CN116005831A - 一种节能墙体及其传热储热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能墙体及其传热储热方法，该墙体主要针对南方夏热冬暖地区和西部高原地区，包括光伏板、热管、外墙抹灰层、空心砖、相变材料、保温层、以及内墙抹灰层，所述空心砖为槽型结构，所述相变材料充填于槽型结构中，所述热管为重力热管，呈L型，由蒸发段、冷凝段和绝热段组成，所述保温层布置于空心砖室内侧，所述热管的一端固定于光伏板背阳面，另一端插入墙体的相变材料中。本发明利用光伏板的强化传热作用、热管的强导热性能和相变材料的蓄储热能力调控室内得热量，实现建筑运行过程的节能、减碳及热舒适的目的。

Description

一种节能墙体及其传热储热方法

技术领域

本发明涉及节能建筑领域，具体涉及一种节能墙体及其传热储热方法。

背景技术

随着我国“双碳”战略的提出，建筑节能、减碳已成为我国实现“双碳”战略目标的重要途径之一。将相变材料与建筑墙体相结合制成相变储能墙体，可以增大墙体的热惰性，降低室内夏季得热量和冬季失热量，达到建筑节能。

太阳能光伏建筑利用光伏发电技术为建筑提供电能，达到建筑节电的目的。由于初投资和维护成本低，已成为建筑关注的焦点。此外，热管作为一种高效传热元件，近年来也广泛应用于建筑领。

现有节能墙体方案列举如下：

中国专利文献CN102383504B披露了一种热管植入式换热墙体技术，该方案中换热管自上而下布置在墙上，工质通过连接管连接，施工难度大，换热效率不理想，且冷却介质容易从连接管与换热器的界面逸出。

中国专利文献CN113374118A披露了一种基于主被动调节技术的新型相变节能墙体，该方案中整个结构布置内容多且复杂，需要各个模块灵活配合运用，技术难度较大，增加了初投资和日常运行管理成本，且所需利用的太阳能、夜空辐射、风能等对建筑所处的地理环境有严格的要求。

中国专利文献CN112082274A披露了一种有效减热损失的复合型特朗伯墙体，该方案的应用场合需是土壤热源或水资源充足地带，且特朗伯墙虽能够充分利用太阳能降低建筑能耗，但由于自身局限性，而极大地阻碍了与建筑的有机结合，降低了系统在使用阶段的效率。

上述节能墙体方案均不够理想，在实施节能墙体过程中，本发明人探索出一种将热管技术、光伏板和相变储热技术与建筑相结合，形成模块化高效节能墙体的方案。

发明内容

本发明的目的在于一种节能墙体及其传热储热方法，其利用光伏板的强化传热性能、热管的强导热性能、相变材料的储热调温性能，调控室内得热量，达到建筑运行过程的节能、减排、减碳及热舒适的目的。

为此，本发明一方面提供了一种节能墙体，用于南方夏热冬暖地区，包括光伏板、热管、空心砖、相变材料、以及保温层，所述空心砖为槽型结构，所述相变材料充填于槽型结构中，所述热管为重力热管，呈L型，由蒸发段、冷凝段和绝热段组成，所述保温层布置于空心砖室内侧，所述相变材料的相变温度高于室外夜间温度，低于室外白天温度，所述热管呈L型，其冷凝段固定在光伏板的背阳面且二者紧密贴合，蒸发段位于所述冷凝段的下方且插入相变材料内部。

本发明还提供了上述节能墙体传热储热方法，包括：当室外温度高于相变材料的相变温度时，其运行方法为：墙体吸收外部热量后温度升高，热量以热传导方式由相变材料吸收并储存，此时热管为热绝缘体，同时保温层阻止相变材料中的热量向室内传递；当室外温度低于相变材料的相变温度时，其运行方法为：相变材料加热热管的蒸发段内部的传热工质，传热工质将热量传递到冷凝段，所述光伏板吸收热管的冷凝段传递的热量，并传递到室外空气中，同时保温层阻止相变材料中的热量向室内传递。

根据本发明的另一方面，提供了一种节能墙体，用于西部高原大温差地区，包括光伏板、热管、空心砖、相变材料、以及保温层，所述空心砖为槽型结构，所述相变材料充填于槽型结构中，所述热管为重力热管，呈L型，由蒸发段、冷凝段和绝热段组成，所述节能墙体用于西部高原大温差地区，所述保温层布置于空心砖室外侧，所述相变材料的相变温度高于室外夜间温度，低于室外白天温度，所述热管的蒸发段固定在光伏板的背阳面且二者紧密贴合，冷凝段位于所述蒸发段的下方且插入相变材料内部。

