CN113719004A - 一种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙，包括龙骨框架及其两侧固定的外侧玻璃幕墙和内侧玻璃幕墙，还有嵌装于所述龙骨框架顶部的相变蓄能装置。外侧玻璃幕墙上设置有一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列，内侧玻璃幕墙设置有二次聚焦菲涅尔反射镜阵列；阳光通过一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列后第一次聚焦，聚焦于二次聚焦菲涅尔反射镜阵列上，再将聚焦的阳光反射至热管所在区域形成二次聚焦，可将外侧玻璃幕墙上的太阳辐射高效传递到相变蓄能装置。通过对双层玻璃幕墙本体进行合理改进，利用菲涅尔镜组的特性以及相变蓄能单元，通过二次聚焦的方式，将阳光聚焦于相变蓄能单元上，可在不显著影响幕墙采光性能的同时高效利用太阳能。
Description
技术领域
本发明属于建筑幕墙、可再生能源、相变蓄能以及建筑节能领域，特别是涉及一种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块。
背景技术
双层玻璃幕墙兼具美观性与透光性，被广泛应用于各类建筑围护结构中。然而玻璃高导热性和良好的透光性使得室外热量通过对流和辐射换热方式进入室内，造成建筑能耗的大幅增加，因此玻璃幕墙建筑往往也是高能耗建筑。
现有相关的双层玻璃幕墙节能技术主要从改进通风效果角度出发，利用自然通风或机械通风的方式，将中空腔内热量带到室外，以减少热量向室内传递。
中国发明专利CN112554395A公开了一种呼吸式双层玻璃幕墙系统，该幕墙系统通过利用内外侧玻璃幕墙、上下楼板、玻璃门等结构的开闭，控制通风腔与室内气流流通路径的通断，在不依赖复杂机械装置的前提下实现夏季调温、冬季保温功能。但该幕墙系统主要依靠中空腔内热容相对较小的空气形成热量缓冲层，其温度调节功能受室内外实时温度影响较大，难以实现能量错时利用。
中国发明专利CN108915116A公开了一种自适应节能墙体结构，该结构通过在双层玻璃幕墙的中空腔添加百叶，同时在百叶两侧分别设置反射隔热层以及相变材料层，从而提高隔热保温效果与能量储存利用效率。但是该结构中相变材料主要是与室内外空气换热，对透过双层玻璃幕墙的太阳辐射未进行有效储存和利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，该新型双层玻璃幕墙模块不仅具有隔热功能，而且还可以在有效利用太阳辐射的基础上将热量储存在相变材料中，用于生活热水以及采暖系统热水供应，并通过提高相变材料蓄放热速率实现对用户需求的快速响应。
本发明提供的这种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙，包括龙骨框架及其两侧固定的外侧玻璃幕墙和内侧玻璃幕墙，还有嵌装于所述龙骨框架顶部的相变蓄能装置。外侧玻璃幕墙上设置有一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列，内侧玻璃幕墙设置有二次聚焦菲涅尔反射镜阵列；阳光通过一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列后第一次聚焦，聚焦于二次聚焦菲涅尔反射镜阵列上，再将聚焦的阳光反射至热管所在区域形成二次聚焦，可将外侧玻璃幕墙上的太阳辐射高效传递到相变蓄能装置。
上述装置的一种实施方式中，所述龙骨框架由顶部龙骨、底部龙骨和竖直龙骨组成，顶部龙骨中空，且底面无盖板，顶部龙骨和底部龙骨水平放置，两块竖直龙骨连接于左右两端，四块龙骨组成一个方形框架。
上述装置的一种实施方式中，所述外侧玻璃幕墙采用一体成型设计，其上一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列的各镜片嵌装于玻璃上的安装孔中，玻璃上对应一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列的上侧和下侧分别通风百叶。
上述装置的一种实施方式中，所述通风百叶的尺寸为(200-500)mm× (50-150)mm。
上述装置的一种实施方式中，所述内侧反射聚光一体化玻璃幕墙采用一体成型设计，其上设置的所述二次聚焦菲涅尔反射镜阵列由多块微弧形镜面组成，设置于内侧玻璃幕墙中空腔侧。
