CN115095042A - 一种折线形自适应性建筑围护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的的一种折线形的自适应性建筑围护结构,属于建筑能源技术领域。本发明采用折线形集热墙,吸收太阳光的表面积增大,且集热墙表面随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,故其利用太阳能的效率高。多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供更大换热面积,且将相变材料分别封装,利于相变材料的充分相变,能够改善结构的储热、释热能力。本发明通过气流调节装置能够实现不同的工作模式,包括在炎热的天气下促进室内通风、在寒冷的天气下为室内供暖或促进室内通风。本发明能够增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用,且能够在对太阳光具有高吸收率的同时保持低发射率。
Description
技术领域
本发明属于建筑能源技术领域,涉及一种折线形的自适应性建筑围护结构。
背景技术
建筑能耗在我国能源消费中的占比已经接近一半,而其中又有很大一部分来自暖通空调系统。所以,在保证室内环境舒适度的前提下合理地降低建筑暖通空调系统的能耗,对我国的节能减排有重要意义。结合相变材料(Phase Change Material)的特朗勃墙(Trombe Wall)是一项成熟的建筑节能技术,它是一种利用太阳能对室内供暖并促进通风的被动式结构。其一般装配在建筑向阳面的外侧,由集热墙、透明外墙以及封装在集热墙内部的相变材料构成,集热墙吸收太阳辐射而升高温度,从而加热集热墙与透明外墙之间通风道内的空气,通风道内空气在自然对流的作用下配合通风阀的调节实现对室内的供暖与通风。相变材料由于其高潜热的特点,可以利用相变过程储存、释放大量热量,其在白天经集热墙的热传导吸收并储存热量,在日落后释放能量以加热集热墙,从而延长了系统的工作时间。上述结构对室内的供暖与通风作用降低了建筑的热负荷,从而节省了暖通空调系统需要的能耗。
但是,传统的特朗勃墙结合相变材料能达到的节能效果有限。一是由于太阳的位置在一天之中不断地变化,使得很大一部分时间内集热墙的太阳入射角处于较高的水平,导致结构对太阳能的利用率低。另外,由于相变材料的导热性普遍不佳,所以在实际运行过程中封装的相变材料很难完全实现相变,导致系统的循环储热量低。此外,由于集热墙的表面温度高,向外热辐射功率也高,因此城市中的大型特朗勃墙结构在夏季成为了额外的热源,使周围环境变得更热。基于上述原因,有必要引入新的方法,提高对太阳能的利用率和相变材料中有效相变的比例,并减少结构的对外热辐射。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种折线形的自适应性建筑围护结构,能够实现如下目的:(一)采用折线形集热墙取代传统特朗勃墙中的平板形集热墙,使墙体吸收太阳光的表面积增大,且折线形集热墙有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此能够提高太阳能利用率,且能减少建筑材料用量,节约成本;(二)将墙内的相变材料分成多个适应墙体形状的小块分别封装,使导热性能普遍较差的相变材料能够更充分地相变,从而提高结构的储热、释热能力,让结构能在白天储存更多热能,在夜晚维持更长时间的运行;(三)折线形集热墙表面与通风道内空气对流换热面积更大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此也会增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用,从而提高结构的供热与促进通风的能力;(四)在集热墙外表面贴附具有选择性吸收材料镀层的吸热片,在对太阳光具有高吸收率的同时保持低发射率,不仅能够提高对太阳能的利用率,又能够避免建筑在天气炎热时成为额外的热源;(五)该结构通过气流调节装置能够实现不同的工作模式,包括在炎热的天气下促进室内通风、在寒冷的天气下为室内供暖或促进室内通风。
为了解决上述传统特朗勃墙的不足,本发明采用的技术方案如下:
本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,安装在建筑向阳面外墙的外侧,包括隔热层、折线形集热墙、吸热片、相变材料封装槽、透明外墙、气流调节装置;在特朗勃墙中采用折线形集热墙取代传统的平板形集热墙,使墙体吸收太阳光的表面积增大,且折线形集热墙有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此能够提高太阳能利用率,且能减少建筑材料用量,节约成本。将墙内的相变材料分成多个适应墙体形状的小块分别封装,使导热性能普遍较差的相变材料能够更充分地相变,从而提高结构的储热、释热能力。折线形集热墙与通风道内空气对流换热面积更大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,增强气体湍流,能够进一步促进通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热,提升结构的供热能力。在集热墙外表面贴附具有选择性吸收材料镀层的吸热片,在对太阳光具有高吸收率的同时保持低发射率,不仅能够提高对太阳能的利用率,又能够避免建筑在天气炎热时成为额外的热源。气流调节装置用于控制空气流向、流量,实现促进室内通风或室内供热,适应不同的季节环境切换。
