CN113137769B - 基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变沸点双向热管的聚光‑相变蓄热型建筑围护结构，包括玻璃幕墙、聚光集热器、变沸点双向热管、复合相变材料、生活热水管、绝热层及通风腔体；所述玻璃幕墙与绝热层连接；所述变沸点双向热管依次穿过聚光集热器和复合相变材料；所述生活热水管包裹着变沸点双向热管；所述复合相变材料同时连接聚光集热器和绝热层外侧；所述绝热层内侧与墙体外侧连接，所述通风腔体贯穿墙体和绝热层。采用本发明提出的基于变沸点双向热管的聚光‑相变蓄热型建筑围护结构，可根据室内热湿环境和空气品质需求调控储热和释热量，实现主动式零能耗通风模式，同时增大储能密度和传热速率，满足大时间跨度通风、供热需求，提升光热能热利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑能源技术领域，特别涉及一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构。
背景技术
太阳能通风墙通过吸收太阳辐射将热能转化为动能，既强化了自然通风热压和风量，又减少风机等动力设备，成为一种备受关注的建筑节能技术。然而太阳能具有分散性、不稳定性和不连续性的特点，使得太阳能通风墙存在以下突出问题：不稳定的太阳能供应与稳定的室内热湿环境需求之间存在供需差异，使其应用场景受到限制；由于太阳能的季节性和昼夜性，经常导致空气通道和室内热压差不足，自然通风时长受限；单靠太阳能通风墙吸收和存储的辐射太阳能，温度低，热量小，通风量有限，以至于整体太阳能综合利用率较低。因此传统的被动式太阳能通风墙的通风量和强度完全受制于外界环境条件，主动性和自适应性差，因此有必要予以改进。
为了进一步提升太阳能通风墙性能，扩大太阳能通风墙应用范围，已经开发出了相变太阳能通风墙，光伏太阳能通风墙，相变太阳能通风墙联合太阳能集热器等新的结构。然而，这些研究分别采用了真空管和板式太阳能集热器，集热温度及集热效率有限。此外，由于相变储能墙体相变温度较低，在非稳态太阳辐射条件下适应性一般，太阳能综合利用率较低。因此，有必要引入新的技术和方法，改变建筑墙体被动式低品位太阳能利用方式。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，包括玻璃幕墙、聚光集热器、变沸点双向热管、复合相变材料、生活热水管、绝热层、墙体、通风腔体、室内、外窗、室外上风阀、室外下风阀、室内上风阀及室内下风阀；所述玻璃幕墙与绝热层连接；所述变沸点双向热管的外侧从聚光集热器穿过，内侧从复合相变材料穿过；所述生活热水管包裹着变沸点双向热管的内侧；所述复合相变材料外侧与聚光集热器内侧连接，内侧与绝热层外侧连接；所述绝热层内侧与墙体外侧连接；所述室外上风阀和室外下风阀分别位于玻璃幕墙的上角和下角；所述室内上风阀和室内下风阀分别位于墙体的上侧和下侧；所述通风腔体贯穿墙体和绝热层的上侧和下侧，连接室内与玻璃幕墙内侧。
作为优选，所述聚光集热器为槽式聚光集热器，聚光模式为线性聚光。
作为优选，所述变沸点双向热管介质为两种具有不同蒸发温度的混合介质，能够在太阳能聚光和PCM双热源不同温度区间下分别工作，在蓄热阶段高沸点工质将热量带到相变材料一短进行热存储，而放热阶段，低沸点工质将能量由蓄热体带出到空气通道，进而实现长时间供热。
作为优选，所述生活热水管套在变沸点双向热管外层，能够避免夏季墙体过热，带走热管的多余热量，用于生活热水。
作为优选，所述复合相变材料的相变温度在40-80℃之间，能够在白天储存热量，晚上作为热源供热。
作为优选，所述蓄热型建筑围护结构还包括用于控制所述外窗、所述室外上风阀、所述室外下风阀、所述室内上风阀和所述室内下风阀的窗阀控制系统。
作为优选，所述室外上风阀和所述室外下风阀关闭，所述室内上风阀和所述室内下风阀打开，所述外窗关闭；所述通风腔体内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过所述室内上风阀流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从所述室内下风阀流出，进入所述通风腔体，形成空气循环；所述变沸点双向热管外侧作为蒸发端从所述聚光集热器吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管内侧冷凝端放热，其中一部分热量被所述生活热水管带走用于生活热水，另一部分热量为所述复合相变材料加热，所述复合相变材料完成蓄热过程，所述变沸点双向热管高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
作为优选，所述室外上风阀和所述室外下风阀关闭，所述室内上风阀和所述室内下风阀打开，所述外窗关闭；所述复合相变材料充当热源，所述变沸点双向热管内侧作为蒸发端从所述复合相变材料吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管外侧冷凝端放热，所述通风腔体内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过所述室内上风阀流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从所述室内下风阀流出，进入所述通风腔体，形成空气循环。
