CN114411940A - 一种蛋形太阳能微型建筑及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了建筑技术领域内的一种蛋形太阳能微型建筑，包括底座、中心支柱、内层结构、外层结构、转轴支柱和滑轨；中心支柱的底部可转动地连接在底座上；内层结构为半球形结构；外层结构下部为半球形空腔结构，上部为半椭球形空腔结构；中心支柱上端穿过外层结构底部的槽缝与内层结构的底部固连；转轴支柱设置在外层结构的相对两侧；转轴支柱经轴和轴套与外层结构、内层结构相连；转轴支柱的底部与圆环形滑轨滑动接触；外层结构的顶部设有相变储能层，外层结构下部对应设有通风孔；外层结构上部开设有若干个窗。其利用建筑结构的各维度转动设计，使建筑实现更合理地进行通风采光和保暖，极大改善了室内环境。

Description

一种蛋形太阳能微型建筑及其运行方法

技术领域

本发明涉及到一种蛋形太阳能微型建筑及其运行方法，属于绿色建筑领域。

背景技术

使用太阳能对建筑进行供热和通风，是绿色建筑领域重要的研究方向。太阳能建筑往往受到日照角度的影响，对太阳能的利用具有一定局限性，目前已有一些对太阳进行追踪的技术措施，但一般需要安装额外的设备，从而追加建筑造价。以轻质材料建造的微型建筑以其便捷灵活、建造成本低的优点，在此方面具有一定优势，可在不影响建筑使用功能的前提下依靠建筑自身旋转对太阳进行追踪，从而省去太阳追踪设备，同时通过建筑结构设计提高建筑的通风和采光性能，使建筑环境控制成本降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种蛋形太阳能微型建筑及其运行方法，其利用建筑结构的各维度转动设计，使建筑根据室内热环境需要灵活接收太阳能，同时利用椭球聚焦原理，采用相变材料储能措施，并将通风和采光设计结合于建筑设计中，使微型建筑在充分节能的同时对室内热环境加以改善。

本发明的目的是这样实现的： 一种蛋形太阳能微型建筑，包括底座、中心支柱、内层结构、外层结构、转轴支柱和滑轨；底座用于支撑整个微型建筑，中心支柱的底部可转动地连接在底座上；内层结构为半球形结构；外层结构下部为半球形空腔结构，上部为半椭球形空腔结构；内层结构的半球面与外层结构下部半球面的内侧间隔空气薄层；中心支柱上端穿过外层结构底部的槽缝与内层结构的底部固连；转轴支柱设置在外层结构的相对两侧；外层结构两侧各开设有一个圆孔，圆孔内设有转轴和轴套；转轴一端与内层结构固连，另一端通过轴承与转轴支柱固连；轴套套在转轴的外侧，与外层结构固连；所述滑轨为圆环形，其圆心在中心支柱的竖直回转轴线上，转轴支柱的底部与滑轨滑动接触；外层结构的顶部设有相变储能层，相变储能层中填充有相变材料，外层结构的上表面对应涂有对太阳辐射具有高吸收率的材料；与外层结构的内腔对应设有通风孔，外层结构上部开设有若干个窗，通风孔与窗之间形成热压通风结构。该通风孔可以直接开设在外层结构的下部，也可以开设在连通外层结构内腔的其他构件上，只要使得外界空气能进入室内即可，窗不仅可以采光，其打开后，也作为通风通道，在空气具有温差情况下，热空气上升从上部离开，冷空气从下部补充进入而形成热压通风，因此，通风孔在高度方向上的位置要低于窗的位置。

进一步地，所述外层结构半椭球形结构的上焦点处设有反射膜铰接座，反射膜铰接座上部通过反射膜伸缩杆与相变储能层的顶部固连；反射膜铰接座环绕连接有反射膜，反射膜可通过反射膜伸缩杆和反射膜铰接座上的若干根辐条来控制张开或收起。通过反射膜可以调节建筑的吸光性能。进一步地，所述反射膜张开为圆形，反射膜中心开设有圆孔，所述反射膜选用铝箔隔热膜制成。

进一步地，所述中心支柱为空心圆柱状，通风孔开设在中心支柱上。其可以形成良好的对流通风效果。

进一步地，所述底座为圆盘形，滑轨通过辐条和底座连接。

进一步地，所述内层结构为半球形钢木空腔结构；外层结构为双层结构，采用高强塑料材料作为龙骨，在内外两侧覆膜制成，内外两侧覆膜均由对全波长辐射能具有高反射率的材料制成。

