CN109322450A - 一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，包括复合相变蓄能板、混凝土层、通风口、相变蓄能模块和换热管；在房屋墙体顶部铺设有混凝土层，在混凝土层上部铺设有复合相变蓄能板；在混凝土层下部是通风层，在通风层的房屋墙体处开设有通风口，通风口处安装有可开启的窗户；在通风层下部是相变蓄能模块；相变蓄能模块安装于房屋墙体上；相变蓄能模块内部铺设有换热管，相变蓄能模块内部与换热管外部之间填充有相变材料；换热管与地下水连接。本屋顶将相变蓄能技术与通风屋顶技术相结合，以地下水作为冷源和夜间通风方式相结合，夜间自然通风加快散热，改变传统相变围护结构的单一形式，充分利用自然能源对室内热环境进行调控。

Description

一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶
技术领域
本发明涉及民用建筑领域，具体是一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶。
背景技术
随着我国经济的快速发展，整个社会对能源利用和生态环境保护越来越重视，国家也相继推出一系列的政策和法规来指导节能工作，建筑节能就是其中重点之一。我国幅员辽阔，人口众多，各地区的居住形式也多种多样，虽然近些年来我国一直以较快的速度进行城镇化建设，大部分的城市和城镇的居民已经住进了高楼小区，但在广大的农村地区和部分城市区域依然存在数量众多的形式简易、能耗水平较高的独立住宅。
在能源日趋紧张和环境污染日益严重形式下，通过合理有效的手段降低建筑采暖空调能耗迫在眉睫。由建筑节能的具体含义可知，实现建筑节能主要有如下三种途径：(1)提高建筑围护结构热工性能；(2)提高建筑能源系统利用效率，加强管理；(3)充分利用可再生能源。而通过围护结构散失的能耗和采暖空调系统的能耗占建筑能耗的主要部分，因此围护机构保温隔热是建筑节能改造的重点。目前，通过在建筑外部添加导热系数低的保温材料是实施建筑节能最直接有效的方法之一。虽然导热系数低的保温材料能够有效减小热量的传递，但其热能存储能力不足，不能够增加建筑围护结构的热容量和热存储能力。如果围护结构同时具有良好的保温隔热能力和热能存储性能，建筑室内温度波动幅度将大大减小，建筑采暖和空调系统能耗也会显著减小。
目前对于通风屋顶应用只能在于隔绝热量进入室内，并没有能吸收室内多余的热量，维持室内温度的稳定。湖南大学的王平《王平.通风屋面隔热性能分析研究[D].湖南大学,2008》对湖南省岳阳市平江县农村模型房间进行了测试，分析通风屋面的隔热性能。结果表明，通风有利于屋面的隔热；风量大有利于带走热量，全天通风效果最好；较强的太阳辐射条件下，通风屋面有利于改善室内热环境，太阳辐射较小的情况下，则不能够达到相同效果；且通风屋面加挑檐后，其隔热效果更佳显著。文献《Dimoudi A,Androutsopoulos A,Lykoudis S.Summer performance of a ventilated roof component[J].Energy andBuildings,2006,38(6):610-617》对夏季双层通风屋面的隔热性能进行了研究，分析空气层间距和层间有无反射装置的影响，对双层通风屋面上顶板和绝热层进行了连续24小时的温度测试。实验结果表明双层屋面比传统屋面的绝热性能较好。但以上试验都只是应用通风屋顶隔绝热量进入室内，并没起到吸收室内多余热量的作用，且只靠自然通风的方式散热，形式单一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于该屋顶包括复合相变蓄能板、混凝土层、通风口、相变蓄能模块和换热管；在房屋墙体顶部铺设有混凝土层，在混凝土层上部铺设有复合相变蓄能板；在混凝土层下部是通风层，在通风层的房屋墙体处开设有通风口，通风口处安装有可开启的窗户；在通风层下部是相变蓄能模块；相变蓄能模块安装于房屋墙体上；相变蓄能模块内部铺设有换热管，相变蓄能模块内部与换热管外部之间填充有相变材料；换热管与地下水连接。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、本屋顶在将相变蓄能技术与通风屋顶技术相结合的同时，以地下水作为冷源和夜间通风方式相结合，夜间自然通风加快散热，改变传统相变围护结构的单一形式，解决了自然能源能流密度低、间断性、稳定性差的问题，充分利用自然能源对室内热环境进行调控。