作为优选，所述室外下风阀和所述室内上风阀关闭，所述室外上风阀和所述室内下风阀打开，所述外窗打开；所述通风腔体内空气被加热温度升高，加大室内外热压差，强化空气自然对流，室外空气经过所述外窗进入室内，带走室内余热余湿后经所述室内下风阀流出，进入所述通风腔体，最终由所述室外上风阀排出；所述变沸点双向热管外侧作为蒸发端从聚光集热器吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管内侧冷凝端放热，其中一部分热量被所述生活热水管带走用于生活热水，另一部分热量为所述复合相变材料加热，所述复合相变材料完成蓄热过程，所述变沸点双向热管高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
作为优选，所述室外下风阀和所述室内上风阀关闭，所述室外上风阀和所述室内下风阀打开，所述外窗打开；所述复合相变材料充当热源，所述变沸点双向热管内侧作为蒸发端从所述复合相变材料吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管外侧冷凝端放热，所述通风腔体内空气被加热温度升高，热压差被加大，强化空气自然对流，室外空气经过所述外窗进入室内，带走室内余热余湿后经所述室内下风阀流出，进入所述通风腔体，最终从所述室外上风阀排出。
采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：
1、本发明公开的一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，能够提高光热能转换温度和储能密度，进而加大空气通道与室内之间压差，增大室内气流组织流动和均匀分布的动力。
2、本发明公开的一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，增大储能密度和传热速率，满足大时间跨度通风、供热需求，提升光热能热利用效率。
3、本发明公开的一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，蒸发端和冷凝端根据室内需求互换，变被动为主动式，实现无动力强化通风、供热模式。
4、本发明公开的一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，将生活热水管、变沸点双向热管和复合相变材料设计成三介质换热储能装置，三介质换热储能装置可提供生活热水，避免墙体过热。
5、本发明公开的一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，可基于室内热湿环境和空气品质需求调控储热和释热量，满足全年全工况通风和供热需求，实现主动式零能耗通风模式。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖面示意图；
图3是本发明第一工作状态的示意图；
图4是本发明第二工作状态的示意图；
图5是本发明第三工作状态的示意图；
图6是本发明第四工作状态的示意图。
图中：1-玻璃幕墙；2-聚光集热器；3-变沸点双向热管；4-复合相变材料；5-生活热水管；6-绝热层；7-墙体；8-通风腔体；9-室内；10-外窗；11-室外上风阀；12-室外下风阀；13-室内上风阀；14-室内下风阀。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
见图1和图2所示：基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构实施例包括玻璃幕墙1，聚光集热器2，变沸点双向热管3，复合相变材料4，生活热水管5，绝热层6，墙体7，通风腔体8，室内9，外窗10，室外上风阀11，室外下风阀12，室内上风阀13及室内下风阀14。玻璃幕墙1与绝热层6连接；变沸点双向热管3的外侧从聚光集热器2穿过，内侧从复合相变材料4穿过；生活热水管5包裹着变沸点双向热管3的内侧；复合相变材料4外侧与聚光集热器2内侧连接，内侧与绝热层6外侧连接；绝热层6内侧与墙体7外侧连接；室外上风阀11和室外下风阀12分别位于玻璃幕墙1的上角和下角；室内上风阀13和室内下风阀14分别位于墙体7的上侧和下侧。通风腔体8贯穿墙体7和绝热层6的上侧和下侧，连接室内9与玻璃幕墙1内侧。
聚光集热器2为槽式聚光集热器，聚光模式为线性聚光。
变沸点双向热管3介质为两种具有不同蒸发温度的混合介质，能够在太阳能聚光和PCM双热源不同温度区间下分别工作，在蓄热阶段高沸点工质将热量带到相变材料一短进行热存储，而放热阶段，低沸点工质将能量由蓄热体带出到空气通道，进而实现长时间供热。
生活热水管5套在变沸点双向热管3外层，能够带走热管的多余热量，用于生活热水。
复合相变材料4的相变温度在40-80℃之间，能够在白天储存热量，晚上作为热源供热。
复合相变材料4的载体为金属泡沫或者硅藻土。
蓄热型建筑围护结构还包括用于控制外窗10、室外上风阀11、室外下风阀12、室内上风阀13和室内下风阀14的窗阀控制系统。窗阀控制系统根据室内外的温度差控制外窗10、室外上风阀11、室外下风阀12、室内上风阀13和室内下风阀14的开合情况，用户也可依据需求人为选择工作模式。
