CN115540111A - 固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及辐射制冷与相变储能技术领域，特别是涉及固‑固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，本发明不同于传统辐射制冷技术的应用理念，核心思想为利用固‑固相变材料的高相变潜热、热滞后现象，调制具有与建筑室内热舒适环境温度区间相同的吸放热温度间隔固‑固相变材料；强化辐射制冷材料的低太阳吸收率、高红外发射率等特性，通过将传统基础墙体与固‑固相变材料、反射辐射制冷超材料依次组合，形成具有双向吸热、强化单向释放热的建筑调温复合围护结构。相变材料在室外交变环境下的高太阳辐射、高温时刻吸热，低/无太阳辐射、低温时刻释放热以实现跨温相变，从而抑制室内墙壁温度大幅度波动，阻隔室外环境变化产生的夏季冷负荷。
Description
技术领域
本发明涉及辐射制冷与相变储能技术领域，特别是涉及一种固-固跨温相变 强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构。
背景技术
近年来，建筑能耗不断攀升，空调系统能耗在建筑运行总能耗中占比超过 50％。其中，建筑围护结构是室内与室外的热通道，也是形成室内夏季冷负荷的 重要组成部分。由于建筑围护结构的热惰性，在交变室外环境下，围护结构在 高太阳辐射、高温时刻积蓄的热量会在低/无太阳辐射、低温时刻同时向室内和 室外环境传递。随着室外温度周期性变化，热量不断通过围护结构传入室内， 尤其是在赤道附近的建筑物(常年需要制冷)。因此，减弱或阻隔室外热量通过 围护结构向室内的传递，构建“低制冷需求”的建筑对于实现节能减排具有积 极影响。
辐射制冷涂料是建筑围护结构有效隔热的技术措施之一。辐射制冷涂料与 常规涂料的主要区别在于前者同时具有低太阳吸收率和高红外发射率；低太阳 吸收率大大降低了日间围护结构表面对太阳辐射的吸收；高红外发射率使得围 护结构表面与外太空(3K)进行辐射换热。虽然目前辐射制冷涂料对太阳辐射 的反射率可以达到96％，其自身的红外发射率能达到97％，但是仍然不能完全 隔绝从外界传入室内的热量。
除了涂覆辐射制冷涂料外，固-固相变材料也是实现建筑隔热的有效技术措 施。固-固相变材料具有高储能密度和高储能效率，且形状稳定、无相分离、无 泄漏，空间利用率高。但固-固相变材料相变过程存在热滞后现象，即吸热和释 放热对应的相变温度区间不一致，使得存储的潜热不能及时释放，极大制约了 材料的实际应用。
因此，如何根据辐射制冷涂料和固-固相变材料的特性进行有机结合，强化 辐射制冷，实现热量传递的定向调节，控制交变热环境下的由围护结构传热形 成的夏季冷负荷，对构建“低制冷需求”的建筑有重要意义。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出的一种固-固跨温相变强化 辐射制冷的建筑调温复合围护结构。
本发明的技术方案，一种固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护 结构，包括水泥砂浆，建筑基础墙体和不锈钢材支撑架，还包括调温模块以及 反射辐射制冷超材料；
水泥砂浆层设置在建筑基础墙体朝向室内的一侧；调温模块设置在建筑基 础墙体朝向室外的一侧；
调温模块包括内防护层、调温层、外防护层三层结构，支架层设置在调温 模块中部，并对内防护层、调温层、外防护层进行支撑；
调温层内填充固-固相变材料，且固-固相变材料的吸放热温度间隔与室内热 舒适温区相同。
内外防护层采用如石墨/环氧树脂等具有高导热性、高结构刚度、低热膨胀 系数等特性的复合材料，确保相变材料的热量传递速率及建筑围护结构表面的 结构强度。
外防护层外侧选择性喷涂热控涂层，如具有低太阳吸收率、高红外发射率 材料的辐射涂层，用于表面被动温控。
内防护层贴合基础墙体侧可选择性喷涂导热性良好的建筑黏胶。
调温模块调温层内部填充的固-固相变复合材料，在固-固相变材料中掺混其 它高热导率材料，如泡沫金属等，以提高调温模块的热传热性能。
本发明所述的调温层固-固相变材料为具有与建筑室内热舒适环境温度区间 (18℃～26℃)相匹配的吸放热温度间隔固-固相变材料。
相变材料的吸热温度区间25℃～30℃高于建筑室内热舒适温度区间。
相变材料的释放热温度区间2℃～20℃低于建筑室内热舒适温度区间。
本发明的调温模块的强化型内防护层结构是将所述的平板内防护层贴合固- 固相变材料一侧设置不同类型的凸起结构，比如圆锥型、圆台型、圆柱型、月 牙型、树型、蜂窝型、网格型等。
凸起结构之间的间距根据需求进行优化设计。
凸起结构可以强化基础墙体向调温材料传热。
