CN113062512A - 玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统及方法，属于建筑节能领域。包括玻璃水幕墙、相变储能墙体，玻璃水幕墙与相变储能墙体之间通过循环水管道连接；还包括用于控制循环水管道的控制单元。玻璃水幕墙第一腔体内部充满乙二醇水溶液，二腔体内部填充惰性气体，采用了水层集热+气层隔热特殊结构，实现了吸热与隔热的一体化。相变储能层包括3种相变材料，3种相变材料的相变温度分别为15℃、26℃以及30℃，多个温度段相变材料能满足不同季节白天、夜间的温度调节需求。本发明在解决传统玻璃幕墙以及传统建筑墙体高能耗问题的同时，又实现了对太阳能全季节全天候的合理分配与利用，大大降低了空调与采暖系统的能耗。

Description

玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑节能领域，具体而言，涉及一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统及方法。

背景技术

根据IEA统计，2018年我国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨，占全国碳排放总量的51.3%。其中，建筑运行阶段碳排放量达21.1亿吨，占全国碳排放总量的21.9%。建筑能耗占全国能源消费比重超过21.7%，其中，用于建筑制冷和采暖的能耗占建筑总能耗的70%以上。建筑节能是实现碳达峰与碳中和目标的关键领域。

玻璃幕墙在现代建筑，特别是高层办公建筑中占有主导地位。但是长期以来传统玻璃幕墙保温与隔热性能差，导致玻璃幕墙建筑的空调制冷与采暖能耗居高不下。专利CN202627270U公开了一种水幕太阳能呼吸式幕墙系统，系统主要包括玻璃水幕与太阳能呼吸式幕墙单元，通过在玻璃上形成水膜来降低室内温度，在一定程度上降低了建筑能耗，但并没有从根本上解决全面年周期内太阳能在玻璃幕墙建筑中国的合理分配问题，尤其是在冬季，系统对采暖几乎没有贡献，并且夜间玻璃幕墙的能耗非常高。此外，水膜幕墙容易形成水滴影响幕墙的视觉与采光效果。

室内温度的波动情况直接影响室内热环境舒适度，过大的温度波动也会增加空调系统的开机频率，增加空调能耗。相变材料是指随着温度变化，自身通过可逆的物相变化过程来提供潜热的物质。相变储能材料的工作原理是当环境温度高于相变温度时，储存热量；当环境温度低于相变温度时，释放热量。由于相变储能材料能够将多余的能量储能起来，以便在热量供应不足之时释放，因此相变储能材料是一种提高能源利用效率降低能耗的新型节能环保材料。目前，将相变储能材料应用到建筑中已成为国内外相关学者关注和研究的热点。但由于相变材料的被动式工作特点，仅作为室内建材在建筑中应用实际效果并不理想。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统及方法。

本发明通过将主动式热源与相变材料配合，能够最大程度的发挥相变材料在建筑调温中的蓄热、调温作用，解决玻璃幕墙建筑高能耗与室内温度波动大的问题，实现太阳能在全天以及全年内的利用和分配，降低建筑在全年周期内的制冷与采暖能耗。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，包括玻璃水幕墙、相变储能墙体，玻璃水幕墙与相变储能墙体之间通过循环水管道连接；还包括用于控制循环水管道的控制单元。

其进一步是：所述玻璃水幕墙包括依次平行相对布置的第一钢化玻璃板、第二钢化玻璃板、第三low-E玻璃板，第一钢化玻璃板、第二钢化玻璃板、第三low-E玻璃板的周边通过附属支撑结构封堵固定；所述第一钢化玻璃板、第二钢化玻璃板之间形成第一腔体，第一腔体上下侧分别对应设置有进水口与出水口；所述第二钢化玻璃板、第三low-E玻璃板之间形成密闭的第二腔体。