见图3所示：基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构的第一工作状态，例如：在冬季白天，加热通风腔体8和聚光集热器2可同时接收太阳辐射。此时，室外上风阀11和室外下风阀12关闭，室内上风阀13和室内下风阀14打开，外窗10关闭。
本工作状态的工作过程描述如下：通风腔体8内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过室内上风阀13流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从室内下风阀14流出，进入通风腔体8，形成空气循环。变沸点双向热管3外侧作为蒸发端从聚光集热器2吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管3内侧冷凝端放热，一部分热量被生活热水管5带走用于生活热水，另一部分热量为复合相变材料4加热，复合相变材料4完成蓄热过程，变沸点双向热管3高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
见图4所示：基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构的第一工作状态，例如：在冬季夜间，加热通风腔体8和聚光集热器2不能接收太阳辐射。此时，室外上风阀11和室外下风阀12关闭，室内上风阀13和室内下风阀14打开，外窗10关闭。
本工作状态的工作过程描述如下：复合相变材料4充当热源，变沸点双向热管3内侧作为蒸发端从复合相变材料4吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管3外侧冷凝端放热，通风腔体8内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过室内上风阀13流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从室内下风阀14流出，进入通风腔体8，形成空气循环。
见图5所示：基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构的第一工作状态，例如：在夏季和过渡季白天，太阳辐射同时加热通风腔体8和聚光集热器2。此时，室外下风阀12和室内上风阀13关闭，室外上风阀11和室内下风阀14打开，外窗10打开。
本工作状态的工作过程描述如下：通风腔体8内空气被加热温度升高，加大室内外热压差，强化空气自然对流，室外空气经过外窗10进入室内，带走室内余热余湿后经室内下风阀14流出，进入通风腔体8，最终由室外上风阀11排出。此时，变沸点双向热管3外侧作为蒸发端从聚光集热器2吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管3内侧冷凝端放热，一部分热量被生活热水管5带走用于生活热水，另一部分热量为复合相变材料4加热，复合相变材料4完成蓄热过程，变沸点双向热管3高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
见图6所示：基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构的第一工作状态，例如：在夏季和过渡季夜晚，加热通风腔体8和聚光集热器2不能接收太阳辐射。此时，室外下风阀12和室内上风阀13关闭，室外上风阀11和室内下风阀14打开，外窗10打开。
本工作状态的工作过程描述如下：复合相变材料4充当热源，变沸点双向热管3内侧作为蒸发端从复合相变材料4吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管3外侧冷凝端放热，通风腔体8内空气被加热温度升高，热压差被加大，强化空气自然对流，室外空气经过外窗10进入室内，带走室内余热余湿后经室内下风阀14流出，进入通风腔体8，最终从室外上风阀11排出。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。
Claims (9)
1.一种基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：包括玻璃幕墙（1）、聚光集热器（2）、变沸点双向热管（3）、复合相变材料（4）、生活热水管（5）、绝热层（6）、墙体（7）、通风腔体（8）、室内（9）、外窗（10）、室外上风阀（11）、室外下风阀（12）、室内上风阀（13）、室内下风阀（14）；
所述玻璃幕墙（1）与绝热层（6）连接；所述变沸点双向热管（3）的外侧从聚光集热器（2）穿过，内侧从复合相变材料（4）穿过；所述生活热水管（5）包裹着变沸点双向热管（3）的内侧；所述复合相变材料（4）外侧与聚光集热器（2）内侧连接，内侧与绝热层（6）外侧连接；所述绝热层（6）内侧与墙体（7）外侧连接；所述室外上风阀（11）和室外下风阀（12）分别位于玻璃幕墙（1）的上角和下角；所述室内上风阀（13）和室内下风阀（14）分别位于墙体（7）的上侧和下侧；所述通风腔体（8）贯穿墙体（7）和绝热层（6）的上侧和下侧，连接室内（9）与玻璃幕墙（1）内侧；