2、利用相变材料在相态变化过程中的吸热-放热来完成对热量的储存与释放，进而实现对温度调控。通过利用相变材料在相变过程中细微温差变化和高热能存储密度的优点，可以有效的减小建筑能耗。
3、在屋顶铺设复合相变蓄能板，可显著降低房屋顶部传热，减小屋内吸收的辐射热量，达到降低负荷的效果。复合相变蓄能板选用相变温度为28℃～34℃的相变材料，当夏季白天室外温度高于34℃的时候，相变材料能够吸收热量，可以显著减少进入室内的热量；到了夜间，室外空气温度低，当温度低于28℃的时候相变材料向外界空气释放热量。
4、复合相变蓄能板选用多孔建筑材料为吸附载体，多孔建筑材料吸附相变材料具有吸附量大、蓄热性好的特点。
5、充分利用了地下水资源带走相变蓄能模块的吸收的热量。在夏季，地下水的平均冷量利用率可达到45％～50％，提高了自然能源的利用率。
6、相变蓄能模块可以进一步吸收室内多余的热量，维持室内温度稳定。相变蓄能模块内所选用相变温度为20℃～25℃的相变材料，相变蓄能模块内的相变材料相变温度接近人体热舒适温度，当室内空气温度升高的时候能够吸收热量，室内空气温度降低的时候释放热量，减小室内空气温度波动，维持人体热舒适性。
7、在复合相变蓄能板与相变蓄能模块之间设计通风层，通风层的南北两侧的通风口安装有可开启的双层玻璃窗户，白天关闭的通风层可以起到隔热的作用。夜间开启的通风层由于热压和风压的共同作用，会加速通风层中空气流动，起到加快热量的散失的作用，同时带走一部分复合相变蓄能板与相变蓄能模块内的相变材料在白天吸收的热量，方便继续使用。
附图说明
图1是本发明一种实施例的整体结构左视示意图；
图2是本发明一种实施例的内部结构左视示意图；
图3是本发明一种实施例的内部结构主视示意图；
图4是本发明一种实施例的相变蓄能模块连接的俯视示意图；
图5是本发明一种实施例的相变蓄能模块连接的主视示意图；(图中：1、管道；2、防水涂料层；3、复合相变蓄能板；4、混凝土层；5、通风口；6、通风层；7、相变蓄能模块；8、换热管；9、三脚架；10、集水器；11、分水器；12、窗户；13、进料口；14、出料口)
图6是本发明一种实施例的十四酸-十四醇二元低共融混合物的DSC图；
图7是本发明一种实施例的十二酸-十四醇二元低共融混合物的DSC图；
图8是未吸附相变材料的膨胀蛭石的SEM图；
图9是本发明一种实施例的吸附相变材料的膨胀蛭石的SEM图；
图10是本发明实施例1与对比例1的房间内温度变化对比图；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶(简称屋顶，参见图1-5)，其特征在于该屋顶包括复合相变蓄能板3、混凝土层4、通风口5、相变蓄能模块7和换热管8；在房屋墙体顶部铺设有用混凝土浇筑形成混凝土层4，在混凝土层4上部铺设有若干块复合相变蓄能板3，复合相变蓄能板3覆盖整个混凝土层4；在混凝土层4下部与房屋墙体形成的空间是通风层6，在通风层6的房屋南北墙体处开设有通透的通风口5，通风口5处安装有可开启的窗户12；在通风层6下部是相变蓄能模块7；相变蓄能模块7通过三脚架9安装于房屋墙体上；相变蓄能模块7内部均匀铺设有换热管8，相变蓄能模块7内部与换热管8外部之间填充有相变材料；换热管8通过泵与地下水连接；
优选地，该屋顶还包括集水器10和分水器11；集水器10和分水器11均通过三脚架9安装于房屋墙体上，位于相变蓄能模块7的下部两侧，换热管8通过管道1分别与集水器10和分水器11连通，分水器11用于地下水进入换热管8中，集水器10用于换热管8中水体的排出；分水器11通过泵与地下水连通；所述管道1采用PVC蛇皮管；
所述复合相变蓄能板3选用相变温度为28℃～34℃的相变材料，利用真空吸附法，将相变材料吸附于多孔建筑材料中，形成复合相变蓄能颗粒，然后通过定压模法将复合相变蓄能颗粒制备成复合相变蓄能板3；
复合相变蓄能板3选用的相变材料为十四酸-十四醇二元低共融混合物；由图6可以看出，十四酸-十四醇二元低共融混合物的熔化温度为33.07℃，熔化潜热为168.78J/g，凝固温度为32.15℃，凝固潜热为164.26J/g。
