CN108458505B - 一种外窗保温隔热空气集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外窗保温隔热空气集热器，包括安装在建筑外墙窗户外侧的空气集热器，所述的空气集热器成对布设且活动式安装，空气集热器可移动至窗户的前部；所述的空气集热器包括由保温隔热材料制成的集热箱，集热箱的一个侧面上装有透光隔热层，集热箱中设置有蓄放热层，其中，所述的透光隔热层上对称设置有第一通风口、第二通风口，所述的建筑外墙上位于窗户上侧和下侧对称设置有第一换风口、第二换风口，所述的第一通风口、第二通风口分别与第一换风口、第二换风口连通。本发明集保温、隔热、蓄热、通风、遮阳与一体，解决了玻璃外窗保温性、通风性差、遮阳隔热与太阳辐射不能同时获得的技术难题。

Description

一种外窗保温隔热空气集热器

技术领域

本发明涉及太阳能建筑节能技术领域，具体涉及一种外窗保温隔热空气集热器。

背景技术

对太阳能资源丰富、昼夜温差大的地区，其被动太阳能热利用技术应用十分广泛，针对当地气象条件，如何更科学合理的利用太阳能以改善室内热环境，减少建筑能耗，是当今一个重要课题。此类地区大多南向开窗面积大，夜晚散热严重，而外窗是围护结构热工性能中最薄弱的部位。目前，提升建筑外窗的保温、隔热性能常常是采用双层中空玻璃、内置保温窗帘或外置保温隔热板等方式。

传统的外窗保温、隔热技术，如使用双层中空玻璃或内置保温窗帘，虽然也起到一定的保温、隔热作用，但是由于玻璃的传热系数较大，在冬季晚上易散失大量热量、夏季进入大量热量，使得建筑采暖空调能耗大大增加，不利于地区建筑节能。现在市场上也出现了许多新兴的方法，如使用可移动的保温百叶装置或可移动的外窗保温装置，都是通过外置保温隔热板提高外窗的热工性能，制作为移动式，亦可方便人们的不同需求，但在太阳辐射强时，若移动活动板遮住外窗，虽能有效的防止室内眩光，但却阻隔了进入室内的太阳辐射热量。对于空气集热器，常常安装在外墙或屋顶上，可在冬天有效的为室内供热风，但其大多都为固定式，不够灵活，占用建筑空间大，不能充分利用其资源。

发明内容

本发明的目的是提供一种外窗保温隔热空气集热器，其结合了外窗保温、隔热技术和太阳能空气集热器技术，不仅能以人们需求启闭装置达到保温、隔热的作用，亦可利用太阳光为室内源源不断送入热风。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种外窗保温隔热空气集热器，包括安装在建筑外墙窗户外侧的空气集热器，所述的空气集热器成对布设且活动式安装，空气集热器可移动至窗户的前部；所述的空气集热器包括由保温隔热材料制成的集热箱，集热箱的一个侧面上装有透光隔热层，集热箱中设置有蓄放热层，其中，所述的透光隔热层上对称设置有第一通风口、第二通风口，所述的建筑外墙上位于窗户上侧和下侧对称设置有第一换风口、第二换风口，所述的第一通风口、第二通风口分别与第一换风口、第二换风口连通。

进一步地，所述的蓄放热层的长度小于集热箱的长度，蓄放热层的两端与集热箱的两端之间均留有间腔，所述的第一通风口与第一换风口、第二通风口与第二换风口之间均通过间腔连通。

进一步地，所述的集热箱的另一个侧面上均开设有若干连接口，每个连接口分别通过保温软管与所述的第一换风口、第二换风口连接。

进一步地，所述的第一通风口、第二通风口、第一换风口、第二换风口上均安装有电动的控风阀，所述的第一换风口、第二换风口上均安装有排气扇，其中，第一换风口上的控风阀与第一换风口上的排气扇联动，第二换风口上的控风阀与第二换风口上的排气扇联动。

