CN113405147A - 蓄热被动式太阳房 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蓄热被动式太阳房，包括房体，所述房体具有第一墙体和第二墙体；以及热管，所述热管内填充有循环工质，所述热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段设在所述第一墙体的外侧，用于吸收太阳辐射以加热所述循环工质，所述冷凝段设在所述第二墙体内部，以便将所述循环工质的热量释放到所述第二墙体内。本发明具有太阳能利用率高、室内温度提升显著、室温日波动小等特点，也适用于其他朝向墙体的太阳房应用。

Description

蓄热被动式太阳房
技术领域
本发明主要涉及太阳能利用技术领域，具体为一种蓄热被动式太阳房。
背景技术
我国建筑能耗占全国能耗总量的比例超过20％，且建筑面积总量巨大，建筑节能成为建筑行业的必然趋势。太阳能利用技术中，太阳能光热利用是一种比较普遍的应用形式，充分利用太阳能减小供暖负荷，是实现建筑近零能耗的有效途径。通过合理高效的建筑热设计，使建筑冬季能集取、贮存、分布太阳热能，解决采暖问题，具有免维护、运行便捷、经济节能的特点。
目前广泛应用的典型被动式太阳房类型包括直接受益式、附加阳光间式和集热蓄热墙式等。其中，直接受益式在当建筑南向窗墙比过大时，存在夜间房间通过窗户向室外的失热更严重，室温日波动幅度较大，以及日间室内具有眩光等问题。附加阳光间式需要在建筑外部额外设置玻璃隔间，占用空间大；而且蓄热设计薄弱，夜间玻璃间的热损失严重，因此应用场景受限。集热蓄热墙式无法满足日间导热和夜间保温的双重要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种蓄热被动式太阳房，主要用于冬季室内供暖。本发明的思路是利用热管的热二极管性和传热系数大的特点将建筑内、外墙体的功能解耦，外墙体仅用于保温和太阳能集热，而内墙体或另一面外墙体用于蓄热和放热。日间，通过太阳能集热过程和热管的导热过程结合，将建筑外墙体接受的太阳辐射热量转移到建筑内墙体或另一面外墙体并进行蓄存；夜间，热管不工作，房间内墙体或另一面外墙体将蓄存的热量向室内放出，对房间供暖。本发明具有太阳能利用率高、室内温度提升显著、室温日波动小等特点，也适用于其他朝向墙体的太阳房应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本公开实施例提供的一种蓄热被动式太阳房，包括：
房体，所述房体具有第一墙体和第二墙体；
以及热管，所述热管内填充有循环工质，所述热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段设在所述第一墙体的外侧，用于吸收太阳辐射以加热所述循环工质，所述冷凝段设在所述第二墙体内部，以便将所述循环工质的热量释放到所述第二墙体内。
在一些实施例中，还包括透光罩，以及遮阳板或者光伏板，所述透光罩设在所述第一墙体外侧，用于罩住所述蒸发段，所述遮阳板或者所述光伏板设在所述透光罩上方。
在一些实施例中，所述第一墙体为所述房体的前墙，所述第二墙体为所述房体的侧墙和/或后墙。
在一些实施例中，所述热管为L形或者弧形，所述冷凝段设在所述房体的侧墙内。
在一些实施例中，所述热管由多根微热管排列组成。
在一些实施例中，所述蒸发段的表面上设有吸热涂层或集热件。
在一些实施例中，所述第二墙体为蓄热墙体。
在一些实施例中，所述蓄热墙体为常热物性墙体或相变墙体。
在一些实施例中，所述热管沿从所述蒸发段朝向所述冷凝段的方向向上倾斜延伸。
在一些实施例中，所述热管的倾角大于等于5°且小于90°。
本发明的特点及有益效果在于：
1、本公开实施例提供了一种蓄热被动式太阳房，其利用高效传热元件热管将建筑内外围护结构的功能解耦，外墙仅用于保温和太阳能集热，而内墙用于蓄热和放热，日间将南向非透明围护结构接受的太阳辐射能量转移到东西墙体，相较常规建筑，将除地板外的主要向室内放热的围护结构内表面面积从南墙增大为东西墙，夜间热管的热二极管性决定了其不工作，避免成为散热部件，而东西墙体持续放热，相较常规建筑有效延长了一天中墙体向室内放热的时间。
