CN115164425A - 基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体 - Google Patents

基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体 Download PDF

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Abstract

基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，包括自内而外设置的储热层、太阳辐射吸收层、光谱选择性气凝胶层和热致变色水凝胶层，其中，储热层中含有形状稳定的复合相变材料，用于储存太阳辐射热量；太阳辐射吸收层用于吸收太阳辐射；光谱选择性气凝胶层中的光谱选择性气凝胶起到保温隔热作用的同时能过滤长波太阳辐射；热致变色水凝胶层在温度低时为透明状态，而在在温度高时转为深色。本发明中，热二极管墙体在气温较低时能实现热量由外向内的定向传递，在气温较高时可阻止热量由外向内传递，将热二极管墙体布置于建筑墙体的外部，能实现热流方向的智能调控，有效降低室内供冷、供暖的能耗。

Description

基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体
技术领域
本发明涉及一种热二极管墙体，尤其涉及一种基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，具体适用于利用自然冷热源来调节室温。
背景技术
由于传统墙体的热工性能相对较差，为维持室内温度的相对稳定，室内空调供冷或供暖的能耗非常大，随着人民生活水平的提高，建筑能耗在社会总能耗中占据了相当大的比例。
现有技术中，通过提高建筑围护结构的保温性能或者将相变材料集成进墙体，可以有效改善建筑围护结构的热工性能，但墙体的热工性能仍受到热流流向无法调控等问题的限制，因此需要一种具有气候自适应性且能实现热流流向智能调控的结构，以适应制冷季节和供暖季节对太阳能需求的变化，从而降低制冷供暖的能耗。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的热流流向无法调控的问题，提供了一种能在不同环境温度下智能调控热流方向的热二极管墙体。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，所述热二极管墙体包括自内而外设置的储热层、太阳辐射吸收层、光谱选择性气凝胶层和热致变色水凝胶层。
所述储热层中含有形状稳定的复合相变材料。
所述太阳辐射吸收层涂覆于储热层的外侧，太阳辐射吸收层为黑铬涂层、黑钴涂层、炭黑涂层或石墨涂层。
所述光谱选择性气凝胶层中的光谱选择性气凝胶由二氧化硅气凝胶材料经退火工艺得到；
所述光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率高于其对波长在2500nm以上长波太阳辐射的透射率,所述光谱选择性气凝胶为隔热材料。
所述热致变色水凝胶层中的热致变色水凝胶由N-异丙基丙烯酰胺通过原位聚合反应得到。
所述热致变色水凝胶层中的热致变色水凝胶的光透射率随着温度的升高而降低。
所述热致变色水凝胶层中的热致变色水凝胶的临界溶解温度为32℃。
所述热二极管墙体还包括透明玻璃层，所述透明玻璃层覆盖在热致变色水凝胶层的外侧。
所述热二极管墙体布置于建筑墙体的外部，所述储热层的内侧与建筑墙体的外表面相贴合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体包括自内而外设置的储热层、太阳辐射吸收层、光谱选择性气凝胶层和热致变色水凝胶层，其中储热层用于吸收储存和释放热量；光谱选择性气凝胶层具有保温隔热的作用，且其对短波太阳辐射透射率高、对长波太阳辐射透射率低；热致变色水凝胶层的光透射率随温度升高而降低，其在高温时其颜色为深色、在低温时其颜色透明，在需要供暖的季节，外界气温较低，热致变色水凝胶层颜色透明，短波太阳辐射穿过热致变色水凝胶层及光谱选择性气凝胶层，并被太阳辐射吸收层吸收，由于光谱选择性气凝胶层有很好的保温隔热性能，被吸收的热量无法通过光谱选择性气凝胶层散失至室外，太阳辐射吸收层所吸收的热量被储存进储热层，进而将相变潜热释放到室内，实现热量由室外向室内的定向传递，可以有效降低供暖能耗；并且，在需要供冷的季节，外界气温较高，此时热致变色水凝胶层的颜色在高温的环境下转变为深色，其阻止短波太阳辐射通过，同时由于光谱选择性气凝胶层对长波太阳辐射透射率低，进一步阻挡了长波太阳辐射，大幅降低进入室内的热量，有效降低空调制冷能耗。因此，本设计中的热二极管墙体能在外界气温较低时实现热量由室外向室内的定向传递，还能在外界气温较高时大幅减少进入室内的热量，有效降低室内供冷、供暖的能耗。
