CN107401354A - 太阳能吸热窗体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能吸热窗体，该太阳能吸热窗体包括：第一窗玻璃、第二窗玻璃、窗体框架、热交换器及管道装置，其中，第一窗玻璃与第二窗玻璃相互分离，固定设置于窗体框架中，且在第一窗玻璃与第二窗玻璃之间形成有用于工作流体流动的集热空间；热交换器固定于窗体框架上，且热交换器耦接于集热空间；管道装置耦接于热交换器，将流经过热交换器的工作流体传输至集热空间底部，使得集热空间内的工作流体构成循环流动。本发明的优点在于，由于减省了原有在集热空间的上下集水管，该窗体所需的整体材料、重量和摩擦损耗得以减少，以及，能够降低制造、运输和现场安装的成本。

Description

太阳能吸热窗体

技术领域

本发明是关于太阳能吸热技术，具体地，是关于一种省去集水管的太阳能吸热窗体。

背景技术

为实现窗体的太阳能吸热功能，可在窗体上设置透明的太阳能集热器，并由此提供比不透明的太阳能集热器更令人满意的建筑美感。还涉及当透明窗玻璃破裂时发生过渡液体、泄露、财产损坏以及相对昂贵的储热工作流体损耗的可能性。

水流动窗体是一个多层玻璃系统，该多层玻璃系统在窗体内腔中具有一流水层。在常规的流动双层玻璃设计中，水在一个由两层玻璃板之间的密封腔及顶端的双管热交换器通过连接管形成的闭环中流动。在日光照射下，吸收的太阳热能被温暖的水流携带至密封腔中，并被释放至逆流热交换器中的冷给水。这可作为预加热设备在随后用于支持生活热水系统。但这种在传输管道中进行液体循环的窗体存在的问题是，通过传输管道引进空气或液体形成循环，需要大量管道系统、泵和管配件和填满这些管道系统的额外储热流体，而在传输管道中进行传输，势必会造成较多的摩擦损失；并且，在管道配置和管路安装调试过程中，需要消耗较多的人力物力。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种太阳能吸热窗体，以减少整体材料的消耗，并减少窗体系统中的摩擦损耗。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种太阳能吸热窗体，所述的太阳能吸热窗体包括：第一窗玻璃、第二窗玻璃、窗体框架、热交换器及管道装置，其中，所述第一透明窗玻璃与所述第二透明窗玻璃相互分离，且在所述第一透明窗玻璃与所述第二透明窗玻璃之间形成有用于传输工作流体的集热空间；所述第一透明窗玻璃与所述第二透明窗玻璃固定设置于所述窗体框架中；所述热交换器固定于所述窗体框架的上部，且所述热交换器内设有用于流通所述工作流体的第一通道和用于工作介质的第二通道，以及所述管道装置耦接所述集热空间和所述第一通道，以在所述窗体框架中形成工作流体路线，将所述集热空间中的所述工作流体所吸收的热能供应至所述热交换器。

在一实施例中，上述的窗体框架包括容置所述第一透明窗玻璃与所述第二透明窗玻璃的上构件及下构件，且所述第一通道和所述第二通道设置于所述上构件内。

在一实施例中，上述的第二通道两端开设有进口及出口，所述进口及出口延伸穿过所述窗体框架中邻近所述上构件的两端的开口。

在一实施例中，上述的管道装置包括：金属管、第一管道、第二管道及第三管道，其中，所述第一通道的一端通过所述第一管道连接到所述金属管的一端，所述第一通道的另一端为一开口，伸入到所述的集热空间中；所述金属管的另一端通过所述第二管道向下延伸到所述集热空间的下边，且所述第二管道的一端开口并延伸到所述集热空间中；所述第三管道的一端设置有用于流体注入和排出的截止阀，另一端开口并延伸到所述集热空间中。

在一实施例中，上述的太阳能吸热窗体还包括：容器，所述容器位于所述窗体框架内，用以提供膨胀空间，且所述容器设置有空气排出装置。

在一实施例中，上述的容器安装在所述上构件中，并连接到所述第一管道。

在一实施例中，上述的第一通道与所述第二通道同轴，并且所述第二通道为环形截面并围绕所述第一通道。

在一实施例中，上述的二通道设置在被隔热物料包围并容置在所述上构件内的管状构件中。

在一实施例中，上述的工作介质沿与所述工作流体流经所述第一通道相反的方向流经所述第二通道。

本发明实施例的有益效果在于，由于减省了原有在集热空间的上下集水管，该窗体所需的整体材料、重量和摩擦损耗得以减少，以及，能够降低制造、运输和现场安装的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为根据本发明实施例的太阳能吸热窗体的结构示意图；

图1B为根据本发明另一实施例的太阳能吸热窗体的结构示意图；

图2为沿图1A所示的太阳能吸热窗体中的剖线A-A’的剖面图；

图3为根据两种方案在典型夏季周及冬季周时，水循环流速的对比结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种太阳能吸热窗体。以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1A及图2所示，本发明实施例的太阳能吸热窗体包括：