进一步地，所述内层结构的底部设有地板支架，地板支架的上方铺设有地板，地板为圆形，周边设有环形踢脚，环形踢脚上方开设有气孔。该方案可以形成良好的对流通风效果。

进一步地，外层结构一侧以转轴和轴套为圆心设有门，门为圆形，并在内层结构对应位置开洞；外层结构的窗下部及内层结构的上部位置设有一个侧窗。

一种蛋形太阳能微型建筑的运行方法，为如下方法中的至少一种：

（1）太阳能追踪方法：

通过中心支柱或通过转轴支柱带动外层结构进行水平方向的360°旋转；另通过轴套围绕转轴旋转则可带动外层结构在垂直方向的翻转；通过内层结构的旋转和外层结构的翻转，可使微型建筑在三个维度上转动。在夏季太阳光较强时，可以将建筑水平旋转，使其侧窗背离阳光。也可以将建筑垂直翻转，侧窗朝地面倾斜，形成阴影区，减少室内阳光的进入。在冬季太阳光较强时，可以将建筑水平旋转，使其侧窗正对阳光，也可以将建筑垂直翻转，侧窗朝天空倾斜，增加室内阳光的进入。由于内层结构的旋转方向始终在水平方向上，而地板通过地板支架与内层结构固连，所以无论建筑外层结构如何旋转，都能保证地板始终水平，不会影响人的行走和物品的摆放。由于门为圆形，建筑的旋转并不会影响其开启或关闭。由于该微型建筑基本由轻质材料搭建而成，可通过手动操作使内层结构和外层结构进行旋转或翻转，从而达到节能的目的。也可采用电动控制方法，以节省人力，提高运行稳定性。

（2）太阳能聚热方法：

寒冷天气时，太阳能被相变储能层吸收后，将热量储存起来，并缓慢向房间内部释放。反射膜收起，由于相变储能层下表面为椭球面，向下释放的热量会经过椭球的上焦点，即反射膜铰接座所在位置，到达椭球的内表面并被外层结构的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点附近位置，使人员所在位置附近具有较高的温度，从而提高人员的居住舒适性。

（3）通风方法：

炎热天气时，反射膜处在张开状态，相变储能层向下释放的大部分热量被反射膜阻挡，积聚在建筑室内空间的上部，使此处空气温度升高，室内空间在竖直方向的温度差增加，从而增加了自然通风的动力。空气自中心支柱下部的通风孔沿中心支柱上行，进入地板下部，并从地板周边的环状踢脚顶部气孔进入室内，在温差动力的引导下向上浮升，最后从窗离开房间。由于通风孔和窗之间具有足够的高度差和温差，使该建筑可具有良好的通风性能。寒冷天气时，可将通风孔和窗关闭，使房间得到保温。

（4）采光方法：

炎热天气时，将反射膜张开，太阳光从窗进入房间后，少量阳光可穿过反射膜中间的圆孔进入房间下部，向下释放的阳光会经过椭球的上焦点，即反射膜铰接座所在位置，到达椭球的内表面并被外层结构的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点附近位置，使人员所在位置附近具有较好的采光，从而提高人员的居住舒适性，而无需使房间内部摄入过多热量。

寒冷天气时，将反射膜收起，大量太阳光从窗进入房间，从而提高人员的居住舒适性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本产品结构简单，成本低廉，具有较高的市场实施可行性。

（2）本产品可最大程度利用太阳能，可在节能的前提下实现建筑调温、通风和采光，有效改善微型室内热环境，可期望具有一定的经济效益。

附图说明

图1-蛋形太阳能微型建筑正立面图。

图2-蛋形太阳能微型建筑侧立面图。

图3-蛋形太阳能微型建筑上部平面图。

图4-蛋形太阳能微型建筑底部平面图。

图5-图2中的A-A剖面图。

图6-图3中的B-B剖面图。

图7-蛋形太阳能微型建筑旋转示意图。

图8-蛋形太阳能微型建筑聚热示意图。

图9-蛋形太阳能微型建筑通风示意图。

图10-蛋形太阳能微型建筑采光示意图。

图11-图9中C的局部放大图。

图中：1-底座；2-中心支柱；3-内层结构；4-外层结构；5-转轴支柱；6-滑轨；7-转轴；8-轴套；9-相变储能层；10-反射膜铰接座；11-反射膜伸缩杆；12-反射膜；13通风孔；13a-第二通风孔；14-窗；15-地板支架；16-地板；17-门；18-侧窗；O1-上焦点；O2-下焦点。