上述装置的一种实施方式中，所述相变蓄能装置所述相变蓄能装置包括高透光玻璃、吸热涂层、玻璃、热管、热水管、相变材料和封装框；高透光玻璃水平布置，吸热涂层位于其上表面，玻璃铺设于吸热涂层上，玻璃上开设有热管安装孔；热管为Y型结构，其底部穿过玻璃与吸热涂层接触固定；热水管布置于热管两分支之间；封装框将高透光玻璃、吸热涂层、玻璃、热管、热水管框柱，相变材料填充于封装框内。
上述装置的一种实施方式中，所述封装框采用厚度为1～2mm的304不锈钢制作。
上述装置的一种实施方式中，所述热管的两分支的相对侧对称设置有分支使热管形成树型结构，两分支将所述热水管的上半部包覆。
上述装置的一种实施方式中，所述热管的基管为铜管，基管外设置有翅片。
上述装置的一种实施方式中，所述相变材料的相变温度为48℃～52℃。
本发明通过对双层玻璃幕墙本体进行合理改进，利用菲涅尔镜组的特性以及相变蓄能单元，通过二次聚焦的方式，将阳光聚焦于相变蓄能单元上，实现了在不显著影响幕墙采光性能的同时高效利用太阳能的目的；此外相比于采用太阳辐射直射相变材料单元的方法，由于经过两次聚焦，相变材料太阳辐射聚焦区域温度提高，吸热涂层与相变材料，以及相变材料与热水之间传热温差均相应增大，加大了相变材料蓄放热速率；同时树型热管设计增强了相变材料自然对流以及接触传热，进一步加快了相变材料蓄存能量以及释放能量的速率，实现了对于用户热水需求的及时快速响应；最后利用被动通风系统，通过中空腔内与室外环境的空气温差形成的自然对流将中空腔内的高温空气排放到室外，避免中空腔内的热量通过内侧玻璃幕墙传入室内，增加室内负荷。
附图说明
图1为本发明一个实施例的三维结构示意图。
图2为本实施例中相变蓄能装置的结构示意图。
图3为本实施例的系统运行光学原理图。
图示序号：
1—龙骨框架，11—顶部龙骨，12—底部龙骨；
2—外侧玻璃幕墙，21—一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列，22—通风百叶；
3—内侧玻璃幕墙，31—二次聚焦菲涅尔反射镜阵列；
4—相变蓄能装置，41—高透光玻璃，42—吸热涂层，43—热水管，44—热管,45—封装框，46—相变材料。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，包括龙骨框架1、外侧玻璃幕墙2、内侧玻璃幕墙3和相变蓄能装置4，外侧玻璃幕墙和内侧玻璃幕墙通过龙骨框架固定。
龙骨框架1由顶部龙骨11、底部龙骨12和竖直龙骨组成。顶部龙骨11为中空结构，且底面无盖板，其与底部龙骨水平放置，竖直龙骨有两块，左右竖直放置，四块龙骨组成一个方形框架。
外侧玻璃幕墙2采用一体成型设计，其上设置有一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21和通风百叶22。
一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21包括多块排列嵌装于外侧玻璃幕墙2上的安装孔中的线性菲涅尔透镜，透镜的数量和尺寸根据实际需求设定。
一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21可对阳光进行第一次聚焦，透过线性菲涅尔透镜阵列的阳光聚焦于内侧反射幕墙3的二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31上。
外侧玻璃幕墙2上下部各设置一个尺寸约为200mm*100mm的风口，上部为出风口，下部为进风口，进风口与底部龙骨12之间的距离为150～200mm，出风口与顶部龙骨11之间的距离为150～200mm，且分别在风口设置可自动调整的通风百叶22。
夏季时，通风百叶22可根据一天内空腔内空气温度以及室外环境空气温度的温差，自动调整开合角度；冬季时，进出风口则始终处于关闭状态，中空腔内空气由于太阳辐射导致温度上升，对于建筑具有保温的作用。
本实施例的通风百叶在温差大于5℃时开启，且随着温差的增大，百叶开合角度也逐渐增加，当温差小于2℃时，百叶关闭。
进风口、出风口以及两侧幕墙之间的空腔组成被动通风系统，利用空腔内空气温度与室外环境空气温度的温差形成的自然对流将空腔内的高温空气通过排气孔排出到环境中，避免将空腔内过高的热量通过内侧玻璃幕墙3传入室内，增加室内热负荷。
