CN107165563B

CN107165563B - 一种节能百叶窗

Info

Publication number: CN107165563B
Application number: CN201710146827.7A
Authority: CN
Inventors: 王莹莹; 康文俊; 刘艳峰; 姜超; 王登甲; 刘加平
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: CN107165563A

Abstract

本发明公开了一种节能百叶窗，包括百叶窗，在百叶窗的上部固定有壳体，壳体内部由隔板分隔为第一腔体和第二腔体，在第二腔体的侧壁上开设有送风口，第一腔体的底面上开设有回风口，其中，回风口位于百叶窗的百叶帘上方，送风口朝向室内；所述的隔板上安装有穿透隔板的风道，在第一腔体中布设有风机，风机的出风口与风道连通；所述的第二腔体中安装有风轮，风轮上分布有导热管，导热管内部装有固态相变材料；风道靠近第二腔体的一端安装有导流板，导流板指向所述风轮的叶片。本发明可对室内低温空气起到阻隔作用，有利于室内温度场的均匀性；利用相变潜热吸收通过玻璃窗进入室内的热量，降低了空调末端负荷，同时为相变材料的再生创造条件。

Description

一种节能百叶窗

技术领域

本发明属于建筑透光外围护结构的节能技术领域，涉及一种对内遮阳的优化结构，具体涉及一种节能百叶窗。

背景技术

为了有效遮挡通过建筑外窗的太阳辐射，减少夏季空调负荷，采用遮阳设施是常见的手段。目前外窗遮阳设施主要有内遮阳、外遮阳、及置于两层玻璃之间的中间遮阳方式，三大类遮阳设施各有其优缺点：

外遮阳设施虽然是最有效的遮阳方式，只有透过遮阳设施的部分阳光才能到达玻璃表面，但是由于安置于室外，容易损坏，且收到污染后会降低其反射能力。中间遮阳方式尽管避免了外遮阳设施的缺点，但由于遮阳设施吸热后会升温从而对玻璃间层的空气起到加热作用，甚至使得玻璃间层的空气温度高于室外温度，其中部分热量会向室内传递而降低了其隔热能力。内遮阳由于置于室内而便于控制及维护，用户可根据季节状况及自己的喜好调整遮阳设施，内遮阳设施同样可以反射部分太阳辐射，但向室外反射的一部分又会被玻璃反射回来，使得反射作用减弱。更重要的是，内遮阳设施吸收的辐射热会慢慢向室内释放成为得热，因此，如何阻止这部分热量向室内的传递，并且将这部分热量合理利用起来是本发明的重点。

外窗的传热系数很高，是外墙的几倍，因此通过外窗传热所形成的空调负荷在建筑外围护结构传热得热形成的冷负荷中所占比重较大。

综上所述，如何降低夏季通过透光外围护结构进入室内的太阳辐射热量形成的空调负荷，从而达到节能的目的是本领域研究人员所共同关注的热点。

发明内容

针对传统内遮阳只是对得热的峰值有所延迟和衰减而不能有效降低得热量的问题，以及通过传热系数较高的外窗传热量较大的问题，本发明的目的在于，提供一种节能百叶窗，以克服现有技术中存在的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种节能百叶窗，包括百叶窗，在百叶窗的上部固定有壳体，壳体内部由隔板分隔为第一腔体和第二腔体，在第二腔体的侧壁上开设有送风口，第一腔体的底面上开设有回风口，其中，回风口位于百叶窗的百叶帘上方，送风口朝向室内；

所述的隔板上安装有穿透隔板的风道，在第一腔体中布设有风机，风机的出风口与风道连通；所述的第二腔体中安装有风轮，风轮上分布有导热管，导热管内部装有固态相变材料；所述的风道靠近第二腔体的一端安装有导流板，导流板指向所述风轮的叶片。

进一步地，所述的第二腔体内的两端对称设置有固定台，固定台上开设有轴承孔，轴承孔的外端通过轴承端盖密封，轴承孔中装配有滚动轴承；所述的滚动轴承之间安装有转轴，所述的风轮通过键槽配合的方式安装在转轴上，风轮在转轴上至少设置一对。

进一步地，所述的风轮包括固定在转轴上的套环，所述的叶片为矩形、扇形或梯形结构，叶片在套环的圆周上分布多个；所述的叶片的端部设置有卡套，所述的导热管的两端固定在两个风轮上叶片端部的卡套中。

