CN115200111B - 利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通风技术领域,尤其涉及一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,包括,太阳能烟囱单元、进风单元、辐射制冷单元、相变蓄冷装置和通风控制模块,所述通风控制模块用以通过分析室内温度判断是否开启所述系统对室内进行被动通风降温并根据室内进风温度判断是否通过开启循环泵进行冷量转换降低进风温度以使室内温度降低,本发明提供一种集合辐射制冷和相变蓄冷并将辐射制冷所制得冷量储蓄在相变蓄冷材料中实现全时段提供冷量的系统,同时利用太阳能烟囱结构强化通风的太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统。

Description

利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统
技术领域
本发明涉及通风技术领域,尤其涉及一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统。
背景技术
我国建筑能耗在能源总消耗量中所占比例已经从1978年的10%上升到2001年的27.45%,根据发达国家的经验将逐步提高到35%左右。而且我国单位建筑面积能耗是发达国家的2至3倍,对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染,已经成为制约我国可持续发展的突出问题。
随着能源消耗问题和环境问题的提出,利用自然通风改善室内环境越来越受到人们的重视。利用自然通风既可以满足房间一定的舒适性要求,又可以节约设备和运行费用以及维修费用,同时能够创造可持续发展的绿色建筑环境。而由室内外空气密度差引起的热压自然通风即所谓的“烟囱效应”。太阳能烟囱是一种热压作用下的自然通风设备,将太阳能和烟囱效应两者有机结合起来,利用太阳辐射作为动力,空气流动提供浮升力,将热能转化为动能。
在已有的建筑用太阳能烟囱系统中,由于进入室内的空气没有进行预处理,存在室内环境受室外气候因素影响大的问题,夏季会出现室内过热的情况,进而会增加室内的能源消耗;其次,夏季,室外的空气进入室内,由于温度的降低会出现结露现象,对建筑和人体舒适性等方面带来许多不良影响,建筑结构中的湿积累,容易引发霉菌生长,墙体表面或墙角腐蚀,装饰层脱落,同时建筑材料会变软、粉化,保温材料性能降低。
地球大气在8-13μm波段透射率很高,这一波段称为“大气窗口”。所谓夜间辐射制冷技术,是指制冷表面在夜间通过“大气窗口”与温度很低的外太空进行辐射换热,实现被动制冷。由于整个制冷过程零能耗、无污染,夜间辐射制冷技术具备很强的节能潜力。同时,辐射制冷技术兼具除湿的作用。
由此,辐射制冷技术可以相应的解决现有太阳能烟囱装置所存在的问题,将太阳能和辐射制冷技术有效的融入建筑设计当中,可以很好地调节室内温度和室内空气品质,优化可再生能源在建筑领域的利用,是一个值的研究的方向。
中国专利公开号:CN208108360U公开了一种基于太阳能烟囱的被动蒸发冷却通风空调系统,其公开的技术包括位于建筑物顶部的蒸发冷却单元以及建筑物两侧对称分布的太阳能烟囱;蒸发冷却单元包括与建筑物接通的壳体,沿壳体内壁一周均匀分布不少于两个的直接蒸发单元,每个直接蒸发单元对应的壳体上设置有进风口;由此可见,所述基于太阳能烟囱的被动蒸发冷却通风空调系统的制冷效率由水的蒸发带走的热量决定,申请人认为该技术存在以下问题:1、如要实现较高的制冷效率则需要增大水的蒸发量,由于水的比热容一定,要增加水的蒸发量要通过扩大蒸发水的表面积的方式从而使其蒸发冷却单元的占地增大,在实际操作过程中可能无法实现,从而无法带来良好的制冷效果;2、受环境湿度影响较为明显,若环境中空气湿度较大,则其蒸发冷却单元的蒸发量相应降低,从而无法达到较为满意的制冷效果。
发明内容
为此,本发明提供一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,用以克服现有被动式通风技术中室内环境制冷温度完全依赖室外气候因素,无法进行制冷温度调节的问题。
为实现上述目的,本发明提供一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,包括,
太阳能烟囱单元,设置在室内阳光照射面对应的墙体处,用以通过太阳能烟囱对室内进行被动式通风;
进风单元,其设置在室内远离所述太阳能烟囱单元的墙体上,用以使室外空气进入室内并对进入室内的空气进行降温;
辐射制冷单元,其设置在面向大气层并与所述进风单元相连接,用以通过辐射制冷储存冷量;
相变蓄冷装置,其分别与所述进风单元和所述辐射制冷单元相连,用以通过相变蓄冷材料对所述辐射制冷单元制备的冷量进行储存、转换并通过冷量释放对进入室内的空气进行降温;
通风控制模块,其分别与所述进风单元、所述辐射制冷单元和所述相变蓄冷装置相连接,所述通风控制模块用以通过分析室内温度判断是否开启所述系统对室内进行被动通风降温并根据室内进风温度判断是否通过开启循环泵进行冷量转换降低进风温度以使室内温度降低,以及通过判断所述相变蓄冷装置中相变蓄冷材料的温度和所述进风单元中相变蓄冷材料的温度确定所述系统的冷量转换是否符合标准、所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限以判断是否控制所述系统关闭循环泵。
进一步地,所述太阳能烟囱单元包括蓄热墙、透明玻璃面板、太阳能集热板、室内出风口和室外出风口,其中,