具体实施方式

如图1-图6所示，为一种蛋形太阳能微型建筑，其主体结构包括底座1、中心支柱2、内层结构3、外层结构4、转轴支柱5和滑轨6。

如图1-图6所示，底座1为圆盘形，用于支撑整个微型建筑。中心支柱2为空心圆柱状，中心支柱2的底部与底座1的中心部位通过轴承连接，使中心支柱2可在水平方向进行360°旋转。内层结构3为半球形钢木空腔结构。外层结构4下部为半球形空腔结构，上部为半椭球形空腔结构，材料采用内外两侧覆膜的高强塑料龙骨，其中内外两侧覆膜均为对全波长辐射能具有高反射率的材料。内层结构3的半球面与外层结构4下部半球面的内侧间隔空气薄层。中心支柱2上端穿过外层结构4底部的槽缝，与内层结构3的底部固连。转轴支柱5为两根，分别位于外层结构4的相对两侧。外层结构4下部的两侧各开设有一个圆孔，两个圆孔内均设有转轴7和轴套8。转轴7一端与内层结构3固连，另一端通过轴承与转轴支柱5固连。轴套8套在转轴7的外侧，与外层结构4固连。滑轨6为圆环形，圆环形的圆心与底座1的圆心重合，滑轨6通过辐条和底座1连接，转轴支柱5的底部与滑轨6滑动接触。

如图3-图6所示，外层结构4的顶部设有相变储能层9，相变储能层9中填充有相变材料，上表面涂有对太阳辐射具有高吸收率的材料。外层结构4半椭球形结构的上焦点O1处设有反射膜铰接座10，反射膜铰接座10上部通过反射膜伸缩杆11与相变储能层9的顶部固连。反射膜铰接座10环绕连接有反射膜12，反射膜12可通过反射膜伸缩杆11和反射膜铰接座10上的若干根辐条来控制张开或收起，反射膜12张开为圆形，反射膜12中心开设有圆孔。优选的，反射膜12可选用铝箔隔热膜。

如图1-图2、图5-图6、图11所示，中心支柱2的下部开设有通风孔13。外层结构4的上部与相变储能层8连接的部位开设有若干个窗14。通风孔并不局限于开设在中心支柱2上，还可以开设在与外层结构4的内腔连通的其他位置，通风孔13与窗14之间形成热压通风结构。窗不仅可以采光，其打开后，也作为通风通道，在空气具有温差情况下，热空气上升从上部的窗离开，冷空气从下部补充进入而形成热压通风，因此，通风孔13在高度方向上的位置最好要低于窗14的位置。

通风孔13可以直接开设在外层结构的下部，也可以开设在连通外层结构内腔的其他位置上，如图8中的第二通风孔13a，其开设在外层结构4的下部，空气可以从外层结构4和内层结构3之间的间隙进入室内，其作用与通风孔13相同，可以与通风孔13相互取代，也可同时实施。为进一步方便空气的进入，内层结构3上也可对应开设气流通道，由于外层结构4和内层结构3之间会相互转动，为保证在相互转动一定角度后，气流仍可顺利进入室内，可以在内层结构上开设多个蜂窝孔、沿周向的条状孔等等。

如图3、如图5-图6所示，内层结构3的底部设有地板支架15，地板支架15的上方铺设有地板16，地板16为圆形，周边设有环形踢脚，环形踢脚上方开设有气孔。

如图2和图6所示，建筑一侧的外层结构4以转轴7和轴套8为圆心设有门17，门17为圆形，并在内层结构3对应位置开洞。门17中心的转轴7和轴套8上下设有高强塑料龙骨，其与外层结构4相连。

如图1所示，在两根转轴支柱5之间的一侧的外层结构4的窗14下部及内层结构3的上部位置设有一个侧窗18。

一种蛋形太阳能微型建筑，其运行方法为：

（1）太阳能追踪方法：

如图7所示，通过中心支柱（2）或通过转轴支柱（5）带动外层结构（4）进行水平方向的360°旋转；另通过轴套（8）围绕转轴（7）旋转则可带动外层结构（4）在垂直方向的翻转。