2、本公开实施例所采用的热管整体呈L形或者弧形，热管的蒸发段和冷凝段所在平面分别在两个或三个依次相交的墙体内，可以与建筑墙体紧密结合，根据当地气象资源条件和房间供热需求可以设置热管的数量疏密和面积比例，进而设计墙体的实际蓄放热总量，改善室内热环境，降低冬季供暖导致的化石能源消耗。
3、本公开实施例所采用的透光罩避免了高温的热管蒸发段表面直接与室外空气对流换热，有效降低南向集热部件全天散失至外界环境的热量，相较常规建筑南向围护结构吸收的太阳辐射热量有较大比例是由于表面与室外空气对流换热而没有进入室内，本公开的实施例显著提高了太阳能热利用效率。
4、本公开实施例所采用的东西墙体为传统建材或相变材料，日间吸收蓄存热量，避免过度供热导致室温急剧升高，夜间墙体将蓄热向室内放出，避免夜间室温降低幅度过大，可以有效降低室温日波动，控制在人体热舒适区间内。
5、本公开实施例所采用的遮阳板可以在夏季太阳高度角较高时遮挡照射在热管蒸发段的太阳辐射，有效避免夏季出现房间过热的情况，在改善冬季室内热环境的同时，不影响夏季室内人员热舒适。
6、本公开也适用于其他朝向墙体的太阳房应用。
附图说明
图1为本公开实施例的一种蓄热被动式太阳房的整体结构示意图。
图2的(a)～(c)为本公开实施例的蓄热被动式太阳房中L形热管的结构示意图。
图3的(a)和(b)分别为本公开实施例的蓄热被动式太阳房在日间和夜间的工作原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本公开实施例提出的一种蓄热被动式太阳房。
本公开实施例的整体结构参见图1，本蓄热被动式太阳房包括具有第一墙体和第二墙体的房体A，以及设置于房体A外围的热管1、透光罩2和遮阳板3。房体A为本公开实施例的实施对象，房体B为房体A的邻室，房体A和房体B隶属于同一个建筑。房体A的东西墙为内墙且设置具有对称性，由于对称性，此处只对房体A的东墙4进行完整的表示和描述。本公开实施例的热管1分为蒸发段11和冷凝段12(附图标记“11”和“12”在图1中未示意出，将在图2中示意出)，整体呈L形且为封闭管，以L形的折点作为蒸发段11和冷凝段12的区分，热管1内填充有循环工质，循环工质在热管1的封闭空腔内流动。热管1的蒸发段11表面喷涂有吸热涂层(该吸热涂层在图中未示意出)，热管1的蒸发段11位于房体A南向非透明围护结构的外侧，以增大太阳能利用面积，同时不影响室内采光；热管1的冷凝段12嵌入房体A东墙4的内部，以通过导热形式将热量传递给内墙。透光罩2位于房体A南向非透明围护结构的外侧，并将热管1的蒸发段11罩在内部，以减小对流换热导致的热损失。遮阳板3位于透光罩2上方，以在夏季太阳高度角较高时避免造成室内过热。
热管1由若干根彼此不连通且均呈L形的微热管紧密平行排列组成，整体结构呈L形，参见图2的(a)～(c)，以L形的折点作为蒸发段11和冷凝段12的区分。为易于和建筑围护结构表面结合，热管1的蒸发段11和冷凝段12所在平面分别在两个相交(如垂直相交)的竖直平面内。为实现热管1工作的重力二极管性，热管1的蒸发段11和冷凝段12均倾斜设置，在各自的平面内，蒸发段11和冷凝段12内工质的流动方向与水平方向的倾斜角度大于等于5°且小于90°。热管1内填充的循环工质一般为丙酮、R141b、乙醇等物质及其混合物。
热管1的蒸发段11表面设有吸热部件，并布置在房体A南向非透明围护结构的外侧，使热管1的蒸发段11形成朝南的竖直平面，日间接受太阳辐射；通过吸热部件提高热管1的蒸发段11对太阳辐射热量的吸收。热管1的冷凝段12嵌入房体A的东墙4。热管1蒸发段11表面设置的吸热部件可以是在热管1蒸发段11表面喷涂的吸热涂层，可以采用集热涂料或黑漆等；热管1蒸发段11表面设置的吸热部件也可以是集热件(如集热板)。东墙4为蓄热墙体，采用传统建材(例如砖块或者混凝土)或相变材料，有利于日间热量的蓄存和夜间的放热，降低房间A内全天室温的波动。
透光罩2位于房体A南向非透明围护结构外部，将热管1的蒸发段11全部位于透光罩2的内部，避免热管1的蒸发段11直接与室外空气对流换热，减小日间蒸发段11吸热涂层吸收的太阳辐射热量向环境耗散的比例，提高太阳能的热利用率。本实施例中，透光罩采用玻璃罩。