所述变沸点双向热管（3）介质为两种具有不同蒸发温度的混合介质，能够在太阳能聚光和PCM双热源不同温度区间下分别工作，在蓄热阶段高沸点工质将热量带到相变材料一端进行热存储，而放热阶段，低沸点工质将能量由蓄热体带出到空气通道，进而实现长时间供热。
2.根据权利要求1所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述聚光集热器（2）为槽式聚光集热器，聚光模式为线性聚光。
3.根据权利要求1所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述生活热水管（5）套在变沸点双向热管（3）外层，能够带走热管的多余热量，避免墙体夏季供热的同时可将多余热量用于生活热水。
4.根据权利要求1所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述复合相变材料（4）的相变温度在40-80℃之间，能够在白天储存热量，晚上作为供热热源。
5.根据权利要求1所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述蓄热型建筑围护结构还包括用于控制所述外窗（10）、所述室外上风阀（11）、所述室外下风阀（12）、所述室内上风阀（13）和所述室内下风阀（14）的窗阀控制系统。
6.根据权利要求5所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述室外上风阀（11）和所述室外下风阀（12）关闭，所述室内上风阀（13）和所述室内下风阀（14）打开，所述外窗（10）关闭；所述通风腔体（8）内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过所述室内上风阀（13）流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从所述室内下风阀（14）流出，进入所述通风腔体（8），形成空气循环；所述变沸点双向热管（3）外侧作为蒸发端从所述聚光集热器（2）吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至变沸点双向热管（3）内侧冷凝端放热，其中一部分热量被所述生活热水管（5）带走用于生活热水，另一部分热量为所述复合相变材料（4）加热，所述复合相变材料（4）完成蓄热过程，所述变沸点双向热管（3）高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
7.根据权利要求5所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述室外上风阀（11）和所述室外下风阀（12）关闭，所述室内上风阀（13）和所述室内下风阀（14）打开，所述外窗（10）关闭；所述复合相变材料（4）充当热源，所述变沸点双向热管（3）内侧作为蒸发端从所述复合相变材料（4）吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管（3）外侧冷凝端放热，所述通风腔体（8）内空气被加热温度升高，通过热压通风促使高温空气自然对流，经过所述室内上风阀（13）流入室内，为室内供热；室内低温空气经过自然对流从所述室内下风阀（14）流出，进入所述通风腔体（8），形成空气循环。
8.根据权利要求5所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述室外下风阀（12）和所述室内上风阀（13）关闭，所述室外上风阀（11）和所述室内下风阀（14）打开，所述外窗（10）打开；所述通风腔体（8）内空气被加热温度升高，加大室内外热压差，强化空气自然对流，室外空气经过所述外窗（10）进入室内，带走室内余热余湿后经所述室内下风阀（14）流出，进入所述通风腔体（8），最终由所述室外上风阀（11）排出；所述变沸点双向热管（3）外侧作为蒸发端从聚光集热器（2）吸收热量，高温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管（3）内侧冷凝端放热，其中一部分热量被所述生活热水管（5）带走用于生活热水，另一部分热量为所述复合相变材料（4）加热，所述复合相变材料（4）完成蓄热过程，所述变沸点双向热管（3）高温工质冷凝后经毛细管回流作用流回蒸发端，形成高温工质循环。
9.根据权利要求5所述的基于变沸点双向热管的聚光-相变蓄热型建筑围护结构，其特征在于：所述室外下风阀（12）和所述室内上风阀（13）关闭，所述室外上风阀（11）和所述室内下风阀（14）打开，所述外窗（10）打开；所述复合相变材料（4）充当热源，所述变沸点双向热管（3）内侧作为蒸发端从所述复合相变材料（4）吸收热量，低温工质蒸发吸热，流入至所述变沸点双向热管（3）外侧冷凝端放热，所述通风腔体（8）内空气被加热温度升高，热压差加大，强化空气自然对流，室外空气经过所述外窗（10）进入室内，带走室内余热余湿后经所述室内下风阀（14）流出，进入所述通风腔体（8），最终从所述室外上风阀（11）排出。
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