CN108487492B - 一种被动式超低能耗建筑用复合墙体 - Google Patents

一种被动式超低能耗建筑用复合墙体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种被动式超低能耗建筑用复合墙体，以降低超低能耗建筑供能系统复杂程度，降低了运行和使用费用。包括复合墙体、墙体外侧构件和多个环路热管单元；墙体外侧构件由室外向内为一体结构的光伏组件、构件保温层和基板；每个环路热管单元包括由中空的室外端传热管、上传热管、室内端传热管与下传热管组成的封闭循环管路和控制阀，室外端传热管内对应光伏组件后部有室外端吸液芯，室内端传热管内有室内端吸液芯，室外端吸液芯和室内端吸液芯的中心为工质流动通道；控制阀安装于封闭循环管路上。本发明的复合墙体充分利用低品位太阳能与夜间环境冷能为超低能耗建筑进行冷量和热量的供给和蓄存，降低了运行和使用费用。

Description

一种被动式超低能耗建筑用复合墙体
技术领域
本发明涉及建筑节能技术领域，尤其是涉及一种被动式超低能耗建筑用复合墙体结构。
背景技术
目前，我国建筑能耗约占社会总能耗的百分之四十，而在人口更为密集和经济更为发达的中东部地区这一比例还要更高，因此推广建筑高效节能工作对于建设生态文明社会具有重要的现实意义。众所周知，提升建筑供能系统性能与降低建筑自身负荷是建筑节能的两大主要措施。一方面，传统主动式供能系统如燃煤锅炉、热泵系统或燃气三联供，系统较为复杂、成本高昂且环境兼容性较差，并且更适合用于大型建筑或区域建筑的供能。另一方面，墙体是影响建筑负荷的主要因素，而降低建筑负荷的主要措施就是使用保温材料。虽然保温材料已成熟应用数十年之久，但保温材料在使用过程中也暴露出诸多问题，例如：占用了大量建筑空间、使用寿命低于建筑寿命、具有火灾安全隐患。此外，过厚的保温材料也不利于建筑在过渡季和夏季夜间的散热，可能产生建筑过度供能的问题，同样也不利于建筑节能。
太阳能和夜间冷能丰富易得，大规模用于建筑供能对于环保和降低建筑全生命周期成本意义十分重大，但如何同时对其进行被动式合理利用仍然没有得到较好的解决。特隆布墙的发展已有数十年的历史，但其性能在夜间受到制约，此外额外增加的围护结构层也占用了大量空间。相变材料虽然可以蓄存和释放冷量和热量以减少由于围护结构引起的供热和制冷负荷，但在室内外温差较大的严寒地区，其应用效果并不理想。而对于热激活建筑系统(内嵌管系统)，其通过在围护结构中嵌入带有载热和载冷介质的管道，并利用建筑作为蓄热体，实现降低建筑能耗并为建筑供能目的，但这一技术仍然属于主动式节能措施之一，因此其维护和运行成本仍然较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种被动式超低能耗建筑用复合墙体结构，充分利用低品位太阳能与夜间环境冷能为超低能耗建筑进行冷量和热量的供给和蓄存，降低运行和使用成本。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种被动式超低能耗建筑用复合墙体，包括复合墙体、墙体外侧构件和多个环路热管单元；所述复合墙体从室外到室内依次为墙体外抹灰层、墙体保温层、基础墙体、蓄能层和墙体内抹灰层；所述墙体外侧构件镶嵌固定于所述墙体外抹灰层和墙体保温层，所述墙体外侧构件由室外向内为一体结构的光伏组件、构件保温层和基板；每个所述环路热管单元包括由中空的室外端传热管、上传热管、室内端传热管与下传热管组成的封闭循环管路和控制阀，所述室外端传热管内对应所述光伏组件后部设置有室外端吸液芯，所述室内端传热管内设置有室内端吸液芯，所述室外端吸液芯和室内端吸液芯的中心为工质流动通道；所述控制阀安装于所述封闭循环管路上；所述室内端传热管贯穿所述构件保温层和墙体保温层内，所述室内端传热管安装于所述蓄能层内，所述封闭循环管路中充灌有相变工质。
对应所述光伏组件后部的所述室外端传热管的外部设置有用于扩大导热面积的传热导体。
所述光伏组件、构件保温层、室外端传热管、传热导体、基板和墙体保温层之间分别有热界面材料并通过胶装或机械层压成为一体。
