料流失向室外的速率都是最低的。从而使得整个符合保温层的保温效率进一步提高。

在使用中，由于广泛使用的保温材料都具有吸湿性，并且难以做到隔绝空气的苛刻条件，而保温材料的湿度上升，又会使得他的热导系数增加，从而降低保温效率。由于环境无法保持湿度的持久干燥，因此会对复合保温材料的整体保温效率，和材料持久度产生消极的影响，并使材料的使用寿命远远达不到期望的要求。因此，我们的电热层除了起到稳定热梯度状态的作用外，还具有烘干复合保温材料的作用，使其材料内的含水量可以稳定处于较低的状态，从而更进一步提高该发明的保温效率。

附图说明

图1为本复合保温材料用于建筑外墙表面的横截面示意图；

图2为本复合保温材料用于建筑内墙表面的横截面示意图；

图3为本复合保温材料用于直接制作室内隔墙的横截面示意图。

具体实施方式

以下的图画及实例说明将对本复合保温材料的结构及作用原理和作用方式作详细说明，但不限制本发明的其他可实施用途。

在所有的示例中都包含有一个热梯度控制器，这个热梯度控制器由两个温度检测装置和一个温度控制器组成。两个温度检测装置分别用于监测室内外的实时温度，温度控制器用于调节控制电热层的温度。

如图1所示，墙壁1为建筑的外墙墙体，2为抗裂砂浆层用于保护支撑整个复合保温材料，抗裂砂浆层2紧贴墙壁1的表面为墙体的外表面。保温砂浆内层3位于抗裂砂浆层2外侧和保温砂浆外层5之间夹着保温板本体4，最外侧是抗裂砂浆外层6，起保护支撑的作用。仅仅这样的复合结构就已经有了较高的保温效果，但是为了达到更高的保温效率以及起到除湿的目的，在保温板本体4中间加入了电热层7，电热层7包含发热设备和热导体并且要尽量的薄。电热层7使用电源供电并配备有热梯度控制器。热导体用一层或多层导热材料，能够将发热设备利用电能散发的热量均匀得向整个复合保温材料的平面发散。

在实际使用中，室内温度高于室外温度，热量就会由于室内外温差的存在从室内通过墙壁1和整个复合保温材料向室外扩散，造成能量的流失。这时，室内和室外的温度检测装置探测到室内和室外的具体温度，将得到的信息反馈至电热层4的热梯度控制器使其发挥作用，电热层4利用一份非常低功率的电源(理想下直接利用建筑体用自然能源发电，可以是任何可使用的电源)，并在热梯度控制器的调节下温度变动至室内外温度的中值，这样根据傅立叶热导定律便在室内外温差条件下，将热量的流失速度降到最低。而且容易知道，这样的热量流失速度不会再进一步降低。从而使得在使用材料的保温能力一定的情况下，达到最高的保温效率。

当室内温度发生变化时，该复合保温材料也会发挥很好的作用。第一种情况，当室内温度升高时，处于前一刻的状态是：电热层7的温度与室内的差值比室外的差值要大，这时，从室内向电热层7的热量流动速率就要比电热层7向室外流动的速率快，但这样的速率依然都要小于没有电热层7时直接相对于室内外温差的热量流失速率；然后在热梯度控制器的调节下，就需要对电热层7进行加热，且加热需要升高的温度仅有室内升温的一半，另外，由于电热层7内热导体的存在且这层结构非常薄，所以只需要很少的电能转化便可以让他的温度达到所期望的水平。而由于热质的区别，这样的方法在电热层7加热的耗能相对于热能流失的量要小得多。第二种情况，当室内温度降低时，处于前一刻的状态是：电热层7的温度与室内的差值要比室外的差值小，这样直接导致室内向电热层7的热量流动速率减小，在热梯度控制器的作用下，电热层7的温度将会随着热量向外界的扩散迅速降至室内外温度的中值，从而达到减少热量流失的最佳状态。