所述蓄热墙设置在室内墙体中面对阳光照射的墙体且所述蓄热墙上部与室内房顶连接、所述蓄热墙左右与相邻室内墙体连接;所述透明玻璃面板设置在所述蓄热墙面对阳光照射一侧与所述蓄热墙平行且所述透明玻璃面板下部与室内地面相连接、所述透明玻璃面板左右与相邻室内墙体连接;所述太阳能集热板设置在所述蓄热墙外表面靠近所述透明玻璃面板一侧并与所述蓄热墙相连接;所述室内出风口设置在所述蓄热墙下部,所述室外出风口设置在所述透明玻璃面板的上部,所述透明玻璃面板、所述室外出风口、所述蓄热墙、所述室内出风口、所述室内地面、所述相邻室内墙体围成的空间为所述太阳能烟囱单元的空气流道。
所述透明玻璃面板用于透射太阳辐射,使述太阳能烟囱单元的空气流道内的空气加热;所述蓄热墙(也称为Trombe墙)在夏季用于储存房屋外部的热量,防止房屋外部的热量进入屋内使屋内冷量散失,在冬季用于积蓄屋内的热量,防止屋内热量散失;所述太阳能集热板用于将太阳辐射热量进行收集并将所述空气流道内空气加热;所述室内出风口用以将室内空气与所述空气流道内空气相连通;所述室外出风口用以将所述空气流道内空气与室外空气相连通,所述室内出风口、所述空气流道与所述室外出风口形成室内外空气通道用于使室内空气沿所述空气流道流动至室外。
所述太阳能烟囱单元的工作原理为:室外阳光经透明玻璃面板照射至位于储热墙表面的太阳能集热板上,随着太阳能集热板上热量逐渐富集,太阳能集热板将热量传导至蓄热墙并加热太阳能烟囱单元的空气流道内空气,使太阳能烟囱单元的空气流道内空气与室内空气、室外空气产生温度差和压强差并驱动空气流道内空气经由空气流道流向室外出风口并驱动室内空气经由室内出风口流向空气流道,形成室内空气沿空气流道流向室外的被动通风效果。
进一步地,所述进风单元设置在室内墙体中远离所述太阳能烟囱单元的墙体上,所述进风单元为箱体式结构,包括室外进风口、室内进风口和相变蓄冷材料;
所述室外进风口设置在箱体式结构侧壁中所处墙体的室外墙体的侧壁上,所述室内进风口设置在箱体式结构侧壁中所处墙体的室内墙体的侧壁上,所述室外进风口与所述室内进风口之间通过若干进气通道导通以将室外空气与室内空气连通,所述箱体式结构各侧壁与所述进气通道形成的封闭空间内填充有所述相变蓄冷材料。
所述进风单元的工作过程为:当室外空气经由所述进风单元流向室内时,室外空气流经所述进风单元中室外进风口与所述室内进风口之间的若干进气通道,由于,所述进风单元的箱体各侧壁与所述进气通道形成的封闭空间内填充有相变蓄冷材料,室外空气在所述进气通道与室外空气发生热交换而降温,从而降低进入室内的空气温度。
进一步地,所述辐射制冷单元包括辐射制冷板和制冷板支架;
所述辐射制冷板包括铝制基板和覆盖在所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层,所述辐射制冷选择性发射涂层在8~13μm大气窗口波段的发射率为80%~90%,在其它波段的吸收率低于30%;所述制冷板支架设置在所述铝制基板上,用以调节所述辐射制冷板的角度。
辐射制冷的工作原理为:在真空环境中,互不接触的物体,由于温度的不同彼此进行辐射热交换使高温物体降温。宇宙为超低温和超真空环境,辐射制冷板通过“大气窗口”辐射交换热量,将辐射制冷板的温度降低,通过调节所述制冷板支架的角度,可以获得最佳的辐射制冷效果。
进一步地,所述相变蓄冷装置包括相变蓄冷材料、用以盛放相变蓄冷材料的蓄冷箱箱体、第一液体通道和第二液体通道,所述蓄冷箱箱体设置为箱体结构,所述第一液体通道和所述第二液体通道设置为填充有用以进行冷量交换的液体的封闭管路,其中,
所述第一液体通道包括第一蛇形管路、第二蛇形管路和第一连接管路,所述第一蛇形管路设置在远离所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层的所述铝制基板表面且其与所述铝制基板设置为面接触,所述第二蛇形管路设置在所述蓄冷箱箱体表面且其与所述蓄冷箱箱体表面设置为面接触,所述第一连接管路用于连接所述第一蛇形管路和所述第二蛇形管路以形成一个封闭的液体回路;
所述第二液体通道包括第三蛇形管路、进风单元管路和第二连接管路,所述第三蛇形管路设置在所述蓄冷箱箱体表面中与所述第二蛇形管路所在蓄冷箱箱体表面平行的蓄冷箱箱体表面,且其与所述蓄冷箱箱体表面设置为面接触;所述进风单元管路设置在所述进风单元内并与所述进风单元中的相变蓄冷材料接触,用以将所述相变蓄冷装置储存的冷量通过液体交换置换为所述进风单元中填充的相变蓄冷材料中的冷量;所述第二连接管路用于连接所述第三蛇形管路和所述进风单元管路以形成一个封闭的液体回路。
在实际应用过程中所述第一液体通道和第二液体通道的封闭管路中还分别设置有第一循环泵和第二循环泵用以驱动封闭管路中液体流动。
所述相变蓄冷装置蓄冷的工作过程为:第一循环泵驱动所述第一液体通道内液体流动,在液体流经所述第一蛇形管路时,辐射制冷板的温度低于管路中的液体温度,从而管路中的液体与辐射制冷板发生热量交换使管路中的液体温度降低,当液体流出所述第一蛇形管路经由所述第一连接管路流经所述第二蛇形管路时,管路内液体与温度较高的所述蓄冷箱箱体表面发生热交换,从而使管路内液体温度升高且使所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料温度降低,通过液体的循环流动,将辐射制冷板的冷量转变为所述蓄冷箱箱体中相变蓄冷材料的冷量,从而实现冷量的存储。
所述相变蓄冷装置冷量转移的工作过程为:第二循环泵驱动所述第二液体通道内液体流动,在液体流经所述第三蛇形管路时,所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料的温度低于管路中的液体温度,从而管路中的液体与所述蓄冷箱箱体表面发生热量交换使管路中的液体温度降低,当液体流出所述第三蛇形管路经由所述第二连接管路流经所述进风单元管路时,管路内液体与温度较高的所述进风单元内相变蓄冷材料发生热交换,从而使管路内液体温度升高且使所述进风单元内相变蓄冷材料温度降低,通过液体的循环流动,将所述蓄冷箱箱体中相变蓄冷材料的冷量转变为所述进风单元中相变蓄冷材料的冷量,从而实现冷量的转移。