遮阳板3位于玻璃罩2上方，可以在夏季太阳高度角较高时遮挡或者反射照射在热管1蒸发段11的太阳辐射，有效避免夏季出现房间过热的情况。遮阳板3可采用不锈钢或者铝制成。
在一些实施例中，房体A包括弧形墙体，热管1整体呈弧形。
在一些实施例中，遮阳板3可替换为光伏板，以在夏季太阳高度角较高时避免造成室内过热的同时，将收集的太阳能转变为电能。
本公开实施例的工作原理为：
冬季日间，工作原理参见图3中(a)，太阳辐射透过透光罩2照射在喷涂有吸热涂层的热管1的蒸发段表面，对太阳辐射具有高吸收率的吸热涂层吸收大量太阳辐射热量。透光罩2隔绝了罩内外的空气对流，避免了热管1的蒸发段与外界环境的低温空气对流换热造成的热损失。
热管1的内部工质在蒸发段处吸收热量后蒸发，产生携带热量的蒸汽，蒸汽沿倾斜设置的热管1蒸发段内向上流动，并在热管1的冷凝段处遇到温度较低的东墙4时冷凝放热，将热量传递给东墙4，工质蒸汽冷凝，形成的液滴在重力作用下回落到热管1的蒸发段。以此不断循环，完成从蒸发段到冷凝段的热量传递。
房体A的东墙4吸收热管1的冷凝段释放的热量，通过东墙4内部的热传导将热量蓄存在内部的传统建材或相变材料，同时东墙4的室内侧壁面温度逐渐升高，通过对流换热将热量传递给室内空气，使室温升高。
冬季夜间，工作原理参见图3中(b)，由于没有太阳辐射照射，位于热管1内部的工质不会发生吸热汽化，均处于液态，在自身重力作用下一直位于热管1的蒸发段中，不会形成循环流动。东墙4的传统建材或相变材料，将日间吸收蓄存的热量不断放出，为室内空间供热。
夏季，由于太阳高度角较高，透光罩2上方的遮阳板3遮挡照射在热管1蒸发段的太阳辐射，避免热管1将吸收的太阳能热量导入室内造成过热。
本发明也适用于其他朝向墙体的太阳房应用。在不背离本发明的实质特征的前提下，本发明的技术方案可以进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种蓄热被动式太阳房，其特征在于，包括：
房体，所述房体具有第一墙体和第二墙体；
以及热管，所述热管内填充有循环工质，所述热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段设在所述第一墙体的外侧，用于吸收太阳辐射以加热所述循环工质，所述冷凝段设在所述第二墙体内部，以便将所述循环工质的热量释放到所述第二墙体内。
2.根据权利要求1所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，还包括透光罩，以及遮阳板或者光伏板，所述透光罩设在所述第一墙体外侧，用于罩住所述蒸发段，所述遮阳板或者所述光伏板设在所述透光罩上方。
3.根据权利要求1所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述第一墙体为所述房体的前墙，所述第二墙体为所述房体的侧墙和/或后墙。
4.根据权利要求3所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述热管为L形或者弧形，所述冷凝段设在所述房体的侧墙内。
5.根据权利要求1所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述热管由多根微热管排列组成。
6.根据权利要求1所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述蒸发段的表面上设有吸热涂层或集热件。
7.根据权利要求1所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述第二墙体为蓄热墙体。
8.根据权利要求7所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述蓄热墙体为常热物性墙体或相变墙体。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述热管沿从所述蒸发段朝向所述冷凝段的方向向上倾斜延伸。
10.根据权利要求9所述的蓄热被动式太阳房，其特征在于，所述热管的倾角大于等于5°且小于90°。
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