2、本发明基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体中，储热层设置于建筑墙体的外部，且热致变色水凝胶层的外部设置有玻璃层，建筑墙体为储热层、太阳辐射吸收层、光谱选择性气凝胶层和热致变色水凝胶层提供有效的支撑；设置于热二极管墙体最外侧的玻璃层能在不阻碍日光辐射通过的同时起到保护储热层、太阳辐射吸收层、光谱选择性气凝胶层和热致变色水凝胶层的作用。因此，本设计中建筑墙体为热二极管墙体提供有效的支撑，使热二极管墙体结构稳定；透明玻璃层在不阻碍日光辐射通过的同时对热二极管墙体起到保护作用。
3、本发明基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体中，太阳辐射吸收层的外部设置有热致变色水凝胶层，热致变色水凝胶层可根据环境温度变化而改变自身光透射率，在温度较高时阻止太阳辐射通过，在温度较低时允许太阳辐射通过，使热二极管墙体对外界环境具有一定的自适应性，可实现热流方向的智能调控，降低室内温度的波动。因此，本设计中通过设置热致变色水凝胶层，使热二极管墙体对外界环境具有一定的自适应性，可实现热流方向的智能调控，降低室内温度的波动，具有很强的应用价值。
4、本发明基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体中，光谱选择性气凝胶层不仅能够过滤长波辐射，同时还具有气凝胶导热系数低的特性，具有良好的隔热保温功能，能使室内温度较少的受到环境温度的影响，营造宜人的室内温度环境，进一步减少室内供冷、供暖所需的能耗。因此，本设计中光谱选择性气凝胶具有良好的隔热保温功能，能使室内温度较少的受到环境温度的影响。
5、本发明基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体中，储热层设置于建筑墙体的外部，且储热层内含有形状稳定的复合相变材料，由于复合相变材料具有较大的潜热值和储能密度，可以利用自身相变过程中的吸热和放热来进行能量的储存和释放，储热层可储存较多的能量，且复合相变材料在相变过程中能维持温度恒定，在室外温度波动的情况下有利于保持室内温度稳定。因此，本设计中复合相变材料具有较大的潜热值和储能密度，可储存较多的能量，且有利于保持室内温度稳定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：储热层1、太阳辐射吸收层2、光谱选择性气凝胶层3、热致变色水凝胶层4、透明玻璃层5。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，所述热二极管墙体包括自内而外设置的储热层1、太阳辐射吸收层2、光谱选择性气凝胶层3和热致变色水凝胶层4；
热二极管墙体布置于建筑墙体的外部，其中，储热层1的内表面紧贴建筑墙体的外表面设置，所述储热层1中包含有形状稳定的复合相变材料，所述复合相变材料可以由二元化合物或多元化合物混合制成，复合相变材料成分可以根据预算和储热效果综合考虑选择。
用于存储、释放热量的相变材料可以是石蜡或多元醇。
所述太阳辐射吸收层2涂覆于储热层1的外侧，太阳辐射吸收层2具有良好吸热性能，太阳辐射吸收层2可以是黑铬涂、黑钴涂、炭黑涂或石墨涂层。
所述光谱选择性气凝胶层3布置在于太阳辐射吸收层2的外侧，光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶是由二氧化硅气凝胶材料经退火工艺优化后得到的，经退火工艺优化后得到的光谱选择性气凝胶具有较高的光学透射能力及较低的光学散射能力，同时经退火工艺优化后得到的光谱选择性气凝胶能保留二氧化硅气凝胶材料的具有超低的热导率的特性，因此光谱选择性气凝胶层3为隔热材料，具有保温隔热的功能。
