CN109989512A - 基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置及其方法，属于建筑被动供冷供暖领域。复合节能装置由空气隔热层和相变材料层组成，可变隔热层和相变材料层之间存在防水等屋面功能层；可变式隔热层通过调节空气层厚度来改变整个装置与外界间的热阻，从而优化相变材料的储能过程。本发明有益效果包括：夏季的白天隔热层开启，空气层极低的导热系数减少外部进入建筑结构的热流，减缓相变材料融化。夏季夜间隔热层关闭，利于相变材料通过外部对流换热冷却凝固。冬季工况相反，同样起到优化相变材料充放能过程的作用。总体来说，通过优化相变材料的充放能过程，减小了房屋的冷热负荷，做到了节能减排。
Description
技术领域
本发明属于被动式建筑供冷供暖领域，具体涉及一种基于可控式隔热层和相变储能的复合节能装置及其方法。
背景技术
随着全球变暖加剧和人们对生活品质越来越高的要求，室内的供冷供暖需求增加明显。近年来，不需要消耗能源的被动式建筑供冷供热技术受到了越来越多的关注。
相变材料凭借其在工作温度区间的高潜热，能够在吸收和放出大量热量的同时保持温度的稳定。因为这种性质，它被运用到了建筑中用以保持室内温度的稳定，提高人体舒适度。建筑围护结构中的隔热层能有效减少建筑热流，但也恶化了相变材料的充能过程。尤其在炎热的夏季和寒冷的冬季，相变材料常会因为无法进行有效的相变循环而丧失大部分性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中相变材料在夏季难以冷却凝固，冬季难以吸热熔化的缺陷，并提供一种基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置。
基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其结构相比传统的相变式屋顶结构添加了可控式空气隔热层。隔热层位于彩钢瓦和铝质封装板之间，由机械传动结构根据既定的策略控制其厚度。通过控制隔热层来满足不同工况下的隔热需求，从而帮助相变材料吸热或散热。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，该装置安装于建筑屋顶上，它包括顶升装置、彩钢瓦、铝材封装板和相变材料层，
所述的相变材料层覆盖于屋顶的混凝土结构上，相变材料层的顶面铺设铝材封装板进行封装；所述的彩钢瓦覆盖于铝材封装板上表面作为屋顶保护层，所述的顶升装置用于调整彩钢瓦与铝材封装板之间的间距，使彩钢瓦与铝材封装板之间能形成厚度可调的空气隔热层。
本发明通过调节空气隔热层厚度来改变整个装置与外界间的热阻，从而优化相变材料的储能过程。夏季，彩钢瓦温度更高时开启隔热层，封装铝材温度更高时关闭隔热层，冬季则与夏季相反，由此解决相变材料在夏季难以冷却凝固，冬季难以吸热熔化的缺陷。
作为优选，所述的顶升装置有多组，所述的铝材封装板和相变材料层上的不同位置开设有若干个凹洞，每个凹洞中安装有一组顶升装置，分别对控制彩钢瓦进行顶升。
作为优选，所述的铝材封装板的表面做防水处理。
进一步的，所述的防水处理为在铝材封装板的表面涂覆高分子聚合物防水涂料。
作为优选，所述的相变材料采用正十八烷或石蜡。
作为优选，所述的相变材料层的厚度为2cm，所述铝材封装板的厚度为0.5mm。
作为优选，所述的空气隔热层的厚度调整范围为0～5cm。
作为优选，所述的彩钢瓦和铝材封装板上各安装一个温度传感器，分别采集彩钢瓦和铝材封装板的温度。
作为优选，所述的复合节能装置中，彩钢瓦、铝材封装板和相变材料层覆盖整个建筑屋顶。
本发明的另一目的在于提供一种上述基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置的控制方法，在该方法中，通过两个温度传感器分别采集彩钢瓦和铝材封装板的温度；
在夏季，当彩钢瓦温度低于铝材封装板温度时，通过控制顶升装置使彩钢瓦贴合铝材封装板，消除空气隔热层，将相变材料层中的热量通过彩钢瓦进行散失；当彩钢瓦温度高于铝材封装板温度时，通过控制顶升装置使彩钢瓦脱离铝材封装板，形成空气隔热层，减少彩钢瓦处热量向相变材料层的传导；
在冬季，当彩钢瓦温度高于铝材封装板温度时，通过控制顶升装置使彩钢瓦贴合铝材封装板，消除空气隔热层，将彩钢瓦处的热量传导至相变材料层中进行存储；当彩钢瓦温度低于铝材封装板温度时，通过控制顶升装置使彩钢瓦脱离铝材封装板，形成空气隔热层，减少相变材料层中热量的散失。
因此，本发明的有益效果为：夏季通过在夜间关闭空气隔热层增强夜间的自然对流换热，带走更多热量减少空调制冷能耗。冬季通过在白天关闭空气隔热层，增强对太阳辐射热流的吸收，减少供暖能耗。尤其当建筑中使用了相变材料，夏季夜间冷量和冬季日间热量能被更好地储存，整体效果更好。总体来说，降低了房屋冷热负荷，减少了房屋的空调用电，做到了节能减排。
