CN111140044A - 一种被动式冷却建筑围护结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种被动式冷却建筑围护结构，属于建筑工程领域，包括箱房式结构的主框架和连接主框架之间的连接杆，所述主框架和连接杆之间形成多个矩形空间，所述矩形空间被配置用于容纳蓄水水箱，所述蓄水水箱的内表面采用高导热材料，所述蓄水水箱、连接杆和主框架构成一个相对密封的厢房式空间，所述厢房式空间内部被配置用于放置仪表设备。本发明还公开了一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，依据目标地白天平均温度值、白天最高温度值和对应的夜间平均温度值，并依据设备的平均发热功率值，计算获取空气热容量值，并最终设计出围护结构的具体布置方式。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程领域，特别涉及一种被动式冷却建筑围护结构及设计方法。
背景技术
内部有通信、电路控制设备等有工作环境温度要求的石油天然气管道、发电站、野外科研站、气象观测站和通信基站等这样野外的设备间，通常使用太阳能发电或风力发电等无外接电网的能源供应形式，并采用其产生的能源用于设备间内的散热和温度控制，以保证其内部的仪表及设备持续稳定地工作；
但是由于日照或风力并不稳定，其产生的能源仅能支撑设备工作，而缺少额外能源用于散热操作，同时部分地区环境较恶劣，通风散热不利的地区：如沿海地区，风湿度大，盐碱性强；沙漠戈壁地区，风含沙量大；这些地区使用通风散热式的围护体系，效果不佳且维护成本高，特别是传统的散热方式，需要开设一定的通风孔，在极端情况下，通风孔处极易进入风沙或其他杂质，在一些情况下，在设备间内部甚至会真菌滋生等情况，长久以往，在缺少人工维护的情况下，设备间的工作稳定性将大大折扣；
由于此类建筑物设计初衷是为一些通信处理设备创造良好的工作环境，对内部环境温度、湿度等要求较高；当这些建筑设置在偏远地区时，能源供应及人工维护都较为困难，夏季炎热高温时，室温极易超过设备正常的工作温度，设备宕机会影响功能的正常实现，即使有电力供应的情况下，使用空调制冷效率也很低，且能耗很高，经济性差。
故在这些地区亟待研发出一种无需电力支持，并无需人工值守的设备间的，并可以稳定高效地为设备间内部冷却降温操作的解决方案；
本发明人对此进行研究，研发出一种被动式冷却建筑围护结构及设计方法，以解决现有技术在设备间散热效能低下，工作稳定性差，适用范围小的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动式冷却建筑围护结构及设计方法，以解决现有技术在设备间散热效能低下，工作稳定性差，适用范围小的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种被动式冷却建筑围护结构，包括箱房式结构的主框架和连接主框架之间的连接杆，所述主框架和连接杆之间形成多个矩形空间，所述矩形空间被配置用于容纳蓄水水箱，所述蓄水水箱的内表面采用高导热材料，所述蓄水水箱、连接杆和主框架构成一个相对密封的厢房式空间，所述厢房式空间内部被配置用于放置仪表设备。
进一步的，所述蓄水水箱的侧壁设有凹槽，所述连接杆被完全置入在两个相邻蓄水水箱凹槽的内部。可以提高水箱内侧面和外侧面的接触面积，并减少连接杆的传热效果。
进一步的，所述蓄水水箱的外侧面设有弧形凸条。用于提高接触面积，并提蓄水水箱的结构强度。
进一步的，所述蓄热水箱的外缘载附有辐射制冷膜或反射隔热涂料。辐射制冷膜或反射隔热涂料具有较好的隔热效果，制冷效果优异，能够起到抑制屋蓄热水箱升降幅度的作用。
进一步的，所述蓄水水箱中的水中添加有抗冻剂。提高本围护结构的应用范围，使其能适应高寒地区。
