CN1341832A - 一种可贮存能量的太阳能空调房 - Google Patents

Abstract

一种全天候使用的太阳能相变贮能空调房,其主要功能通过使用太阳能集热瓦收集太阳辐射能量,再通过相变贮能介质贮存能量,实现整套房间的采暖、热水供应,并通过热能启动吸收式溴化锂－氨水热泵制冷机组,使室温恒定到对人类最适合的温度,达到舒适、温馨、健康的目的。本技术特别适用于别墅、农舍、军营营房、石油和地质工作人员用房的一次性投资,一次性吊装,也是未来新型建筑模式的全新概念探索,可以完全利用纯粹自然能源,在保证环保条件基础上创造建筑业全新的建筑格式。

Description

一种可贮存能量的太阳能空调房

一种可贮存能量的太阳能空调房，其特征为：利用太阳能量产生的热能和相变物贮存的热能采暖和制冷，使居室内冬季保持18-20摄氏度，夏季保持24-26摄氏度的理想温度，并实现24小时供应热水洗浴，该项技术属于环保新能源或可持续利用自然能源领域。

在以往贮存太阳能量的相变物中，包括发明者研制的相变物都是立足于将相变固液转换温度维持到35-40摄氏度，其原因是，太阳能集热产生的能量蓄积效率较低，不可能使温度上升到启动制冷设备或大面积、大容量使用热水的程度，本发明选择的相变物使控制相变起始温度达到80-85摄氏度，贮能温度上限维持到502摄氏度，即分解温度，借以提供一个贮存能量的更大空间，而使用这一能量即可完成采暖全过程，又可推动热泵完成制冷的全过程，整个系统在智能化最优设置下进行。

国内外已经有大量的关于太阳房的报道或专利，其共同特点是：利用直接接受到的太阳能量，利用扩大集热面和采光面，改善墙体保温效果或在墙体内添加类似十水硫酸钠、硝酸钾和硝酸钠的混合物等无机低温相变物来吸收热量，达到冬季保温的效果，由于硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠都是强烈腐蚀金属和硅酸盐水泥制品的无机盐类，硝酸钾还是强氧化物，极易引发爆炸，所以，这种贮能方案基本上不应采用，况且，这几种无机相变物贮能效果都不高，使用效果不明显，应被替代。

本发明的目的是：在建筑物的顶部，使用太阳集热瓦，通过吸收太阳光能转换为热能，太阳瓦下面铺敷的装有水或其他介质的专用管路接受太阳热能并实现虹吸循环，或泵循环，进入房间中，相变物做为介质的热交换器，将太阳产生的热能转换为相变物发生相变所需要的能量，并贮存起来，作为夜间或阴雨天气使用的能量，其余部分进入采暖系统。夏季则进入热泵制冷系统，热泵冬季改为制热后，同太阳能产生的热量合并，共同进入采暖系统，采暖系统的供暖终端可使用地板辐射、散热片，也可使用风机盘管热风系统。以地板辐射采暖占据空间最小，效果最好。

当太阳能量太弱，不足于采暖和使用热泵制冷时，可利用电能补充能量，双动力能源对太阳房的使用具有很好的兼容性。

为了使太阳能量不至于产生室内热量的散失，进入相变物热交换器的能量输出，需要进行切换，以保证使用不同的控制系统来维持夏季能量用来制冷，冬季能量用来采暖。

本发明的技术方案的构造特征包括室外能量采集和室内能量贮存及能量使用两大部分。

当白天太阳光辐射能量通过太阳瓦的向阳部分实现光热交换后，所产生的热量通过水介质和室外范围的虹吸循环完成热量的收集，按照每平方米800瓦太阳辐射能量计算，一栋100平方米的居室，应有超过60平方米铺有太阳瓦的集热面，每小时所接受的能量为48千瓦，效率按80％计算，可获得能量38、4千瓦，按7小时衡量共获得能量268、8千瓦，折合热量231168千卡，效率按60％计算，每小时可获得能量28、8千瓦，7小时共获得能量201、6千瓦，折合热能173376千卡。这部分热能以95摄氏度以下的热水的形式进入室内。融化相变物，(相变物80-85摄氏度发生固态向液态的相变)并将能量完全贮存起来。