图2所示的是用于建筑外墙内表面的情况，大体结构和图1所示的相同，利用的原理和图1所运用的原理也是一样的。其中，墙壁13是建筑的外墙，抗裂砂浆外层12与墙壁13接触的平面是建筑外墙的内表面；保温砂浆外层11位于抗裂砂浆外层12的内侧和保温砂浆内层9之间夹着保温板本体10，最内侧是抗裂砂浆内层8，起保护支撑的作用。这个结构一般用于建筑外墙外侧无法附着保温材料及其他需要将复合保温材料置于墙壁内侧的情况。电热层14装在保温板本体10中间且要尽可能薄，这样可以用尽可能少的电能来进行加热以满足温度需求。电热层14包括发热设备和一层或多层热导体。发热设备与热梯度控制器相连并使用电能发热，电能可以是来自建筑体采集的自然能源，也可以通过电网提供。热导体延展向整个材料的垂直平面并与其他层级结构平行，目的是能够将热量迅速均匀得扩散到整个复合保温材料。热梯度控制器由两个温度检测装置和一个温度控制器组成。两个温度检测装置分别用于监测室内外的实时温度，温度控制器用于调节控制电热层14的温度用以调节电热层14的温度处于室内外温度的中值。

在实际使用中，室内温度高于室外温度，热量就要通过复合保温材料穿过墙体13流失向外界。这时，室内和室外的温度检测装置探测到室内和室外的具体温度，将得到的信息反馈至与电热层14连接的温度控制器使其发挥作用，电热层14利用一份非常低功率的电源(理想下直接利用建筑体用自然能源发电，可以是任何可使用的电源)，并在热梯度控制器的调节下温度变动至室内外温度的中值，这样根据傅立叶热导定律便在室内外温差条件下，将热量的流失速度降到最低。而且容易知道，这样的热量流失速度不会再进一步降低。从而使得在使用材料的保温能力一定的情况下，达到最高的保温效率。

当室内温度发生变化时，通过复合保温材料节约能源和加强保温效率的原理与图1中所描述的相同。因此，将该复合保温材料用于建筑外墙的内侧时，也同样可以达到高效的保温要求。

图3表示的是直接将复合保温材料用于室内做隔墙的情况。保温支撑层15和保温支撑层19位于复合保温材料的最外层，主要用于墙体的构建和支撑。紧贴支撑材料15和19的是两层保温砂浆16和保温砂浆18用于主要的保温隔热功能，保温砂浆中间则放置了保温板本体17。保温板本体17是整套复合保温材料的技术核心，对于调节控制材料的温度用以提高整体保温效率起决定性作用。在保温板本体17中间加入了电热层20，电热层20包含发热设备和热导体并且要尽量的薄。电热层20使用电源的供电并配备有热梯度控制器。热导体用一层或多层导热材料，能够将发热设备利用电能散发的热量均匀得向复合保温隔墙的整体发散。

在实际使用中，当隔墙两侧的房间温度不同时，热量就会从温度高的房间经由隔墙向温度低的房间流动，而这样的流动往往是人们所不期望的。这时，与电热层20的连接的温度控制器通过两侧房间的温度检测装置检测出具体的实时温度的反馈信息调节控制电热层20的温度，电热层20利用各种可以利用的极低功率的电力来源发热，来让自身的温度处于两侧房间温度的中值。这样根据傅立叶热导定律便在两侧房间存在温差条件下，将热量的流失速度降到最低。而且容易知道，这样的热量流失速度不会再进一步降低。从而使得在使用材料的保温能力一定的情况下，达到最高的保温效率。当隔墙两侧房间的温度相同时，由于自然条件下的热传导就不需要隔墙发挥保温作用，从而有高效率的保温效果。而此时的电热层17甚至是整个隔墙的温度也必然是和两侧的温度相等，而这个相等也可以看作是两个相等温度的中值。因此，可以将两侧房间温度相同是的状态看成是一种极限的温差状态且不存在热量的流动，而此时的电热层温度正好位于两侧温度的中值，这也在极限状态下反证了利用温差中值来实现高效保温的正确性。