本发明的调温模块的高强度调温层结构包括固-固相变材料和网格型金属 网。所述网格型金属网嵌于固-固相变材料中间，与内外防护层平行，这样即可 以确保调温模块的强度，又可以使得调温模块外表面温度均匀分布，便于向外 界辐射散热。
本发明的调温模块多层结构包含多层调温模块，所述多层调温模块平行叠 加使用，实现大规模吸热散热。
本发明的调温模块复合调温结构包含调温模块和高红外发射率材料，所述 高红外发射率材料，比如反射辐射制冷超材料，直接喷涂在调温模块的外防护 层表面，阻隔室外热流传递到基础墙体。
本发明的建筑围护结构温控策略是通过选取吸放热温度间隔与建筑室内热 舒适温度范围一致的固-固相变材料，并与其它建筑围护结构温控技术结合。当 室外环境处于室外高太阳辐射、高温时刻，围护结构外部热流载荷大，其外壁 面温度迅速提升，达到相变材料的吸热峰起始温度后，材料吸收并储存大量潜 热，抑制围护结构内壁面温升；当室外环境处于低/无太阳辐射、低温时刻，围 护结构向外辐射热量且温度下降，达到相变材料的释放热峰起始温度后，逐步 释放潜热。该策略可以实现交变热环境下热量的双向传递存储和单向传递释放， 维持建筑围护结构内壁面始终处在室内环境热舒适的温度范围。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1、合理利用了相变的材料热滞后特性，虽然大多数相变材料在实际应用中 由于热滞后特性受到制约，而该特性正是本发明实现跨温吸释放热的关键技术 点，该特性可以将高温区吸的热在低温区进行释放，从而将交变热环境下建筑 室内环境控制在舒适的温度区间，拓展了固-固相变材料的应用理念及适用场合。
2、采用固-固相变而非固液相变填充材料，不会产生相分离现象，材料体积 变化小，较大的相变潜热，较宽的熔点，热效率高，无腐蚀和泄漏隐患，封装 简单且易于加工成形，性能稳定(吸放热温度恒定、相变前后性态不变)，使用 寿命长，便于材料的模块化封装设计。
3、调温模块的内防护层接触调温层的一面做成不同凸起结构，比如圆锥型、 圆台型、圆柱型、月牙型、树型、蜂窝型、网格型等，不同凸起结构之间的间 距根据需求进行优化设计，以实现强化基础墙体向调温材料传热。嵌在调温层 的网格型金属网即可以确保调温模块的强度，又可以使得调温模块外表面温度 均匀分布，便于向外界辐射散热。另外，多层调温模块叠加使用，可实现大规 模吸热散热。
4、与反射辐射制冷超材料技术结合，较传统的辐射制冷方案而言，能够在 高太阳辐射、高温时刻阻隔外界热量向室内传递，在低/无太阳辐射、低温时刻 强化围护结构向外散热，将围护结构内壁面温度控制在适宜的温度区间，解决 现有围护结构因热惰性持续向室内传热的难题，实现了交变热环境下热量的双 向传递存储和单向传递释放的功能。
附图说明
图1为应用跨温相变热控方法强化辐射制冷的复合围护结构示意图；
图2为应用跨温相变热控方法强化辐射制冷的调温模块壳体结构示意图；
图3为应用跨温相变热控方法强化辐射制冷调温的场景示意图；
图4为调温过程热流流向变化示意图。
附图标记：1、内防护层；2、调温层；3、外防护层；4、建筑基础墙体；5、 水泥砂浆；6、支撑架；7、反射辐射制冷超材料涂层。
具体实施方式
为加深本发明的理解，下面将结合附图对技术方法及实施例进一步详述， 该部分仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
技术方法参见图1和2，相变材料热滞后特性导致相变过程中的吸热峰和放 热峰温度区间不一致。本发明利用这一特性，调制具有与建筑室内热舒适环境 温度区间相同的吸放热温度间隔固-固相变材料；相变材料在室外交变环境下的 高太阳辐射、高温时刻吸热，低/无太阳辐射、低温时刻释放热以实现跨温相变， 从而抑制室内墙壁温度大幅度波动，阻隔室外环境变化产生的夏季冷负荷。
交变热环境的典型示例为建筑所处的室外环境，参见图3。在高太阳辐射、 高温时刻，太阳辐射使得建筑物外部的热流载荷很大，若没有任何热控措施， 建筑围护结构温度将迅速提升；在低/无太阳辐射、低温时刻，建筑物对室外低 温环境辐射能量，围护结构温度将不断下降。地球的自传使得建筑物处于高低 温差较大的室外交变热环境。
实施例1
参见图1和2，该实施例具体表现为跨温相变热控方法与建筑围护结构的反 射辐射制冷超材料涂层7温控技术相结合。建筑基础墙体4内侧为水泥砂浆5， 最外侧安装不锈钢材支撑架6，作为调温模块的安装支撑，包括内外防护层和固 -固复合相变材料。调温模块的内防护层1与围护结构建筑基础墙体4最外层紧 密贴合，调温模块的外保护层喷涂反射辐射制冷超材料涂层7。