进一步地，所述的导流板的端部位置不低于转轴所在的位置，且导流板倾斜于转轴设置。

进一步地，所述的第二腔体内设置有水槽，水槽中装有液态水，液态水的水面与转轴之间的距离小于叶片的长度。

进一步地，所述的第二腔体中，在水槽和送风口之间设置有过滤网。

本发明的百叶窗顶部设计有回风口，形成自下至上的通风通道，带走百叶帘吸收的热量，提高其遮阳效果，同时有效消除外窗附近的热空气间层；而热空气间层的热量是通过外窗传入室内的，包括太阳直射热量和温差传热热量两部分。本发明利用相变潜热原理，通过相变材料固、液之间的相变使这两部分热量被吸收，通过风轮旋转和底部水槽使相变材料再生。而风轮是在自然压差的作用下旋转，风机将回风吹向风轮上部使风轮叶片迎风面与背风面形成压差。固定在风轮上的铜管旋转到底部水槽液面以下时，水温低于相变材料的结晶点，使灌注在铜管内的相变材料再生。夜间，由于没有太阳辐射得热，本装置停止运行。夜间睡眠时空调舒适温度实验研究中表明，在被褥系统热阻为1.8clo时，睡眠热中性环境温度接近28℃，清醒状态下人员的热中性环境温度为24℃。因此，由于居住者处于睡眠状态时对热舒适要求较低，故水槽内的水夜间向室内散热降温是合理的。相当于将夜间一部分冷量用于昼间降低通过外窗进入室内的热量，由此达到节能的目的。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明为百叶形成通风通道，及时带走百叶吸收的这部分热量，而传统百叶反射部分太阳辐射的同时还会吸收部分辐射热，且向室外反射的一部分被玻璃吸收，一部分被玻璃反射回来，最终被内遮阳设施吸收。被升温的叶片最终通过对流向室内释放成为得热，遮阳效果差。

2.本发明及时带走通过外窗传热得热量和太阳辐射得热量，而在空调负荷组成中，这两部分得热形成的冷负荷占总负荷的比重大。而研究表明，当南向窗墙比由0.327增加至0.6时，通过PVC塑料窗的这两部分得热量占房间总得热量的比重由41.6％增加至58.8％。

3.本发明装置利用相变潜热的原理，仅需消耗电能驱动风机。由于为空调末端消除了2中所述的得热量，因此空调末端所需的冷量和风机功率均降低，故该装置并未增加能耗，而达到节能效果。

4.本发明特别设计了相变材料的再生机构，弥补了相变材料储热量较小的缺点，打破了相变材料在空调领域应用的限制。

附图说明

图1为本发明的安装位置示意图(未绘制出壳体内的结构)；

图2为本发明原理分析示意图；

图3为本发明装置的内部结构示意图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为图3的B-B剖面图；

图6为风轮部分的结构示意图；

图7为本发明实施例中空调区的分布示意图；

图中标号代表：1—百叶窗，2—送风口，3—回风口，4—百叶帘，5—卡套，6—壳体，7—风机，8—第一腔体，9—风道，10—隔板，11—导流板，12—固定台，13—套环，14—转轴，15—导热管，16—过滤网，17—水槽，18—固态相变材料，19—液态水，20—轴承端盖，21—滚动轴承，22—轴套，23—键，24—叶片，25—第二腔体。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图6所示，本发明公开了一种节能百叶窗，包括百叶窗1，在百叶窗1的上部固定有壳体6，壳体6内部由隔板10分隔为第一腔体8和第二腔体25，在第二腔体25的侧壁上开设有送风口2，第一腔体8的底面上开设有回风口3，其中，回风口3位于百叶窗1的百叶帘4上方，送风口2朝向室内；

在本实施例中，壳体6为空心的矩形体结构，而由隔板10分隔成的第一腔体8和第二腔体25亦为矩形体结构。送风口2用于向室内提供降温后的空气，而回风口3则是用于收集百叶帘4部分的热空气。送风口2指向室内，即送风口2的轴向垂直于百叶窗1所在墙面，如图2所示。

所述的隔板10上安装有穿透隔板10的风道9，风道9为一段两端通透的管道，在第一腔体8中布设有风机7，风机7的出风口与风道9连通；本实施例中，风道9设置三个，而对应地，设置了三个风机7分别与风道9连通。所述的第二腔体25中安装有风轮，风轮上分布有导热管15，导热管15内部装有固态相变材料18；所述的风道9靠近第二腔体25的一端安装有导流板11，导流板11指向所述风轮的叶片24。风轮的作用是在风机7的作用下旋转，使导热管15的位置发生变换，以利用固态相变材料18的相变潜热原理，对风机7输送来的风进行降温，并形成循环利用的模式。本实施例中，导热管15采用铜管，导热管15在叶轮上间隔设置多个。导热管15中装的固态相变材料18可以有多种选择，例如为石蜡。