每个所述室内端传热管上连接有多个导热片。
所述室内端吸液芯和室外端吸液芯为多孔介质，所述多孔介质为铜或镍金属粉末颗粒烧结而成，或为不锈钢丝网或高密度聚乙烯材料加工而成，所述多孔介质内表面加工有微槽道。
所述上传热管和下传热管为平行设置；在寒冷地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向上倾斜，倾斜角度为0-60度；在夏季冬冷地区，所述上传热管和下传热管为水平设置；在夏热冬暖地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向下倾斜，倾斜角度为0-60度。
所述基板为金属材料。
所述传热导体为金属型材。
所述上传热管和下传热管分别安装于穿墙管中。
所述蓄能层为水泥砂浆、相变材料、黏土和石膏中的任一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的复合墙体内设置有多个环路热管单元，墙体外部设置有光伏组件，本发明的墙体可以充分依赖热管的作用进行室内与室外之间能量的低能耗、可控迁移与传输，在超低温差传热条件下实现热量传递，充分利用低品位太阳能与夜间环境冷能为超低能耗建筑进行冷量和热量的供给和蓄存。本发明大幅降低超低能耗建筑供能系统复杂程度，降低了运行和使用费用。
2、本发明利用穿墙套管避免在能量传输过程中通过墙体时的热损失，提高了能量传递效率；同时也克服了墙体施加于热管上的应力。
3、本发明的墙体可以根据上下传热管的倾斜角度适应不同地区的使用需要。
附图说明
图1所示为本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体的结构示意图；
图2所示为图1中的A-A剖视图；
图3所示为图1中的B-B剖视图；
图4所示为本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体冬季白天运行模式示意图；
图5所示为本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体夏季夜间运行模式示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体的示意图如图1-图3所示，包括复合墙体1、墙体外侧构件2和多个环路热管单元。所述复合墙体1从室外到室内依次为墙体外抹灰层1-1、墙体保温层1-2、基础墙体1-3、蓄能层1-4和墙体内抹灰层1-5。所述墙体外侧构件2镶嵌固定于所述墙体外抹灰层1-1和墙体保温层1-2。所述墙体外侧构件由室外向内为一体结构的光伏组件2-1、构件保温层2-2和基板2-3。每个所述环路热管单元包括由中空的室外端传热管4-1、上传热管4-2、室内端传热管4-3与下传热管4-4组成的封闭循环管路和控制阀4-5，所述室外端传热管4-1内对应所述光伏组件2-1后部设置有室外端吸液芯4-6，所述室内端传热管4-3内设置有室内端吸液芯4-7，所述室外端吸液芯和室内端吸液芯的中心为工质流动通道4-8。所述控制阀4-5安装于所述封闭循环管路上。所述室内端传热管4-1贯穿所述构件保温层2-2和墙体保温层1-2内，所述室内端传热管4-3安装于所述蓄能层1-4内，所述封闭循环管路中充灌有相变工质。
本实施例中，为了解决上传热管和下传热管在能量传输过程中通过墙体时的热损失，提高能量传递效率，同时，有利于克服墙体施加于环路热管上的应力，所述上传热管4-2和下传热管4-4分别安装于穿墙管3中。
所述基础墙体1-3的材料优选为砖块，也可为砌块、黏土或水泥砂浆。所述蓄能层1-4为水泥砂浆、相变材料、黏土和石膏中的任一种。
所述光伏组件2-1可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏组件，也可是多元化合物组件。所述基板2-3优选为金属材料，用于固定和保护作用，所述金属材料优选为镀锌钢板，也可为铜板、铝板或铁板。
本实施例中，所述控制阀4-5优选安装与所述封闭循环管路的上传热管4-2上，控制阀4-5优选电磁阀，用于控制整个循环管路的启闭。控制阀4-5在工作状态打开，非工作状态关闭。