进一步地,所述蓄冷箱箱体中和所述进风单元中填充的相变蓄冷材料组成包括月桂酸和正辛酸,配比为质量比为21:79,得到的所述相变蓄冷材料融点为7.0℃,相变潜热130.8kJ/kg。
进一步地,所述室内出风口、所述室外出风口和所述室外进风口设置有开关机构用以通过控制所述室内出风口、所述室外出风口和所述室外进风口的开闭以控制室内空气和室外空气的交换;所述室内进风口设置有用以调节空气流通速率的小型风机。
进一步地,所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统还包括用以检测所述被动式通风系统的工作状态的检测模块,所述检测模块包括用以检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度的第一温度检测器、用以检测所述进风单元内相变蓄冷材料温度的第二温度检测器、用以检测室内温度的室内温度检测器和用以检测所述室内进风口进风温度的进风温度检测器;
所述通风控制模块设置有被动通风开启温度标准T0,其中T0>0,当所述通风控制模块工作时,所述通风控制模块控制所述室内温度检测器周期性采集室内温度t0并将t0与被动通风开启温度标准进行比对用以判断是否开启所述被动式通风系统;
当t0<T0时,所述通风控制模块判定温度符合标准且关闭所述系统;
当t0≥T0时,所述通风控制模块判定温度不符合标准且开启所述系统,所述通风控制模块控制所述室内出风口、所述室外出风口和所述室外进风口的开关机构打开。
进一步地,所述通风控制模块通过分析所述室内进风口进风温度判断是否需要降低进入室内的空气温度并通过调节所述第二循环泵的流速调节进入室内的空气温度的降低程度,所述通风控制模块将调节后的第二循环泵的流速记为v’,设定v’=v×(1+αi),其中,v为调整前的第二循环泵流速其中,i=1,2,3,αi表示流速调节系数,其中,
所述通风控制模块设置有冷交换开启温度标准T1、第一室内温度标准T21、第二室内温度标准T22、第一循环泵流速调节系数α1、第二循环泵流速调节系数α2和第三循环泵流速调节系数α3,其中,T1>0,T21<T22,α1<α2<α3;
所述通风控制模块控制所述进风温度检测器周期性采集所述室内进风口进风温度t1并将t1与冷交换开启温度标准进行比对用以判断是否需要将进入室内的空气温度降低;
当t1<T1时,所述通风控制模块判定进风温度符合标准且无需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块保持所述第二循环泵开闭状态;
当t1≥T1时,所述通风控制模块判定进风温度不符合标准且需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块控制所述第二循环泵开启以进行冷量交换工作,所述通风控制模块根据室内温度检测器检测到的室内温度t0与室内温度标准进行比对用以确定针对第二循环泵流速的调整量;
当t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第一循环泵流速调节系数α1对第二循环泵流速进行调节;
当T21≤t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第二循环泵流速调节系数α2对第二循环泵流速进行调节;
当t0≥T21时,所述通风控制模块判定采用第三循环泵流速调节系数α3对第二循环泵流速进行调节。
进一步地,所述通风控制模块设置有第一冷量转换温度差值标准ΔT1,其中,ΔT1≥0,用以判断所述进风单元的相变蓄冷材料与所述相变蓄冷装置的冷量转换是否完成,当所述第二循环泵工作时,所述通风控制模块所述第一温度检测器和所述第二温度检测器检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3和所述进风单元内相变蓄冷材料温度t4并根据t3与t4的温度差值与冷量转换温度差值标准进行比较用以确认所述系统的冷量转换是否完成,设定Δt=t4-t3,
若Δt<ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换符合标准且所述系统的冷量转换已经完成;
若Δt≥ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换不符合标准且所述系统的冷量转换尚未完成;
当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换已经完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵停止工作并开启第一循环泵工作以重新储存冷量;当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换尚未完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵继续工作并控制所述第一循环泵关闭以继续完成冷量转换。
进一步地,所述通风控制模块设置有冷量储存温度差值标准ΔT2,其中,ΔT2≥0,用以判定所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限,当所述第一循环泵开启工作时,所述通风控制模块控制所述第一温度检测器周期性检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3’,并根据前次采集到的所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3与t3’的差值Δt3判断所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料是否达到冷量储存上限;
