CN107543265B - 一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，由阶梯相变蓄能堆积床和辅助机械通风系统两部分组成。根据我国5个建筑热工设计分区和实际室外热环境状况选择两种或两种以上不同相变温度的相变蓄能材料，将相变蓄能材料封装于金属球壳之中，按照相变温度的阶梯变化置于阶梯相变蓄能堆积床中；辅助机械通风系统根据其运行原理设置为四个工况，阶梯相变蓄能堆积床在不同工况下分别与机械通风、夜间自然通风、太阳能空气集热装置和空气电加热装置结合实现全年工况下高效运行。本发明采用辅助机械设备来提高可再生能源的利用效率，可在满足室内人体热舒适需求的同时有效降低建筑能耗。

Description

一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统

技术领域

本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种采用辅助机械设备的主动式设计策略结合高效利用夏季夜间自然通风、冬季太阳能采暖的被动式设计策略、匹配多种相变蓄能材料、可在全年工况下适应不同室外气候条件使用的阶梯相变蓄能堆积床系统。

背景技术

在建筑能耗持续攀升导致能源紧张和环境污染背景下，有效利用可再生能源的低能耗建筑已受到人们的广泛重视。作为一种温度变化小、蓄能密度大、具有高效潜热特性的材料，相变蓄能材料在建筑制冷和采暖领域里有着广阔的应用前景。如何将相变蓄能材料与建筑有效结合并应用是当下研究的热点。

目前国内的相变蓄能建筑构件，如相变蓄能墙板、相变蓄能地板、相变蓄能天花板等大部分仍旧停留在研发阶段，没有形成产业化生产和相应行业规范标准，存在着导热系数低、储能效率低、稳定性差、易发生泄漏及易受到室外环境影响等缺陷。同时，由于相变蓄能材料在冬季和夏季蓄热原理不同，现阶段相变蓄能构件的应用主要针对于单一季节，缺乏全年工况设计利用。我国被动式建筑技术发展缓慢，存在着造价高、可再生能源利用率低等劣势，仅通过被动式建筑设计策略无法适应自然因素差别较大的室外热环境，也无法精准调控建筑室内热环境的舒适度，更无法满足全年工况下相变蓄能材料的应用。另外，随着人们对舒适度的要求日益提高，主动式设计策略虽能高效控制室内环境，但其较高的能耗、较高的造价及维护成本不符合当下节能减排的要求。因此应契合中国当下国情，将主动式设计策略作为被动式设计策略对室内环境控制的补充，在满足人体热舒适要求的同时最大化的降低建筑能耗。但由于我国现有技术的发展有限、不同气候分区自然因素的差别较大，如何将主动式设计策略与被动式设计策略高效匹配是当下亟待解决的新问题。

发明内容

针对现有技术及现状产生的新问题，本发明提出一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，通过不同相变温度的相变蓄能封装球体呈阶梯变化的集中放置，实现全年工况的运行，并将可再生能源与辅助机械设备相结合，满足室内人体热舒适的同时实现高效节能。因此，本发明对于低能耗建筑设计结合相变蓄能材料应用、实现显著降低建筑能耗有着重大的意义。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，整个系统包括蓄存冷热量的阶梯相变蓄能堆积床箱体和输送冷热量的辅助机械通风系统两个部分；所述的阶梯相变蓄能堆积床箱体位于室外空间，其内部摆放有蓄存冷热量的相变蓄能封装球体；所述的辅助机械通风系统由阶梯相变蓄能堆积床箱体右侧的送风段、左侧的回风段及上侧的加热段组成，送风段始于阶梯相变蓄能堆积床箱体右侧的送风风扇出口处并设置有送风口室内外切换装置，送风口室内外切换装置连接至送风段的室外管道，在送风道室外管道上设置有送风道阀门，送风道室外管道延伸至房间顶部进入室内，送风段室内管道上设置有室内送风装置；回风段始于房间内底部设置有室内回风装置的回风段室内管道，回风段室内回风管道延伸至房间室外并连接回风段室外管道，回风段室外管道上设置有回风道阀门，回风道阀门连接有加热段管道，最终通过回风口室内外切换装置连接至阶梯相变蓄能堆积床箱体的回风风扇；太阳能空气集热装置和电加热装置的热空气出口处连接加热段管道，加热段管道与回风道阀门后的回风道室外管道连接。