附图说明
图1为基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置结构示意图；
图2为基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置的局部放大示意图；
图3为该复合节能装置中空气隔热层的调节示意图；
图4为该复合节能装置在建筑屋面的整体铺设示意图。
图中：顶升装置1、混凝土结构2、彩钢瓦3、空气隔热层4、铝材封装板5、相变材料层6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在一实施例中，基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置结构如图1和图2所示。该装置由顶升装置1、彩钢瓦3、铝材封装板5、相变材料层6构成。该节能装置安装于安装于建筑屋顶上，建筑屋顶一般由混凝土浇筑成斜坡状，而在屋顶的混凝土结构2上铺设一层层状的相变材料，相变材料层6完全覆盖整个屋顶，相变材料层6的顶面铺设铝材封装板5进行封装。相变材料呈层状分布，厚度2cm，铝材封装板5采用0.5mm厚的铝合金，该尺寸兼顾了初期成本和蓄能性能。相变材料的作用是利用自身的储热能力对屋内的温度进行调节。相变材料可以采用现有技术中的各种形式只要能匹配具体环境和需求即可，例如熔点为28℃的正十八烷，或者石蜡等有机物，熔点为常温范围。彩钢瓦3覆盖于铝材封装板5上表面作为屋顶保护层。
与其他的屋顶结构不同的是，本发明中的。彩钢瓦3并非直接固定不动的，而是通过在下方设置若干个顶升装置1，通过顶升装置对彩钢瓦3进行高度调节，调整彩钢瓦3与铝材封装板5之间的间距，使彩钢瓦3与铝材封装板5之间能形成厚度可调的空气隔热层4。顶升装置1可以通过用螺杆升降彩钢瓦来实现，也可以通过塔架、卷扬机等其它传动方式实现。以电动机驱动螺杆的实现方式为例，其安装方式为：在相变材料层6和铝材封装板5上设置大小合适的凹洞，并做好防水隔热措施。将电动机安装在铝材封装的凹洞中并将底部固定在下方。螺杆由电动机驱动旋转，顶部与彩钢瓦构成螺纹传动配合，螺杆缩回时，彩钢瓦3与下方铝材封装板5紧密贴合，螺杆旋出时二者脱离且中间形成空气隔热层4。安装的凹洞尺寸可以设置为长15cm，宽5cm，并保证上开口与铝制封装层齐平，螺杆最大旋出长度为5cm，空气隔热层4的厚度调整范围可以设为0～5cm。而且，为了保证顶升的均匀性，顶升装置1可以在整个屋面上均匀布设多组，铝材封装板5和相变材料层6上的不同位置也需要对应开设多个凹洞，每个凹洞中安装有一组顶升装置1，分别对控制彩钢瓦3进行顶升。当有多组时，各电动机采用分布式独立控制，或中央传动式统一控制，依据实际工程状况选择。另外，考虑到防水的需求，铝材封装板5的表面需要做防水处理，可以在铝材封装板5的表面涂覆金属屋面专用高分子聚合物防水涂料。
如图3所示，为彩钢瓦3与铝材封装板5之间的空气隔热层4厚度调整示意图，空气隔热层4的开启和闭合可以控制彩钢瓦和相变材料封装铝材的相对温度。夏季的白天隔热层开启，空气层极低的导热系数减少外部进入建筑结构的热流，减缓相变材料融化。夏季夜间隔热层关闭，利于相变材料通过外部对流换热冷却凝固。冬季工况相反，同样起到优化相变材料充放能过程的作用。总体来说，通过优化相变材料的充放能过程，减小了房屋的冷热负荷，做到了节能减排。
该基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置的控制方法如下：彩钢瓦3和铝材封装板5上可以各自安装一个温度传感器，分别采集彩钢瓦3和铝材封装板5的温度。通过两个温度传感器分别采集彩钢瓦3和铝材封装板5的温度。
在夏季，当彩钢瓦3温度低于铝材封装板5温度时，通过控制顶升装置1使彩钢瓦3贴合铝材封装板5，消除空气隔热层4，将相变材料层6中的热量通过彩钢瓦3进行散失；当彩钢瓦3温度高于铝材封装板5温度时，通过控制顶升装置1使彩钢瓦3脱离铝材封装板5，形成空气隔热层4，减少彩钢瓦3处热量向相变材料层6的传导；
在冬季，当彩钢瓦3温度高于铝材封装板5温度时，通过控制顶升装置1使彩钢瓦3贴合铝材封装板5，消除空气隔热层4，将彩钢瓦3处的热量传导至相变材料层6中进行存储；当彩钢瓦3温度低于铝材封装板5温度时，通过控制顶升装置1使彩钢瓦3脱离铝材封装板5，形成空气隔热层4，减少相变材料层6中热量的散失。
在本发明中，彩钢瓦3、铝材封装板5和相变材料层6的铺设面积可以根据实际需要确定，既可以如图4所示覆盖整个建筑屋顶，也可以覆盖部分区域。