由金属或硬质聚合物形成的细长的上构件10、下构件11、第一侧构件12及第二侧构件13。上述的上构件10、下构件11、第一侧构件12及第二侧构件13是中空结构，并且具有用以容置透明玻璃或聚合物的第一窗玻璃(windowpane)14和第二窗玻璃15的边缘的细长接口。上构件10、下构件11、第一侧构件12、第二侧构件13及第一窗玻璃14通过接头(未示出)使它们的端部相连以形成矩形的窗体框架16。使用时，窗体框架16安放在建筑物墙壁上开设的窗口中，或可固定在适当位置，又或者可选择地，通过铰链或轨道安装以实现枢转或滑动功能。窗体框架16沿图1A中所示的方向竖直地安装，但当窗体框架16安装在倾斜的屋项上以形成天窗时，或者当铰接窗敞开时，窗体框架16可设置在倾斜位置。

第一窗玻璃14和第二窗玻璃15为平坦的矩形玻璃，两者相互平行地分隔以在它们之间形成集热空间17。在此实施例中，是将第一窗玻璃14设置于整个窗体的内侧(靠近建筑物内部空间的一侧)，将第二窗玻璃15设置于整个窗体的外侧(靠近建筑物外部的一侧)。容置在第一侧构件12、第二侧构件13中的第一窗玻璃14及第二窗玻璃15的长边被密封封闭，而它们的顶部的短边上则设置有第一通道23。

为了提高工作流体的吸热能效，在透明的第一窗玻璃14(限定室内空间边界的窗玻璃)的表面可装配有反光膜层(未示出)，从而使集热空间17在加强了的反射光线返回到外间环境时多被吸收，该反光层还有利于減小对建筑物内空间的传热。为了扩展窗体的功能，第二窗玻璃15可为光电玻璃窗，通过集热空间17中的流体流动可冷却光电玻璃窗的太阳能电池(未示出)，并且产生的电用于支持其它的建筑物活动。

具体地，上述的第一通道23是设置在上构件10中，且该第一通道23的一端通过管道22连接到金属管(例如是铜管)24的一端，第一通道23的另一端为一开口，伸入到上述的集热空间17中。金属管24的另一端通过管道26向下延伸到集热空间17的下边，且管道26的一端开口并延伸到该集热空间17的下边的一端中。而在该集热空间17的下边的另一端，管道27的一端开口，并延伸到该集热空间17中，管道27的另一端经由截止阀28连接到注入和排放端口29。

金属管24和由金属管24限定的第一通道23形成被安装在上构件10中的狭窄细长的热交换器30的一部分，热交换器30还包括与金属管24同轴的外管31以限定截面为环形的第二通道32。第二通道32与第一通道23大体共同延伸，并且第二通道32包括在其两端附近的进口33和出口34，进口33和出口34延伸穿过窗体框架16中邻近上构件10两端的开口。热交换器30通过管状配件38固定在上构件10中，管状配件38固定在中空构件或外管31的两端并延伸穿过上构件10中的各个孔。因此，管状配件38用于机械地安装热交换器30及使进口33与出口34之间进行流体连通。在可替换的实施例(未示出)中，金属管24、外管31的其中之一或其它可与上构件10一体成型。

容器35安装在窗体框架16内用以提供膨胀空间。如图1A所示，容器35安装在上构件10中并连接到管道22。在该容器35上设置气孔(未示出)，以使空气从系统中排出。为排出空气，热交换器30朝容器35向上倾斜，由此容器35与管道22连接于路线的最高点。

窗体框架16填充有围绕热交换器30、管道22、管道26以及第一窗玻璃14、第二窗玻璃15周围的隔热物料36，例如，聚氨酯泡沫。

集热空间17、管道22及管道26的中空空间中填充有诸如透明流体的工作流体，例如水或酒精，或水和酒精的混合物。可选择地，工作流体可为其它纯净的或混合的透明液体或半透明的(有色的)液体，以改变光学特性，尤其是在可见范围内玻璃窗的太阳能透过率。太阳辐射吸收率提高工作流体的温度，并因热虹吸效应引起自然循环流动。参照图1A，工作流体沿逆时针方向，经由热交换器30、管道26、集热空间17、管道22、第一通道23、热交换器30形成循环流动。

为了建筑物中提供热水服务，工作介质在进口33与出口34之间以与热交换器30中的工作流体做相反的方向流动。在窗体铰接的情况下，进口33与出口34通过两个接管连接到建筑物结构内的工作介质管道系统。为了使集热能力最大化，多个吸热窗体可通过工作介质管道以串联、并联或串并联相结合的方式连接在一起。另外，可在热交换器30的流动通道31处利用相变材料。这种附加的蓄热有助于稳定工作介质的工作温度，并由此进一步改进总体的热交换性能。

在此实施例中，上述的热交换器30是设置于该窗体框架16的上部。在另一实施例中，如图1B所示，该热交换器30也可以是设置于该窗体框架16的侧面，其他结构则做相应调整，但其实现的功能与上文所描述的一致，在此不再赘述。