所述光谱选择性气凝胶层中的光谱选择性气凝胶对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率高且对波长在2500nm以上长波太阳辐射的透射率低，具体的,所述光谱选择性气凝胶层3中包含厚度为1cm的光谱选择性气凝胶，厚度为1cm的光谱选择性气凝胶对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率在80%以上。
光谱选择性气凝胶层3在夏日阳光辐射强烈且气温较高的情况下，起到进一步过滤波长在2500nm以上的长波的作用。
所述热致变色水凝胶层4布置在光谱选择性气凝胶层3的外侧，所述热致变色水凝胶层4中的热致变色水凝胶由N-异丙基丙烯酰胺（N-iso-propylacrylmide）通过原位聚合反应而得到，即所述热致变色水凝胶的材质为聚(N-异丙基丙烯酰胺)。
热致变色水凝胶层4中的热致变色水凝胶的光透射率随着温度的升高而降低，热致变色水凝胶的温度在临界溶解温度（LCST）以上时，其光透射率低，此时热致变色水凝胶颜色变深，能阻挡太阳辐射穿透；而该热致变色水凝胶温度在临界溶解温度（LCST）以下时，其光透射率高，此时热致变色水凝胶处于透明状态，太阳辐射可穿透热致变色水凝胶。
所述热致变色水凝胶层4中的热致变色水凝胶的临界溶解温度（LCST）为32℃，有利于保持室内温度舒适。
所述热致变色水凝胶层4中包含厚度为200um的热致变色水凝胶, 厚度为200um的热致变色水凝胶的光透射率随温度变化的实验值如下表所示：
温度 20℃ 30℃ 35℃ 40℃ 50℃ 60℃
T<sub>sol</sub>(%) 83.3 73.6 57.3 14.2 10.8 9.4
其中， Tsol为热致变色水凝胶对波长在250-2500范围内的短波太阳辐射的透射率。
由于材质为聚(N-异丙基丙烯酰胺)的热致变色水凝胶本身的特性，热致变色水凝胶对于波长在250nm-2500nm范围内短波太阳辐射的透射率随着温度升高而明显降低，而热致变色水凝胶对于波长在2500nm以上的长波太阳辐射的透射率受温度影响较小。因此，在温度上升后，波长在250-2500范围内的短波太阳辐几乎无法穿透热致变色水凝胶层4，但是仍然有部分波长在2500以上的长波太阳辐射能穿透热致变色水凝胶层4，此时由于光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶对波长在2500nm以上长波太阳辐射的透射率较低，能够进一步过滤掉波长在2500nm以上的长波太阳辐射，在环境温度较高的情况下阻止热量向室内传递。
所述热致变色水凝胶层4的外侧设置有透明玻璃层5，所述透明玻璃层5作为热二极管墙体的最外层，其不阻挡太阳辐射，且透明玻璃层5对位于其内侧的和热致变色水凝胶层4、光谱选择性气凝胶层3、太阳辐射吸收层2和储热层1起保护作用。
所述热二极管墙体设置于建筑墙体的外部，当外界太阳辐射较强、环境温度较高时，热致变色水凝胶层4和光谱选择性气凝胶层3阻止太阳辐射通过，避免室外热量进入建筑内部；当外界太阳辐射较弱、环境温度较低时，太阳辐射穿透热致变色水凝胶层4和光谱选择性气凝胶层3，太阳辐射被太阳辐射吸收层2吸收后，热能储存于储热层1中，为建筑保温，进而实现热量由室外向室内的定向传递。
本发明的原理说明如下：
所述热二极管墙体设置于建筑墙体的外部，在供冷季节，环境温度高于热致变色水凝胶的变色临界温度，热致变色水凝胶转变为深色，热致变色水凝胶层4的光透射率降低，阻止太阳辐射吸收层2接收太阳辐射，但此时仍有部分波长在2500以上的长波太阳辐射能穿透热致变色水凝胶层4，由于光谱选择性气凝胶对长波太阳辐射的透射率低，光谱选择性气凝胶层3进一步阻挡长波太阳辐射的辐射传热，最大程度的减少到达太阳辐射吸收层2的太阳辐射；并且，由于气凝胶具有导热率极低的特点，光谱选择性气凝胶层3起保温隔热效果，能避免热量由外向内传递。因此，热二极管墙体能在环境温度较高时阻挡辐射传热、导热和对流传热，有效阻止热量由外向内流动，避免室外热量进入室内，有效降低空调制冷能耗。
在供暖季节，环境温度低于热致变色水凝胶的变色临界温度，热致变色水凝胶层4的光透射率升高，热致变色水凝胶层4转变为透明状态，长波太阳辐射与短波太阳辐射均能穿透热致变色水凝胶层4，其中，波长在250-2500范围内的短波太阳辐射继续穿透光谱选择性气凝胶层3并被太阳辐射吸收层2吸收，此时太阳辐射吸收层2温度升高，同时由于光谱选择性气凝胶的导热率极低，被太阳辐射吸收层2吸收的热量无法再通过光谱选择性气凝胶层3散失到室外，太阳辐射吸收层2将吸收的热量传递给储热层1，储热层1吸收热量并储存热量，并在需要时将相变潜热释放到室内。因此，热二极管墙体能在环境温度较低时实现热量由室外向室内的定向传递，有效降低供暖能耗。