本发明还提供了上述节能墙体传热储热方法，包括：当室外温度高于相变材料的相变温度时，其运行方法为：光伏板接受太阳辐射后温度升高，加热热管的蒸发段内的传热工质，将热量传输到冷凝段，热管的冷凝段加热，由相变材料吸收；当室外温度低于相变材料的相变温度时，所述热管为热绝缘体，拒绝热量向室外传递；其中，当相变材料温度高于室内温度时，相变材料向室内释放热量；当室内温度高于相变材料的温度时，室内热量向相变材料中传递。

本发明的墙体设计结构简单，结合南方夏热冬暖地区和西部高原大温差地区气候条件的不同，充分发挥光伏板、热管、保温材料和相变材料的供能，通过巧妙设计，根据需要将墙体中相变材料内的热量导入到室外或室内，精准调控室内得热量，达到更好的建筑节能、减排、降碳效果。本发明的节能墙体成本低，能产生良好的经济效益，可以广泛应用于各种类型的居住建筑和公共设备。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的第一实施例针对夏热冬暖地区的节能墙体结构示意图；

图2为本发明提供的第一实施中使用的热管结构；

图3为本发明中使用的空心砖的纵截面图；

图4为本发明中使用的空心砖的横截面图

图5为本发明提供的第二实施例针对西部高原昼夜大温差地区节能墙体结构示意图；

图6为本发明提供的第二实施例中使用的热管结构。

附图标记说明：

1、光伏板，2、热管，3、外墙抹灰层，4、空心砖，5、相变材料，6、保温层，7、内墙抹灰层，21、热管蒸发段，22、热管冷凝段，23、热管绝热段，41、外砖壁，42、内砖壁，43、侧砖壁，44、底砖壁。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例结合夏热冬暖的南方地区夏季白天室外温度高、光照强，昼夜室内的热量过高的特点，提供了一种节能墙体及其运行方法，其结构具体参见图1至图4。

该节能墙体由室外到室内依次为光伏板1、热管2、外墙抹灰层3、空心砖4、相变材料5、保温层6、内墙抹灰层7。

空心砖4由外砖壁41、内砖壁42、侧砖壁43和底砖壁44组成，为上部开口、下部密封的槽型空腔结构。

而热管2则呈近似“L”形布置，由蒸发段21、冷凝段22和绝热段23组成。针对本实施例，热管2的绝热段23的管材选用柔性绝热的橡胶管，蒸发段21和冷凝段22均选用导热系数高的铜管。

相变材料5的相变温度应高于室外夜间温度，低于室外白天温度，本实施例选择葵酸(31.5℃)作为相变材料。

空心砖4选用尺寸240mm(长)×115mm(高)×90mm(厚)，壁厚15mm，选择粉煤灰砌块空心砖；外墙抹灰层3厚度为15mm，内墙抹灰层7厚度为15mm；保温材料6优选15mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板。

热管2的冷凝段22固定在光伏板1的背阳面紧密贴合，热管2依次穿过外墙抹灰层3、空心砖4的外砖壁41，热管2的蒸发段21插入到相变材料5内部；外墙抹灰层3的外表面与环境大气接触，外墙抹灰层3的内表面与空心砖4的外砖壁41的外表面充分贴合。

相变材料5置于空心砖4的内部，即置于外砖壁41、内砖壁42、侧砖壁43和底砖壁44围成长方形空腔内；空心砖4的内砖壁42与保温材料6充分贴合，保温材料6与内墙抹灰层7的内表面充分贴合。热管2的蒸发段21位于冷凝段22的下部水平，热管为重力热管，热量只能从蒸发段21(相变材料侧)通过传热工质传递到冷凝段22(光伏板侧)。光伏板1与外墙抹灰层3呈平行布置。有太阳辐射时，太阳能照射在光伏板1上，光伏板1发电用于建筑用电。

当室外温度高于相变材料5的相变温度时，其运行方法为：

(1)外抹灰层3吸收热量后温度升高，热量以热传导方式依次穿过空心砖4的外砖壁41，被相变材料5吸收，储存到相变材料5中；

(2)保温材料6以其高热阻阻止相变材料5中的热量向室内传递；

(3)热管2不会从蒸发段21向冷凝段22传递热量，热管2为热绝缘体，从而降低室内得热量。

当室外温度低于相变材料5的相变温度时，其运行方法为：

(1)相变材料5加热热管2的蒸发段21内部的传热工质，传热工质将热量传递到热管2的冷凝段22；

(2)光伏板1吸收热管2的冷凝段22传递的热量，光伏板1将热量通过对流和辐射传热的方式传递到室外空气中，实现相变材料5的放热；

(3)保温材料6以其高热阻阻止所述相变材料5中的热量传递到室内。

本发明通过以上设计，模拟分析表明，在室外温度相同的情况下，白天可将室内温度降低4～5℃，夜间可将室内温度提高3～4℃，室内得热量减少10％左右。因此，本发明的实施例二进一步调控着不同时段室内的得热量，达到了建筑节能、减排、降碳的目的，室内环境桁架舒适。更多有益效果，需进一步实验验证。

