CN113374391B - 一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔固‑固相变气候自适应百叶窗，由窗框和百叶片组成，百叶片包括多孔可变透明度固‑固相变材料、高反射率膜、百叶支撑片及膨胀螺丝。本发明在夏季高温下，多孔固‑固相变材料呈透明状态，太阳入射辐射透过固‑固相变材料后在高反射率膜作用下，被反射到室外环境中，减少了百叶窗得热；在冬季低温下，多孔固‑固相变材料呈不透明状态，能够吸收并储存太阳辐射，减少通过百叶窗失热。本发明通过固‑固相变材料透明度的变化与高反射率膜结合，并利用相变材料内部蜂窝多孔增加其热阻和储热能力，实现了百叶窗对太阳辐射得热的主动调节，兼具保温和隔热的作用。

Description

一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗

技术领域

本发明涉及一种多孔可变透明度固-固相变材料的气候自适应百叶窗,属于建筑与建造技术领域。

背景技术

目前中国建筑能耗约占社会总能耗的30-40％，并且预计会继续增加，60％-80％的供暖和制冷负荷是通过建筑围护结构热传递引起的，包括窗户，墙体和屋顶在内的建筑围护结构是热能损失的重要来源，而在这些建筑围护结构中，通过窗户传热产生的热能损失高达50％。因此，开发新型窗户对实现建筑节能具有重要意义。

百叶窗主要由多块叶片平行层叠而成，各叶片间的间隔距离均匀设置，其兼具通风换气、遮风挡雨和保护隐私的作用，因而得到越来越多的应用。然而传统百叶窗直接受室外太阳辐射影响，并不能直接对太阳辐射进行调节，其较高的热传递能力引起建筑室内夏季得热量和冬季失热量较大，增加了建筑能耗。很多学者将固-液相变材料封装在百叶窗的百叶内或双层玻璃窗的空腔内，利用相变材料的蓄热能力来降低窗户温度的波动，提高室内环境的热舒适，同时转移建筑峰值负荷，减少建筑能耗。但是对固-液相变材料进行封装仍存在边缘渗漏、挥发或腐蚀等问题，并且造价较高。固-固相变材料在相变过程中始终处于固态，因此在应用时无需封装，而且容易将其加工成多孔或蜂窝形状。通过相变材料在结晶(固态)与非结晶(固态)状态之间的转换，实现热量的吸收和释放，而且部分固-固相变材料在高温相变非结晶时呈透明状态，在低温结晶时呈不透明状态。将固-固相变材料内部加工为不规则蜂窝孔隙不仅增加了热阻而且增强了相变材料对热量的吸收和储存。利用固-固相变材料透明度可变和内部易加工成蜂窝多孔形状的特点，提出一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，可根据室外空气温度变化，自动调节百叶窗的室外辐射得热量，实现在冬季充分利用太阳辐射，而在夏季尽量减少太阳辐射得热，达到全年度建筑节能的目的。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为CN201920631253.7，名称为：一种含不同熔点相变材料的半透明玻璃窗。此专利涉及一种含不同熔点相变材料的半透明玻璃窗，系统由三层玻璃组成，在玻璃夹层之间设置有若干半透明导管并可以通过驱动装置实现升降，外侧玻璃与中侧玻璃之间的导管填充有高熔点相变材料，中侧玻璃与内侧玻璃之间的导管填充有低熔点相变材料。通过导管的升降实现在夏季利用高熔点相变材料，在冬季利用低熔点相变材料。但是该相变窗户系统复杂，需要外部能量供给驱动，应用场景有限。中国专利申请号为201920914152.0，名称为：一种带相变材料的双夹层玻璃窗。此系统包括三层玻璃层和两层相变温度不同的微胶囊层，高温相变微胶囊层和低温相变微胶囊层分别位于相邻两层普通玻璃层之间，玻璃窗的竖直中线上设有一根旋转轴，窗框的竖直内侧边为内凹的圆弧形，便于玻璃窗的旋转。根据室外温度的不同，通过玻璃窗的旋转实现不同熔点相变材料的高效率利用，可同时实现冬夏季的节能效果。但是该相变窗户系统仍需要借助外力实现旋转，并且系统构造较为复杂。中国专利申请号：201910613773.X，名称为：一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户。此系统包括三层玻璃板，外侧玻璃板和中侧玻璃板之间填充有液-液相变材料，中侧玻璃板和内侧玻璃板填充有干燥空气。该系统所使用相变材料为热致变色相变材料，即低温呈现透明状态，高温呈半透明或不透明状态，这种相变材料的光学性质与窗户的实际应用相吻合，而干燥空气层实现隔热的效果。但是该系统所使用相变材料为实验室研制，尚无推广应用，造价较高，此外液-液相变材料对窗户的密封性能提出更高的要求。可以看出，以上利用相变材料的窗户系统，虽然能够改善室内热舒适，同时实现冬夏季建筑节能，但是存在结构复杂，动力驱动耗能高，对密封要求高的特点。本发明提出的多孔固-固相变气候自适应百叶窗，兼具保温和隔热的作用，能够根据室外温度变化，自动调节百叶窗的太阳辐射得热，结构简单，易于安装，能够实现全年度的建筑节能。本发明为百叶片固定式百叶窗，此百叶窗也可添加额外驱动装置实现百叶片倾斜角度的调节。