所述第一钢化玻璃板外表面有钛氧化物低反射率镀膜，反射比＜0.08，第一钢化玻璃板内表面覆盖有氧化钨与氧化铯纳米涂层，涂层厚度＜100nm。

所述第一腔体内部充满乙二醇水溶液，溶液溶度为5%~50%。

所述第二腔体内部填充惰性气体。

所述惰性气体为氩气。

所述相变储能墙体包括依次平行相对紧贴布置的外墙、保温层、相变储能层，在保温层、相变储能层之间埋设有毛细换热管网层。

所述相变储能层包括3种相变材料，3种相变材料的相变温度分别为15℃、26℃以及30℃，3种相变材料的相变潜热均大于212kJ/kg，导热系数均大于5.5W/(m·K)；

所述玻璃水幕墙中的进水口、出水口端分别连接有分水器、集水器；所述相变储能墙体中的毛细换热管网层进、出水口端也分别连接有分水器、集水器；所述循环水管道连接分水器、集水器，循环水管道中安装有水泵；

同一楼层中的多个所述相变储能墙体的毛细换热管网层之间串联，不同楼层中的相变储能墙体的毛细换热管网层之间并联；

同一楼层中的多个所述玻璃水幕墙之间串联，不同楼层中的玻璃水幕墙之间并联。

一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能方法，控制单元根据外界气候、温度条件对循环水管道的运行进行适时调节；

包括如下步骤：

a、夏季夜间，循环水管道开启，相变储能层积累的多余热量通过毛细换热管网换热输送到玻璃水幕墙的第一腔体中，玻璃水幕墙与外界进行对流换热，室内热量被排至室外，室内温度降低，相变储能层内相变材料发生相变，结晶凝固；

夏季日间，循环水管道关闭，玻璃水幕墙依靠第一腔体水层与第二腔体气体层对太阳辐射进行吸收和阻隔，相变储能墙体内的相变材料熔化吸热，削弱室内尖峰温度；

b、冬季日间，循环水管道开启，玻璃水幕墙的第一腔体水层吸收太阳辐射热能输送至相变储能墙体，室内温度升高，相变储能层内相变材料发生相变储存热量，熔化吸热；

冬季晚上，循环水管道关闭，随着室内温度的降低，相变储能层内相变材料发生相变，凝固放热，储存在相变储能墙体中的潜热向室内散热，维持室内温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、玻璃水幕墙采用了水层集热+气层隔热特殊结构，实现了吸热与隔热的一体化，提高了组件的集成度与节能效率；前侧的钢化玻璃板设置涂层，降低了因玻璃反射而造成的热量损失，同时降低了幕墙的光污染，提高对太阳能的吸热效率；后侧的第二腔体内填充惰性气体，降低了夏季太阳辐射对室内温度的影响；

2、相变储能墙体设置了至少3种相变材料，多个温度段相变材料能满足白天、夜间以及夏季、冬季等全天候全年度内相变墙体对室内温度的调节作用；

3、带有集热层和隔热层的玻璃水幕墙与相变储能墙体串联耦合，将玻璃水幕墙吸收的太阳热能传递给相变储能墙体进行储存，或者将相变储能墙体吸收的室内多余热量传递给玻璃水幕墙进行散热；本发明从室内环境的热舒适度出发，在解决传统玻璃幕墙以及传统建筑墙体高能耗问题的同时，又实现了对太阳能全季节全天候的合理分配与利用，大大降低了空调与采暖系统的能耗。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明玻璃水幕墙结构示意图；

图3为本发明相变储能墙体结构示意图；

图中：1、玻璃水幕墙；11、第一钢化玻璃板；12、第二钢化玻璃板；13、第三low-E玻璃板；14、第一腔体；15、第二腔体；16、附属支撑结构；17、进水口；18、出水口；2、相变储能墙体；21、外墙；22、保温层；23、相变储能层；24、毛细换热管网层；3、控制单元；4、循环水管道；5、水泵；6、分水器；7、集水器。

具体实施方式

下面将参照附图与实例对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

结合图1至图3所示，一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，主要包括玻璃水幕墙1、相变储能墙体2、循环水管道4、分水器6、集水器7和控制单元3。循环水管道4用于将玻璃水幕墙1、相变储能墙体2串联耦合。控制单元3用于控制循环水管道4进而控制整个系统的运行，根据外界气候、温度条件对系统的运行模式进行适时调节。