进一步地，所述的集热箱中位于透光隔热层与集热箱侧壁之间对称设置有导流板，导流板上分布有传热孔，所述的导流板之间填充有相变蓄热球以构成所述的蓄放热层。

进一步地，所述的建筑外墙的外侧位于窗户上方和下方安装有滑轨，所述的空气集热器安装在滑轨上。

进一步地，所述的集热箱为空心矩形箱体。

一种外墙保温隔热空气集热器的工作方法，包括以下步骤：

在冬季白天时，分别向两侧推动空气集热器，使空气集热器滑动至窗户的两侧，打开第一换风口、第二换风口上的排气扇，关闭第一通风口、第二通风口上的控风阀，此时阳光穿过透光隔热层照射在蓄放热层上，使蓄放热层升温，从而使集热箱中的空气被加热，所述排气扇将加热后的空气通过保温软管导入到室内；

在冬季晚上时，相对推动空气集热器，使空气集热器移动至窗户前部，并保持排气扇打开，第一通风口、第二通风口上的控风阀关闭，所述的蓄放热层散热使集热箱中的空气被加热，排气扇将加热后的空气导入到室内；

在夏季白天室内无需采光时，将空气集热器移动至窗户前部，阻挡阳光通过窗户射入室内，并关闭排气扇，打开第一通风口、第二通风口上的控风阀；

在夏季白天室内需要采光时，将空气集热器滑动至窗户两侧，同时关闭排气扇，打开第一通风口、第二通风口上的控风阀；在夏季晚上时亦保持此状态。

本发明具有以下技术特点：

本发明结合外窗保温隔热板和太阳能空气集热器技术，节约了外墙空间；其只需在窗户上下开通风口及安装滑轨，安装简单；其集保温、隔热、蓄热、通风、遮阳与一体，解决了玻璃外窗保温性、通风性差、遮阳隔热与太阳辐射不能同时获得的技术难题，不仅提高了建筑围护结构热热工性能和室内热环境的舒适度，也对降低建筑采暖和空调能耗有着积极的作用。

附图说明

图1为本发明处于打开状态下的示意图；

图2为本发明处于关闭状态下的示意图；

图3为本发明的侧面结构剖视示意图；

图4为本发明中空气集热器的内部结构示意图；

图中标号代表：1—外墙，2—集热箱，3—第一通风口，4—蓄放热层，5—透光隔热层，6—第二通风口，7—第一换风口，8—窗户，9—第二换风口，10—空气集热器，11—滑轨，12—导流板，13—排气扇，14—控风阀，15—连接口。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明公开了一种外窗保温隔热空气集热器10，包括安装在建筑外墙1窗户8外侧的空气集热器10，所述的空气集热器10成对布设且活动式安装，空气集热器10可移动至窗户8的前部；所述的空气集热器10包括由保温隔热材料制成的集热箱2，集热箱2的一个侧面上装有透光隔热层5，集热箱2中设置有蓄放热层4，其中，所述的透光隔热层5上对称设置有第一通风口3、第二通风口6，所述的建筑外墙1上位于窗户8上侧和下侧对称设置有第一换风口7、第二换风口9，所述的第一通风口3、第二通风口6分别与第一换风口7、第二换风口9连通。

本发明的空气加热器安装在建筑外墙1的外侧，并且采用可移动的方式安装，使得该空气集热器10可以移动至覆盖在窗户8的外侧，或向两侧滑开以使得窗户8露出，两种状态分别如图1和图2所示。该空气集热器10可以安装在建筑朝阳面窗户8窗户8外部，例如可以是建筑上朝南的窗户8外侧。

本方案中提出了一种空气集热器10，其结构如图3和图4所示。该空气集热器10包括集热箱2，集热箱2采用保温隔热材料制成，所述的保温隔热材料可以采用例如真空绝热板，发泡陶瓷板、挤塑聚苯板、发泡聚氨酯等，使得集热箱2的侧壁能有效地隔绝内部热量的散失。本实施例中，集热箱2采用聚苯乙烯挤塑板制成，并利用蜂窝铝板在内部进行支撑以增强其结构。集热箱2的侧面上有透光隔热层5，该透光隔热层5的作用是使得阳光穿过该层射入到集热箱2内部，使得集热箱2内部被加温；优选地，所述的透光隔热层5可采用例如双层中空玻璃。由于集热箱2采用保温隔热材料，并且双层中空玻璃能有效防止热量散失，因此阳光射入到集热箱2内部后，可以使集热箱2内部保持较高的温度。