一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法：
依据目标地白天平均温度值、白天最高温度值和对应的夜间平均温度值，并依据设备的平均发热功率值，计算获取空气热容量值；
依据冷媒的比热容、设备间内部温度最高控制值和所述空气热容量值，计算获取冷媒体积值；
依据所述冷媒体积值和设备间的尺寸值，确定蓄水水箱的外表面面积值；
依据所述蓄水水箱的外壁面面积值确定围护结构。
进一步的，在确定围护结构步骤时，优选将蓄水水箱布置在设备间的侧壁和顶部，并尽可能靠近发热设备处。提高和发热设备的接触效能，并提高蓄水水箱的热交换能力。
进一步的，在蓄水水箱布置时，在靠近发热设备处已经布置蓄水水箱时，将余下的蓄水水箱均匀布置。均匀布置蓄水水箱有利于对设备间内的温度控制更加均衡。
进一步的，在蓄水水箱已经布置完毕时，在剩余的矩形空间内布置隔热保温板，并使设备间形成一个相对密封的状态。最终形成一个密封空间的设备间，通过并依赖蓄水水箱的对内吸热及对外放热操作，实现全天均衡可控的温度控制。
采用本方案后，对比现有技术，具有以下有益好处：
本方案使用外表面经过反辐射油漆或膜涂装处理的蓄水水箱作为建筑围护体系中的墙面、屋面及底面的中间层，既是建筑围护结构中的重要组成部分，起到阻隔外部不良环境的作用，同时，也是一种集成于围护结构中的被动式冷却系统，利用昼夜温差、表面材料单向辐射散热和水有较大比热容的特点，实现夜间蓄冷，白天用冷却水吸收室内热量，达到控制室内温度的效果，从而保证其内部的仪表及设备持续稳定地工作，并可以做到无需能源支持、无需人工值守，故特别适合自然条件恶劣，包括偏远或荒漠地区的使用；
本方案通过具有蓄水水箱的被动式冷却建筑维护结构，形成一个相对密封空间的设备间，无需传统方式的通风孔结构，即使在极端情况下，风沙或其他杂质也不容易进入设备间内部，即便在缺少人工维护的情况下，也大大提供了设备间的工作稳定性；
本方案提供了一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，通过对环境及设备的具体条件及要求，从而精准计算出包括蓄水水箱的尺寸要求及围护的方式，为具体搭建设备间提供科学规范的技术支持，并为实际的应用提供便于实施的、规范的应用方式，从而能够确保实现对设备间的全天均衡可控的温度控制。
附图说明
图1为优选实施例围护结构的示意图。
图2为优选实施例围护结构的分解示意图。
图3为优势实施例冷却水箱的结构示意图。
图4为优选实施例围护结构的设计方法应用示意图。
具体实施方式
本发明的初衷是提供一种适用于纬度较低，日照辐射强烈，白天地表温度较高，夜间温度较低的地区；空气环境较恶劣，通风散热不利的地区：如沿海地区，风湿度大，盐碱性强；沙漠戈壁地区，风含沙量大的地区，进行如石油天然气管道、发电站、野外科研站、气象观测站和通信基站等这样野外的设备间，并为其提供一种相对密封的，无人值守的，能够进行温度稳定控制的设备间的解决方案。
参考图1图2图3，一种被动式冷却建筑围护结构，包括箱房式结构的主框架1和连接主框架之间的连接杆11，所述主框架1和连接杆11之间形成多个水平或垂直的矩形空间，这些矩形空间用来嵌入放置蓄水水箱2；
蓄水水箱2内部注满有水，水是热的不良导体，蓄满水的蓄水水箱2，可作为炎热时段良好的建筑绝热层，蓄水水箱2内表面使用高热导材料，且水的比热容较大，一定体积的冷却水在一定温度区间范围内可吸收大量热量，作为一种优选，在注入的水中加入一定如乙醇的抗冻剂，能够在一定的低温下，防止内部的水结冰，也防止因结冰而破坏蓄水水箱2的箱体，从而可以减少维护成本；
蓄水水箱2的侧壁设有凹槽21，能够使连接杆11完全置入在两个相邻蓄水水箱2凹槽21的内部，从而可以提高围护结构的隔热效果，并减少因连接杆11产生的传热效果，并使整体的结构更加贴合和稳固，在蓄水水箱2的外侧面设有弧形凸条22，用于提高接触面积，并提高蓄水水箱2的结构强度。