结合图2所示，第一钢化玻璃板11、第二钢化玻璃板12、第三low-E玻璃板13依次布置，三者之间平行相对。附属支撑结构16密封固定第一钢化玻璃板11、第二钢化玻璃板12、第三low-E玻璃板13的周边，依此，第一钢化玻璃板11、第二钢化玻璃板12之间形成第一腔体14，第二钢化玻璃板12、第三low-E玻璃板13之间形成密闭的第二腔体15。第一腔体14上侧设置，进水口18下侧设置出水口17。由于动力循环用的水泵5给第一腔体14内液体施加有压力，所以第一钢化玻璃板11、第二钢化玻璃板12均采用钢化玻璃可以提高第一腔体的结构强度，有效防止承压破裂。

第一钢化玻璃板11外表面有钛氧化物低反射率镀膜，反射比＜0.08，低反射比镀膜大大降低了因玻璃反射而造成的热量损失，同时降低了幕墙的光污染。第一钢化玻璃板11内表面覆盖有氧化钨与氧化铯纳米涂层，涂层厚度＜100nm，氧化钨与氧化铯纳米涂层可以使第一腔体对太阳能的吸热效率提高160%，涂层厚度＜100nm保证了幕墙的透明度与采光效果。第一腔体14内部充满乙二醇水溶液，溶液溶度为5%~50%。第二腔体15内部填充惰性气体。本实施例优选填充氩气，传热系数U＜1.0W/(m2·k)，大大降低了夏季太阳辐射对室内温度的影响。

结合图3所示，外墙21作为墙体主体，采用混凝土或砌砖结构。外墙21内侧紧贴设置保温层22，保温层22内侧紧贴设置相变储能层23，毛细换热管网层24预埋在保温层22、相变储能层23之间。保温层22用于阻碍夏季外界热量通过墙体向室内传递以及冬季室内热量通过墙体向外流失。

相变储能层23至少包括3种相变材料，3种相变材料的相变温度分别为15℃、26℃以及30℃。多个温度段相变材料的设置目的是满足白天、夜间以及夏季、冬季等全天候全年度内相变墙体对室内温度的调节作用。以上相变储能层23的相变潜热＞212kJ/kg，导热系数＞5.5W/(m·K)。本实施例中，相变储能层2由含相变微胶囊的砂浆层构成，砂浆导热系数＞1.0W/(m·K)，砂浆层厚度＞2cm，每平米相变材料含量＞3.5kg。高导热性能可以提高相变储能墙体的热响应速度，对室内温度变化做出快速调节。本实施例中相变墙体相变储能层的储热量可达1000kJ/m2，平均吸放热功率为25W/m2，可以替代60%~80%的空调负荷。

再结合图1所示，玻璃水幕墙1中的进水口18、出水口17端分别连接分水器6、集水器7；相变储能墙体2中的毛细换热管网层24进、出水口端也分别连接有分水器6、集水器7。循环水管道4连接分水器6、集水器7，在循环水管道4中安装有水泵5。循环水管道采用PB（聚丁烯）材质，PB树脂是一种由丁烯-1合成的高分子惰性聚合物，温度适用范围是-30℃~100℃，具有耐寒、耐热、耐压、不生锈、不腐蚀、不结垢、寿命长（可达100年），且有能长期耐老化的特点，适合用于本系统的循环管路。

同一楼层中的多个相变储能墙体2的毛细换热管网层24之间串联，不同楼层中的相变储能墙体2的毛细换热管网层24之间并联。同一楼层中的多个玻璃水幕墙1之间串联，不同楼层中的玻璃水幕墙1之间并联。同一楼层的相变储能墙体2或玻璃水幕墙1采用串联模式，目的是提高热能在相变单元中的储存效率以及循环介质的温度品位；不同楼层的相变储能墙体2或玻璃水幕墙1采用并联模式，有利于维持水力平衡以及提高系统的充放热功率。

本实施例系统通过循环管路将玻璃幕墙与结构墙体耦合在一下，动态调控建筑内的热量分配，维持室内适宜温度。在解决传统玻璃幕墙高能耗问题的基础上，实现了对太阳能的合理分配与利用，进一步提高了建筑的保温、隔热、蓄热以及散热能力，降低了建筑的制冷与采暖能耗，系统的运行能耗仅来自循环水泵，动力结构简单稳定，效率高。可以与空调等主动系统结合，满足高层幕墙建筑整体在年、季、天、时等不同时间尺度上对冷热负荷的不同需求。相对于单纯的中央空调系统，本发明每年可节约20kWh/m2，技术经济效益显著，并且低碳环保。