具体的风轮的安装方式是，第二腔体25内的两端对称设置有固定台12，固定台12上开设有轴承孔，轴承孔的外端通过轴承端盖20密封，轴承孔中装配有滚动轴承21；所述的滚动轴承21之间安装有转轴14，所述的风轮通过键23槽配合的方式安装在转轴14上，转轴14的端部设置有轴套22，风轮在转轴14上至少设置一对；风轮有两个作用，其一是用来固定导热管15，如图3至图6所示；其二是在风机7的作用下，带动导热管15进行旋转。本实施例中，风机7设置了三个，其中两端的风机7输送来的风力在推动风轮旋转的同时，也与铜管接触进行降温。

本发明中提到的风轮结构如图6所示，风轮包括固定在转轴14上的套环13，所述的叶片24为矩形、扇形或梯形结构，叶片24在套环13的圆周上分布多个；所述的叶片24的端部设置有卡套5，所述的导热管15的两端固定在两个风轮上叶片24端部的卡套5中。另外，导流板11的端部位置不低于转轴14所在的位置，且导流板11倾斜于转轴14设置，倾斜角度为30°～45°。这样设置的目的是，使导流板11导向的风力作用于风轮的上部叶片24，即当前位置在转轴14之上的叶片24，以驱动风轮不断旋转。

本发明的装置与室内空调末端联动使用。如图2所示，由于通过玻璃窗日射得热及传热得热的产生，百叶帘4反射掉部分辐射的同时也会吸收一部分而储存起来，使其温度逐渐升高，再者，反射出去的光线一部分被玻璃阻挡而反射回来；整个过程中，窗玻璃也会吸收部分热量而逐渐升温，百叶帘4与玻璃吸收的热量最终通过对流释放到空气中。因此，靠窗附近会形成热空气间层，该装置在风机7的作用下，回风口3不断抽吸这部分高温空气，并形成一层垂直的风幕，对室内低温空气也起到阻隔作用。高温的回风被风机7输送到导热管15所在区域，温度达到相变材料的熔点，材料发生相变(固—液)，吸收潜热而储存起来，材料自身的温度基本不变，因此回风的温度被降低，通过送风口2吹出到室内。

考虑到相变材料相变潜热较小，不能在装置运行期间一直相变，有可能在装置运行半小时就全部被融化，因此特别设计了相变材料再生机构，是通过风轮的旋转和液态水19实现的。如图4所示，第二腔体25内设置有水槽17，水槽17中装有液态水19，液态水19的水面与转轴14之间的距离小于叶片24的长度，这是为了使导热管15旋转到最下部位置时，均能进入到水面之下，以释放热量。

该再生机构工作时，风轮的旋转带动导热管15的转动，导热管15转到液态水19液面以下，相变材料再生，再转出液面，吸收回风热量，如此循环。晚上，设备停止运行时，水槽17内的水冷却。风轮的旋转主要根据自然压差的原理，一部分回风被左右两侧的风机7通过风道9吹向风轮，在导流板11的作用下，吹向风轮的上部的叶片24，在叶片24迎风面和背风面形成压差，从而使风轮旋转。所述的第二腔体25中，在水槽17和送风口2之间设置有过滤网16。

本发明的一个具体实施案例如下：

以办公建筑为例，进行节能分析。房间6.0m×4.0m×3.9m，该房间外墙朝向：南；窗位于南外墙上，尺寸：2.5m×2.0m。金属窗框，80％玻璃；双层玻璃。

围护结构热工参数如下：南外墙传热系数：K＝0.54W/(m²·k)；外窗传热系数K_C＝3.3W/(m²·k)。

夏季室内计算温度t_n＝26℃；室外温度按逐时冷负荷计算温度取值。该例以西安地区为例，选取14：00时刻作为计算。故室外计算温度：t_w＝33.6℃；日射得热因数：D_j＝251W/m²。

将该空调区分两部分：Ⅰ区和Ⅱ区。Ⅱ区为该发明装置的左表面至外窗之间的区域，如图7所示。

1.节能率计算

(一)南外墙传热形成的冷负荷：

CL₁＝KF(t_w-t_n)＝0.54×(3.9×4-2.5×2)×(33.6-26)＝43.5W

(二)南外窗瞬变传热引起的冷负荷：

CL₂＝C_wK_cF_c(t_w-t_n)