所述折线形包括三角折线波浪形、圆弧波浪形或其他类型的曲线,以适应建筑部件布局、通风、供热性能要求。
作为优选,本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,包括隔热层、折线形集热墙、吸热片、相变材料封装槽、透明外墙、气流调节装置。所述气流调节装置包括外侧上风阀、外侧下风阀、内侧上风阀、内侧下风阀。所述隔热层处在所述折线形集热墙与所述建筑外墙之间,即所述折线形集热墙的外侧并非是一个平面,而是由多个平面按照相同的角度排列而成的折线形表面,使折线形集热墙有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此能够提高太阳能利用率。所述若干吸热片成组地覆盖在所述折线形集热墙的外表面,使墙体吸收太阳光的表面积增大。所述相变材料槽设置在所述折线形集热墙的内部,形状为横向排布的竖直棱柱,其内部封装有相变材料。所述透明外墙安装在所述折线形集热墙外,将折线形集热墙的外部完全包围,与折线形集热墙之间留有空隙作为空气通道;所述折线形集热墙的上部和下部分别设有所述内侧上风阀和所述内侧下风阀,连接所述透明外墙与所述折线形集热墙之间的空气通道与室内空间;所述透明外墙的上部和下部则分别设有所述外侧上风阀和所述外侧下风阀,连接所述透明外墙与所述折线形集热墙之间的空气通道与室外环境。
作为优选,所述折线形集热墙的外表面与空气通道中气流之间的对流传热公式为:
Q=h(tw-tf)A
式中,Q为由所述折线形集热墙的外表面传递至空气通道中气流的热流量,单位为W;h为对流换热系数,单位为W/(m2·K);tw与tf分别为所述折线形集热墙的外表面与此表面附近气流的温度,单位为℃;A为所述折线形集热墙与通道内空气的接触面积,单位为m2。
一方面,所述折线形集热墙面由多个平面组成,所述平面分为两种朝向故有不同的太阳光入射角,所以温度分布相较于平面形墙面不均匀,从而会使通道中空气产生密度分布差异,对气流产生扰动,促进气体形成湍流,从而增大了对流换热系数h。另一方面,所述折线形集热墙面与通道内空气的接触面积A显然比平面形墙面更大。所以所述折线形集热墙面能够提供比传统平面形墙面更大的热流量Q,使结构的供热能力提升。
为了在保证通风道不过于宽大以失去烟囱效应带来的通风与传热优势,作为进一步优选,对于所述折线形集热墙的形状,折线形尖端到底部的距离与透明外墙到折线形底部的距离之比在0.6~1之间。
为了使墙体内封装的相变材料的量能够在提供足够的蓄热能力的同时又不过多从而造成成本浪费,作为优选,所述相变材料封装槽的横截面积与所述折线形集热墙中每个凸起的柱体的横截面积之比在0.4~0.7之间。
为了适应不同的建筑和气候,并能够满足不同的建造成本预算,作为进一步优选,折线形集热墙的形状可以为三角直线波浪形或圆弧波浪形。
为了适应不同的波浪形集热墙形状以促进相变材料的充分相变,从而提高结构的循环储热、释热量,以提高结构的供热与促进通风性能,作为优选,封装相变材料的槽体可为三棱柱形、半圆柱形等柱体形状。
为了使折线形集热墙能够在对太阳光有高吸收率的同时保持低发射率,从而能够对太阳能有高利用率又能避免在炎热的天气向外围环境辐射大量热量,作为优选,所述吸热片为外侧表面镀有太阳能选择性吸收材料层的薄铜片或薄铝片。
为了保证相变材料能够稳定地封装在腔体内不会泄露,在相变前后没有较大的体积变化,且能够具有较高的相变潜热,作为优选,所述相变材料槽内封装的相变材料为石蜡等固-液类有机相变材料。根据具体应用所在地区的气候,相变材料的相变温度范围在25~40℃之间。
为了调节通风道内空气流向以调节工作模式,从而适应不同的天气与不同的用户需求,作为优选,所述的四个风阀均设置为电动控制阀,用于满足该结构在不同天气条件、不同需求下的不同工作模式。
为了保证集热墙表面在一天中保持较小的太阳入射角,作为优选,折线形集热墙的折角在80°~140°之间,根据应用地点的经纬度、太阳辐射情况、气候等因素对所述折线形集热墙的角度与尺寸进行调整。
本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构的工作方法为:在炎热的季节需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧上风阀和外侧下风阀关闭,内侧下风阀和外侧上风阀开启。折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被其加热形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀进入空气通道再向上流经外侧上风阀而排至室外环境,室内空气排出的同时新的空气在压力作用下从开放的窗户流入室内,从而构成完整的通风过程,如此在零能耗下保持室内空气新鲜并让室内人员有凉爽的风感。