进入相变物贮罐的热量通过散热终端，即地板辐射、散热片或风机盘管热风向室内送暖，这个过程是通过一个管式热交换器完成的，在这个热交换器中，一种介质是相变物质，另一种是水介质，在室内的热水循环中，所使用的动力有两种，一是虹吸循环，即依靠水本身受热膨胀，体积增加而实现的循环；另一种是强制循环，即使用热水循环泵来完成的循环。而采暖方式可采用风机盘管，使用热风；也可采用地板辐射、各类散热片传统散热方式来实现。

冬季采暖时，如果遇到连阴天或室外温度过低，采集太阳能量不可能提供足够的热能时，可在相变贮罐中安装电辅助加热系统，依靠电能完成上述的循环。

夏季，采集的太阳能量通过热泵的蒸发器，使低沸点的制冷介质完成制冷过程，当制冷介质通过盘管时，吸收盘管外的热量，使盘管中的介质一水或其他适合的介质，降低温度，并通过循环系统进入房间的地板、墙壁内层，使室内温度降下来，如迂连阴天，热泵的蒸发部分所需要能量不够临界温度时，可加入电辅助加热来完成。

本发明特别适用于流动作业的工程用房、部队野营用房、高级别墅、乡村别墅或快速施工用房的一次性组装，所有建筑形式均使用钢龙骨一彩钢板施工，其中低于两层的建筑物，可在地基上一次性吊装施工，这就大大有利于工房、营房和别墅、农宅等高度较低的建筑物的施工周期，对中国西部，太阳能资源特别丰富的地区尤其有利。在中国和世界建筑市场上具备极强的竞争力。

这种利用太阳能提供能量的建筑物不但满足了恒温使用，使居室全年享受最适合人类居住的温度，全天使用洗浴热水，而且具备防火、造价低、施工快、易装修、外观可随意雕琢、美化等其他建筑物所无法比拟的特点。

同其他钢结构房屋不同，该发明着意在屋顶向阳面太阳瓦集热系统、墙壁保温、地板辐射管路铺敷、智能化控制等方面做了设计，更强调了一体化，更重视了现代房屋的多项功能体现，利用了自然能源，彻底杜绝了污染或可能出现的污染(如燃煤、燃油、燃气供暖)是现代建筑史上的一大创新。

太阳能集热瓦是本发明的第一个关键环节，它是由太阳能集热选择性表面1，太阳瓦内置传热介质管路2，保温层3和维持传热介质强制循环的微型泵4，以及瓦和屋顶之间的密封层5所组成，(见附图1)其中，内置传热介质的管路2是由树脂化的轻烧镁粉，使用模具成型所制成，使用的树脂需具备高强度、耐水、抗腐蚀、抗大气介质、抗老化、价格便宜等特点，使用脲醛树脂价格便宜但耐水性不很理想，通常使用酚醛树脂、糠醇树脂比较实用。其配比为：氧化镁40-70％，树脂18-25％，氯化镁10-16％，在常温下搅拌，入模具成型，完全干燥后脱模；管路的向阳面采用喷溅法涂有镍黑选择性涂层，不向阳部分，特别是底部，使用硅铝纤维保温层一次成型，使太阳瓦集热后，不会通过热传导、热对流和热辐射将热能传到房间内，只能通过传热介质在管路内强制流动。

热水介质在管路内通过循环达到临界温度后(85-90摄氏度)，传感器6将热信号传给电磁阀7，电磁阀启动，将物顶上的被加热的水介质放到室内相变贮能和热交换罐8内，同时，另一阀门启动，补充常水，进入屋顶上的太阳瓦内的管路2中，电磁阀7关闭，太阳能集热又开始了新的过程，与此同时，进入相变贮能罐和相变热交换器8的介质，冬季就直接通过虹吸循环或泵循环进入房间内的散热片，或风机盘管热风系统内，达到采暖的要求。夏季需要制冷降温时，从相变贮能罐8中输出的热能，会启动吸收式热泵9双向工作程序，使用溴化锂—氨水做制冷介质，将热交换器外层的水介质10制冷、降温，通过散热系统或通过风机盘管形成冷风，使室内温度降到24摄氏度以下，达到降温的要求。