为了使得空气集热器10能适应不同的使用需求，本方案中在集热箱2中设置了蓄放热层4。蓄放热层4的作用是在阳光照射时，蓄放热层4升温并存储热量，而当外界温度下降，例如在夜晚时，蓄放热层4又能散发出热量以供室内使用。蓄放热层4可以采用相变材料制成。相变材料可以采用无机水合盐，例如硫酸钠、醋酸钠、氯化钙、磷酸氢钠或其混合物，也可以采用有机储能材料，例如石蜡、脂酸类、多元醇等。

本方案中，透光隔热层5上设置了第一通风口3、第二通风口6，分别连接建筑外墙1上的第一换风口7、第二换风口9，构成了加热或散热的通道。其中，第一通风口3、第二通风口6以及第一换风口7、第二换风口9均可以打开或关闭，并且在第一换风口7、第二换风口9上装有空气驱动装置，例如风机等，以促进空气循环。

根据上述设置，配合不同的使用策略，可满足用户在夏季、冬季的不同采热或隔热需求。

作为上述技术方案的进一步优化，可选地，所述的蓄放热层4的长度小于集热箱2的长度，如图1和图2所示，这里的长度是指当集热箱2安装在窗户8上后，垂直于地面方向的高度。集热箱2较长而蓄放热层4较短，这样就使得蓄放热层4的两端与集热箱2的两端之间均留有间腔，所述的第一通风口3与第一换风口7、第二通风口6与第二换风口9之间均通过间腔连通；蓄放热层4释放的热量将间腔中的空气加热后，再通过两个换风口提供给室内。

具体地，如图3、图4所示，所述的一对间腔侧面的集热箱2上均开设有连接口15，所述的连接口15分别通过保温软管与所述的第一换风口7、第二换风口9连接。即，为了实现集热箱2内部和室内的连通，在集热箱2的侧壁上开设了连接口15，并通过保温软管和建筑外墙1上的换风口连接，从而满足了集热箱2在活动式安装方式下与室内的连接需求。保温软管可以是塑料管或橡胶管外部包裹保温材料制成，由于其可弯折，则在空气集热器10移动到不同位置时，也能有效地保证集热箱2内部与室内的连通。

可选地，如图3所示，所述的第一通风口3、第二通风口6、第一换风口7、第二换风口9上均安装有电动的控风阀14，所述的第一换风口7、第二换风口9上均安装有排气扇13，其中，第一换风口7上的控风阀14与第一换风口7上的排气扇13联动，第二换风口9上的控风阀14与第二换风口9上的排气扇13联动。控风阀14为电动阀门，其目的是调节两个通风口和两个换风口的开度，或闭合通风口、换风口。排气扇13的作用是促使空气流动，使得集热箱2内部的热空气能进入到室内。考虑到便于控制的需求，将第一换风口7、第二换风口9上的排气扇13和控风阀14设置成联动模式，即同时打开和关闭。第一换风口7、第二换风口9上排气扇13的安装方向相反。

本实施例中，空气集热器10设置一对，则第一通风口3和第二通风口6均有两个，将两个第一通风口3共同连接至所述的第一换风口7，两个第二通风口6共同连接至所述的第二换风口9。

如图4所示，本实施例中进一步提供了一种蓄放热层4的设置方式：所述的集热箱2中位于透光隔热层5与集热箱2侧壁之间对称设置有导流板12，导流板12上分布有传热孔，所述的导流板12之间填充有相变蓄热球以构成所述的蓄放热层4。

本方案中采用在集热箱2中填充相变蓄热球以构成蓄放热层4，相变蓄热球可以增大换热面积，同时由于相变蓄热球之间存在间隙，因此可以有利于集热箱2内的空气流动。相变蓄热球内填充有固液相变材料，例如钙盐潜热材料。相变蓄热球在现有技术中已有应用，在此不赘述。在具体设置时，将两块导流板12安放在透光隔热层5与箱体侧壁之间，然后在其中填充相变蓄热球。为使热空气能更好地流动，在导流板12上分布有传热孔，前述的间腔即为所述导流板12与集热箱2上端、下端之间的空间。

图4展示出了本实用新型一种集热箱2的具体结构，所述的集热箱2为空心矩形箱体，在其一个侧面上设置矩形的开口，然后在集热箱2中固定导流板12，将所述的相变蓄热球填充在导流板12之间，并在箱体的另一个侧面上加工连接口15，最后将预留了两个通风口的透光隔热层5覆盖在所述开口上并进行固定，即制成了所述的集热箱2。