在寒冷的天气需要供暖时,气流调节装置中的外侧上风阀和外侧下风阀关闭,内侧上风阀和内侧下风阀开启,折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片承载选择性吸收材料镀层,所述镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀进入空气通道再不断上升、不断被加热最终经内侧上风阀流回室内环境,折线形集热墙中的热量在所述内循环气流作用下被送入室内实现供暖。
在寒冷的天气需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧下风阀和外侧上风阀关闭,内侧上风阀和外侧下风阀开启,折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室外的空气经外侧下风阀进入空气通道,在向上流动中被加热,最终经内侧上风阀流入室内环境,在新鲜、温暖的空气进入室内的同时,室内的空气在压力作用下经开启的窗户流出,从而构成完整的通风过程并实现一定的供暖效果。
有益效果:
1、本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,将传统特朗勃墙中的平面集热墙改进成所述折线形集热墙,吸收太阳光的表面积增大,且其集热墙的表面有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,故其利用太阳能的效率高,且能减少建筑材料的用量以节约成本。
2、本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,所述的多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,能够改善结构的储热、释热能力,让结构能在白天储存更多热能从而在夜晚维持更长时间的运行。
3、本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,相较于传统特朗勃墙,所述折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积更大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用,从而提高结构的供热与促进通风的能力。
4、本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,所述的吸热片承载选择性吸收材料镀层,所述镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。
5、本发明公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构,能够通过气流调节装置实现不同的工作模式,包括在炎热的天气下促进室内通风、在寒冷的天气下为室内供暖或促进室内通风。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的剖面示意图。
图3为本发明中所述折线形集热墙的形状可以做出的调整,图3(a)为角度可变的三角折线波浪形集热墙,图3(b)为弧度可变的圆弧波浪形集热墙。
图4为本发明第一工作状态的示意图(炎热天气下通风)。
图5为本发明第二工作状态的示意图(寒冷天气下供暖)。
图6为本发明第三工作状态的示意图(寒冷天气下通风)。
图中:1-建筑外墙;2-隔热层;3-折线形集热墙;4-吸热片;5-透明外墙;6-外侧下风阀;7-内侧下风阀;8-外侧上风阀;9-内侧上风阀;10-相变材料封装槽。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例,并不因此而限定本发明的保护范围。
见图1和图2所示,本实施例公开的一种相变储能特朗勃墙结构,包括建筑外墙1、隔热层2、折线形集热墙3、吸热片4、透明外墙5、外侧下风阀6、内侧下风阀7、外侧上风阀8、内侧上风阀9和相变材料封装槽10。整个结构安装在建筑外墙1的外侧,折线形集热墙3与建筑外墙1之间有隔热层2相隔;吸热片4若干,成组地覆盖在折线形集热墙3的外表面;相变材料封装槽10设置在折线形集热墙3的内部,形状为横向排布的竖直棱柱,其内部封装有相变材料;透明外墙5安装在折线形集热墙3之外,将折线形集热墙3的外部完全包围,与折线形集热墙3之间留有空隙作为空气通道;折线形集热墙3的上部和下部分别设有内侧上风阀9和内侧下风阀7,连接透明外墙5与折线形集热墙3之间的空气通道与室内空间;透明外墙5的上部和下部则分别设有外侧上风阀8和外侧下风阀6,连接透明外墙5与折线形集热墙3之间的空气通道与室外环境。
折线形集热墙3的外墙面是是由多个平面按照相同的角度排列而成的折线形表面。
对于折线形集热墙3的形状,折线形尖端到底部的距离与透明外墙到折线形底部的距离之比为0.9。