本发明中使用的相变贮能物质是由高碳羟基酸的酯类同增加导温系数的氧化铍、氧化铝、氧化铁的超微细粉末所组成，其中，高碳羟基酸的酯类碳原子数在24以上，具备以下物化性质：熔点82、5-86摄氏度；溶于热乙醚、热氯仿和四氯化碳；不溶于水相对密度(25摄氏度)0、996-0、998；酸值：2-10；酯化值：75-85；皂化值：78-88；碘值：7-14；不皂化物：50-55；乙酰值：51-60；颜色：绿偏棕黄；折光指数，1、463(60摄氏度)；产品含水量不大于1、5％；氧化铍粉末要求2000目细度，分子量25、01，比重3、01(0摄氏度)，熔点2530摄氏度，沸点3900摄氏度；γ-氧化铝粉末，比重3、965，熔点：2045摄氏度，分子量：101、96；氧化铁粉末，细度2000目，比重：5、12-5、24，分子量：159、69；氧化铜粉末，分子量：79、55，比重；6、3-6、49，熔点：1326摄氏度，细度2000目，在相变物组成中，所占比例为：高碳羟基酸60-95％，氧化铍粉末0、3-2％，氧化铝粉末2、5-20％，氧化铁粉末0、5-4％，氧化铜粉末0、5-10％，最佳配比为：高碳羟基酸75％，氧化铍粉末1％、氧化铝粉末18％，氧化铁粉末4％，氧化铜粉末2％。

相变物生产方法：在夹套反应釜内加入高碳羟基酸的酯类，夹套加热至90摄氏度，原料融化，依次加入氧化铍、γ-氧化铝、氧化铁、氧化铜，开动搅拌，按减速电机53转/分，充分反应，加入原材料时，会剧烈反应，因此反应釜容量体积和实际投料量应有一个合适的比例，一般为1000-450，即投料量不超过反应釜体积的一半为宜。控制温度在116摄氏度以下，如升温过快，应停止加热，靠反应热维持。1、2小时后，静止1小时，停止加热，开阀门放料，倒入模具中，冷却后装袋。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

图2是本发明的太阳能集热瓦的构造方式，太阳能集热瓦采用轻烧镁材料，其中氧化镁含量不少于95％，加入糠醇树脂(呋喃树脂)改性，使其耐水性、耐大气介质、抗老化的功能提高到超过烧制砖瓦的水平，加工成型时，先将轻烧镁加入氯化镁液体和糠醇树脂搅拌均匀，埋入特制的铝塑热水管1，热水管的外边有一层0、5毫米厚的聚碳酸酯改性柔韧的薄膜2，使其透光能力超过92％，在特制的铝塑管外向阳部分，喷溅选择性高吸热性涂层3，该涂层由金属铬外罩硫化镍的黑色选择性涂料组成，在特制的铝塑热水管道的下部。是衬有绝热和保温的硅铝纤维保温层4包敷，使其冬季保温，夏季绝热。铝塑热水管路的接口5在房屋的最高层和最低层连接，整个向阳面的管路纵横交错，形成一个系统，通过虹吸循环，缓慢的进行冷热交换。

在房屋顶部的一侧，安装有进水电磁阀6，这是主要的冷水入口。室外经太阳能光热交换，使冷水变为热水，当热水水温超过90摄氏度时，通过自动控制的电磁阀或单向逆止阀7，进入室内主管路8，流入室内某一角落的热交换器和相变贮能罐9。

集热瓦是自固化成型，成型后通过老化过程和矫型过程，就可长期使用。

图3是采暖和制冷管路的铺敷过程，本发明使用健康的采暖和制冷方式，即从足部开始接受热能和散失热能。管路采用高强度耐热、耐冷改性交联聚乙烯铝塑管1，分为干线管1和支线管2组成，接头部分3放在墙壁不显眼的部位，以利于维修。

图4是隔热墙壁的构成方式，在太阳能集热瓦系统的贮存热水的水箱上，不仅全部接受太阳集热瓦产生的高温热水，而且，在这个水箱的下泻管路上有一个同竖直向下的排水口，由电磁阀门控制，受传感器接受的温度信号所控制，在本发明中称之为热水干线管，此管道设置在墙壁的保温层中，保温层由岩棉毡或聚苯乙烯发泡材料，或硅铝纤维毡组成，干线热水管路埋装在保温层中。

