CN115076786A - 一种冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调及温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调及温控方法，属于换热设备技术领域。本发明屋顶空调包括通风系统及辐射系统；通风系统与辐射系统为上下层叠布置；通风系统内通过风道隔板形成若干条通风管道；通风系统通过独立管道连接至室内；辐射系统通过可转换超冷材料、集热材料的传动设备达到冷热交换。本发明提供的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，相比普通空调巨大的电能消耗，该发明仅需消耗少量风机电能，即可实现夏季制冷，冬季供暖的效果，能够节约电力；同时不需消耗氟利昂等可能对环境有害的制冷剂物质。
Description
技术领域
本发明涉及一种冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调及温控方法，属于换热设备技术领域。
背景技术
太空的平均温度约为3 K，地球表面平均温度约为300 K，根据斯蒂芬-玻尔兹曼四次方定律可知，在地球表面和太空之间存在巨大的辐射换热潜力。地球表面物体通过“大气窗口”（8 ~13μm）与太空进行辐射换热的技术称为辐射冷技术。辐射冷技术的实际应用可以追溯到几个世纪前，例如几百年前的伊朗人利用辐射冷技术，在冬天将水冻成冰，再将冰深藏在地下几十米的地窖中；在夏天，通过自然对流，用冰冷却风塔内的空气给建筑降温。然后直到二十世纪六十年代辐射冷技术才被系统的研究，研究内容主要集中在辐射冷的原理和应用上。辐射冷技术所应用的材料被称为冷性材料。早期的冷性材料研究者主要把精力放在夜间冷却上，在上世纪七十年代和八十年代曾有过一段研究活跃期。实验证明，在夜间使用了冷性材料的物体能够使其表面温度低于环境温度10~15 ℃。然而，由于早期冷性材料反射和发射能力的不足，使其不能得到广泛的应用。同时因为白天辐射冷所需材料技术的限制（要求材料在太阳光谱内具有极低的吸收率，在大气窗口内具有极高的发射率），数十年来，辐射冷技术研究一直搁置不前。随着纳米材料技术的发展和仿生学研究的进步，人类可以根据太阳辐射光谱特征制造出光谱选择性超冷材料。2014年，Raman发表在《自然》期刊上的研究证明了白天辐射冷技术在原理和材料上均可实现，辐射冷技术研究重又焕发了生机。然而如何把白天辐射冷和夜间辐射冷结合起来，实现冬夏、昼夜之间的灵活转变（夏天制冷，冬天供暖），有待进一步研究。
发明内容
本发明针对上述问题了提供了冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调及温控方法。可实现制冷和供暖的双重目的。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，该屋顶空调包括通风系统及辐射系统；通风系统与辐射系统为上下层叠布置；
所述通风系统包括风机、风道隔板，盖板一，盖板二，软连接管道；所述盖板一、盖板二为上下层叠水平布置，盖板一、盖板二之间设有若干块垂直布置的风道隔板；由风道隔板在盖板一、盖板二之间隔断形成若干条通风管道；
所述风机的进风口部通过软连接管道与通风管道的进风口相连，通风管道的出风口通过入户连接管道连接至房屋内；
所述辐射系统包括超冷材料、集热材料、电动机、传送带、滚轴；由两根滚轴与传送带组成连动结构，传送带的表面覆盖超冷材料及集热材料；其中一个滚轴通过传动带与电动机相连；由电动机驱动滚轴转动从而带动传送带转动；所述超冷材料或集热材料为区域状覆盖至传送带表面，超冷材料与集热材料所覆盖区域相互不干涉。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，还包括底板，紧固件；所述底板位于屋顶上，所述紧固件布置在底板上，紧固件用于支撑辐射系统中的滚轴；所述紧固件分别布置在滚轴的轴向两端；所述紧固件将两个滚轴之间的传送带底部边缘远离底板。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，所述盖板一、盖板二之间通过风道隔板隔断形成“S”形的通风管道。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，所述传送带的延展面积与盖板一、盖板二的延展面积相对应。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，所述盖板一或盖板二均由透明聚乙烯材料制备，密度为0.91~0.93g/cm3。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，所述超冷材料是由二氧化硅、二氧化铪、银、钛、硅制备而成的复合材料。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，还包括智能控制器、温感触头；所述智能控制器用于控制电动机，所述温感触头布置在房屋内与智能控制器相连。
温感触头采用T型热电偶；智能控制器选用艾菲尼智能控制器；
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，所述风道隔板采用镀锌钢板，厚度为0.5~4mm；所述盖板一或盖板二的阳光透过率为：0.9~1，对室温下的普通物体，即盖板一、盖板二的辐射能（>3μm）透过率为0.8~1。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法，温控方法如下：