设定Δt3=t3-t3’,
当Δt3≥ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值不符合标准且所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料未达到冷量储存上限,所述通风控制模块保持所述第一循环泵开启;
当Δt3<ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值符合标准且所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料已达到冷量储存上限,所述通风控制模块控制所述第一循环泵关闭。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于,本发明所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统提供一种基于辐射制冷和太阳能烟囱的被动式通风装置,利用太阳能烟囱结构强化室内的被动换气效率,有效的利用太阳能资源并且减少主动通风带来的能源消耗,有效的实现了能够有效调节室内温度和室内空气品质,减少夏季人们因为长期在室内利用空调制冷导致室内空气不流通,引起的“空调病”。
进一步地,本发明所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统利用辐射制冷材料进行制冷,可以有效减少能源消耗,同时利用其产生的冷量对于进入室内的空气进行预制冷,进一步减少室内降温普遍存在的的能源消耗,进一步有效的实现了本发明节约能源的特点。
进一步地,本发明所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统采用相变材料进行蓄冷,有效的实现了冷量随用随取,有效的解决了辐射制冷装置在日间制冷量少、在夜间制冷量多的问题,避免冷量制造后不能及时利用造成的冷量流失和冷量需求不平衡的问题,有效的实现了本发明所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统能够提高能量利用效率。
进一步地,本发明所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统通过在相变蓄冷装置和进风单元分别设置相变蓄冷材料,有效的增大了储存冷量的总冷量,并且通过将相变蓄冷材料设置在进风单元,在通风时将室外空气进行冷却后送入室内,避免了单纯的通风无法满足室内制冷要求,并且排除了对室外环境的依赖,在室外温度较高时仍能通过进风单元对室外空气进行冷却从而通过被动通风降低室内温度,进一步有效的保证了克服了室内环境制冷温度受室外气候因素影响大的问题。
进一步地,本发明设置有通风控制模块对蓄冷工作、冷量转换工作和被动通风进行控制,有效的通过检测有限的温度指标实现了对蓄冷工作、冷量转换工作和被动通风的智能控制,在达到预设标准后切断耗电装置如循环泵的工作,有效的避免了能源的浪费,进一步保证了本发明具有节约能源的特点。
附图说明
图1为本发明实施例利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统的结构示意图;
图2为本发明实施例进风单元的平面剖视结构示意图;
图3为本发明实施例夏季运行工况示意图;
图4为本发明实施例蛇形流水管路运行工况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白,下面结合实施例对本发明作进一步描述;应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言,可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示,其为本发明实施例利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统的结构示意图,本发明提供一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,包括,
太阳能烟囱单元,设置在室内阳光照射面对应的墙体处,用以通过太阳能烟囱对室内进行被动式通风;
进风单元2,其设置在室内远离所述太阳能烟囱单元的墙体上,用以使室外空气进入室内并对进入室内的空气进行降温;
辐射制冷单元3,其设置在面向大气层且与所述进风单元相连接,用以通过辐射制冷储存冷量;
相变蓄冷装置4,其分别与所述进风单元和所述辐射制冷单元相连,用以通过相变蓄冷材料对所述辐射制冷单元制备的冷量进行储存、转换并通过冷量释放对进入室内的空气进行降温;
通风控制模块(图中未画出),其分别与所述进风单元、所述辐射制冷单元和所述相变蓄冷装置相连接,所述通风控制模块用以通过分析室内温度判断是否开启所述系统对室内进行被动通风降温并根据室内进风温度判断是否通过开启循环泵进行冷量转换降低进风温度以使室内温度降低,以及通过判断所述相变蓄冷装置中相变蓄冷材料的温度和所述进风单元中相变蓄冷材料的温度确定所述系统的冷量转换是否符合标准、所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限以判断是否控制所述系统关闭循环泵。
具体而言,所述太阳能烟囱单元包括蓄热墙11、透明玻璃面板12、太阳能集热板13、室内出风口14和室外出风口15,其中,