内侧玻璃幕墙3采用一体成型设计，其上设置有二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31。
二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31由多块带有一定曲率半径的微弧形镜面组成，设置于内侧玻璃幕墙1中空腔侧。
二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31的数量和尺寸与外侧通风幕墙2中一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21以及空腔相关，由一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21的焦距与空腔间距决定。
二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31可对阳光进行第二次聚焦，将阳光反射聚焦到位于顶部龙骨11上的相变蓄能装置4。
如图2所示，相变蓄能装置4通过螺栓连接于顶部龙骨11内部，其包括高透光玻璃41、吸热涂层42、玻璃47、热水管43、热管44、封装框45和相变材料46。
高透光玻璃41水平布置，底部与顶部龙骨11底部相平，其用于透过经一次聚集线性菲涅尔透镜阵列21以及二次菲涅尔反射镜阵列31二次聚焦的阳光，并照射在吸热涂层42上。
吸热涂层42位于高透光玻璃的上侧，用于吸收二次聚焦的太阳光的能量并转化为热量。
吸热涂层42的上方铺设玻璃47，且玻璃47上开设有用于安装热管的贯穿孔。
热水管43布置于热管两分支之间，与用户相连，可以供给用户洗涤、洗澡等，同时对于设置采暖系统的用户，其中的热水也可以满足用户冬季供暖的需求。
热管44底部穿过玻璃47上的安装孔与吸热涂层接触固定，热管的基管为铜管，基管外设置翅片。热管用于将吸热涂层吸收的热量传递给相变材料46与热水管43。
封装框45将高透光玻璃、吸热涂层、热管、热水管框柱。
相变材料46填充于封装框内，白天用于蓄存太阳辐射能量，在夜晚用于将蓄存的能量释放，实现太阳辐射能量的错时利用。
考虑到相变材料导热性能相对较差的特点，本实施例的热管采用树型设计，两分支将热水管的上半部包覆。该设计可增强相变材料在传热过程中的自然对流与接触传热，从而强化相变材料的传热，加快相变蓄能装置的蓄热速率，实现对于用户需求的快速响应。
本实施例的封装框采用矩形结构封装，封装材料选用3mm的304不锈钢，矩形封装结构可更好与顶部龙骨11相贴合。
本实施例选用的相变材料的相变温度为48℃至52℃，这个温度区间不仅可以满足用户生活用水需求，同时对于设置采暖系统的用户，该温度区间还可以满足采暖供水温度要求，实现冬季供热的效果。
如图3所示，外界阳光的聚焦过程为，通过一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列 21后第一次聚焦，聚焦于二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31上，再将聚焦的阳光反射至热管44所在区域形成二次聚焦，可实现将外侧玻璃幕墙2上的太阳辐射高效传递到相变蓄能装置4的功能。
相比于采用阳光直射相变材料单元的方法，由于经过两次聚焦，相变材料 46太阳辐射聚焦区域温度提高，吸热涂层42与相变材料，以及相变材料与热水之间传热温差均相应增大，进一步加大了相变材料蓄放热速率，从而实现对于用户需求的快速响应。
本幕墙模块安装后的运行过程如下：
当阳光照射在外侧玻璃幕墙2时，一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列21对阳光进行第一次聚焦，聚焦于二次聚焦菲涅尔反射镜阵列31上，二次聚焦菲涅尔反射镜阵列对阳光进行第二次聚焦，将阳光聚焦于热管44区域。经过二次聚焦的阳光透过高透光玻璃41，被特制的吸热涂层42吸收，将光能转化为热能。热管 44将吸收的热量传递给热水管43以及相变材料46。
由于热管44采用树型的设计，相变材料46熔化过程中，侧壁面处会出现Rayleigh-Bernard环流，加强相变材料的自然对流，同时在树形分叉处可形成接触传热，从而通过在传热机理层面的改进提高相变材料的传热性能。相变材料吸热由固态转变为液态，同时蓄存大量的能量，当热水管43水温降低时，利用相变材料蓄存的能量对水进行加热，保证热水管中水温始终满足用户需求。