阶梯相变蓄能堆积床中的相变蓄能封装球体，结构分为外部封装和内部填充两个部分，外部封装包括金属球壳、填充孔洞及密封盖三部分，其中金属球壳分为上球壳和下球壳，上下球壳边缘分别有内外螺纹；内部填充包括翅片结构及相变蓄能材料。

加热段的加热源分别为房间屋顶处的太阳能空气集热装置和房间室外空间放置的电加热装置。

所述的阶梯相变蓄能堆积床箱体，其内部的相变蓄能封装球体内封装有两种或两种以上的相变温度的相变蓄能材料，按照相变温度的阶梯变化摆放于箱体内装有支架加固肋板的上下两层球体固定支架中，阶梯相变蓄能堆积床箱体内表面设置有滑轨用于固定支架；

阶梯相变蓄能堆积床箱体设置有箱体外层、箱体保温层、箱体内层、箱体顶部和箱体可开启面之间设置的箱体卡扣及箱体底部设置的可刹车承重滑轮，阶梯相变蓄能堆积床箱体两侧的回风风扇和送风风扇与箱体连接处设置有风扇进出口隔离网。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

(1)本发明将相变蓄能材料与建筑构件隔离，形成一个独立的蓄换热系统，不影响建筑围护结构的力学性能，还能够有效调控其蓄换热效果。阶梯相变蓄能堆积床箱体所有零部件均满足现场安装条件，便于运输和后期维修。

(2)本发明采用的相变蓄能封装球体中封装的相变蓄能材料根据我国5 个建筑热工设计分区和实际室外热环境选择，夏季选用与人体热舒适温度、夜间室外空气温度范围匹配的相变蓄能材料，冬季选用与太阳能空气集热装置、空气电加热装置温度相匹配的相变蓄能材料，几种不同相变温度的相变蓄能材料同时置于该系统中，实现全年不同工况运行，达到高效利用能源的目的。

(3)本发明采用的相变蓄能封装球体按照不同相变温度呈阶梯变化有序排布，球体与球体之间保持适当距离，以加强相变蓄能封装球体的对流换热效果。

(4)本发明采用金属空心球体封装相变蓄能材料，此种宏观封装的形式相较于现有的定型相变材料有不易泄露、化学性质稳定、蓄换热效果好、易于调控等优点。相变蓄能封装球体内部的金属翅片结构能够进一步强化相变蓄能材料的蓄换热效果。

(5)本发明夏季工况下将机械通风与自然通风相结合，冬季日间太阳辐射充足的工况下使用太阳能空气集热装置作为阶梯相变蓄能堆积床的辅助热源，冬季日间太阳辐射不充足(阴天或雾霾天气)及夜间工况下使用空气电加热装置作为阶梯相变蓄能堆积床的辅助热源，发挥相变蓄能材料特性的同时保证室内人体热舒适需求，通过可再生能源和辅助机械设备的结合，最大化实现建筑节能。