所述蓄热墙11设置在室内墙体中面对阳光照射的墙体且所述蓄热墙11上部与室内房顶连接、所述蓄热墙11左右与相邻室内墙体连接;所述透明玻璃面板12设置在所述蓄热墙11面对阳光照射一侧与所述蓄热墙11平行且所述透明玻璃面板12下部与室内地面相连接、所述透明玻璃面板12左右与相邻室内墙体连接;所述太阳能集热板13设置在所述蓄热墙11外表面靠近所述透明玻璃面板12一侧并与所述蓄热墙11相连接;所述室内出风口14设置在所述蓄热墙11下部,所述室外出风口15设置在所述透明玻璃面板12的上部,所述透明玻璃面板12、所述室外出风口15、所述蓄热墙11、所述室内出风口14、所述室内地面、所述相邻室内墙体围成的空间为所述太阳能烟囱单元的空气流道111。
所述透明玻璃面板12用于透射太阳辐射,使述太阳能烟囱单元的空气流道111内的空气加热;所述蓄热墙11(也称为Trombe墙)在夏季用于储存房屋外部的热量,防止房屋外部的热量进入屋内使屋内冷量散失,在冬季用于积蓄屋内的热量,防止屋内热量散失;所述太阳能集热板13用于将太阳辐射热量进行收集并将所述空气流道内空气加热;所述室内出风口14用以将室内空气与所述空气流道内空气相连通;所述室外出风口15用以将所述空气流道111内空气与室外空气相连通,所述室内出风口14、所述空气流道111与所述室外出风口15形成室内外空气通道用于使室内空气沿所述空气流道流动至室外。
所述太阳能烟囱单元的工作原理为:室外阳光经透明玻璃面板12照射至位于储热墙表面的太阳能集热板13上,随着太阳能集热板13上热量逐渐富集,太阳能集热板13将热量传导至蓄热墙11并加热太阳能烟囱单元的空气流道111内空气,使太阳能烟囱单元的空气流道111内空气与室内空气、室外空气产生温度差和压强差并驱动空气流道内空气经由空气流道流111向室外出风口15并驱动室内空气经由室内出风口14流向空气流道111,形成室内空气沿空气流道111流向室外的被动通风效果。
在实际实施中,太阳能烟囱单元的蓄热墙远离太阳能集热板的一面通常设置有绝热板(图中未画出),防止室内冷量通过蓄热墙流失。
请继续参阅图1,所述进风单元2设置在室内墙体中远离所述太阳能烟囱单元的墙体上,所述进风单元为箱体式结构,包括室外进风口21、室内进风口22和相变蓄冷材料23,在实际实施时,一般还设置有蓄水槽24,其中,
所述室外进风口设置在箱体式结构侧壁中所处墙体的室外墙体的侧壁上,所述室内进风口22设置在箱体式结构侧壁中所处墙体的室内墙体的侧壁上,所述室外进风口21与所述室内进风口22之间通过若干进气通道221相连以将室外空气与室内空气联通,所述箱体各侧壁与所述进气通道形成的封闭空间内填充有相变蓄冷材料23,所述进风单元靠近所述室内进风口22的下部设置有蓄水槽24,用以将冷却后的空气中的水液进行收集和存储。
所述进风单元2的工作过程为:当室外空气经由所述进风单元流向室内时,室外空气流经所述进风单元中室外进风口21与所述室内进风口22之间的若干进气通道221,由于,所述进风单元的箱体各侧壁与所述进气通道形成的封闭空间内填充有相变蓄冷材料23,室外空气在所述进气通道221与室外空气发生热交换而降温,从而降低进入室内的空气温度,同时,由于室外空气温度降低,空气中的水蒸气由于冷凝成为水滴被所述蓄水槽24收集。
具体而言,所述辐射制冷单元3包括辐射制冷板31和制冷板支架32;
所述辐射制冷板31包括铝制基板311和覆盖在所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层312,所述辐射制冷选择性发射涂层312在8~13μm大气窗口波段的发射率为80%~90%,在其它波段的吸收率低于30%;所述制冷板支架32设置在所述铝制基板331上,用以调节所述辐射制冷板31的角度。
辐射制冷的工作原理为:在真空环境中,互不接触的物体,由于温度的不同彼此进行辐射热交换使高温物体降温。宇宙为超低温和超真空环境,辐射制冷板31通过“大气窗口”辐射交换热量,将辐射制冷板31的温度降低,通过调节所述制冷板支架32的角度,可以获得最佳的辐射制冷效果。
具体而言,所述相变蓄冷装置4包括相变蓄冷材料、用以盛放相变蓄冷材料的蓄冷箱箱体42、第一液体通道43和第二液体通道44,所述蓄冷箱箱体42设置为箱体结构,所述第一液体通道43和所述第二液体通道44设置为填充有用以进行冷量交换的液体的封闭管路,其中,
所述第一液体通道43包括第一蛇形管路431、第二蛇形管路432和第一连接管路433,所述第一蛇形管路431设置在远离所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层312的所述铝制基板311表面且其与所述铝制基板311设置为面接触,所述第二蛇形管路432设置在所述蓄冷箱箱体42表面且其与所述蓄冷箱箱体42表面设置为面接触,所述第一连接管路433用于连接所述第一蛇形管路431和所述第二蛇形管路432以形成一个封闭的液体回路;
所述第二液体通道44包括第三蛇形管路441、进风单元管路和第二连接管路,所述第三蛇形管路441设置在所述蓄冷箱箱体表面中与所述第二蛇形管路所在蓄冷箱箱体表面平行的蓄冷箱箱体表面,且其与所述蓄冷箱箱体表面设置为面接触;所述进风单元管路设置在所述进风单元内并与所述进风单元2中的相变蓄冷材料23接触,用以将所述相变蓄冷装置4储存的冷量通过液体交换置换为所述进风单元2中填充的相变蓄冷材料23中的冷量;所述第二连接管路用于连接所述第三蛇形管路和所述进风单元管路以形成一个封闭的液体回路。
在实际应用过程中所述第一液体通道43和第二液体通道44的封闭管路中还分别设置有第一循环泵51和第二循环泵52用以驱动封闭管路中液体流动。
所述相变蓄冷装置蓄冷的工作过程为:第一循环泵驱动51所述第一液体通道43内液体流动,在液体流经所述第一蛇形管路431时,辐射制冷板31的温度低于管路中的液体温度,从而管路中的液体与辐射制冷板31发生热量交换使管路中的液体温度降低,当液体流出所述第一蛇形管路431经由所述第一连接管路433流经所述第二蛇形管路432时,管路内液体与温度较高的所述蓄冷箱箱体42表面发生热交换,从而使管路内液体温度升高且使所述蓄冷箱箱体42内的相变蓄冷材料温度降低,通过液体的循环流动,将辐射制冷板31的冷量转变为所述蓄冷箱箱体42中相变蓄冷材料的冷量,从而实现冷量的存储。