为了更好实现隔温散热效果，在蓄水水箱2的外侧面贴敷有辐射制冷膜或涂刷有反射隔热涂料，辐射制冷膜为优质憎水材料，具有疏水、疏油、防污、不吸沙砾灰尘的特性，通过超材料设计，具备高红外辐射率和高太阳光反射率，利用红外辐射大气窗口，可将接触物体热量以红外电磁波的方式传递至外太空冷源，辐射过程大气无干涉无吸收，且无需消耗额外能源，制冷效果优异，蓄水水箱2的外侧面贴覆辐射制冷膜后，通过被动式冷却技术，可将电力通讯及控制设备运行时产生的大量热量朝外散热，而热反射隔热涂料，是以热辐射反射为主要技术手段，以红外发射（亦可称“散热”）为辅助手段达隔热效果的功能性涂料，起到使被涂物增加抑制温度升降幅度的作用。
一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法：
依据目标地白天平均温度值、白天最高温度值和对应的夜间平均温度值，并依据设备的平均发热功率值，计算获取空气热容量值；
依据冷媒（在本实施例中采用的是水，或者说是添加了一定抗冻剂或稳定剂的水）的比热容、设备间内部温度最高控制值和所述空气热容量值，计算获取冷媒体积值；
依据所述冷媒体积值和设备间的尺寸值，确定蓄水水箱2的外表面面积值；
依据所述蓄水水箱2的外壁面面积值确定围护结构。
同时，在确定围护结构步骤时，优选将蓄水水箱2布置在设备间的侧壁和顶部，并尽可能靠近发热设备处，以提高和发热设备的接触效能，并提高蓄水水箱的热交换能力；
在蓄水水箱2布置时，在靠近发热设备处已经布置蓄水水箱2时，将余下的蓄水水箱2均匀布置，均匀布置蓄水水箱2有利于对设备间内的温度控制更加均衡；
在蓄水水箱2已经布置完毕时，在剩余的矩形空间内布置隔热保温板12，并使设备间形成一个相对密封的状态，从而最终形成一个密封空间的设备间，通过并依赖蓄水水箱2的对内吸热及对外放热操作，实现全天均衡可控的温度控制。
具体的说：针对于不同区域、不同功能类型的建筑，在进行围护结构设计时，需考虑地理位置、昼夜温度及温差、室内散热量、室内净尺寸要求、室内设备位置等，并通过理论方法计算，确定围护体系的厚度及围护体系中具有冷媒（水箱）部分的外表面面积，具体如下：
白天模式下：
Q冷（冷媒蓄冷量）+Q空（空气热容量）≥ Q设（室内设备散热量）+Q得（围护结构得热量）
Q冷=hSpw（Tc-TL）Cwα
（符号标注：h——围护体系厚度；S——围护体系中具有冷媒的外表面面积；Tc——室内控制温度；TL——室外夜间平均最低温度；Cw——冷媒/水的比热容；pw——冷媒/水的密度；α——换热系数，一般取0.5）
Q空=VIpaCa（Tc-TL）
（符号标注：VI——室内空间体积；Ca——空气的比热容；pa——常温常压条件下空气的密度）
Q设= Pt + coshSηItd
（符号标注：P——设备工作时平均发热功率；td——白天设备工作时间，一般按12小时计算）
Q得= coshSηItd
（符号标注：h——当地的太阳高度角；η——反射面层光照得热效率；I——光照强度）
夜间模式下：
Q散（围护结构散热量）≥Q冷（冷媒降温蓄冷量）+Q空气（空气降温热容量）+ Q热（设备散热量）
Q散=PwS（24-td）
（符号标注：Pw——围护结构单位面积散热功率）
具体举例说明：某地处北纬10°，夏季白天平均温度达到43℃，最高温度达到48℃，夜间平均温度为25摄氏度；需要新建一个5m×5m×3m的通讯设备间，内部设备的正常工作温度0℃～40℃，设备的平均发热功率是500w
总热量= Q设（室内设备散热量）+Q得（围护结构得热量）
=2.16×104KJ+1200KJ=2.28×104KJ
空气热容量=75m³×19.35KJ/m³=1451KJ
故围护系统中具有冷媒的体积≥（2.28×104KJ-1451KJ）/（4.2KJ/℃.KG×7℃×0.5）=1.45t