本发明通过可控式空气隔热层和相变材料层结合，使得夏季夜间的外部环境能帮助为相变材料散热，冬季白天的太阳辐射能为相变材料储能。本发明可以降低室内冷热负荷，大幅度减少主动制冷的耗电量。在夏季夜间，以环境温度26℃、相变材料温度30℃，外部对流换热系数20W/m2·K为例，夜间环境带走热量理论值可达2304kJ/m2。在可控式隔热下，夜间空气隔热层关闭，实际散热值可以接近该理论值，远大于传统隔热下被大幅削弱的散热量。更大的散热量能让相变材料冷却凝固，从而更好地在白天吸收热量稳定室内温度。在冬季白天，以表面辐射率0.5，平均水平太阳辐射强度300W/m2·K，日照时间5小时为例，理论向内热流可达2700kJ/m2。在可控式隔热下，白天空气隔热层关闭，实际吸热量可以接近该理论值，远大于传统隔热下被大幅削弱的吸热量。更大的吸热量能让相变材料升温熔化，从而更好地在夜间放出热量稳定室内温度。因此，本发明达到了良好的提高舒适性、降低冷热负荷、减少空调能耗的效果。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，传动装置还可以有塔架、卷扬等不同形式；隔热层控制策略可以简化为依据时间、太阳辐射等参数；防水工艺的位置和材料也可以有其它选择。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，安装于建筑屋顶上，其特征在于，包括顶升装置(1)、彩钢瓦(3)、铝材封装板(5)和相变材料层(6)；所述的相变材料层(6)覆盖于屋顶的混凝土结构(2)上，相变材料层(6)的顶面铺设铝材封装板(5)进行封装；所述的彩钢瓦(3)覆盖于铝材封装板(5)上表面作为屋顶保护层，所述的顶升装置(1)用于调整彩钢瓦(3)与铝材封装板(5)之间的间距，使彩钢瓦(3)与铝材封装板(5)之间能形成厚度可调的空气隔热层(4)。
2.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的顶升装置(1)有多组，所述的铝材封装板(5)和相变材料层(6)上的不同位置开设有若干个凹洞，每个凹洞中安装有一组顶升装置(1)，分别对控制彩钢瓦(3)进行顶升。
3.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的铝材封装板(5)的表面做防水处理。
4.如权利要求3所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的防水处理为在铝材封装板(5)的表面涂覆高分子聚合物防水涂料。
5.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的相变材料采用正十八烷或石蜡。
6.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的相变材料层(6)的厚度为2cm，所述铝材封装板(5)的厚度为0.5mm。
7.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的空气隔热层(4)的厚度调整范围为0～5cm。
8.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的彩钢瓦(3)和铝材封装板(5)上各安装一个温度传感器，分别采集彩钢瓦(3)和铝材封装板(5)的温度。
9.如权利要求1所述的基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的复合节能装置中，彩钢瓦(3)、铝材封装板(5)和相变材料层(6)覆盖整个建筑屋顶。
10.一种如权利要求1所述基于可控隔热层和相变储能的复合节能装置的控制方法，其特征在于，通过两个温度传感器分别采集彩钢瓦(3)和铝材封装板(5)的温度；
在夏季，当彩钢瓦(3)温度低于铝材封装板(5)温度时，通过控制顶升装置(1)使彩钢瓦(3)贴合铝材封装板(5)，消除空气隔热层(4)，将相变材料层(6)中的热量通过彩钢瓦(3)进行散失；当彩钢瓦(3)温度高于铝材封装板(5)温度时，通过控制顶升装置(1)使彩钢瓦(3)脱离铝材封装板(5)，形成空气隔热层(4)，减少彩钢瓦(3)处热量向相变材料层(6)的传导；
在冬季，当彩钢瓦(3)温度高于铝材封装板(5)温度时，通过控制顶升装置(1)使彩钢瓦(3)贴合铝材封装板(5)，消除空气隔热层(4)，将彩钢瓦(3)处的热量传导至相变材料层(6)中进行存储；当彩钢瓦(3)温度低于铝材封装板(5)温度时，通过控制顶升装置(1)使彩钢瓦(3)脱离铝材封装板(5)，形成空气隔热层(4)，减少相变材料层(6)中热量的散失。
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