所述相变蓄冷装置冷量转移的工作过程为:第二循环泵驱动52所述第二液体通道44内液体流动,在液体流经所述第三蛇形管路441时,所述蓄冷箱箱体42内相变蓄冷材料的温度低于管路中的液体温度,从而管路中的液体与所述蓄冷箱箱体42表面发生热量交换使管路中的液体温度降低,当液体流出所述第三蛇形管路441经由所述第二连接管路流经所述进风单元管路时,管路内液体与温度较高的所述进风单元2内相变蓄冷材料23发生热交换,从而使管路内液体温度升高且使所述进风单元2内相变蓄冷材料23温度降低,通过液体的循环流动,将所述蓄冷箱箱体42中相变蓄冷材料的冷量转变为所述进风单元2中相变蓄冷材料23的冷量,从而实现冷量的转移。
具体而言,所述蓄冷箱箱体42中和所述进风单元2中填充的相变蓄冷材料组成包括月桂酸和正辛酸,配比为质量比为21:79,得到的所述相变蓄冷材料融点为7.0℃,相变潜热130.8kJ/kg。
在具体实施中,所述室内出风口14、所述室外出风口15和所述室外进风口21设置有开关机构用以通过控制所述室内出风口14、所述室外出风口15和所述室外进风口21的开闭以控制室内空气和室外空气的交换;所述室内进风口22设置有用以调节空气流通速率的小型风机。
具体而言,所述利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统还包括用以检测所述被动式通风系统的工作状态的检测模块,所述检测模块包括用以检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度的第一温度检测器、用以检测所述进风单元内相变蓄冷材料温度的第二温度检测器、用以检测室内温度的室内温度检测器和用以检测所述室内进风口进风温度的进风温度检测器;
所述通风控制模块设置有被动通风开启温度标准T0,其中T0>0,当所述通风控制模块工作时,所述通风控制模块控制所述室内温度检测器周期性采集室内温度t0并将t0与被动通风开启温度标准进行比对用以判断是否开启所述被动式通风系统;
当t0<T0时,所述通风控制模块判定温度符合标准且关闭所述系统;
当t0≥T0时,所述通风控制模块判定温度不符合标准且开启所述系统,所述通风控制模块控制所述室内出风口14、所述室外出风口15和所述室外进风口21的开关机构打开。
具体而言,所述通风控制模块通过分析所述室内进风口进风温度判断是否需要降低进入室内的空气温度并通过调节所述第二循环泵的流速调节进入室内的空气温度的降低程度,所述通风控制模块将调节后的第二循环泵52的流速记为v’,设定v’=v×(1+αi),其中,v为调整前的第二循环泵流速其中,i=1,2,3,αi表示流速调节系数,其中,
所述通风控制模块设置有冷交换开启温度标准T1、第一室内温度标准T21、第二室内温度标准T22、第一循环泵流速调节系数α1、第二循环泵流速调节系数α2和第三循环泵流速调节系数α3,其中,T1>0,T21<T22,α1<α2<α3;
所述通风控制模块控制所述进风温度检测器周期性采集所述室内进风口进风温度t1并将t1与冷交换开启温度标准进行比对用以判断是否需要将进入室内的空气温度降低;
当t1<T1时,所述通风控制模块判定进风温度符合标准且无需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块保持所述第二循环泵52开闭状态;
当t1≥T1时,所述通风控制模块判定进风温度不符合标准且需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块控制所述第二循环泵52开启以进行冷量交换工作,所述通风控制模块根据室内温度检测器检测到的室内温度t0与室内温度标准进行比对用以确定针对第二循环泵流速的调整量;
当t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第一循环泵流速调节系数α1对第二循环泵流速进行调节;
当T21≤t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第二循环泵流速调节系数α2对第二循环泵流速进行调节;
当t0≥T21时,所述通风控制模块判定采用第三循环泵流速调节系数α3对第二循环泵流速进行调节。
具体而言,所述通风控制模块设置有第一冷量转换温度差值标准ΔT1,其中,ΔT1≥0,用以判断所述进风单元2的相变蓄冷材料与所述相变蓄冷装置的冷量转换是否完成,当所述第二循环泵52工作时,所述通风控制模块所述第一温度检测器和所述第二温度检测器检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3和所述进风单元内相变蓄冷材料23温度t4并根据t3与t4的温度差值与冷量转换温度差值标准进行比较用以确认所述系统的冷量转换是否完成,设定Δt=t4-t3,
若Δt<ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换符合标准且且所述系统的冷量转换已经完成;
若Δt≥ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换不符合标准且所述系统的冷量转换尚未完成;
当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换已经完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵52停止工作并开启第一循环泵51工作以重新储存冷量;当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换尚未完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵52继续工作并控制所述第一循环泵51关闭以继续完成冷量转换。