在实际使用中，当隔墙两侧的房间发生温度变化时，由于电热层20的热质特性和结构特性，它能够只消耗少量的电能来条件自身的温度使之达到所要求的两侧温度中值状态，而节约更多的热量流动损耗，因此就可以很大程度上提高隔墙的保温效率，并节约能源降低能耗。

在实际使用中，由于电热层20的目标温度是隔墙两侧的温度中值，且运用的是最大程度减慢热量流动的原理，因此，该保温隔墙的保温性能和建筑结构并无方向性，即如图3所示，无论是为了给保护支撑层15左边的房间保温，还是为了给保护支撑层19右边的房间保温。该建筑结构及其建造方向都无需发生改变，而保温的高效性却不会发生改变。进一步说，本保温隔墙的保温方向是无差别的。

此外，因为我们用于制作或构建该复合保温材料或者保温隔墙所使用的基本上都是常规建筑材料，因此对于材料本身的吸湿性则不能够避免。在使用中，会受到环境湿度变化的影响而降低保温效率。而且，在长时间的使用中，由于水分对材料的侵入，材料不可避免得受到不同程度的侵蚀，从而减少材料的使用寿命。比较乐观的是，我们这个复合保温材料就同时提供了一种一定程度上有效的防湿祛湿方法：由于电热层的存在，利用电能发热会使得电热层通过其热导体向整个材料发散热量，这样就直接得给材料的烘干提供了方法。由于随着室内外或隔墙两侧温度的变化，电热层会间断性的加热——冷却，而加热的过程则是整个材料由内而外的热量传递过程，这样就能起到将材料吸入的水分烘到外界的作用。因此，根据本复合保温材料提供的方法，在使用常规材料作为建筑的保温材料时，即使在潮湿的环境中可能够保证较高的保温效率。

Claims (8)

1.一种复合保温材料，其特征在于，包含多层层级结构，所述的层级结构包括最外层的两层抗裂砂浆层，所述的层级结构包括位于所述的抗裂砂浆层内侧的两层保温砂浆层，所述的层级结构包括位于所述的保温砂浆层之间的保温板本体，所述的保温板本体中间装有电热层，所述的电热层由发热设备和热导体组成，所述的发热设备与一个热梯度控制器相连。

2.如权利要求1所要求的复合保温材料，其中的发热设备可以是一层或多层结构，并可以使用电热丝或电热薄膜等任何适合采用的电热材料。

3.如权利要求1所要求的复合保温材料，其中的热导体可以是一层或多层尽可能薄的结构，并可以使用多种可利用的热导材料。

4.如权利要求1所要求的复合保温材料，其中的热梯度控制器由两个温度检测装置和一个温度控制器组成。两个温度检测装置分别用于监测室内外的实时温度，温度控制器用于调节控制电热层的温度。

5.一种热梯度复合保温与节能的方法，其特征在于，包含了几个步骤，首先建立起传统复合保温结构，然后加入与梯度控制器连接的电热层，其次通过所述的热梯度控制器中的两个温度检测装置分别检测室内外实时温度，再将这些信息反馈至所述的热梯度控制器中的温度控制器，根据傅立叶导热原理，最后所述的温度控制器调节控制所述的电热层的温度，用于减缓热量的流动速率，从而使保温效率升高。

6.如权利要求5所述的方法，需要维持电热层温度等于室内外温度的中值。

7.如权利要求5所述的方法，控制所述的热导体的温度所需的能耗要远远低于整体的保温所节约的能量，且可以利用自然能源，从而达到节能的目的。

8.如权利要求5所述的方法，利用了电热烘干降低材料湿度。