具体而言：驱动装置可以与中心支柱2传动连接，也可以与转轴支柱5传动连接，当然，以人力代替驱动机构也是可选的方案。当驱动装置与中心支柱2传动连接时，中心支柱2的旋转可带动内层结构3在水平方向360°旋转，而内层结构3的旋转可通过转轴7的传动带动转轴支柱5在底座1的滑轨6中进行水平方向的360°旋转，转轴7同时通过轴套8带动外层结构4进行水平方向的360°旋转。当驱动装置与转轴支柱5传动连接时，为上述运动的区别仅仅在于转轴支柱5主动运动，中心支柱2被动运动，两者均可驱动外层结构4进行水平方向的360°旋转。

轴套8围绕转轴7的旋转则可带动外层结构4在垂直方向的翻转。通过内层结构3的旋转和外层结构4的翻转，可使微型建筑在三个维度上转动。在夏季太阳光较强时，可以将建筑水平旋转，使其侧窗背离阳光。也可以将建筑垂直翻转，侧窗朝地面倾斜，形成阴影区，减少室内阳光的进入。在冬季太阳光较强时，可以将建筑水平旋转，使其侧窗正对阳光，也可以将建筑垂直翻转，侧窗朝天空倾斜，增加室内阳光的进入。由于内层结构3的旋转方向始终在水平方向上，而地板16通过地板支架15与内层结构3固连，所以无论建筑外层结构4如何旋转，都能保证地板16始终水平，不会影响人的行走和物品的摆放。由于门17为圆形，建筑的旋转并不会影响其开启或关闭。由于该微型建筑基本由轻质材料搭建而成，可通过手动操作使内层结构3和外层结构4进行旋转或翻转，从而达到节能的目的。也可采用电动控制方法，以节省人力，提高运行稳定性。

（2）太阳能聚热方法：

如图8所示，寒冷天气时，太阳能被相变储能层 9吸收后，将热量储存起来，并缓慢向房间内部释放。反射膜12收起，由于相变储能层9下表面为椭球面，向下释放的热量会经过椭球的上焦点O1，即反射膜铰接座10所在位置，到达椭球的内表面并被外层结构4的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点O2附近位置，使人员所在位置附近具有较高的温度，从而提高人员的居住舒适性。

（3）通风方法：

如图9、11所示，炎热天气时，反射膜12处在张开状态，相变储能层9向下释放的大部分热量被反射膜12阻挡，积聚在建筑室内空间的上部，使此处空气温度升高，室内空间在竖直方向的温度差增加，从而增加了自然通风的动力。空气自中心支柱2下部的通风孔13沿中心支柱2上行，进入地板16下部，并从地板16周边的环状踢脚顶部气孔进入室内，在温差动力的引导下向上浮升，最后从窗14离开房间。由于通风孔13和窗14之间具有足够的高度差和温差，使该建筑可具有良好的通风性能。寒冷天气时，可将通风孔13和窗14关闭，使房间得到保温。

（4）采光方法：

如图10所示，炎热天气时，将反射膜12张开，太阳光从窗14进入房间后，少量阳光可穿过反射膜12中间的圆孔进入房间下部，向下释放的阳光会经过椭球的上焦点O1，即反射膜铰接座10所在位置，到达椭球的内表面并被外层结构4的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点O2附近位置，使人员所在位置附近具有较好的采光，从而提高人员的居住舒适性，而无需使房间内部摄入过多热量。

寒冷天气时，将反射膜12收起，大量太阳光从窗14进入房间，从而提高人员的居住舒适性。

上述方法可仅使用其中的一种，也可多种同时使用，例如太阳能追踪方法和通风方法同时使用。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：包括底座（1）、中心支柱（2）、内层结构（3）、外层结构（4）、转轴支柱（5）和滑轨（6）；

底座（1）用于支撑整个微型建筑，中心支柱（2）的底部可转动地连接在底座（1）上；内层结构（3）为半球形结构；外层结构（4）下部为半球形空腔结构，上部为半椭球形空腔结构；内层结构（3）的半球面与外层结构（4）下部半球面的内侧间隔空气薄层；中心支柱（2）上端穿过外层结构（4）底部的槽缝与内层结构（3）的底部固连；转轴支柱（5）设置在外层结构（4）的相对两侧；外层结构（4）两侧各开设有一个圆孔，圆孔内设有转轴（7）和轴套（8）；转轴（7）一端与内层结构（3）固连，另一端通过轴承与转轴支柱（5）固连；轴套（8）套在转轴（7）的外侧，与外层结构（4）固连；所述滑轨（6）为圆环形，其圆心在中心支柱（2）的竖直回转轴线上，转轴支柱（5）的底部与滑轨（6）滑动接触；

