CN109339279A - 一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，它包括东外墙、西外墙、坡屋顶、太阳能集热器系统，太阳能集热器系统位于坡屋顶上并设置若干联箱及太阳能集热管，各联箱的每一侧都布置若干太阳能集热管，各太阳能集热管以横置的方式布置在坡屋顶上；东外墙、西外墙均通过在各自墙体填充相变材料、并在相变材料中布置聚丁烯管构成相变墙系统，东外墙的相变材料距离东外墙内壁面20mm，西外墙的相变材料距离西外墙内壁面20mm；太阳能集热器系统、蓄水箱、水泵、分水器、聚丁烯管、集水器构成供热循环系统；分水器、集水器布置在坡屋顶内。本发明最大限度的利用采光面积，解决了农村冬季室内温度不稳定且浪费能源的问题。
Description
技术领域：
本发明涉及的是可再生能源建筑节能领域，具体涉及的是一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅。
背景技术：
随着我国科技经济的快速发展和生活水平的提高，人们对于生活舒适度的要求也越来越高，据资料显示，2015年，中国建筑能源消费总量为8.57亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20%，其中采暖空调能耗占中国总建筑能耗的50%~60%。在我国北方严寒地区，由于冬季寒冷及现有农宅保温不良，室内温度往往不能达到居民的理想温度，故居民会采用燃烧大量燃料来提高室内舒适度，这样不仅造成能源的浪费，同时也给环境带来了巨大的污染。太阳能是一种清洁、可再生的绿色能源且取之不尽用之不竭，太阳能的合理利用可以有效缓解能源紧张和环境污染问题，对我国节能环保具有重要意义。鉴于严寒地区地理环境因素和现阶段农宅的保温状况，故设置主动式节能农宅可以有效节约能源，为更加有效的提高室内热环境的舒适度，故将东西外墙改造为相变墙系统来维持室内温度稳定，同时降低了能源浪费和环境污染。
目前对于太阳能与相变墙体的发明创新有很多，中国发明专利ZL201511025153.2，其发明名称为“一种太阳能相变储热墙及带有太阳能相变储热墙的通风系统”，该专利技术中将传统集热蓄热墙改造为由高温、中温和低温相变层依次连接的相变蓄热墙，墙体上下部、外玻璃板上部及北向围护结构上部均开有通风口，在坡屋顶下方放置热水箱，连接管及分集水器并且其连接管通入相变墙体。该系统利用热压原理可满足夏季通风降温和冬季蓄热供暖的要求。
中国发明专利ZL201510952126.3 ，其发明名称“一种太阳能相变与显热复合式蓄热墙体及其供热系统”，该专利技术中相变墙兼具了蓄热与供热，墙体设置保温层、相变材料层和水平垂直双向蛇形盘管，水平蛇形管与暖风机相连通热风，垂直蛇形管与太阳能集热器相连通热水，系统中暖风机等设备的电力均由太阳能电池板提供，必要时以市电进行辅助，太阳能电池板与太阳能集热器一样均设置在南墙上。该系统可充分利用太阳能，与建筑集成度高，同时可以缓解用电压力且克服了特朗伯墙在冬季的不实用性。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，这种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅用于解决我国北方严寒地区的居民采用燃烧大量燃料冬季供暖造成能源浪费、环境污染的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅包括东外墙、西外墙、坡屋顶、太阳能集热器系统，太阳能集热器系统位于坡屋顶上并设置若干联箱及太阳能集热管，各联箱的每一侧都布置若干太阳能集热管，各太阳能集热管以横置的方式布置在坡屋顶上；东外墙、西外墙均通过在各自墙体填充相变材料、并在相变材料中布置聚丁烯管构成相变墙系统，东外墙的相变材料距离东外墙内壁面20mm，西外墙的相变材料距离西外墙内壁面20mm；太阳能集热器系统、蓄水箱、水泵、分水器、聚丁烯管、集水器构成供热循环系统；分水器、集水器布置在坡屋顶内。
上述方案中相邻的太阳能集热器间采用混联的方式连接，并且在连接管上设置阀门控制水流方向，联箱内部和连接管均设置保温层。
上述方案中每个联箱每侧插入25个太阳能集热管。
上述方案中聚丁烯管采用双蛇形盘管，双蛇形盘管左右两侧分别距离南、北外墙50mm，双蛇形盘管下侧距离地面50mm，双蛇形盘管的上部设置进水口、出水口，进水口与分水器相连，出水口与集水器相连，进水口的水流速控制为0.25m/s，可使相变墙体中的温度均匀分布，防止出现墙体温度上高下低的现象。