具体而言,所述通风控制模块设置有冷量储存温度差值标准ΔT2,其中,ΔT2≥0,用以判定所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限,当所述第一循环泵51开启工作时,所述通风控制模块控制所述第一温度检测器周期性检测所述蓄冷箱箱体42内相变蓄冷材料温度t3’,并根据前次采集到的所述蓄冷箱箱体42内相变蓄冷材料温度t3与t3’的差值Δt3判断所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料是否达到冷量储存上限;
设定Δt3=t3-t3’,
当Δt3≥ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值不符合标准且所述蓄冷箱箱体42内的相变蓄冷材料未达到冷量储存上限,所述通风控制模块保持所述第一循环泵51开启;
当Δt3<ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值符合标准且所述蓄冷箱箱体42内的相变蓄冷材料已达到冷量储存上限,所述通风控制模块控制所述第一循环泵51关闭。
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但是,本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明;对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,包括,
太阳能烟囱单元,设置在室内阳光照射面对应的墙体处,用以通过太阳能烟囱对室内进行被动式通风;
进风单元,其设置在室内远离所述太阳能烟囱单元的墙体上,用以使室外空气进入室内并对进入室内的空气进行降温;
辐射制冷单元,其设置在面向大气层并与所述进风单元相连接,用以通过辐射制冷储存冷量;
相变蓄冷装置,其分别与所述进风单元和所述辐射制冷单元相连,用以通过相变蓄冷材料对所述辐射制冷单元制备的冷量进行储存、转换并通过冷量释放对进入室内的空气进行降温;
通风控制模块,其分别与所述进风单元、所述辐射制冷单元和所述相变蓄冷装置相连接,所述通风控制模块用以通过分析室内温度判断是否开启所述系统对室内进行被动通风降温并根据室内进风温度判断是否通过开启循环泵进行冷量转换降低进风温度以使室内温度降低,以及通过判断所述相变蓄冷装置中相变蓄冷材料的温度和所述进风单元中相变蓄冷材料的温度确定所述系统的冷量转换是否符合标准、所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限以判断是否控制所述相变蓄冷装置关闭循环泵;
所述辐射制冷单元包括:
辐射制冷板,包括铝制基板和覆盖在所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层;
制冷板支架,其设置在所述铝制基板上,用以调节所述辐射制冷板的角度;
所述相变蓄冷装置包括相变蓄冷材料、用以盛放相变蓄冷材料的蓄冷箱箱体、第一液体通道和第二液体通道,所述蓄冷箱箱体设置为箱体结构,所述第一液体通道和所述第二液体通道设置为填充有用以进行冷量交换的液体的封闭管路,其中,
所述第一液体通道包括第一蛇形管路、第二蛇形管路和第一连接管路,所述第一蛇形管路设置在远离所述铝制基板表面的辐射制冷选择性发射涂层的所述铝制基板表面且其与所述铝制基板设置为面接触,所述第二蛇形管路设置在所述蓄冷箱箱体表面且其与所述蓄冷箱箱体表面设置为面接触,所述第一连接管路用于连接所述第一蛇形管路和所述第二蛇形管路以形成一个封闭的液体回路;
所述第二液体通道包括第三蛇形管路、进风单元管路和第二连接管路,所述第三蛇形管路设置在所述蓄冷箱箱体表面中与所述第二蛇形管路所在蓄冷箱箱体表面平行的蓄冷箱箱体表面,且其与所述蓄冷箱箱体表面设置为面接触;所述进风单元管路设置在所述进风单元内并与所述进风单元中的相变蓄冷材料接触,用以将所述相变蓄冷装置储存的冷量通过液体交换置换为所述进风单元中填充的相变蓄冷材料中的冷量;所述第二连接管路用于连接所述第三蛇形管路和所述进风单元管路以形成一个封闭的液体回路;
所述通风控制模块通过分析室内进风口进风温度判断是否需要降低进入室内的空气温度并通过调节第二循环泵的流速调节进入室内的空气温度的降低程度,所述通风控制模块将调节后的第二循环泵的流速记为v’,设定v’=v×(1+αi),其中,v为调整前的第二循环泵流速其中,i=1,2,3,αi表示流速调节系数,其中,
所述通风控制模块设置有冷交换开启温度标准T1、第一室内温度标准T21、第二室内温度标准T22、第一循环泵流速调节系数α1、第二循环泵流速调节系数α2和第三循环泵流速调节系数α3,其中,T1>0,T21<T22,α1<α2<α3;
所述通风控制模块控制进风温度检测器周期性采集所述室内进风口进风温度t1并将t1与冷交换开启温度标准进行比对用以判断是否需要将进入室内的空气温度降低;
当t1<T1时,所述通风控制模块判定进风温度符合标准且无需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块保持所述第二循环泵开闭状态;
当t1≥T1时,所述通风控制模块判定进风温度不符合标准且需降低进入室内的空气温度,所述通风控制模块控制所述第二循环泵开启以进行冷量交换工作,所述通风控制模块根据室内温度检测器检测到的室内温度t0与室内温度标准进行比对用以确定针对第二循环泵流速的调整量;
当t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第一循环泵流速调节系数α1对第二循环泵流速进行调节;
当T21≤t0<T21时,所述通风控制模块判定采用第二循环泵流速调节系数α2对第二循环泵流速进行调节;