实施例二

本实施例结合西部高原地区昼夜温差大、夜间需要供暖的特点，提供了一种节能墙体及其运行方法，该节能墙体将光伏板、热管、储热材料和保温材料巧妙结合，其结构具体参见图5和图6。该节能墙体由室外向室内依次为光伏板1、热管2、外墙抹灰层3、保温层6、空心砖4、相变材料5、内墙抹灰层7。

其中，空心砖4由外砖壁41、内砖壁42、侧砖壁43和底砖壁44组成，为上部开口、下部密封的槽型空腔结构。而热管2则呈近似“L”形布置，由蒸发段21、冷凝段22和绝热段23组成。针对本实施例，热管2的绝热段23的管材选用柔性绝热的橡胶管，蒸发段21和冷凝段22均选用导热系数高的铜管。

相变材料5的相变温度应高于室外夜间温度，低于室外白天温度，本实施例选择十水合硫酸钠作为相变材料；空心砖4选用尺寸240mm(长)×115mm(高)×90mm(厚)，壁厚15mm，选择粉煤灰砌块空心砖。

外墙抹灰层3厚度为15mm，内墙抹灰层7厚度为15mm；保温材料6优选15mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板。

热管2的蒸发段21固定在光伏板1的背阳面紧密贴合，热管2依次穿过外墙抹灰层3、保温材料6空心砖4的外砖壁41，热管2的蒸发段21插入到相变材料5内部；外墙抹灰层3的外表面与环境大气接触，外墙抹灰层3的内表面与保温材料6的外壁面充分贴合，保温材料6的内壁面与空心砖4的外砖壁41的外表面充分贴合。

相变材料5置于空心砖4的内部，即置于外砖壁41、内砖壁42、侧砖壁43和底砖壁44围成长方形空腔内；空心砖4的内砖壁42与内墙抹灰层7的内表面充分贴合；热管2的蒸发段21位于冷凝段22的下水平，热管为重力热管，热量只能从蒸发段21(光伏板侧)通过传热工质传递到冷凝段22(相变材料侧)。

光伏板1与外墙抹灰层3呈平行布置。有太阳辐射时，太阳能照射在光伏板1上，光伏板1发电用于建筑用电。

当室外温度高于相变材料5的相变温度时，其运行方法为：

(1)光伏板1接受太阳辐射后温度升高，加热热管2的蒸发段21内的传热工质，热量借助热管2高导热性能从蒸发段21传输到冷凝段22；

(2)热管2的冷凝段22加热相变材料5，将热量传递给相变材料5，热量存储到相变材料5中；

当室外温度低于相变材料5的相变温度时，其运行方法为：

(1)保温材料6以高热阻阻止相变材料5中的热量向室外传递；

(2)热管2的冷凝段22位于蒸发段21的上水平，且热管2的绝热段为橡胶管绝缘材料，热量不会从相变材料5中传递到室外；

针对上述两种情况，其运行方法为：

(1)当相变材料温度高于室内温度时，相变材料5中的热量依次通过空心砖4的内壁面42、内墙抹灰层7传递到室内，为室内提供必须的热量；

(2)当室内温度高于相变材料5的温度时，室内的热量会依次通过内墙抹灰层7、内墙壁42传递到相变材料5中，这种持续时间会很短，一般出现在凌晨时段。

本发明通过以上设计，研究分析表明，在室外温度相同的情况下，白天可将室内温度降低3～5℃，室内的热量减少15％左右；夜间可将室内温度提高2～4℃，室内温度波动更小。因此，本发明的实施例二进一步调控着不同时段室内的得热量，达到了建筑节能、减排、降碳的目的，室内环境热舒适。更多有益效果，需进一步实验验证。

实施例一与实施例二的区别在于，南方夏热冬暖地区的节能主要是隔绝外部热量进入室内，如果把保温材料做在结构墙体内表面，在内外墙交接处和过梁的位置，由于没有保温材料的“保护”，可能形成“热桥”。南方夏热冬暖地区长夏无冬，建筑节能主要是降低夏季空调能耗，对外墙保温而言主要是是降低热传导能耗以及提高墙体的隔热性能；西部高原地区的保温层主要是满足夏季夜间和冬季房屋室内的保暖，尽量减少室内的热量向外扩散；相应地，实施例二中热管冷凝段除需穿过外墙抹灰层与空心砖外墙，还需穿过保温层，然后进入相变材料层。