附图说明

图1阶梯相变蓄能堆积床箱体结构示意图；

图2为阶梯相变蓄能堆积床中相变蓄能封装球体堆积方式示意图；

图3和图4分别为阶梯相变蓄能堆积床箱体结构(图1 )A-A和B-B剖视方向的剖面图；

图5(a)为阶梯相变蓄能球体的外部结构示意图，

图5(b)和图5(c)分别为含有两种不同翅片结构的相变蓄能球体的剖面图及局部剖面图；

图6为阶梯相变蓄能堆积床房间夏季工况示意图；

图7为阶梯相变蓄能堆积床房间冬季工况示意图。

其中：1-相变蓄能封装球体，2-阶梯相变蓄能堆积床箱体，3-箱体卡扣， 4-可刹车承重滑轮，5-滑轨，6-球体固定支架，7-支架加固肋板，8-箱体可开启面，9-箱体外层，10-箱体保温层，11-箱体内层，12-风扇进出口隔离网， 13-回风风扇，14-送风风扇，15-金属球壳，16-填充孔洞，17-密封盖，18- 翅片结构，19-回风口室内外切换装置，20-送风口室内外切换装置，21-回风管道阀门,22-送风管道阀门,23-室内回风装置，24-室内送风装置，25-空气电加热装置，26-太阳能空气集热装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，整个系统包括蓄存冷热量的阶梯相变蓄能堆积床和输送冷热量的辅助机械通风系统两部分。

一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，整个系统包括相阶梯相变蓄能堆积床和辅助机械通风系统两部分。阶梯相变蓄能堆积床包括相变蓄能封装球体、阶梯相变蓄能堆积床箱体、箱体卡扣、可刹车承重滑轮、滑轨、球体固定支架、支架加固肋板、箱体可开启面、箱体外层、箱体保温层、箱体内层、风扇进出口隔离网、阶梯相变蓄能堆积床回风风扇和阶梯相变蓄能堆积床送风风扇，其中相变蓄能封装球体由金属球壳、填充孔洞、密封盖和翅片结构组成；辅助机械通风系统具体包括阶梯相变蓄能堆积床箱体、回风口室内外切换装置、送风口室内外切换装置、回风管道阀门、送风管道阀门、室内回风装置、室内送风装置、空气电加热装置以及太阳能空气集热装置。

1.阶梯相变蓄能堆积床：根据我国5个建筑热工设计分区和实际室外热环境选择不同相变温度的相变蓄能材料封装于相变蓄能封装球体之中；其中，相变蓄能封装球体的封装过程为：先将翅片结构置于金属球壳之中，通过上球体的内螺纹结合下球体的外螺纹拧紧固定金属球壳，再将液态的相变蓄能材料通过填充孔洞灌入球壳，拧紧密封盖完成封装；将封装好的相变蓄能封装球体按照相变温度的阶梯变化放置于上下两层球体固定支架之中，沿箱体内部滑轨插入箱体内部，关闭箱体可开启面并扣紧两个箱体卡扣完成阶梯相变蓄能堆积床的安装。

2.辅助机械通风系统：根据不同季节共设置有四种工况，分别为夏季日间工况、夏季夜间工况、冬季太阳辐射充足的日间工况和冬季太阳辐射不充足的日间及夜间工况；夏季日间工况实行室内通风循环模式，向上翻转固定回风口室内外切换装置和送风口室内外切换装置，回风管道阀门和送风管道阀门关闭，阶梯相变蓄能堆积床的回风风扇和送风风扇开启，阶梯相变蓄能堆积床夜间蓄存的冷量通过室内送风装置释放到室内，室内热空气通过室内回风装置送回阶梯相变蓄能堆积床回收热量，防止夏季日间室内过热；夏季夜间工况实行室外通风循环模式，向下翻转固定回风口室内外切换装置和送风口室内外切换装置，回风管道阀门和送风管道阀门关闭，阶梯相变蓄能堆积床的回风风扇和送风风扇开启，释放日间吸收热量的同时蓄存夜间室外冷量；冬季太阳辐射充足的日间工况和冬季太阳辐射不充足的日间及夜间工况实行室内通风循环模式，向上翻转固定回风口室内外切换装置和送风口室内外切换装置，回风管道阀门和送风管道阀门关闭，阶梯相变蓄能堆积床的回风风扇和送风风扇开启，再将太阳能空气集热装置开启(太阳辐射充足)或空气电加热装置开启(太阳辐射不充足及夜间)，加热空气送入阶梯相变蓄能堆积床中蓄热，待蓄热结束，回风管道阀门和送风管道阀门开启，热空气通过室内送风装置送入室内，较冷空气通过室内回风装置送回阶梯相变蓄能堆积床，保证冬季室内适宜温度。