对应所述光伏组件2-1后部的所述室外端传热管4-1的外部设置有用于扩大导热面积的传热导体6。本实施例中，所述传热导体6为金属型材，优选为铝型材、也可为不锈钢型材、铜型材。
所述光伏组件2-1、构件保温层2-2、室外端传热管4-1、传热导体6、基板2-3和墙体保温层1-2之间分别有热界面材料并通过胶装或机械层压成为一体，以减小接触热阻。所述热界面材料优选为导热硅脂，也可为导热硅胶和碳素导热膜。
为了扩大导热面积，每个所述室内端传热管4-3上连接有多个导热片5，导热片可以为翅片或肋柱，优选波纹翅片。
所述室内端吸液芯4-7和室外端吸液芯4-6为多孔介质，所述多孔介质为铜或镍金属粉末颗粒烧结而成，或为不锈钢丝网或高密度聚乙烯材料加工而成，所述多孔介质内表面加工有微槽道。
所述上传热管4-2和下传热管4-4为平行设置。在寒冷地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向上倾斜，倾斜角度为0-60度；在夏季冬冷地区，所述上传热管和下传热管为水平设置；在夏热冬暖地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向下倾斜，倾斜角度为0-60度。
本发明的复合墙体具有两种工作模式：冬季白天运行模式(即集热模式)和夏季夜间运行模式(即集冷模式)。在综合考虑光伏组件在白天的光电转化以及在夜间的冷却散热等因素，其中集热模式时最佳工作温度范围为25-50℃，集冷模式时最佳工作温度范围为10-30℃。
图4为所示为本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体冬季白天运行模式示意图，打开控制阀4-5，位于光伏组件后部的室外端传热管4-1中的液态循环工质吸收来自光伏组件2-1的热量而相变蒸发成为汽态，在多孔介质中的毛细驱动力以及工质相变驱动力作用下，汽态循环工质沿室外端传热管4-1上部经上传热管4-2及室内端传热管4-3上部进入室内端传热管4-3墙体内冷凝、释放热量并完成对墙体的加热过程，冷凝后的液态循环工质在毛细力、重力和相变驱动力的作用下沿室内端传热管4-3的下部经下传热管4-4回流至室外端传热管4-1中，最终完成冬季白天的集热循环。最终经过白天集热循环而蓄存在复合墙体中的热能将在白天和夜间逐渐释放，可以显著降低和延迟建筑峰值冷负荷，提升室内热舒适度，实现太阳能在冬季建筑中的被动式利用。
图5为所示为本发明被动式超低能耗建筑用复合墙体夏季夜间运行模式示意图，打开控制阀4-5，室内传热管4-3中的液态循环工质吸收来自墙体的热量而相变蒸发成为汽态，在多孔介质中毛细驱动力以及工质相变驱动力作用下，汽态循环工质沿室内端传热管4-3的上部经上传热管4-2、室外端传热管-1的上部进入室外端传热管中冷凝、释放热量，冷凝后的液态循环工质在毛细力、重力和相变驱动力的作用下沿室外端传热管4-1的下部经下传热管4-4、室内端传热管4-3下部至室内端传热管4-3中，最终完成夏季夜间的集冷循环。最终经过夜间集冷循环而蓄存在复合墙体中的冷能将在白天时逐渐向室内释放，可以显著降低和延迟建筑峰值热负荷，提升室内热舒适度，实现夜间环境冷能和太空低温冷能在夏季建筑中的被动式利用。
本发明可以充分依赖多个环路热管单元自身的毛细与相变驱动力驱动内部循环工质在墙体外侧的室外端传热管与墙体内侧的室内端传热管之间实现能量的零功耗可控迁移与传输，并利用墙体外侧的室外端传热管与墙体内侧的室内端传热管的大面积接触特点在超低温差传热条件下实现大的热量传递，充分利用低品位太阳能与夜间环境冷能为不同尺度的超低能耗建筑进行冷量和热量的供给和蓄存。本发明的穿墙套管也解决了传热管在能量传输过程中通过墙体时的热损失，提高了能量传递效率；同时也克服了墙体施加于环路热管上的应力。