固-固复合相变材料采用如泡沫金属等与固-固相变材料复合形成，提升调温 模块的导热性能，内防护层1封装面板采用如石墨/环氧树脂复合材料等高导热 性、高结构刚度、低热膨胀系数材料，保障围护结构外表面结构强度和传热速 率；固-固复合相变材料的释放热温度区间低于建筑室内环境舒适温度，防止蓄 存的热量向室内侧散热，起到热流单向开关的作用。调温模块吸放热的过程参 见图4具体如下：
吸热过程：建筑处于强太阳辐射、高温环境时，建筑围护结构调温模块外 防护层3外侧的反射辐射制冷超材料涂层7反射大部分辐射能量，吸收的能量 向内传递至调温模块；同时室内存在大量夏季冷负荷时，产生较大密度的热流， 向外传递至调温模块。调温模块中的固-固复合相变材料吸收内外传递的热量， 用以减缓大热流时围护结构内壁温升速率。
释放热过程：建筑处于低/无太阳辐射、低温环境时，反射辐射制冷超材料 涂层7向室外环境中辐射能量，温度下降较快，尤其当建筑围护结构内侧温度 在室内环境热舒适温区范围，此时的温降速率达到最大。当温度降低至固-固相 变材料的释放热峰起始温度，材料逐渐释放热量，保证强太阳辐射、高温环境 时刻吸收的热量向室外单向流动。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让 熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范 围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明 的保护范围之内。
Claims (9)
1.固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，包括水泥砂浆(5)，建筑基础墙体(4)和不锈钢材支撑架(6)，其特征在于：还包括调温模块以及反射辐射制冷超材料涂层(7)；
水泥砂浆(5)设置在建筑基础墙体(4)朝向室内的一侧；调温模块设置在建筑基础墙体(4)朝向室外的一侧；
调温模块包括内防护层(1)、调温层(2)、外防护层(3)三层结构，支撑架(6)设置在调温模块中部，并对内防护层(1)、调温层(2)、外防护层(3)进行支撑；
调温层(2)内填充固-固相变材料，且固-固相变材料的吸放热温度间隔与室内热舒适温区相同。
2.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，固-固相变材料的吸热温度区间为23.4℃～35.0℃，释放热温度区间为1.7℃～17.2℃，吸放热温度间隔为17.2℃～23.4℃。
3.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，内防护层(1)接触调温层(2)的一面设置为凸起结构，凸起结构之间的间距根据导热系数进行设定。
4.根据权利要求3所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，凸起结构包括圆锥型、圆台型、圆柱型、月牙型、树型、蜂窝型或网格型中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，调温层(2)与内防护层(1)贴合在一起，且在调温层(2)的固-固相变材料中嵌入网格型金属网；网格型金属网与内防护层(1)外防护层(3)保持平行。
6.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，调温模块叠加1-3层。
7.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，调温模块的外防护层(3)喷涂反射辐射制冷超材料涂层(7)。
8.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，调温模块中的固-固相变材料与高热导率材料复合形成传热层，高热导率材料包括泡沫铜、镓铟锡合金。
9.根据权利要求1所述的固-固跨温相变强化辐射制冷的建筑调温复合围护结构，其特征在于，内防护层(1)贴合建筑基础墙体(4)侧喷涂高导热性建筑黏胶。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117447157A (zh) * | 2023-10-27 | 2024-01-26 | 东南大学 | 一种低升温、高导热、高抗裂水泥基复合材料及其制备方法 |
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2022
- 2022-08-17 CN CN202210986696.4A patent/CN115540111A/zh active Pending
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