针对不同的地区气候特点，两个实施例中光伏板1背阳面的热管功能发生了变化，由夏热冬暖地区的冷凝段变为西部高原地区的蒸发段，保温材料的位置也发生了变化，从而造成针对夏热冬暖地区减少室内得热量，针对昼夜大温差的西部高原地区白天减少室内得热量、夜间提高室内得热量的目的，从而提高相应地区建筑室内的舒适性，降低建筑能耗和碳排放。

以上所述仅为本发明的实施例而已，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、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节能墙体，其特征在于，包括光伏板(1)、热管(2)、空心砖(4)、相变材料(5)、以及保温层(6)，

所述空心砖(4)为槽型结构，所述相变材料(4)充填于槽型结构中，所述热管(2)为重力热管，呈L型，由蒸发段(21)、冷凝段(22)和绝热段(23)组成，

所述节能墙体用于南方夏热冬暖地区，所述保温层(6)布置于空心砖(4)室内侧，所述相变材料(4)的相变温度高于室外夜间温度，低于室外白天温度，

所述热管(2)呈L型，其冷凝段(22)固定在光伏板(1)的背阳面且二者紧密贴合，蒸发段(21)位于所述冷凝段(22)的下方且插入相变材料(5)内部。

2.根据权利要求1所述的节能墙体，其特征在于，还包括外墙抹灰层(3)和内墙抹灰层(7)，其中，所述空心砖(4)为粉煤灰砌块空心砖，所述保温层(6)的保温材料为15mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板。

3.根据权利要求1所述的节能墙体，其特征在于，所述相变材料选自葵酸(31.5℃)、十水合硫酸钠(32～38℃)。

4.根据权利要求1所述的节能墙体，其特征在于，所述热管(2)的绝热段(23)的管材选用柔性绝热的橡胶管，所述蒸发段(21)和冷凝段(22)均选用铜管。

5.一种根据权利要求1至4任一项所述的节能墙体的传热储热方法，其特征在于，包括：

当室外温度高于相变材料(5)的相变温度时，其运行方法为：(1)墙体吸收外部热量后温度升高，热量以热传导方式由相变材料(5)吸收并储存，此时热管(2)为热绝缘体，同时保温层(6)阻止相变材料(5)中的热量向室内传递；

当室外温度低于相变材料(5)的相变温度时，其运行方法为：(1)相变材料(5)加热热管(2)的蒸发段(21)内部的传热工质，传热工质将热量传递到冷凝段(22)，所述光伏板(1)吸收热管(2)的冷凝段(22)传递的热量，并传递到室外空气中，同时保温层(6)阻止相变材料(5)中的热量向室内传递。

6.一种节能墙体，其特征在于，包括光伏板(1)、热管(2)、空心砖(4)、相变材料(5)、以及保温层(6)，

所述空心砖(4)为槽型结构，所述相变材料(4)充填于槽型结构中，所述热管(2)为重力热管，呈L型，由蒸发段(21)、冷凝段(22)和绝热段(23)组成，

所述节能墙体用于西部高原大温差地区，所述保温层(6)布置于空心砖(4)室外侧，所述相变材料(4)的相变温度高于室外夜间温度，低于室外白天温度，

所述热管(2)的蒸发段(21)固定在光伏板(1)的背阳面且二者紧密贴合，冷凝段(22)位于所述蒸发段(21)的下方且插入相变材料(5)内部。

7.根据权利要求6所述的节能墙体，其特征在于，还包括外墙抹灰层(3)和内墙抹灰层(7)，所述空心砖(4)为粉煤灰砌块空心砖，所述保温层(6)的保温材料为15mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板。

8.根据权利要求6所述的节能墙体，其特征在于，所述相变材料选自葵酸(31.5℃)、六水氯化钙(29.92℃)、十水合硫酸钠(32～38℃)。

9.根据权利要求6所述的节能墙体，其特征在于，所述热管(2)的绝热段(23)的管材选用柔性绝热的橡胶管，所述蒸发段(21)和冷凝段(22)均选用铜管。

10.一种根据权利要求6至9任一项所述的节能墙体的传热储热方法，其特征在于，包括：

当室外温度高于相变材料(5)的相变温度时，其运行方法为：光伏板(1)接受太阳辐射后温度升高，加热热管(2)的蒸发段(21)内的传热工质，将热量传输到冷凝段(22)，热管(2)的冷凝段(22)加热，由相变材料(5)吸收；

当室外温度低于相变材料(5)的相变温度时，所述热管(2)为热绝缘体，拒绝热量向室外传递；

其中，当相变材料温度高于室内温度时，相变材料(5)向室内释放热量；当室内温度高于相变材料(5)的温度时，室内热量向相变材料(5)中传递。

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