综上所述，本发明的复合墙体用于超低能耗建筑供能系统中，结构简单，运行和使用费用低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，包括复合墙体、墙体外侧构件和多个环路热管单元；所述复合墙体从室外到室内依次为墙体外抹灰层、墙体保温层、基础墙体、蓄能层和墙体内抹灰层；所述墙体外侧构件镶嵌固定于所述墙体外抹灰层和墙体保温层，所述墙体外侧构件由室外向内为一体结构的光伏组件、构件保温层和基板；每个所述环路热管单元包括由中空的室外端传热管、上传热管、室内端传热管与下传热管组成的封闭循环管路和控制阀，所述室外端传热管内对应所述光伏组件后部设置有室外端吸液芯，所述室内端传热管内设置有室内端吸液芯，所述室外端吸液芯和室内端吸液芯的中心为工质流动通道；所述控制阀安装于所述封闭循环管路上；所述室外端传热管贯穿所述构件保温层和墙体保温层内，所述室内端传热管安装于所述蓄能层内，所述封闭循环管路中充灌有相变工质；所述室内端吸液芯和室外端吸液芯为多孔介质，所述多孔介质内表面加工有微槽道；冬季白天运行时，打开所述控制阀，位于所述光伏组件后部的所述室外端传热管中的液态循环工质吸收来自所述光伏组件的热量而相变蒸发成为汽态，在所述多孔介质中的毛细驱动力以及工质相变驱动力作用下，汽态循环工质沿所述室外端传热管上部经所述上传热管及所述室内端传热管上部进入室内端传热管墙体内冷凝、释放热量并完成对墙体的加热过程，冷凝后的液态循环工质在毛细力、重力和相变驱动力的作用下沿所述室内端传热管的下部经所述下传热管回流至所述室外端传热管中，完成冬季白天的集热循环；夏季夜间运行时，打开所述控制阀，所述室内端 传热管中的液态循环工质吸收来自墙体的热量而相变蒸发成为汽态，在所述多孔介质中毛细驱动力以及工质相变驱动力作用下，汽态循环工质沿所述室内端传热管的上部经所述上传热管、室外端传热管的上部进入所述室外端传热管中冷凝、释放热量，冷凝后的液态循环工质在毛细力、重力和相变驱动力的作用下沿所述室外端传热管的下部经所述下传热管、室内端传热管下部至所述室内端传热管中，完成夏季夜间的集冷循环。
2.根据权利要求1所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，对应所述光伏组件后部的所述室外端传热管的外部设置有用于扩大导热面积的传热导体。
3.根据权利要求2所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述光伏组件、构件保温层、室外端传热管、传热导体、基板和墙体保温层之间分别有热界面材料并通过胶装或机械层压成为一体。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，每个所述室内端传热管上连接有多个导热片。
5.根据权利要求4所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述多孔介质为铜或镍金属粉末颗粒烧结而成，或为不锈钢丝网或高密度聚乙烯材料加工而成。
6.根据权利要求4所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述上传热管和下传热管为平行设置；在寒冷地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向上倾斜，倾斜角度为0-60度；在夏季冬冷地区，所述上传热管和下传热管为水平设置；在夏热冬暖地区，所述上传热管和下传热管从室外到室内向下倾斜，倾斜角度为0-60度。
7.根据权利要求5所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述基板为金属材料。
8.根据权利要求2所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述传热导体为金属型材。
9.根据权利要求5所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述上传热管和下传热管分别安装于穿墙管中。
10.根据权利要求1所述的被动式超低能耗建筑用复合墙体，其特征在于，所述蓄能层为水泥砂浆、相变材料、黏土和石膏中的任一种。
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