此外，由于太阳光的照射，空腔内空气温度升高，在夏季时，设置于进风口和出风口上的自动调节百叶22利用预设算法通过比较空腔内空气温度以及室外环境空气温度，自动调整开闭以及开度倾角，通过自然对流的方式将空腔内的高温空气排出到室外，避免将空腔内过高的热量通过内侧玻璃幕墙3传入室内，增加室内热负荷。在冬季时，进风口和出风口则保持关闭，利用空腔内的高温空气形成对室内的保温。
通过以上二次聚焦光热相变蓄能系统以及被动通风系统的运行方式，本发明结合双层玻璃幕墙的结构特点，利用菲涅尔镜组以及相变蓄能装置，在不影响幕墙原有功能基础上实现了对于太阳能的高效利用。此外，通过二次聚焦以及树型导热热管设计，加快了相变材料蓄存能量及释放能量的速率，实现了对于用户需求的快速响应。
Claims (10)
1.一种新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，包括龙骨框架及其两侧固定的外侧玻璃幕墙和内侧玻璃幕墙，其特征在于：
本模块还包括嵌装于所述龙骨框架顶部的相变蓄能装置；
所述外侧玻璃幕墙上设置有一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列，内侧玻璃幕墙设置有二次聚焦菲涅尔反射镜阵列；
阳光通过一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列后第一次聚焦，聚焦于二次聚焦菲涅尔反射镜阵列上，再将聚焦的阳光反射至热管所在区域形成二次聚焦，可将外侧玻璃幕墙上的太阳辐射高效传递到相变蓄能装置。
2.如权利要求1所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述龙骨框架由顶部龙骨、底部龙骨和竖直龙骨组成，顶部龙骨中空，且底面无盖板，顶部龙骨和底部龙骨水平放置，两块竖直龙骨连接于左右两端，四块龙骨组成一个方形框架。
3.如权利要求2所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述外侧玻璃幕墙采用一体成型设计，其上一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列的各镜片嵌装于玻璃上的安装孔中，玻璃上对应一次聚焦线性菲涅尔透镜阵列的上侧和下侧分别通风百叶。
4.如权利要求3所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述通风百叶的尺寸为(200-500)mm×(50-150)mm。
5.如权利要求4所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述内侧玻璃幕墙采用一体成型设计，其上设置的所述二次聚焦菲涅尔反射镜阵列由多块微弧形镜面组成，设置于内侧玻璃幕墙中空腔侧。
6.如权利要求5所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述相变蓄能装置包括高透光玻璃、吸热涂层、玻璃、热管、热水管、相变材料和封装框；
高透光玻璃水平布置，吸热涂层位于其上表面，玻璃铺设于吸热涂层上，玻璃上开设有热管安装孔；
热管为Y型结构，其底部穿过玻璃与吸热涂层接触固定；
热水管布置于热管两分支之间；
封装框将高透光玻璃、吸热涂层、玻璃、热管、热水管框柱，相变材料填充于封装框内。
7.如权利要求6所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述封装框采用厚度为1～2mm的304不锈钢制作。
8.如权利要求6所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述热管的两分支的相对侧对称设置有分支使热管形成树型结构，两分支将所述热水管的上半部包覆。
9.如权利要求8所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述热管的基管为铜管，基管外设置有翅片。
10.如权利要求6所述的新型二次聚焦光热相变蓄能双层玻璃幕墙模块，其特征在于：所述相变材料的相变温度为48℃～52℃。
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