步骤一、该温控方法基于夏季、冬季的环境温度，采用辐射系统中传送带上不同延展面的超冷材料或集热材料与外部进行冷、热交换；
步骤二、通过超冷材料或集热材料对盖板二进行降温或升温，以改变通风管道内的温度；
步骤三、由风机将气流送入通风管道内，经过升温或降温的气流输送至室内。
本发明所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法，其特征在于：步骤一夏季、冬季的环境温度分为夏昼工况、夏夜工况、冬日工况、冬夜工况；
夏昼工况、夏夜工况中传送带将超冷材料面向盖板二；
冬日工况、冬夜工况中传送带将集热材料面向盖板二。
有益效果
本发明提供的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，相比普通空调巨大的电能消耗，该发明仅需消耗少量风机电能，即可实现夏季制冷，冬季供暖的效果，能够节约电力；同时不需消耗氟利昂等可能对环境有害的制冷剂物质。
本发明提供的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法，可实现在夏季白天，减少太阳光对建筑造成的得热，同时冷却房间周围空气给房间降温；在夏季夜晚，给房间提供冷空气，达到制冷效果；在冬季白天，利用热空气给建筑供暖；在冬季夜晚，减少房间失热量，给房间保暖。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的通风系统俯视图；
图3是本发明的通风系统的左侧视图；
图4是本发明的通风系统正视图；
图5是本发明的辐射系统正视图；
图6是本发明的辐射系统俯视图；
图7是本发明的辐射系统左侧视图；
图8是本发明的辐射系统超冷材料示意图；
图9是本发明的辐射系统集热材料示意图；
图10是本发明的辐射系统温感控制示意图；
图11 是本发明的屋顶空调夏昼运行示意图；
图12 是本发明的屋顶空调夏夜运行示意图；
图13 是本发明的屋顶空调冬日运行示意图；
图14 是本发明的屋顶空调冬夜运行示意图。
图中标记：1、风机；2、软连接管道；3、盖板一；4、盖板二；5、风道隔板；6、房间；7、屋顶；8、超冷材料；9、集热材料；10、滚轴；11、传送带；12、电动机、13、紧固件；14、底板；15、智能控制器；16、温感触头、17、连接管道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图3、图4、图5所示：冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，该装置适用于低层建筑和厂房；该屋顶空调包括通风系统及辐射系统；通风系统与辐射系统为上下层叠布置；通风系统包括风机1、风道隔板5，盖板一3，盖板二4，软连接管道2；盖板一3、盖板二4为上下层叠水平布置，盖板一3、盖板二4之间设有若干块垂直布置的风道隔板5；由风道隔板在盖板一3、盖板二4之间隔断形成若干条通风管道；风机1的进风口部通过软连接管道2与通风管道的进风口相连，通风管道的出风口通过入户连接管道连接至房屋内；底板14位于屋顶上，紧固件13布置在底板14上，紧固件13用于支撑辐射系统中的滚轴10；紧固件13分别布置在滚轴10的轴向两端；紧固件13将两个滚轴之间的传送带11底部边缘远离底板14。
风道隔板采用镀锌钢板，厚度为0.5~4mm；盖板一3或盖板二4均由透明聚乙烯材料制备，密度为0.91~0.93g/cm3。盖板一或盖板二的阳光透过率为：0.9~1，对室温下的普通物体，即盖板一3、盖板二4的辐射能（>3μm）的透过率为0.8~1。
如图2所示：盖板一3、盖板二4之间通过风道隔板5隔断形成“S”形的通风管道。
如图6、图7、图8、图9所示：辐射系统包括超冷材料8、集热材料9、电动机12、传送带11、滚轴10；由两根滚轴10与传送带11组成连动结构，传送带11的表面覆盖超冷材料8及集热材料9；其中一个滚轴10通过传动带与电动机相连；由电动机驱动滚轴转动从而带动传送带转动；超冷材料或集热材料为区域状覆盖至传送带表面，超冷材料与集热材料所覆盖区域相互不干涉。传送带11的延展面积与盖板一3、盖板二4的延展面积相对应。盖板一或盖板二均由聚乙烯材料制备，密度为0.91~0.93g/cm3。
超冷材料是由二氧化硅、二氧化铪、银、钛、硅制备而成的复合材料。
集热材料层由减反射层Al2O3、次吸收层CrNbTiVZrNO、主吸收层CrNbTiVZrN、红外反射层TiN和抛光不锈钢片构成的吸热基底SS构成；
如图10所示：冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，智能控制器用于控制电动机，温感触头（T型热电偶）布置在房屋内与智能控制器（艾菲尼智能控制器）相连。
如图11、图12、图13所示：冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法：本发明从夏昼工况、夏夜工况、冬日工况、冬夜工况依次说明：
在夏季白天日照情况下，现有超冷材料制冷功率可达150W/m2，在夏季夜间可使其表面温度低于周围空气温度58℃。在冬季，现有适用于太阳能空气集热器的集热材料可使得空气温度升高56℃。