本方案中的空气集热器10采用活动式的安装方式，一种具体的安装方式如图1和图2所示，所述的建筑外墙1的外侧位于窗户8上方和下方安装有滑轨11，所述的空气集热器10通过卡槽安装在滑轨11上，所述的滑轨11、卡槽可采用T形结构；可进一步地在空气集热器10上安装电机，在滑轨11上铺设齿条，以电动的方式来控制空气集热器10的移动。

本发明进一步提供了一种外墙1保温隔热空气集热器10的工作方法，包括以下步骤：

蓄热散热模式：在冬季白天时，分别向两侧推动空气集热器10，使空气集热器10滑动至窗户8的两侧，如图1所示，打开第一换风口7、第二换风口9上的排气扇13(由于联动，则第一换风口7、第二换风口9上的控风阀14也同时打开)，关闭第一通风口3、第二通风口6上的控风阀14，此时阳光穿过透光隔热层5照射在蓄放热层4上，使蓄放热层4升温，从而使集热箱2中的空气被加热，所述排气扇13将加热后的空气通过保温软管导入到室内，同时阳光也可以通过窗户8射入到室内，使得室内在阳光照射以及空气集热器10的双重作用下快速升温。

保温散热模式：在冬季晚上时，相对推动空气集热器10，使空气集热器10移动至窗户8前部，如图所示，并保持排气扇13打开，第一通风口3、第二通风口6上的控风阀14关闭，由于蓄放热层4在白天存储了热量，并且集热箱2又有保温作用，因而在晚上外界温度降低后，蓄放热层4散热使集热箱2中的空气被加热，排气扇13将加热后的空气导入到室内，持续地为室内输送热风；具体地，室内较冷的空气由位于下部的第二换风口9进入到集热箱2中位于下部的间腔中，继而穿过蓄放热层4，在这个过程中，与相变蓄热球进行热交换，使得空气得以升温，最终从上方的间腔中经过第一换风口7进入到室内；由于空气集热器10推动至了窗户8外部，则也有效避免了室内温度经过窗户8向外散失。

遮阳隔热模式：在夏季白天室内无需采光时，将空气集热器10移动至窗户8前部，阻挡阳光通过窗户8射入室内，并关闭排气扇13，打开第一通风口3、第二通风口6上的控风阀14，这样室外空气自第二通风口6进入集热箱2中，从第一通风口3排出集热箱2，对集热箱2内部进行降温散热；由于空气集热器10覆盖在了窗户8外部，因此可避免阳光透过窗户8射入室内，起到遮阳的作用。

自散热模式：在夏季白天室内需要采光时，将空气集热器10滑动至窗户8两侧，同时关闭排气扇13，打开第一通风口3、第二通风口6上的控风阀14，使得空气集热器10进行自行散热；在夏季晚上时亦保持此状态。

总结四种模式如下表1：

表1本发明的四种工作状态

备注：开启、关闭是指控风阀的开启和关闭，而换风口的内的控风阀开启或关闭时，其上安装的排气扇同时开启或关闭。

本发明的一个具体实施例如下：

以西藏拉萨市林周县一栋具有代表性的新建建筑为例，该建筑为二层双拼排屋，砼石砌体结构，一楼客厅6.0m×4.5m×3.0m，客厅南向窗户尺寸为3.6m×2.0m，窗墙比0.40，建筑详细围护结构见下表2。

表2建筑围护结构热工条件

冬季室内计算温度tn＝18℃，查《实用供热空调设计手册》得到拉萨的室外计算温度为-5.2℃，不计户间传热，则客厅供暖设计热负荷计算结果如下表3：

表3客厅供暖设计热负荷计算表

由此，客厅单位时间热负荷为1486.93W，通过外窗散失的热量为424.37W，占总负荷28.5％。本发明安装在窗户外侧时，南外窗加空气集热器传热系数变为0.36W/(m²·℃)，计算得出，客厅单位时间热负荷为1173.84W，通过外窗散失的热量为111.28W，占总负荷的9.5％，相比于传统外窗减少了21.1％的热负荷。