通过上述的结构，本发明实施例的太阳能吸热窗体移除了现有技术中用到的集水管，移除集水管的主要优势在于，安装使用该窗体所需的整体材料和重量的减少，以及，能够使得降低制造、运输和现场安装的成本。

为了证实本发明实施例的太阳能吸热窗体所具有的上述优势，进行了验证实验。基于修改后的设计的测试原型的构建，实验室测试持续进行了一整周。该太阳能吸热窗体被安装在装有空调设备的实验室的一面朝向南的垂直墙上，该实验室位于一多层大学建筑的屋顶平台。于此，在数值分析中，原始经过实验验证的仿真程序，经过修改以配合本方案中修正后的流动阻力，上述的仿真程序是基于有限差分能量和流动平衡法(用于具有分配总管的浮力流动窗系统)自主研发的。最终，整个系统的热性能由基于利用典型气象数据集合进行的附加的模拟运行和数值分析计算获得。

系统性能通过以下各项进行计算：(i)循环水的质量流率；(ii)有用的给水热量的获取(对应于DHW系统能量消耗的减少)；以及(iii)房间热量的获取(对应于空调设备能量消耗的减少。结果显示，能够通过去除分配总管来改进水循环。参考典型的夏季周和冬季周，给出对比结果，分别如图3中的(a)及(b)所示。通过去除集水管，发现在典型的夏季周(9月2日-8日)，水循环平均上涨了17％，在典型的冬季周(1月8日-14日)，水循环平均上涨了20％。

一年的热性能在表1中，按照每月数据列出。其中，方案1是指现有技术中设置有集水管的方案，方案2则是指本发明实施例的太阳能吸热窗体，即移除了集水管的方案。

表1

能够看出，这一年当中，除去水循环率的改进，有用水热量的获取有微小的改进，房间热量传输基本上没有变化。这是由于浮力流动窗体设计的热传输过程的自我调节的特性。在方案2中的年度水热量获取比在方案1中大约4％。对于上述两个方案，在窗体内腔的水流动保留有本质上的层流，因此其缓慢且高度稳定。两个方案中几乎未变化的热传输，是由十分相似的水和玻璃表面温度所引起的。

通过上述的测试过程可知，通过移除浮力水流窗体中的集水管，水循环可得以改进。这是因为降低了在循环闭环中的摩擦损耗。在窗体内墙中的水流保持着层流。在另一方面，对于内层玻璃表面的温度分布也存在改进。在有用水热能获取和房间热传输方面的热性能基本不受影响。这证实了浮力流动传热过程的自我调节特性。移除分部总管的主要优势在于降低制造、运输和现场安装的成本。

本发明的方面仅以示例的方式描述，并且应该认识到，在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明进行修改和增添。例如，可将制冷剂用作工作流体，使得集热空间17用作蒸发器而热交换器用作冷凝器。可替换地，为了改进在冬季的热适宜度，可将热的工作介质引入到热交换器，并可将泵安装到框架以使工作流体循环。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能吸热窗体，其特征在于，所述的太阳能吸热窗体包括：第一窗玻璃、第二窗玻璃、窗体框架、热交换器及管道装置，其中，

所述第一窗玻璃与所述第二窗玻璃相互分离，固定设置于所述窗体框架中，且在所述第一窗玻璃与所述第二窗玻璃之间形成有用于工作流体流动的集热空间；

所述热交换器固定于所述窗体框架上，且所述热交换器耦接于所述集热空间；

所述管道装置耦接于所述热交换器，将流经过所述热交换器的工作流体传输至所述集热空间底部，使得所述集热空间内的工作流体构成循环流动。

2.根据权利要求1所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述窗体框架包括容置所述第一窗玻璃与所述第二窗玻璃的上构件及下构件，且所述第一通道和所述第二通道设置于所述上构件内。

3.根据权利要求2所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述第二通道两端开设有进口及出口，所述进口及出口延伸穿过所述窗体框架中邻近所述上构件的两端的开口。

4.根据权利要求2所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述管道装置包括：金属管、第一管道、第二管道及第三管道，其中，

所述第一通道的一端通过所述第一管道连接到所述金属管的一端，所述第一通道的另一端为一开口，伸入到所述的集热空间中；

所述金属管的另一端通过所述第二管道向下延伸到所述集热空间的底部，且所述第二管道的一端开口并延伸到所述集热空间中；

所述第三管道的一端连接至有用于流体注入和排出的注入口，所述第三管道的另一端开口并延伸到所述集热空间中，且所述第三管道与所述第二管道并不连接。

5.根据权利要求4所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述太阳能吸热窗体还包括：容器，所述容器位于所述窗体框架内，用以提供膨胀空间，且所述容器设置有空气排出装置。

6.根据权利要求5所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述容器安装在所述上构件中，并连接到所述第一管道。

7.根据权利要求2所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述第一通道与所述第二通道同轴，并且所述第二通道为环形截面并围绕所述第一通道。

8.根据权利要求7所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述第二通道设置在被隔热物料包围并容置在所述上构件内的管状构件中。

9.根据权利要求1所述的太阳能吸热窗体，其特征在于，所述工作介质沿与所述工作流体流经所述第一通道相反的方向流经所述第二通道。