上述方案中相变材料选择熔点为300.95K、凝点为288.15K、熔化潜热为184000J/Kg的石蜡，并采用板式封装法固定在东、西外墙中；选择公称外径为DN25，公称壁厚等级为S8的聚丁烯管按双蛇形布置在相变墙板中心轴线处，管间距按其最小弯曲半径5D确定。
上述方案中太阳能集热器系统在入口安装压力表和温度计、出口安装温度计以监测系统运行状态，蓄水箱放置在室外并在箱体外部及其连接管道设置保温。
上述方案中坡屋顶采用普通彩钢板及铝合金框架，框架角度为20°，各个联箱及太阳能集热管均通过固定支架固定，固定支架通过螺栓固定在铝合金框架上。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，结构简单，安装方便，且解决了农村冬季室内温度不稳定且浪费能源的问题。
2、本发明中太阳能集热器系统采用横置全玻璃真空管太阳能集热器，联箱的每一侧都布置集热管，可使集热管数量相较于普通纵置式的数量增大一倍，经济效益更好，且不用考虑集热管间相互遮挡的问题，最大限度的利用采光面积，相邻集热器间采用混联的方式并将产生的热水输送到蓄水箱中蓄存。
3、本发明节能农宅负荷国家标准规定，适合严寒地区使用，符合当下节能建筑要求。
4、本发明在东西外墙侧填充相变材料并在其中布置聚丁烯（PB）管构成相变墙系统，管中通入太阳能集热器系统生产的低温热水，相变材料的导热系数小，在未融化时可作为保温材料，而在融化时向室内释放大量潜热，有利于降低室内热负荷。
四、附图说明：
图1为节能农宅平面图。
图2为适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅立体图。
图3为横置全玻璃真空管太阳能集热器连接图。
图4为相变墙系统盘管布置图。
图5为相变墙体剖面图。
图6为耦合运行系统图。
图中，1太阳能集热器系统，2东外墙，3封装板，4聚丁烯管，5南北外墙，6相变墙体保温层，7相变材料层，8相变墙体结构层，9蓄水箱，10水泵，11分水器，12截止阀，13相变墙体，14集水器，15温度计，16阀门，17压力表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图2、图3、图4、图5、图6所示，这种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅包括东外墙2、西外墙、坡屋顶、太阳能集热器系统1，太阳能集热器系统1位于坡屋顶上并设置若干联箱及太阳能集热管，各联箱的每一侧都布置若干太阳能集热管，各太阳能集热管以横置的方式布置在坡屋顶上；东外墙2、西外墙均通过在各自墙体填充相变材料、并在相变材料中布置聚丁烯管4构成相变墙系统，太阳能集热器系统1、蓄水箱9、水泵10、分水器11、聚丁烯管4、集水器14构成供热循环系统，分水器11通过分水管分别与东外墙2、西外墙中的聚丁烯管4连接，每个分水管上设置截止阀12，东外墙2、西外墙中的聚丁烯管4分别通过相应的集水管与集水器14连接；蓄水箱9与太阳能集热器系统1还设置有进水管线，蓄水箱9有补（排）水口。分水器11、集水器14布置在坡屋顶内。其中太阳能集热器系统1采用横置太阳能集热管的方式布置在坡屋顶上，可以不考虑真空管间的相互遮挡作用，最大利用集热器的采光面积；节能农宅可以尽可能减少室内热负荷；相变墙系统中采用双蛇形盘管可使相变墙体中的温度均匀分布，防止出现墙体温度上高下低的现象，而相变墙系统与太阳能集热器系统1相互连接，充分利用太阳能和相变材料的潜热起到最小化室内热负荷的作用，有利于维持室内热环境的稳定性和热舒适度。
参阅图1，农宅内部主要分为四个独立区域，北向为厨房、储藏室，南向为卧室及客厅，在厨房及储藏室设置北向窗，在卧室及客厅设置大面积的南向窗，均采用LOW-E窗且其位置在房间距地面900mm、水平中央的位置，客厅南向设置外门，外门采用普通防盗门且其位置位于南墙的中心处。
农宅整体采用红粘土砖材料并在外侧采用膨胀聚苯板等保温材料进行保温，特别是墙体、屋顶及地面处，保证围护结构有良好的保温性能，严格负荷标准要求，门窗分别采用防盗门及LOW-E窗，墙体内外表面采用水泥砂浆抹灰。其各外墙厚度均为500mm，从外到内的材料及厚度依次为水泥砂浆20mm、膨胀聚苯板50mm、红粘土砖410mm、水泥砂浆20mm。位于农宅上方的屋顶采用普通彩钢板及铝合金框架，框架角度为20°。
位于坡屋顶上的太阳能集热系统采用横置全玻璃真空太阳能集热管的方法，每个联箱每侧插入25个全玻璃真空太阳能集热管，其规格尺寸均为外管φ58×1800mm，内管φ47×1720mm，并采用混联的方法使之相连接并且在连接管上设置阀门16以控制水流方向，联箱内部和连接管道做好保温，考虑严寒地区冬季防冻，故在循环水中添加乙二醇作为防冻液。各个联箱及太阳能集热管通过固定支架固定在屋面上，固定支架通过螺栓固定在铝合金框架上。