发明内容

针对现有百叶窗夏季得热、冬季失热量较大，调节百叶窗室外太阳辐射得热量需要辅助额外的动力驱动装置，能耗较高，并且同时减小夏季得热量和冬季失热量具有矛盾性的问题，提出一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，利用固-固相变材料透明度可变和易加工成多孔形状的特点，达到百叶窗在夏季有效减少太阳辐射得热的同时，在冬季有效利用太阳能的目的。

本发明通过以下技术方案实现，本发明涉及一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，其包括：窗框，多孔可变透明度固-固相变材料、高反射率膜、百叶支撑片、及膨胀螺丝。

所述窗框为铝合金或实木或塑料材质，用于固定连接各个百叶片。

所述多孔可变透明度固-固相变材料，内部存在不规则的蜂窝空隙，具有较低的导热率和较高的相变潜热值，根据气候特点，相变材料的相变温度点可在20-35℃之间选用，并且被布置在高反射率膜上侧。当室外环境温度高于多孔可变透明度固-固相变材料的相变温度点时，多孔可变透明度固-固相变材料由结晶状态完全转变为非结晶状态，其透明度提高，对太阳入射辐射呈现透明状态；当室外环境温度低于多孔可变透明度固-固相变材料的相变点时，多孔可变透明度固-固相变材料由非结晶状态转变为结晶状态，此时对太阳辐射呈现不透明状态。多孔可变透明度固-固相变材料可以根据室外环境温度的高低实现自身对太阳入射辐射透明度的高低变化。所利用的固-固相变材料为具有一定储能功能的透明类相变材料，如无机水合盐相变材料或多元醇有机物类包括三羟甲基氨基甲烷(TAM)，三羟甲基乙烷(PG)和季戊四醇(PE)等经过提纯处理后都可作为可变透明度固-固相变材料应用，而且内部易加工成不规则蜂窝多孔形状。

所述的高反射率膜布置在可变透明度固-固相变材料和百叶片之间，为一种对太阳光具有高反射率的膜，如铝箔或聚脂薄膜，该高反射率膜始终对太阳辐射呈现不透明状态。

所述百叶支撑片为铝合金或实木或高强度塑料材质，布置在可变透明固-固相变材料和高反射率膜下侧，用于提供力学强度，支撑可变透明度固-固相变材料。

所述膨胀螺丝用于固定百叶支撑片、高反射率薄膜、可变透明度固-固相变材料，膨胀螺丝为高强度塑料材质，可避免围护结构形成局部热桥而造成的热损失。

本发明中，在夏季，当室外环境温度高于多孔可变透明度固-固相变材料的相变温度时，多孔可变透明度固-固相变材料发生相变呈非结晶状态，并且对太阳辐射保持透明状态，太阳辐射经过固-固相变材料表面一次反射作用(镜面反射和漫反射)，大部分太阳辐射透射进入透明态的多孔固-固相变材料中，而多孔固-固相变材料下侧的高反射率膜暴露于太阳辐射下，并把太阳辐射再次反射到室外环境中，因此减少了百叶窗夏季的辐射得热量，有利于夏季空调节能。

在冬季，由于室外空气温度较低，白天在太阳辐射作用下，可变透明度固-固相变材料吸收太阳辐射，固-固相变材料内部具有的不规则气孔增加了热阻并增强了热量的储存，但此时固-固相变材料的温度仍低于相变温度点，因此固-固相变材料没有发生相变并呈现结晶不透明状态，固-固相变材料层下面的高反射率膜未能暴露于太阳辐射下，大部分太阳辐射被多孔相变材料吸收，并储存在相变材料中，在晚上室外气温下降后，相变材料中的热量释放出来，实现利用太阳能对百叶窗保温，减少了冬季建筑的采暖负荷。

本发明具有以下优点：

1.本发明涉及的一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗中的可变透明度固-固相变材料在相变前后始终处于固体状态，无需封装，克服了固-液相变材料需要封装、存在边缘渗漏、挥发或腐蚀等缺点，固-固相变材料内部具有的不规则蜂窝孔隙增加了热阻并增强了对太阳辐射热量的吸收和储存。