式中：

C_w—玻璃窗的传热系数修正值；C_w＝1.2^[3]；

即：CL₂＝1.2×3.3×(2.5×2)×(33.9-26)＝156.42W

(三)南外窗日射得热形成的冷负荷：

CL₃＝C_aC_sC_iF_cD_jC_LQ

式中：

C_a—有效面积系数；双层钢窗C_a＝0.75；

C_s—玻璃窗的遮阳系数；双层3mm厚普通玻璃C_s＝0.86；

C_i—窗内遮阳设施的遮阳系数，活动百叶帘4C_i＝0.6；

C_LQ—玻璃窗冷负荷系数；

北区有内遮阳南向窗玻璃14：00时刻的冷负荷系数C_LQ＝0.61；

即：CL₃＝0.75×0.86×0.6×(2.5×2)×251×0.62＝301.12W

(四)照明设备冷负荷：

CL₄＝1000n₁n₂NC_LQ

式中：

n₁—镇流器消耗的功率系数；明装取1.2；

n₂—灯罩隔热系数；取1.0；

C_LQ—照明设备散热冷负荷，取连续开灯6h，C_LQ＝0.95；

即：CL₄＝1.2×1.0×200×0.95＝228W

(五)人体显热散热形成的冷负荷：

式中：

n—室内人数；取4人；

—群集系数；取1.0；

q_s—人体散热量；轻度劳动，取60.5；

C_LQ—人体显热散热冷负荷系数；

取进入室内6h，在室内总小时数10h，C_LQ＝0.8；

即：CL₅＝4×1.0×60.5×0.8＝193.6W

空调Ⅱ区负荷：

Q_Ⅱ＝CL₂+CL₃＝156.42+301.12＝457.54W

空调Ⅰ区负荷：

Q_Ⅰ＝CL₁+CL₄+CL₅＝43.5+228+193.6＝465.1W

总冷负荷：Q_总＝922.64W；通过外窗进入室内的热量(即Ⅱ区冷负荷)Q_Ⅱ＝457.54W，占总负荷的49.6％。

可见，若使用该装置后，利用相变材料的相变潜热原理，将Ⅱ区得热量吸收，考虑吸收不完全，若取效率系数为60％，故消除的冷负荷约为457.54×0.6＝279W，占总负荷28％。因此该装置节能可达到28％。

2.相变材料及管束计算

下面介绍几种石蜡相变材料参数：

本实施例中选择辛烷作为相变材料。假设该房间室内开空调时间10：00～22：00，共12小时。由前面的“节能率计算”中计算知空调Ⅱ区全天峰值负荷为457.54W，考虑60％的效率系数，则相变材料所需提供的冷量为279W，每半小时所需相变材料2.1kg。共8根铜管，每根铜管装0.26kg辛烷相变材料，密度取0.88g/cm3，管长取1.5m，则每根管管径为7.9mm，考虑到相变前后体积的变化，因此每根管管径取10mm。

3.水槽17容量校核计算

水槽17尺寸定为：1.8×0.2×0.05m；贮水高度0.015m。初始水温取20℃，水的热容：4.2*103J/(kg·k)，则：

当设备运行12小时，水需要吸收热量为1647KJ，水的终温度：

符合要求。

Claims

1.一种节能百叶窗，包括百叶窗(1)，其特征在于，所述的百叶窗(1)的上部固定有壳体(6)，壳体(6)内部由隔板(10)分隔为第一腔体(8)和第二腔体(25)，在第二腔体(25)的侧壁上开设有送风口(2)，第一腔体(8)的底面上开设有回风口(3)，其中，回风口(3)位于百叶窗(1)的百叶帘(4)上方，送风口(2)朝向室内；

所述的隔板(10)上安装有穿透隔板(10)的风道(9)，在第一腔体(8)中布设有风机(7)，风机(7)的出风口与风道(9)连通；所述的第二腔体(25)中安装有风轮，风轮上分布有导热管(15)，导热管(15)内部装有固态相变材料(18)；所述的风道(9)靠近第二腔体(25)的一端安装有导流板(11)，导流板(11)指向所述风轮的叶片(24)；

所述的第二腔体(25)内的两端对称设置有固定台(12)，固定台(12)上开设有轴承孔，轴承孔的外端通过轴承端盖(20)密封，轴承孔中装配有滚动轴承(21)；所述的滚动轴承(21)之间安装有转轴(14)，所述的风轮通过键(23)槽配合的方式安装在转轴(14)上，风轮在转轴(14)上至少设置一对；

所述的风轮包括固定在转轴(14)上的套环(13)，所述的叶片(24)为矩形、扇形或梯形结构，叶片(24)在套环(13)的圆周上分布多个；所述的叶片(24)的端部设置有卡套(5)，所述的导热管(15)的两端固定在两个风轮上叶片(24)端部的卡套(5)中；

所述的第二腔体(25)内设置有水槽(17)，水槽(17)中装有液态水(19)，液态水(19)的水面与转轴(14)之间的距离小于叶片(24)的长度。

2.如权利要求1所述的节能百叶窗，其特征在于，所述的导流板(11)的端部位置不低于转轴(14)所在的位置，且导流板(11)倾斜于转轴(14)设置。

3.如权利要求1所述的节能百叶窗，其特征在于，所述的第二腔体(25)中，在水槽(17)和送风口(2)之间设置有过滤网(16)。