相变墙系统由相变墙体和循环水系统组成，是在节能农宅的条件下对东西外墙进行改造，减少红砖厚度并采用等厚度的相变材料代替。选择熔点/凝点为300.95/288.15K、熔化潜热为184000J/Kg的石蜡作为相变材料，并通过封装板3采用板式封装法将其固定在东西外墙中，其位置位于农宅内壁面以外20mm处以减小散热。选择公称外径为DN25，公称壁厚等级为S8的聚丁烯（PB）管按双蛇形布置在相变墙板中心轴线处，管间距按其最小弯曲半径5D确定，盘管左右两侧及下侧分别距离南北外墙5和地面50mm，盘管上侧为进出水口，与全玻璃真空管太阳能集热器系统1相连。相变墙体13包括相变墙体结构层8，相变材料层7，相变墙体保温层6。
太阳能集热器系统1和相变墙系统通过蓄水箱9和分水器11、集水器14相连，并在太阳能集热器系统入口安装压力表17和温度计15、出口安装温度计15以监测系统运行状态。其中蓄水箱9放置在室外并在箱体外部及其连接管道处做好保温措施，分水器11、集水器14布置在坡屋顶内。太阳能集热管中的动力主要靠自然对流，相变墙系统管道中的流速由水泵10来控制，并将水泵10布置在分水器11前，控制进入相变墙体的水流速在0.25m/s。
本发明主要利用相变的原理，可以有效地维持室内环境稳定，提高室内热舒适性。将双蛇形盘绕的聚丁烯管4布置在相变墙体13内并通入集热器生产的低温热水可以充分利用太阳能和相变材料发生相变时的潜热向室内供暖。同时相变材料的导热系数很小，在一定程度上也起到保温的作用。该发明兼顾室内舒适与节能环保，适用范围广，结构简单，加工方便，避免了复杂的机械安装与施工，符合当代建筑节能发展需求。
Claims (7)
1.一种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：这种适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅包括东外墙（2）、西外墙、坡屋顶、太阳能集热器系统（1），太阳能集热器系统（1）位于坡屋顶上并设置若干联箱及太阳能集热管，各联箱的每一侧都布置若干太阳能集热管，各太阳能集热管以横置的方式布置在坡屋顶上；东外墙（2）、西外墙均通过在各自墙体填充相变材料、并在相变材料中布置聚丁烯管（4）构成相变墙系统，东外墙（2）的相变材料距离东外墙内壁面20mm，西外墙的相变材料距离西外墙内壁面20mm；太阳能集热器系统（1）、蓄水箱（9）、水泵（10）、分水器（11）、聚丁烯管（4）、集水器（14）构成供热循环系统；分水器（11）、集水器（14）布置在坡屋顶内。
2.根据权利要求1所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的相邻的太阳能集热器间采用混联的方式连接，并且在连接管上设置阀门（16）控制水流方向，联箱内部和连接管均设置保温层。
3.根据权利要求2所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的聚丁烯管（4）采用双蛇形盘管，双蛇形盘管左右两侧分别距离南、北外墙50mm，双蛇形盘管下侧距离地面50mm，双蛇形盘管的上部设置进水口、出水口，进水口与分水器（11）相连，出水口与集水器（14）相连，进水口的水流速控制为0.25m/s。
4.根据权利要求3所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的每个联箱每侧插入25个太阳能集热管。
5.根据权利要求4所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的相变材料选择熔点为300.95K、凝点为288.15K、熔化潜热为184000J/Kg的石蜡，并采用板式封装法固定在东、西外墙中；选择公称外径为DN25，公称壁厚等级为S8的聚丁烯管按双蛇形布置在相变墙板中心轴线处，管间距按其最小弯曲半径5D确定。
6.根据权利要求5所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的太阳能集热器系统（1）在入口安装压力表（17）和温度计（15）、出口安装温度计（15）以监测系统运行状态，蓄水箱（9）放置在室外并在箱体外部及其连接管道设置保温。
7.根据权利要求6所述的适合严寒地区带有太阳能低温热水相变墙体的农宅，其特征在于：所述的坡屋顶采用普通彩钢板及铝合金框架，框架角度为20°，各个联箱及太阳能集热管均通过固定支架固定，固定支架通过螺栓固定在铝合金框架上。
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