多孔建筑材料选用膨胀蛭石，由图8和图9可以看出，膨胀蛭石呈现出一种紧凑不规则的层状结构，由许多层片状结构牢固地堆叠而成，其间距大小不一，而这些间层为相变材料的容留提供了空间。由图9可以看出，膨胀蛭石的层状空间已被所吸附的相变材料所填充，内部空气排出，成为密实的颗粒，表面光滑，看不出明显的片层。
复合相变蓄能板3的上表面涂覆有防水涂料，形成厚度为1mm～2mm的防水涂料层2，保证屋顶的防水性；所述防水涂料为聚氨酯防水涂料；
相变蓄能模块7是由2mm厚的金属铁板焊接而成，铁板的导热系数为58.2W/m·K；
所述相变蓄能模块7内部选用相变温度为20℃～25℃的相变材料，优选十二酸-十四醇二元低共融混合物；由图7可以看出，十二酸-十四醇二元低共融混合物的熔化温度为23.64℃，熔化潜热为141.99J/g，凝固温度为17.84℃，凝固潜热为146.91J/g。
所述相变蓄能模块7具有进料口13和出料口14，方便相变材料的灌入和倒出；进料口13和出料口14均为直径20mm、高10mm的圆柱；
所述换热管8采用金属管，优选铜管；
所述窗户12采用双层玻璃窗户；
所述复合相变蓄能板3的长为400mm～450mm、宽为400mm～450mm、厚度为30mm；所述混凝土层4的长为2m～3m、宽为2m～3m、厚度为100～150mm；所述通风口5的长为1000mm、宽为200mm；所述相变蓄能模块7的长为1400mm、宽为1400mm、厚度为50mm；换热管8的直径为10mm；分水器11与集水器10的长均为1300mm、直径均为50mm；所述窗户12的长为1000mm、宽为200mm；
本发明的工作原理和工作流程是：
白天工作过程：在夏季白天，当室温外温度高一定温度(本实施例是33.07℃)的时候，复合相变蓄能板3吸收室外的热量，使夏季室外的热量无法进入到室内，通风层6南北两侧的通风口5处于关闭状态，空气无法流过通风层6，处于关闭状态的通风层6可以进一步起到阻止夏季室外热量进入到室内的作用；当室内温度高于相变蓄能模块7内相变材料的熔化温度(本实施例是23.64℃)的时候，相变蓄能模块7内的相变材料吸收并储存室内多余的热量，使室内温度维持在一个恒定的温度范围内；水温为15℃～17℃的地下水通过水泵进入分水器11，地下水再通过分水器11分别流入换热管8内，相变蓄能模块7中的相变材料再通过换热管8与地下水进行换热，吸收了相变蓄能模块7内相变材料热量的地下水再通过集水器10流走。
夜间工作过程：在夏季夜间，水泵关闭，地下水不在流到换热管8内；通风层6南北两侧的通风口5处于开启状态，夜间低温的空气流经通风层6，复合相变蓄能板3释放白天吸收的热量，流经通风层6的夜间低温空气可以带走复合相变蓄能板3一部分的热量，加快复合相变蓄能板3热量的释放，流经通风层6的夜间低温空气同时也带走相变蓄能模块7内相变材料的热量，相变蓄能模块7内的相变材料蓄存冷量，相变材料夜间蓄存的冷量可以用来在白天维持室内温度在一个恒定范围内。
实施例1
该屋顶包括复合相变蓄能板3、混凝土层4、通风口5、相变蓄能模块7和换热管8；在房屋墙体顶部铺设有用混凝土浇筑形成混凝土层4，混凝土层4的长为2300mm、宽为2300mm、厚度为100mm；在混凝土层4上部铺设有30mm厚的复合相变蓄能板3，复合相变蓄能板3覆盖整个混凝土层4；在混凝土层4下部与房屋墙体形成的空间是通风层6，在通风层6的房屋南北墙体处开设有1000mm×200mm通透的通风口5，通风口5处安装有可90°开启的窗户12；在通风层6下部是1400mm×1400mm×50mm的相变蓄能模块7；相变蓄能模块7通过三脚架9安装于房屋墙体上；相变蓄能模块7内部均匀铺设有直径为10mm的换热管8，相变蓄能模块7内部与换热管8外部之间填充有十二酸-十四醇二元低共融混合的相变材料，从相变蓄能模块7的进料口13灌入；集水器10和分水器11均通过三脚架9安装于房屋墙体上，位于相变蓄能模块7的下部两侧，换热管8通过PVC蛇皮管分别与集水器10和分水器11连通；分水器11通过泵与地下水连通。
对比例1
该屋顶与实施例1的结构和尺寸完全相同，不同之处在于使用30mm厚的挤塑聚苯板代替实施例1的复合相变蓄能板3，同时使用50mm厚的挤塑聚苯板代替实施例1的相变蓄能模块7。