热二极管墙体能够实现不同环境温度下热流方向的智能调控，使建筑能适应制冷季节和供暖季节对太阳能需求的变化，进而实现对太阳能的高效利用。
实施例1：
基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，所述热二极管墙体包括自内而外设置的储热层1、太阳辐射吸收层2、光谱选择性气凝胶层3和热致变色水凝胶层4；所述储热层1中含有形状稳定的复合相变材料；所述太阳辐射吸收层2涂覆于储热层1的外侧，太阳辐射吸收层2可以是黑铬涂层、黑钴涂层、炭黑涂层或石墨涂层；所述光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶由二氧化硅气凝胶材料经退火工艺得到；所述光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率高于其对波长在2500nm以上的长波太阳辐射的透射率，且所述光谱选择性气凝胶层3对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率在80%以上；光谱选择性气凝胶层3中的光谱选择性气凝胶为隔热材料；所述热致变色水凝胶层4中的热致变色水凝胶由N-异丙基丙烯酰胺通过原位聚合反应得到；所述热致变色水凝胶层4中的热致变色水凝胶的光透射率随着温度的升高而降低。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述热二极管墙体还包括透明玻璃层5，所述透明玻璃层5覆盖于热致变色水凝胶层4的外侧。
实施例3：
实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：
所述热二极管墙体布置于建筑墙体的外部，所述储热层1的内侧与建筑墙体的外表面相贴合。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述热二极管墙体包括自内而外设置的储热层（1）、太阳辐射吸收层（2）、光谱选择性气凝胶层（3）和热致变色水凝胶层（4）。
2.根据权利要求1所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述储热层（1）中含有形状稳定的复合相变材料。
3.根据权利要求2所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述太阳辐射吸收层（2）涂覆于储热层（1）的外侧，太阳辐射吸收层（2）为黑铬涂层、黑钴涂层、炭黑涂层或石墨涂层。
4.根据权利要求3所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述光谱选择性气凝胶层（3）中的光谱选择性气凝胶由二氧化硅气凝胶材料经退火工艺得到；
所述光谱选择性气凝胶层（3）中的光谱选择性气凝胶对波长在250nm-2500nm范围内的短波太阳辐射的透射率高于其对波长在2500nm以上的长波太阳辐射的透射率。
5.根据权利要求4所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述热致变色水凝胶层（4）中的热致变色水凝胶由N-异丙基丙烯酰胺通过原位聚合反应得到；
所述热致变色水凝胶层（4）中的热致变色水凝胶的光透射率随着温度的升高而降低。
6.根据权利要求5所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述热致变色水凝胶层（4）中的热致变色水凝胶的临界溶解温度为32℃。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述热二极管墙体还包括透明玻璃层（5），所述透明玻璃层（5）覆盖于热致变色水凝胶层（4）的外侧。
8.根据权利要求7所述的基于热致变色水凝胶和光谱选择性气凝胶的热二极管墙体，其特征在于：
所述热二极管墙体布置于建筑墙体的外部，所述储热层（1）的内侧与建筑墙体的外表面相贴合。
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