假设墙体厚度选用100mm厚，则散热面积需≥2.42×104KJ/（12h×250KJ/㎡.h）=8.07㎡；故冷媒体积需≥0.8m³
综上所述，在围护结构中设置厚度为0.1m，面积约为15㎡的蓄水水箱2，即可保证在该地区炎热时段建筑内部温度不高于40℃的要求。
参考图4，依循蓄水水箱2最少的外表面量后，在设备间内部靠近工作发热设备的处的顶面、底面及侧壁均布置了蓄水水箱2，同时在相对远离发热设备处，均匀间隔的布置蓄水水箱2，在空白处，布置隔热保温板12，隔热保温板12具有类似于蓄水水箱2的结构，也能够和连接杆11配合，从而使设备间形成一个相对密封的空间。
综上所述，本方案采用蓄水水箱2这一被动式冷却模块作为设备间的围护结构，将建筑围护与制冷功能合二为一，集成化程度更高，系统更加简单高效；
围护结构中蓄水水箱2外表面使用反辐射油漆或膜涂装处理，通过断桥处理后，水箱即为可单向向外散热的隔热层，故使用蓄冷水箱2处无需填充其他隔热材料，减少了隔热材料的使用量，降低了建筑成本；
传统外挂或顶置式的制冷设备，增加了建筑结构设计中的竖向荷载；而被动式冷却围护体系中，水箱分布在顶面、侧面及底面，将原本上部承载力要求转移到下部竖向或水平受力主构件上，同时沿侧面布置的竖向冷却水箱围护构件，可提供部分承重和抗侧力的结构功能，极大地减少了竖向结构件的用量，降低了建筑材料成本；
使用建筑围护结构被动式冷却，在达到建筑内部控温要求的同时，几乎不消耗能源，相较于传统的制冷方式，更节能减排，对周边环境几乎没有影响。
Claims (9)
1.一种被动式冷却建筑围护结构，其特征在于：包括箱房式结构的主框架和连接主框架之间的连接杆，所述主框架和连接杆之间形成多个矩形空间，所述矩形空间被配置用于容纳蓄水水箱，所述蓄水水箱的内表面采用高导热材料，所述蓄水水箱、连接杆和主框架构成一个相对密封的厢房式空间，所述厢房式空间内部被配置用于放置仪表设备。
2.根据权利要求1所述的一种被动式冷却建筑围护结构，其特征在于：所述蓄水水箱的侧壁设有凹槽，所述连接杆被完全置入在两个相邻蓄水水箱凹槽的内部。
3.根据权利要求2所述的一种被动式冷却建筑围护结构，其特征在于：所述蓄水水箱的外侧面设有弧形凸条。
4.根据权利要求1所述的一种被动式冷却建筑围护结构，其特征在于：所述蓄热水箱的外缘载附有辐射制冷膜或反射隔热涂料。
5.根据权利要求1所述的一种被动式冷却建筑围护结构，其特征在于：所述蓄水水箱中的水中添加有抗冻剂。
6.一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，其特征在于：
依据目标地白天平均温度值、白天最高温度值和对应的夜间平均温度值，并依据设备的平均发热功率值，计算获取空气热容量值；
依据冷媒的比热容、设备间内部温度最高控制值和所述空气热容量值，计算获取冷媒体积值；
依据所述冷媒体积值和设备间的尺寸值，确定蓄水水箱的外表面面积值；
依据所述蓄水水箱的外壁面面积值确定围护结构。
7.根据权利要求6所述的一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，其特征在于：在确定围护结构步骤时，优选将蓄水水箱布置在设备间的侧壁和顶部，并尽可能靠近发热设备处。
8.根据权利要求6所述的一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，其特征在于：在蓄水水箱布置时，在靠近发热设备处已经布置蓄水水箱时，将余下的蓄水水箱均匀布置。
9.根据权利要求8所述的一种被动式冷却建筑围护结构的设计方法，其特征在于：在蓄水水箱已经布置完毕时，在剩余的矩形空间内布置隔热保温板，并使设备间形成一个相对密封的状态。
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