当t0≥T21时,所述通风控制模块判定采用第三循环泵流速调节系数α3对第二循环泵流速进行调节;
其中,所述第二循环泵设置在所述第二液体通道的封闭管路中。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述太阳能烟囱单元包括蓄热墙、透明玻璃面板、太阳能集热板、室内出风口和室外出风口,其中,
所述蓄热墙设置在室内墙体中面对阳光照射的墙体且所述蓄热墙上部与室内房顶连接、所述蓄热墙左右与相邻室内墙体连接;
所述透明玻璃面板设置在所述蓄热墙面对阳光照射一侧与所述蓄热墙平行且所述透明玻璃面板下部与室内地面相连接、所述透明玻璃面板左右与相邻室内墙体连接;
所述太阳能集热板设置在所述蓄热墙外表面靠近所述透明玻璃面板一侧并与所述蓄热墙相连接;
所述室内出风口设置在所述蓄热墙下部,所述室外出风口设置在所述透明玻璃面板的上部,所述透明玻璃面板、所述室外出风口、所述蓄热墙、所述室内出风口、所述室内地面、所述相邻室内墙体围成的空间为所述太阳能烟囱单元的空气流道。
3.根据权利要求2所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述进风单元为箱体式结构,包括室外进风口、室内进风口和相变蓄冷材料,其中,
所述室外进风口设置在箱体式结构侧壁中室外墙体的侧壁上,所述室内进风口设置在箱体式结构侧壁中室内墙体的侧壁上,所述室外进风口与所述室内进风口之间通过若干进气通道导通以将室外空气与室内空气连通;
所述箱体式结构各侧壁与所述进气通道形成的封闭空间内填充有所述相变蓄冷材料。
4.根据权利要求3所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述蓄冷箱箱体中和所述进风单元中填充的相变蓄冷材料组成包括月桂酸和正辛酸,配比为质量比为21∶79,得到的所述相变蓄冷材料融点为7.0℃,相变潜热130.8kJ/kg。
5.根据权利要求4所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述系统还包括用以检测所述被动式通风系统的工作状态的检测模块,所述检测模块包括用以检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度的第一温度检测器、用以检测所述进风单元内相变蓄冷材料温度的第二温度检测器、用以检测室内温度的室内温度检测器和用以检测室内进风口进风温度的进风温度检测器;
所述通风控制模块设置有被动通风开启温度标准T0,其中T0>0,所述通风控制模块控制所述室内温度检测器周期性采集室内温度t0并将t0与被动通风开启温度标准进行比对用以判断是否开启所述系统;
当t0<T0时,所述通风控制模块判定温度符合标准且关闭所述系统;
当t0≥T0时,所述通风控制模块判定温度不符合标准且开启所述系统,所述通风控制模块控制所述室内出风口、所述室外出风口和所述室外进风口的开关机构打开。
6.根据权利要求5所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述通风控制模块设置有第一冷量转换温度差值标准ΔT1,其中,ΔT1≥0,用以判断所述进风单元的相变蓄冷材料与所述相变蓄冷装置的冷量转换是否完成,当所述第二循环泵工作时,所述通风控制模块所述第一温度检测器和所述第二温度检测器检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3和所述进风单元内相变蓄冷材料温度t4并根据t3与t4的温度差值与冷量转换温度差值标准进行比较用以确认所述系统的冷量转换是否完成,设定Δt=t4-t3,
若Δt<ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换符合标准且所述系统的冷量转换已经完成;
若Δt≥ΔT1,所述通风控制模块判定冷量转换不符合标准且所述系统的冷量转换尚未完成;
当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换已经完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵停止工作并开启第一循环泵工作以重新储存冷量;当所述通风控制模块判定所述系统的冷量转换尚未完成时,所述通风控制模块控制所述第二循环泵继续工作并控制所述第一循环泵关闭以继续完成冷量转换。
7.根据权利要求6所述的利用太阳能烟囱结构和辐射制冷复合的被动式通风系统,其特征在于,所述通风控制模块设置有冷量储存温度差值标准ΔT2,其中,ΔT2≥0,用以判定所述相变蓄冷装置是否达到冷量储存上限,所述通风控制模块控制所述第一温度检测器周期性检测所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3’,并根据前次采集到的所述蓄冷箱箱体内相变蓄冷材料温度t3与t3’的差值Δt3判断所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料是否达到冷量储存上限;
设定Δt3=t3-t3’,
当Δt3≥ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值不符合标准且所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料未达到冷量储存上限,所述通风控制模块保持所述第一循环泵开启;
当Δt3<ΔT2时,所述通风控制模块判定温度差值符合标准且所述蓄冷箱箱体内的相变蓄冷材料已达到冷量储存上限,所述通风控制模块控制所述第一循环泵关闭。
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