相变材料槽10的横截面积与折线形集热墙3中每个棱柱的横截面积之比为0.6。
吸热片4为外侧镀有太阳能选择性吸收材料层的薄铜片或薄铝片。
相变材料槽10内封装的相变材料为石蜡,相变材料的相变温度为28℃之间。
外侧下风阀6、内侧下风阀7、外侧上风阀8和内侧上风阀9均设置为电动控制阀,通过这四个风阀的开关调节可以实现该结构在不同季节下的不同工作模式。
见图3所示,为了保证较好的性能,折线形集热墙的折角为95°,根据应用地点的经纬度、太阳辐射情况、气候等因素对所述折线形集热墙的角度与尺寸进行调整(图a角度可变的三角折线波浪形集热墙)。
见图3所示,在本应用的一些实例中,可以将三角折线波浪形改为圆弧波浪形或其他类型的曲线以达到相似的或更好的性能(图b弧度可变的圆弧波浪形集热墙)。
见图4所示,本实施例公开的一种折线形的自适应性建筑围护结构的工作方法为:在炎热的季节需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧上风阀9和外侧下风阀6关闭,内侧下风阀7和外侧上风阀8开启。折线形集热墙3的外表面在吸热片4对太阳光的吸收作用下温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片4承载选择性吸收材料镀层,所述镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙3则由相变材料封装槽10内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙3和透明外墙5之间空气通道内的空气被其加热形成上升气流,由于折线形集热墙3的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀7进入空气通道再向上流经外侧上风阀8而排至室外环境,室内空气排出的同时新的空气在压力作用下从开放的窗户流入室内,从而构成了完整的通风过程,如此在零能耗下保持室内空气新鲜并让室内人员有凉爽的风感。图中的箭头示意结构中的气流方向。
见图5所示:在寒冷的天气需要供暖时,气流调节装置中的外侧上风阀8和外侧下风阀6关闭,内侧上风阀9和内侧下风阀7开启,折线形集热墙3的外表面在吸热片4对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片4承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙3则由相变材料封装槽10内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙3和透明外墙5之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙3的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀7进入空气通道再不断上升、不断被加热最终经内侧上风阀9流回室内环境,折线形集热墙3中的热量在这样的内循环气流作用下被送入室内实现供暖。图中的箭头示意结构中的气流方向。
见图6所示:在寒冷的天气需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧下风阀7和外侧上风阀8关闭,内侧上风阀9和外侧下风阀6开启,折线形集热墙3的外表面在吸热片4对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本。而吸热片4承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率。在夜晚,折线形集热墙3则由相变材料封装槽10内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间。折线形集热墙3和透明外墙5之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙3的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用。在热压驱动下,室外的空气经外侧下风阀6进入空气通道,在向上流动中被加热,最终经内侧上风阀9流入室内环境,在新鲜、温暖的空气进入室内的同时,室内的空气在压力作用下经开启的窗户流出,从而构成完整的通风过程并实现一定的供暖效果。图中的箭头示意结构中的气流方向。
以上仅为本申请的较佳实施例,并不用于限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同,这里不再赘述。
Claims (10)