外层结构（4）的顶部设有相变储能层（9）；

与外层结构（4）的内腔对应设有通风孔（13），外层结构（4）上部开设有若干个窗（14），通风孔（13）与窗（14）之间形成热压通风结构。

2.根据权利要求1所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述外层结构（4）半椭球形结构的上焦点处设有反射膜铰接座（10），反射膜铰接座（10）上部通过反射膜伸缩杆（11）与相变储能层（9）的顶部固连；反射膜铰接座（10）环绕连接有反射膜（12），反射膜（12）可通过反射膜伸缩杆（11）和反射膜铰接座（10）上的若干根辐条来控制张开或收起。

3.根据权利要求2所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述反射膜（12）张开为圆形，反射膜（12）中心开设有圆孔，所述反射膜（12）选用铝箔隔热膜制成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述中心支柱（2）为空心圆柱状，通风孔（13）开设在中心支柱（2）上。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述底座（1）为圆盘形，滑轨（6）通过辐条和底座（1）连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述内层结构（3）为半球形钢木空腔结构；外层结构（4）为双层结构，采用高强塑料材料作为龙骨，在内外两侧覆膜制成，内外两侧覆膜均由对全波长辐射能具有高反射率的材料制成。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：所述内层结构（3）的底部设有地板支架（15），地板支架（15）的上方铺设有地板（16），地板（16）为圆形，周边设有环形踢脚，环形踢脚上方开设有气孔。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种蛋形太阳能微型建筑，其特征在于：外层结构（4）一侧以转轴（7）和轴套（8）为圆心设有门（17），门（17）为圆形，并在内层结构（3）对应位置开洞；外层结构（4）的窗（14）下部及内层结构（3）的上部位置设有一个侧窗（18）。

9.一种蛋形太阳能微型建筑的运行方法，其特征在于：包括如下方法中的至少一种：

（1）太阳能追踪方法：

通过中心支柱（2）或通过转轴支柱（5）带动外层结构（4）进行水平方向的360°旋转；另通过轴套（8）围绕转轴（7）旋转则可带动外层结构（4）在垂直方向的翻转；通过内层结构（3）的旋转和外层结构（4）的翻转，使微型建筑在三个维度上转动；在夏季太阳光较强时，可以将建筑水平旋转，使其侧窗背离阳光；或将建筑垂直翻转，使侧窗朝地面倾斜，形成阴影区，减少室内阳光的进入；在冬季太阳光较强时，将建筑水平旋转，使其侧窗正对阳光，或将建筑垂直翻转，使侧窗朝天空倾斜，增加室内阳光的进入；

（2）太阳能聚热方法：

寒冷天气时，太阳能被相变储能层（9）吸收，将热量储存起来，并缓慢向房间内部释放；反射膜（12）收起，由于相变储能层（9）下表面为椭球面，向下释放的热量会经过椭球的上焦点，即反射膜铰接座（10）所在位置，到达椭球的内表面并被外层结构（4）的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点附近位置，使人员所在位置附近具有较高的温度，从而提高人员的居住舒适性；

（3）通风方法：

炎热天气时，反射膜（12）处在张开状态，相变储能层（9）向下释放的大部分热量被反射膜（12）阻挡，积聚在建筑室内空间的上部，使此处空气温度升高，室内空间在竖直方向的温度差增加，在自然通风的动力作用下，空气自通风孔（13）进入室内，在温差动力的引导下向上浮升，最后从窗（14）离开房间；寒冷天气时，将通风孔（13）和窗（14）关闭，使房间得到保温；

（4）采光方法：

炎热天气时，将反射膜（12）张开，太阳光从窗（14）进入房间后，少量阳光可穿过反射膜（12）中间的圆孔进入房间下部，向下释放的阳光经过椭球的上焦点，到达椭球的内表面并被外层结构（4）的内侧覆膜进行反射，然后射向室内人员所在的椭球下焦点附近位置，使人员所在位置附近具有较好的采光，从而提高人员的居住舒适性，而无需使房间内部摄入过多热量；

寒冷天气时，将反射膜（12）收起，大量太阳光从窗（14）进入房间，从而提高人员的居住舒适性。

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