实施例二

一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能方法，在上述实施例一的基础上，包括如下步骤：

a、夏季夜间，循环水管道4开启，相变储能层23在白天积累的多余热量通过毛细换热管网24换热输送到玻璃水幕墙1的第一腔体14中，玻璃水幕墙1与外界冷空气进行对流换热，室内热量被排至室外，室内温度降低，相变储能层23内相变材料发生相变，结晶凝固；

夏季日间，循环水管道4关闭，玻璃水幕墙1依靠第一腔体14水层与第二腔体15气体层对太阳辐射进行吸收和阻隔，相变储能墙体2内的相变材料熔化吸热，进一步削弱室内尖峰温度；

b、冬季日间，循环水管道4开启，玻璃水幕墙1的第一腔体14水层吸收太阳辐射热能输送至相变储能墙体2，室内温度升高，相变储能层23内相变材料发生相变储存热量，熔化吸热；

冬季晚上，循环水管道4关闭，随着室内温度的降低，相变储能层23内相变材料发生相变，凝固放热，储存在相变储能墙体2中的潜热向室内散热，维持室内基本温度。

实例1：

北京某写字楼，建筑面积40000m2，玻璃幕墙面积20000m2，采用传统玻璃幕墙设计，每年夏季制冷负荷120W/m2，采用中央空调制冷运行费用高达350万元，冬季燃气采暖运行费用140万元。

采用玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，玻璃幕墙采用玻璃水幕墙1，有效玻璃水幕墙1集热面积约为18000m2。第一钢化玻璃板11的外表面有反射比为0.05的钛氧化物镀膜，内表面覆盖有平均厚度为60nm的氧化钨/氧化铯复合纳米涂层。第一腔体14内部充满浓度为50%的乙二醇水溶液，凝固点为-33℃。第二腔体15内部填充纯度大于90%的氩气。

在写字楼的内围护结构采用相变储能墙体2，相变储能层23为含有3种相变微胶囊的砂浆，相变温度分别为15℃、26℃以及30℃，相变潜热分别为220kJ/kg、250kJ/kg、230kJ/kg，导热系数分别为5.8W/(m·K)、10W/(m·K)、6.5W/(m·K)；砂浆导热系数为1.2W/(m·K)，砂浆层厚度为2.5cm，每平米相变材料含量为4.2kg。

系统主要运行过程：

夏季夜间22:00，管路系统开启，室内相变储能层23在白天积累的多余热量通过毛细换热管网24换热输送到玻璃水幕墙1的第一腔体14中，玻璃水幕墙1与外界冷空气进行对流换热，室内热量被排至室外，室内温度在早上7:00降低至22℃，墙壁表面温度降至18℃。相变储能层23内15℃、26℃相变材料发生相变（结晶凝固）；

夏季日间，管路系统关闭，玻璃水幕墙1依靠第一腔体水层与第二腔体气体层对太阳辐射进行吸收和阻隔，相变储能墙体2内的15℃、26℃相变材料熔化吸热，室内在不开启空调的情况下，室内最高温度为28℃，出现在下午3:25。

冬季日间9:00，管路系统开启，玻璃幕墙墙1第一腔体水层吸收太阳辐射热能，温度随时间逐步上升，最高温度可到80℃，这部分热能被输送至相变墙体2，相变储能层内15℃、26℃以及30℃三种相变材料均发生相变储存热量（熔化吸热），室内温度逐步升高，平均温度达到19℃，墙壁表面平均温度达到23℃；

冬季晚上，管路系统关闭，随着室内温度降低，相变储能层23内15℃、26℃以及30℃三种相变材料发生相变（凝固放热），储存在相变储能墙体2中的潜热向室内散热，墙壁表面平均温度为20℃，室内最低温度为14℃。