1.一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:安装在建筑向阳面外墙的外侧,包括隔热层、折线形集热墙、吸热片、相变材料封装槽、透明外墙、气流调节装置;在特朗勃墙中采用折线形集热墙取代传统的平板形集热墙,使墙体吸收太阳光的表面积增大,且折线形集热墙有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此能够提高太阳能利用率,且能减少建筑材料用量,节约成本;将墙内的相变材料分成多个适应墙体形状的小块分别封装,使导热性能普遍较差的相变材料能够更充分地相变,从而提高结构的储热、释热能力;折线形集热墙与通风道内空气对流换热面积更大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,增强气体湍流,能够进一步促进通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热,提升结构的供热能力;在集热墙外表面贴附具有选择性吸收材料镀层的吸热片,在对太阳光具有高吸收率的同时保持低发射率,不仅能够提高对太阳能的利用率,又能够避免建筑在天气炎热时成为额外的热源;气流调节装置用于控制空气流向、流量,实现促进室内通风或室内供热,适应不同的季节环境切换。
2.如权利要求1所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:所述折线形包括三角折线波浪形、圆弧波浪形或其他类型的曲线,以适应建筑部件布局、通风、供热性能要求。
3.如权利要求2所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:包括隔热层、折线形集热墙、吸热片、相变材料封装槽、透明外墙、气流调节装置;所述气流调节装置包括外侧上风阀、外侧下风阀、内侧上风阀、内侧下风阀;所述隔热层处在所述折线形集热墙与所述建筑外墙之间,即所述折线形集热墙的外侧并非是一个平面,而是由多个平面按照相同的角度排列而成的折线形表面,使折线形集热墙有两种朝向,随着太阳相对位置的变化总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此能够提高太阳能利用率;所述若干吸热片成组地覆盖在所述折线形集热墙的外表面,使墙体吸收太阳光的表面积增大;所述相变材料槽设置在所述折线形集热墙的内部,形状为横向排布的竖直棱柱,其内部封装有相变材料;所述透明外墙安装在所述折线形集热墙外,将折线形集热墙的外部完全包围,与折线形集热墙之间留有空隙作为空气通道;所述折线形集热墙的上部和下部分别设有所述内侧上风阀和所述内侧下风阀,连接所述透明外墙与所述折线形集热墙之间的空气通道与室内空间;所述透明外墙的上部和下部则分别设有所述外侧上风阀和所述外侧下风阀,连接所述透明外墙与所述折线形集热墙之间的空气通道与室外环境。
4.如权利要求1、2或3所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:所述折线形集热墙的外表面与空气通道中气流之间的对流传热公式为:
Q=h(tw-tf)A
式中,Q为由所述折线形集热墙的外表面传递至空气通道中气流的热流量,单位为W;h为对流换热系数,单位为W/(m2·K);tw与tf分别为所述折线形集热墙的外表面与此表面附近气流的温度,单位为℃;A为所述折线形集热墙与通道内空气的接触面积,单位为m2;
一方面,所述折线形集热墙面由多个平面组成,所述平面分为两种朝向故有不同的太阳光入射角,所以温度分布相较于平面形墙面不均匀,从而会使通道中空气产生密度分布差异,对气流产生扰动,促进气体形成湍流,从而增大了对流换热系数h;另一方面,所述折线形集热墙面与通道内空气的接触面积A显然比平面形墙面更大;所以所述折线形集热墙面能够提供比传统平面形墙面更大的热流量Q,使结构的供热能力提升。
5.如权利要求4所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:为了在保证通风道不过于宽大以失去烟囱效应带来的通风与传热优势,对于所述折线形集热墙的形状,折线形尖端到底部的距离与透明外墙到折线形底部的距离之比在0.6~1之间。
6.如权利要求1、2或3所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:为了使墙体内封装的相变材料的量能够在提供足够的蓄热能力的同时又不过多从而造成成本浪费,作为优选,所述相变材料封装槽的横截面积与所述折线形集热墙中每个凸起的柱体的横截面积之比在0.4~0.7之间。
7.如权利要求6所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:为了适应不同的建筑和气候,并能够满足不同的建造成本预算,折线形集热墙的形状为三角直线波浪形或圆弧波浪形。
8.如权利要求1、2或3所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:为了适应不同的波浪形集热墙形状以促进相变材料的充分相变,从而提高结构的循环储热、释热量,以提高结构的供热与促进通风性能,封装相变材料的槽体为三棱柱形或半圆柱形;
为了使折线形集热墙能够在对太阳光有高吸收率的同时保持低发射率,从而能够对太阳能有高利用率又能避免在炎热的天气向外围环境辐射大量热量,所述吸热片为外侧表面镀有太阳能选择性吸收材料层的薄铜片或薄铝片;