由图10可以看出，随着室外空气温度的变化，实施例1和对比例1的室内温度也随着变化，但实施例1的室内最高温度相对于对比例1的室内最高温度略有降低，说明实施例1相对于对比例1具有很好的降温作用。
表1
第一天 第二天 平均值
室外温度(℃) 51.28 52.42 51.85
对比例1室内温度(℃) 33.36 34.00 33.68
实施例1室内温度(℃) 28.25 28.58 28.42
室外温度-对比例1室内温度(℃) 17.92 18.42 18.17
室外温度-实施例1室内温度(℃) 23.03 23.84 23.44
对比例1室内温度-实施例1室内温度(℃) 5.11 5.42 5.27
表1为实施例1与对比例1的室内空气峰值温度对比表。由表1可以看出，实施例1和对比例1的室内空气两天峰值温度平均值分别为28.42℃、33.68℃，与室外温度两天峰值温度平均值相比，实施例1和对比例1分别降低了23.44℃、18.17℃，而实施例1和对比例1相比则降低5.27℃。对比例1的室内空气温度比实施例1的室内温度高，一方面是由于实施例1屋顶外表面相变材料融化吸收热量，与对比例1相比进入室内的热量减小；另一方面，虽然实施例1的冷水不直接作用于室内空气，但相变蓄能模块7吸收冷量过后，还是作用于室内空气，降温，两者综合使得实施例1的室内空气温度更低。因此，相比对比例1，实施例1具有明显的降温效果。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于该屋顶包括复合相变蓄能板、混凝土层、通风口、相变蓄能模块和换热管；在房屋墙体顶部铺设有混凝土层，在混凝土层上部铺设有复合相变蓄能板；在混凝土层下部是通风层，在通风层的房屋墙体处开设有通风口，通风口处安装有可开启的窗户；在通风层下部是相变蓄能模块；相变蓄能模块安装于房屋墙体上；相变蓄能模块内部铺设有换热管，相变蓄能模块内部与换热管外部之间填充有相变材料；换热管与地下水连接。
2.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于复合相变蓄能板覆盖整个混凝土层。
3.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于相变蓄能模块内部均匀铺设有换热管。
4.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于该屋顶还包括集水器和分水器；集水器和分水器均安装于房屋墙体上，换热管通过管道分别与集水器和分水器连通；分水器通过泵与地下水连通；所述管道采用PVC蛇皮管。
5.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于复合相变蓄能板的上表面涂覆有防水涂料，形成防水涂料层；所述防水涂料为聚氨酯防水涂料。
6.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于所述复合相变蓄能板选用相变温度为28℃～34℃的相变材料，利用真空吸附法，将相变材料吸附于多孔建筑材料中，形成复合相变蓄能颗粒，然后通过定压模法将复合相变蓄能颗粒制备成复合相变蓄能板；所述相变材料为十四酸-十四醇二元低共融混合物；所述多孔建筑材料选用膨胀蛭石。
7.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于相变蓄能模块是由金属铁板焊接而成。
8.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于所述相变蓄能模块内部的相变材料选用相变温度为20℃～25℃的相变材料；所述相变材料为十二酸-十四醇二元低共融混合物；所述相变蓄能模块具有进料口和出料口，方便相变材料的灌入和倒出。
9.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于所述换热管采用金属管。
10.根据权利要求1所述的以地下水为冷源的复合相变通风屋顶，其特征在于所述窗户采用双层玻璃窗户。
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