经过对该节能系统全年模拟计算，系统充分利用夜间外界自然冷源以及白天充足太阳能，该写字楼全年可节约电量折合420万千瓦时，节约制冷与采暖运行费用300万。

Claims (10)

1.一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：包括玻璃水幕墙（1）、相变储能墙体（2），玻璃水幕墙（1）与相变储能墙体（2）之间通过循环水管道（4）连接；还包括用于控制循环水管道（4）的控制单元（3）。

2.根据权利要求1所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述玻璃水幕墙（1）包括依次平行相对布置的第一钢化玻璃板（11）、第二钢化玻璃板（12）、第三low-E玻璃板（13），第一钢化玻璃板（11）、第二钢化玻璃板（12）、第三low-E玻璃板（13）的周边通过附属支撑结构（16）封堵固定；所述第一钢化玻璃板（11）、第二钢化玻璃板（12）之间形成第一腔体（14），第一腔体（14）上下侧分别对应设置有进水口（18）与出水口（17）；所述第二钢化玻璃板（12）、第三low-E玻璃板（13）之间形成密闭的第二腔体（15）。

3.根据权利要求2所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述第一钢化玻璃板（11）外表面有钛氧化物低反射率镀膜，反射比＜0.08，第一钢化玻璃板（11）内表面覆盖有氧化钨与氧化铯纳米涂层，涂层厚度＜100nm。

4.根据权利要求2所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述第一腔体（14）内部充满乙二醇水溶液，溶液溶度为5%~50%。

5.根据权利要求2所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述第二腔体（15）内部填充惰性气体。

6.根据权利要求5所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述惰性气体为氩气。

7.根据权利要求2所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述相变储能墙体（2）包括依次平行相对紧贴布置的外墙（21）、保温层（22）、相变储能层（23），在保温层（22）、相变储能层（23）之间埋设有毛细换热管网层（24）。

8.根据权利要求7所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：相变储能层（23）包括3种相变材料，3种相变材料的相变温度分别为15℃、26℃以及30℃，3种相变材料的相变潜热均大于212kJ/kg，导热系数均大于5.5W/(m·K)；。

9.根据权利要求7所述的玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，其特征在于：所述玻璃水幕墙（1）中的进水口（17）、出水口（18）端分别连接有分水器（6）、集水器（7）；所述相变储能墙体（2）中的毛细换热管网层（24）进、出水口端也分别连接有分水器（6）、集水器（7）；所述循环水管道（4）连接分水器（6）、集水器（7），循环水管道（4）中安装有水泵（5）；

同一楼层中的多个所述相变储能墙体（2）的毛细换热管网层（24）之间串联，不同楼层中的相变储能墙体（2）的毛细换热管网层（24）之间并联；

同一楼层中的多个所述玻璃水幕墙（1）之间串联，不同楼层中的玻璃水幕墙（1）之间并联。

10.一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能方法，采用权利要求7至9中任一一种玻璃水幕墙与相变储能墙体耦合节能系统，控制单元（3）根据外界气候、温度条件对循环水管道（4）的运行进行适时调节；

包括如下步骤：

a、夏季夜间，循环水管道（4）开启，相变储能层（23）积累的多余热量通过毛细换热管网（24）换热输送到玻璃水幕墙（1）的第一腔体（14）中，玻璃水幕墙（1）与外界进行对流换热，室内热量被排至室外，室内温度降低，相变储能层（23）内相变材料发生相变，结晶凝固；

夏季日间，循环水管道（4）关闭，玻璃水幕墙（1）依靠第一腔体（14）水层与第二腔体（15）气体层对太阳辐射进行吸收和阻隔，相变储能墙体（2）内的相变材料熔化吸热，削弱室内尖峰温度；

b、冬季日间，循环水管道（4）开启，玻璃水幕墙（1）的第一腔体（14）水层吸收太阳辐射热能输送至相变储能墙体（2），室内温度升高，相变储能层（23）内相变材料发生相变储存热量，熔化吸热；

冬季晚上，循环水管道（4）关闭，随着室内温度的降低，相变储能层（23）内相变材料发生相变，凝固放热，储存在相变储能墙体（2）中的潜热向室内散热，维持室内温度。

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