为了保证相变材料能够稳定地封装在腔体内不会泄露,在相变前后没有较大的体积变化,且能够具有较高的相变潜热,所述相变材料槽内封装的相变材料为石蜡等固-液类有机相变材料;根据具体应用所在地区的气候,相变材料的相变温度范围在25~40℃之间。
9.如权利要求1、2或3所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:为了调节通风道内空气流向以调节工作模式,从而适应不同的天气与不同的用户需求,所述的四个风阀均设置为电动控制阀,用于满足该结构在不同天气条件、不同需求下的不同工作模式;
为了保证集热墙表面在一天中保持较小的太阳入射角,折线形集热墙的折角在80°~140°之间,根据应用地点的经纬度、太阳辐射情况、气候等因素对所述折线形集热墙的角度与尺寸进行调整。
10.如权利要求1、2或3所述的一种折线形的自适应性建筑围护结构,其特征在于:在炎热的季节需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧上风阀和外侧下风阀关闭,内侧下风阀和外侧上风阀开启;折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本;而吸热片承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率;在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间;折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被其加热形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用;在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀进入空气通道再向上流经外侧上风阀而排至室外环境,室内空气排出的同时新的空气在压力作用下从开放的窗户流入室内,从而构成完整的通风过程,如此在零能耗下保持室内空气新鲜并让室内人员有凉爽的风感;
在寒冷的天气需要供暖时,气流调节装置中的外侧上风阀和外侧下风阀关闭,内侧上风阀和内侧下风阀开启,折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本;而吸热片承载选择性吸收材料镀层,所述镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率;在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间;折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用;在热压驱动下,室内的空气经内侧下风阀进入空气通道再不断上升、不断被加热最终经内侧上风阀流回室内环境,折线形集热墙中的热量在所述内循环气流作用下被送入室内实现供暖;
在寒冷的天气需要促进室内通风时,气流调节装置中的内侧下风阀和外侧上风阀关闭,内侧上风阀和外侧下风阀开启,折线形集热墙的外表面在吸热片对太阳光的吸收作用下在白天受阳光照射温度升高,折线形的墙体比传统的平面墙体吸收太阳光的表面积更大,且其墙面有两种朝向,在一天之中总有一个朝向的表面具有较小的入射角,因此对太阳能的利用率高,且减少建筑材料用量从而降低建造成本;而吸热片承载选择性吸收材料镀层,这种镀层在对太阳辐射有高吸收率的同时又有很低的发射率,使得结构在具有对太阳能的高利用率的同时保持较低的对外热辐射功率;在夜晚,折线形集热墙则由相变材料封装槽内的相变材料供热而保持高温,由于多个互相独立的适应所述折线形集热墙形状的相变材料封装槽为相变材料提供了更大的换热面积,且将相变材料分成多个小块分别封装,进一步地利于相变材料的充分相变,封装的相变材料中能够有效相变的比例因此提高,因此结构的储热、释热能力强,能在白天储存更多热能,在夜晚维持结构运行更长时间;折线形集热墙和透明外墙之间空气通道内的空气被加热而形成上升气流,由于折线形集热墙的表面与通风道内空气对流换热面积大,且不同朝向的表面太阳入射角不同故温度分布不均,能够对气流造成扰动从而增强气体湍流,通风道内气流与集热墙表面之间的对流换热系数因此增大,以此增强通风道内空气与集热墙表面的对流换热作用;在热压驱动下,室外的空气经外侧下风阀进入空气通道,在向上流动中被加热,最终经内侧上风阀流入室内环境,在新鲜、温暖的空气进入室内的同时,室内的空气在压力作用下经开启的窗户流出,从而构成完整的通风过程并实现一定的供暖效果。
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CN116576543A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-08-11 | 太原理工大学 | 一种多通道蓄热式建筑通风设备及工作方法 |
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