本发明中选择成分为CaCl₂·6H₂O-MgCl·6H₂O的水合盐作为相变蓄热球中的相变蓄热材料，其密度为1.68g/cm³，相变时蓄放热量为192.55J/g。两块集热器中可容纳相变蓄热球的体积为0.51m³，即可容纳直径为60mm的相变蓄热球约1500个，算得其白天总蓄热量为54849947.04J，考虑到这些热量不能尽数释放到室内及通过集热器外侧玻璃亦有热损等情况，取40％利用率，即夜间可释放至室内的热量大约为21939978.82J。取夜间释放热量时间为12h，即夜间该相变体能为室内承担负荷507.87W。

综上，使用本装置后，夜间房间热负荷可减少820.96W，节能率为55.21％。

Claims (2)

1.一种外窗保温隔热空气集热器，包括安装在建筑外墙(1)窗户(8)外侧的空气集热器(10)，其特征在于，所述的空气集热器(10)成对布设且活动式安装，空气集热器(10)可移动至窗户(8)的前部；所述的空气集热器(10)包括由保温隔热材料制成的集热箱(2)，集热箱(2)的一个侧面上装有透光隔热层(5)，集热箱(2)中设置有蓄放热层(4)，其中，所述的透光隔热层(5)上对称设置有第一通风口(3)、第二通风口(6)，所述的建筑外墙(1)上位于窗户(8)上侧和下侧对称设置有第一换风口(7)、第二换风口(9)，所述的第一通风口(3)、第二通风口(6)分别与第一换风口(7)、第二换风口(9)连通；

所述的蓄放热层(4)的长度小于集热箱(2)的长度，蓄放热层(4)的两端与集热箱(2)的两端之间均留有间腔，所述的第一通风口(3)与第一换风口(7)、第二通风口(6)与第二换风口(9)之间均通过间腔连通；

所述的集热箱(2)的另一个侧面上均开设有若干连接口(15)，每个连接口(15)分别通过保温软管与所述的第一换风口(7)、第二换风口(9)连接；

所述的第一通风口(3)、第二通风口(6)、第一换风口(7)、第二换风口(9)上均安装有电动的控风阀(14)，所述的第一换风口(7)、第二换风口(9)上均安装有排气扇(13)，其中，第一换风口(7)上的控风阀(14)与第一换风口(7)上的排气扇(13)联动，第二换风口(9)上的控风阀(14)与第二换风口(9)上的排气扇(13)联动；

所述的集热箱(2)中位于透光隔热层(5)与集热箱(2)侧壁之间对称设置有导流板(12)，导流板(12)上分布有传热孔，所述的导流板(12)之间填充有相变蓄热球以构成所述的蓄放热层(4)；

所述的建筑外墙(1)的外侧位于窗户(8)上方和下方安装有滑轨(11)，所述的空气集热器(10)安装在滑轨(11)上；

所述的集热箱(2)为空心矩形箱体。

2.一种外墙保温隔热空气集热器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在冬季白天时，分别向两侧推动空气集热器(10)，使空气集热器(10)滑动至窗户(8)的两侧，打开第一换风口(7)、第二换风口(9)上的排气扇(13)，关闭第一通风口(3)、第二通风口(6)上的控风阀(14)，此时阳光穿过透光隔热层(5)照射在蓄放热层(4)上，使蓄放热层(4)升温，从而使集热箱(2)中的空气被加热，所述排气扇(13)将加热后的空气通过保温软管导入到室内；

在冬季晚上时，相对推动空气集热器(10)，使空气集热器(10)移动至窗户(8)前部，并保持排气扇(13)打开，第一通风口(3)、第二通风口(6)上的控风阀(14)关闭，所述的蓄放热层(4)散热使集热箱(2)中的空气被加热，排气扇(13)将加热后的空气导入到室内；

在夏季白天室内无需采光时，将空气集热器(10)移动至窗户(8)前部，阻挡阳光通过窗户(8)射入室内，并关闭排气扇(13)，打开第一通风口(3)、第二通风口(6)上的控风阀(14)；

在夏季白天室内需要采光时，将空气集热器(10)滑动至窗户(8)两侧，同时关闭排气扇(13)，打开第一通风口(3)、第二通风口(6)上的控风阀(14)；在夏季晚上时亦保持此状态。

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