1.阶梯相变蓄能堆积床

相变蓄能封装球体内封装的相变蓄能材料根据我国5个建筑热工设计分区和实际室外热环境选择，夏季选用与人体热舒适温度、夜间室外空气温度范围相匹配的相变蓄能材料，冬季选用与太阳能空气集热装置、空气电加热装置温度相匹配的相变蓄能材料，也可根据实际情况选择两种以上相变温度的相变蓄能材料，以满足全年工况下不同室内热环境需求；图中T1、T2、……、 Tn(n≥2)分别为不同相变温度的相变蓄能封装球体，全部按照相变温度的阶梯变化有序排布堆积，球体与球体之间留有适当间隙，此种排布方式有利于强化相变蓄能材料的相变过程、加强相变蓄能球体与箱体内空气的对流、增强系统整体的蓄换热效果。

参照图2所示，相变蓄能封装球体1放置于上下两层孔洞直径小于球体直径的固定支架6之间，固定支架底部附有加固肋板7，使得支架受力分布均匀，球体放置安全、平稳；固定支架6通过箱体内部两侧的“凹”形滑轨 5插入箱体；相变蓄能封装球体放置完毕后，关闭箱体可开启面8，扣紧箱体上部的两个卡扣3，完成箱体的安装；箱体底部装有可刹车承重滑轮4，整个箱体的所有零部件均满足现场安装条件，此种设计便于该系统的运输和后期维修。

图3和图4分别为阶梯相变蓄能堆积床箱体结构(参照图1)A-A和B-B 剖视方向的剖面图，为保证阶梯相变蓄能堆积床箱体整体稳定性能和保温性能，分别设置箱体外层9、箱体保温层10、箱体内层11及风扇进出口隔离网12；回风风扇13和送风风扇14提供冷热量输送动力。

参照图5所示，金属球壳15分为上下两个半球壳，先将翅片结构18置于球壳之中，上球壳的内螺纹和下球壳的外螺纹拧紧固定，再将液态相变蓄能材料通过上球壳的填充孔洞16灌入球壳中，拧紧密封盖17完成封装；图 5展示了两种球体内部翅片结构，其目的均为强化相变蓄能材料的蓄换热效果。

2.辅助机械通风系统

参照图6、图7分别为阶梯相变蓄能堆积床房间夏季工况示意图和冬季工况示意图，夏季工况包括室内、室外两种通风循环模式，冬季工况只进行室内通风循环模式；室内通风循环模式实现阶梯相变蓄能堆积床与建筑室内之间热交换；室外通风循环模式实现阶梯相变蓄能堆积床与建筑室外环境之间的热交换，两种通风循环模式通过回风口室内外切换装置19及送风口室内外切换装置20实现相互转换，该切换装置包括旋转合页、固定拧手和挡风板，需要手动操作，向上翻转固定为室内通风循环模式，向下翻转固定为室外通风循环模式；回风管道阀门21和送风管道阀门22分别控制阶梯相变蓄能堆积床的送风和回风过程，阀门借鉴了蝶阀的设计，通过旋转阀门上部的手轮控制下部挡板的启闭。

(1)夏季日间工况

向上翻转固定回风口室内外切换装置19和送风口室内外切换装置20，回风管道阀门21和送风管道阀门开启22，根据室内实时温度情况控制房间窗户的启闭，送风风扇14和回风风扇13开启，将夜间蓄存冷量释放到室内，室内热空气回到阶梯相变蓄能堆积床2将热量回收，防止室内过热。

(2)夏季夜间工况

向下翻转固定回风口室内外切换装置19和送风口室内外切换装置20，回风管道阀门21和送风管道阀门22关闭，房间窗户开启进行夜间自然通风，送风风扇14和回风风扇13开启，释放日间吸收热量的同时蓄存夜间室外冷量。