2.夏季室外高温条件下，多孔可变透明度固-固相变材料呈透明态，太阳辐射透射过相变材料后，被高反射率膜反射到室外环境中，减少了百叶窗对太阳辐射的吸收，起到了隔热效果。

3.冬季室外低温情况下，多孔可变透明度固-固相变材料呈不透明状态，大部分太阳辐射被多孔相变材料吸收和储存，减少了室内向室外传递的热量损失，起到了保温效果。

4.该多孔固-固相变气候自适应百叶窗利用固-固相变材料透明度的可变特性与高反射率膜结合，并将固-固相变材料内部产生不规则蜂窝孔隙增加了其热阻和对太阳辐射的吸收和储存能力，可以实现同时减小建筑室内夏季气象条件下的制冷负荷和冬季气象条件下的制热负荷，解决了夏季制冷和冬季制热同时实现节能的矛盾，达到全年度建筑节能的目的。

附图说明

图1为本发明的结构正视图。

图2为百叶片的结构示意图。

图3为夏季条件下的原理示意图。

图4为冬季条件下的原理示意图。

1、窗框 2、百叶片 3、多孔可变透明度固-固相变材料

4、高反射率膜 5、百叶支撑片 6、膨胀螺丝

7、太阳入射辐射 8、一次反射辐射 9、二次反射辐射

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

如图1所示，本发明包括：窗框1，百叶片2。如图2所示，百叶片2具体包括：多孔可变透明度固-固相变材料3，高反射率膜4，百叶支撑片5，膨胀螺丝6，其中可变透明度固-固相变材料布置在最外侧，高反射率膜在可变透明度固-固相变材料与百叶支撑片之间，百叶支撑片在最下侧，百叶片整体采用膨胀螺丝固定，四周采用硅胶密封。

其工作原理为：如图3所示，在夏季，室外环境温度高于多孔可变透明度固-固相变材料3的相变温度值，多孔可变透明度固-固相变材料3呈非结晶透明状态，此时多孔可变透明度固-固相变材料3下侧的高反射率膜4暴露于太阳入射辐射7下。一部分太阳入射辐射7首先在多孔可变透明度固-固相变材料3表面经历反射作用(镜面反射和漫反射)将一次反射辐射8反射到室外环境中，而大部分透射进入多孔可变透明度固-固相变材料3中的太阳入射辐射7在高反射率膜4处经历二次反射(镜面反射和漫反射)，将二次反射辐射9反射到室外环境中，因此减少了百叶片2对太阳入射辐射7的吸收，降低了百叶片2向室内环境的热传导作用，因此达到围护结构隔热的目的。

如图4所示，在冬季，室外环境温度低于多孔可变透明度固-固相变材料3的相变温度值，多孔可变透明度固-固相变材料3呈结晶不透明状态，因此固-固相变材料3下面的高反射率膜4未能暴露于太阳入射辐射7下。此时一部分太阳入射辐射7经多孔可变透明度固-固相变材料3表面反射作用使得一次反射辐射8进入室外环境中，而大部分太阳入射辐射7在多孔可变透明度固-固相变材料3表面被吸收，固-固相变材料3内部的不规则气孔增强了对太阳辐射热量的吸收和储存，由于相变材料的潜热蓄热作用能够维持百叶窗温度稳定，因此减少了由于热传导作用引起的室内热量的损失，达到围护结构保温的效果。

Claims (4)

1.一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，其结构由窗框、百叶支撑片、蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料、高反射率膜组成，其特征是，所述窗框用于固定连接各个百叶支撑片；所述百叶支撑片用于支撑蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料和高反射率膜；所述蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料的透明度随着室外温度的周期性波动在不透明和透明之间可逆变化；所述多孔固-固相变气候自适应百叶窗，当室外温度高于蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料的相变温度时，相变材料为透明的固体状态，相变材料下侧的高反射率膜暴露于太阳辐射下，并把太阳辐射反射到室外，减少了百叶窗的辐射得热量，当室外温度低于蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料的相变温度时，相变材料为不透明的固体状态，蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料吸收太阳辐射并储存，增加百叶窗的辐射得热量。

2.根据权利要求1所述的一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，其特征是，所述蜂窝多孔可变透明度固-固相变材料内部存在大量不规则的蜂窝空隙，蜂窝孔隙由空气填充，蜂窝孔隙的骨架是相变材料，蜂窝孔隙提高了百叶窗的蓄热能力，降低了相变材料的热导率，提高了百叶窗的保温效果。

3.根据权利要求1所述的一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，其特征是，所述高反射率膜为化学性质稳定的聚脂薄膜或铝箔，并且该高反射率膜始终呈不透明状态。

4.根据权利要求1所述的一种多孔固-固相变气候自适应百叶窗，其特征是，所述百叶支撑片为铝合金或高强度塑料材质，用于提供力学强度。