在夏季白天（图11），传送带涂有超冷材料的一面朝向太空，超冷材料可反射绝大部分太阳光；同时，由于超冷材料表面发射率大，超冷材料与太空进行辐射换热，使其表面温度低于周围空气温度，进而冷却盖板二；这时打开风机，通入空气，热空气被盖板二冷却，密度变大；被冷却的空气经过管道被排放到建筑四周（可在房间外墙周围布置通风管），在重力的作用下下沉，冷空气贴附在房间四周，从而给房间表面降温，同时阻止热量进入房间，进而达到给房间降温的目的。
该超冷材料，在夏季夜间可使其表面温度低于周围空气温度58℃。
在夏季夜晚，传送带涂有超冷材料的一面朝向太空，此时超冷材料与太空进行辐射换热（图12），使其表面温度远远低于周围空气温度，进而冷却盖板二；这时打开风机，通入夜间空气，空气流经盖板二表面被进一步冷却，被冷却后的空气经管道通入房间，可给房间提供冷量，不需要消耗氟利昂等对环境有害的制冷剂物质。
在冬天白天，将传送带涂有集热材料的一面朝向太空（图13）。倘若冬日白天有太阳，集热材料对太阳光的吸收率大，集热材料可吸收太阳能使得集热材料表面温度升高，进而引起盖板二温度升高；此时打开风机，通入空气，冷空气被盖板二加热后成为暖风，被引入室内，从而起到给房间供暖的效果。
在冬天夜晚（图14），将传送带涂有集热材料的一面朝向太空。此时不开启风机，传送带上方的空气流道内储存有静止的空气，由传热学知识可知空气的导热系数较小（101325 Pa，20 ℃时，空气导热系数为0.0259 K/(m•K)），此时，在屋顶和太空之间相当于加了一层绝缘层，阻断了原有屋顶和周围空气的直接对流换热；同时盖板一、盖板二以及传送带的存在，相当于在屋顶和太空之间加了数道遮热板，阻碍了屋顶和太空之间的直接辐射换热，阻止了热量从屋顶散失，从而起到保暖的效果。
本发明配有智能控制系统和感温触头，感温触头感知出风口温度，将信号传递给智能控制系统，智能控制系统可根据室内温度的变化来调节超冷材料和集热材料面向太空的比例，从而实现温度调节。该发明为全新风系统，不需要室内回风，为控制新冠病毒的传播提供优选方案。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：该屋顶空调包括通风系统及辐射系统；通风系统与辐射系统为上下层叠布置；
所述通风系统包括风机、风道隔板，盖板一，盖板二，软连接管道；所述盖板一、盖板二为上下层叠水平布置，盖板一、盖板二之间设有若干块垂直布置的风道隔板；由风道隔板在盖板一、盖板二之间隔断形成若干条通风管道；
所述风机的进风口部通过软连接管道与通风管道的进风口相连，通风管道的出风口通过入户连接管道连接至房屋内；
所述辐射系统包括超冷材料、集热材料、电动机、传送带、滚轴；由两根滚轴与传送带组成连动结构，传送带的表面覆盖超冷材料及集热材料；其中一个滚轴通过传动带与电动机相连；由电动机驱动滚轴转动从而带动传送带转动；所述超冷材料或集热材料为区域状覆盖至传送带表面，超冷材料与集热材料所覆盖区域相互不干涉。
2.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：还包括底板，紧固件；所述底板位于屋顶上，所述紧固件布置在底板上，紧固件用于支撑辐射系统中的滚轴；所述紧固件分别布置在滚轴的轴向两端；所述紧固件将两个滚轴之间的传送带底部边缘远离底板。
3.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：所述盖板一、盖板二之间通过风道隔板隔断形成“S”形的通风管道。
4.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：所述传送带的延展面积与盖板一、盖板二的延展面积相对应。
5.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：所述盖板一或盖板二均由透明聚乙烯材料制备，密度为0.91~0.93g/cm3。
6.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：所述超冷材料是由二氧化硅、二氧化铪、银、钛、硅制备而成的复合材料。
7.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：还包括智能控制器、温感触头；所述智能控制器用于控制电动机，所述温感触头布置在房屋内与智能控制器相连。
8.根据权利要求1所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调，其特征在于：所述风道隔板采用镀锌钢板，厚度为0.5~4mm；所述，盖板一、盖板二为透明材料制备；盖板一或盖板二的阳光透过率为：0.9~1，盖板一、盖板二的辐射能透过率为0.8~1。
9.利用权利要求1至8所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法，其特征在于：温控方法如下：
步骤一、该温控方法基于夏季、冬季的环境温度，采用辐射系统中传送带上不同延展面的超冷材料或集热材料与外部进行冷、热交换；
步骤二、通过超冷材料或集热材料对盖板二进行降温或升温，以改变通风管道内的温度；
步骤三、由风机将气流送入通风管道内，经过升温或降温的气流输送至室内。
10.根据权利要求9所述的冬、夏两用昼夜循环的屋顶空调的温控方法，其特征在于：所述步骤一夏季、冬季的环境温度分为夏昼工况、夏夜工况、冬日工况、冬夜工况；
夏昼工况、夏夜工况中传送带将超冷材料面向盖板二；
冬日工况、冬夜工况中传送带将集热材料面向盖板二。
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