(3)冬季太阳辐射充足的日间工况

向上翻转固定回风口室内外切换装置19和送风口室内外切换装置20，回风管道阀门21和送风管道阀门22关闭，送风风扇14和回风风扇13开启，太阳能空气集热装置26开启，将通过太阳辐射加热的空气送入阶梯相变蓄能堆积床箱体2中蓄热，待蓄热结束后，回风管道阀门21和送风管道阀门22 开启，热空气通过室内送风装置24送入室内，室内较冷空气通过室内回风装置23送回阶梯相变蓄能堆积床2，保证冬季日间室内适宜温度。

(4)冬季太阳辐射不充足的阴天、雾霾的日间及夜间工况

向上翻转固定回风口室内外切换装置19和送风口室内外切换装置20，回风管道阀门21和送风管道阀门22关闭，送风风扇14和回风风扇13开启，空气电加热装置25开启，将加热的空气送入阶梯相变蓄能堆积床2中蓄热，待蓄热结束后，回风管道阀门21和送风管道阀门22开启，热空气通过室内送风装置24送入室内，室内较冷空气通过室内回风装置23送回阶梯相变蓄能堆积床2，保证冬季阴天、雾霾以及夜间室内适宜温度。

Claims (4)

1.一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，其特征在于，整个系统包括蓄存冷热量的阶梯相变蓄能堆积床箱体和输送冷热量的辅助机械通风系统两个部分；所述的阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)位于室外空间，其内部摆放有蓄存冷热量的相变蓄能封装球体(1)；所述的辅助机械通风系统由阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)右侧的送风段、左侧的回风段及上侧的加热段组成，送风段始于阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)右侧的送风风扇(14)出口处并设置有送风口室内外切换装置(20)，送风口室内外切换装置(20)连接至送风段的室外管道，在送风道室外管道上设置有送风道阀门(22)，送风道室外管道延伸至房间顶部进入室内，送风段室内管道上设置有室内送风装置(24)；回风段始于房间内底部设置有室内回风装置(23)的回风段室内管道，回风段室内回风管道延伸至房间室外并连接回风段室外管道，回风段室外管道上设置有回风道阀门(21)，回风道阀门(21)连接有加热段管道，最终通过回风口室内外切换装置(19)连接至阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)的回风风扇(13)；太阳能空气集热装置(26)和电加热装置(25)的热空气出口处连接加热段管道，加热段管道与回风道阀门(21)后的回风道室外管道连接；所述的阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)，其内部的相变蓄能封装球体(1)内封装有两种以上的相变温度的相变蓄能材料，按照相变温度的阶梯变化摆放于箱体内装有支架加固肋板(7)的上下两层球体固定支架(6)中，阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)内表面设置有滑轨(5)用于固定支架(6)。

2.根据权利要求1所述的一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，其特征在于：相变蓄能封装球体(1)，结构分为外部封装和内部填充两个部分，外部封装包括金属球壳(15)、填充孔洞(16)及密封盖(17)三部分，其中金属球壳(15)分为上球壳和下球壳，上下球壳边缘分别有内外螺纹；内部填充包括翅片结构(18)及相变蓄能材料。

3.根据权利要求1所述的一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，其特征在于，加热段的加热源分别为房间屋顶处的太阳能空气集热装置(26)和房间室外空间放置的电加热装置(25)。

4.根据权利要求1所述的一种结合机械通风的阶梯相变蓄能堆积床系统，其特征在于，阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)设置有箱体外层(9)、箱体保温层(10)、箱体内层(11)、箱体顶部和箱体可开启面(8)之间设置的箱体卡扣(3)及箱体底部设置的可刹车承重滑轮(4)，阶梯相变蓄能堆积床箱体(2)两侧的回风风扇(13)和送风风扇(14)与箱体连接处设置有风扇进出口隔离网(12)。