在每层地板辐射采暖的地板下约3公分处，横向铺敷热水管路的采暖支线，支线管路安置在玻璃纤维布或玻璃纤维毡上，使热量向上面辐射，达到采暖的目的。

夏季，吸收式热泵采用溴化锂一浓氨水作为工作介质，当太阳能集热瓦把被加热的工质一水或导热油加热到使溴化锂和氨水开始蒸发的温度时，周围的水被冷却，冷却水同样进入埋装在墙壁中的制冷水管道，进入地板辐射预制好的冷水管道，达到制冷的要求。见图5，其中1为吸收式热泵溴化锂一氨水挥发管路，2、是水介质吸收管路3、是热交换器4、是泵5、为电辅助加热。当热交换器3接受到太阳能集热的热水工质后，经0、5-2千瓦的辅助电能加热，水温上升到可使溴化锂和氨水挥发的临界点，把制冷冷水管道2中的常水冷却，通过泵5，强制进行循环，达到房屋降温的要求。

制造示例：

1、使用优质钢材料(角钢、槽钢、钢管材料)制成房屋的龙骨，按设计要求，计算承重和极限承重、抗台风、地震的机械强度，墙壁厚度20-24厘米，墙壁内部使用保温层填满，保温层内预制采暖、洗浴热水管路和夏季使用的冷水管路。及进入地板时的管接头，弯头、活接头等，管道分别采用交联聚乙烯铝塑热水管和冷水管铺敷。

2、龙骨制成后，采用硅钙板封闭龙骨外的全部暴露部位，硅钙板连接处，使用耐水建筑胶粘剂填缝并抹平，墙外和内室同时进行操作施工。施工时注意在干燥后，立即进行保温和铺设热水管及冷水管道，表面要求平整，不允许任何斜面出现。硅钙板厚度8-10毫米。

3、地板下热、冷管道铺设：本发明可用于多层建筑物，地板表面下首先使用预制支架安放管道，支架上铺设保温材料和玻璃纤维布以防止热量向下传播，铺设方向从左方向右方，或从右方向左方，不能起伏，保持水平方向的支架无斜度，然后使整个系统成为有利于循环的闭合状态。

4、安装太阳能集热瓦：在屋顶龙骨骨架上，自上到下，铺设太阳能集热瓦，其太阳倾角应同建筑地安装地的纬度相同，如北京地区，建议太阳倾角为40度。

5、太阳能集热瓦采用模具一次成型，按照说明书中文字表述和附图成型。

其中，为了提高集热效率，在集热瓦表面上装有焦距为10毫米的若干菲涅尔透镜构成的光放大聚焦系统透明膜。

6、相变贮能热交换器和吸收式溴化锂一氨水热泵制冷设备连接在一起，其中相变贮能交换器中要加电辅助加热装置，按照每100平方米配加1千瓦电加热板来配置。

7、相变贮能装置中加入相变物质用于贮能，该型号相变物由高碳羟基酸的酯类为载体，同10-25％的γ氧化铝，0、3-2％的氧化铍，0、5-4％的氧化铁，0、5-10％的氧化铜粉经反应后配加而成。其最大贮能承受温度为502摄氏度，可以用来启动吸收式热泵，使溴化锂一氨水冷冻机组正常工作，每100平方米居室面积，应在相变贮能热交换器中内置100公斤相变物质。

8、室外水箱和室内相变贮能热交换器中，分别装有铜热传感器和铂热传感器，通过数码控制形式，利用设定在电磁阀的指令开关来自动关闭或开启全系统的采暖、沐浴或制冷。示例2：对多层建筑，每层地板和墙壁的热水管道和冷水管道，采用同一个自动化智能控制系统，其他制造工序同示例1。

Claims (6)

1、一种利用太阳能量同时实现采暖、制冷、全天供应热水的钢结构或钢混结构的全天候太阳能空调房，其特征为：利用太阳瓦采集太阳能量，将热量通过工质传递给室内的相变贮能装置和热交换器，再通过设置在墙壁和地板上的热水管道，经过地板辐射热量达到采暖的效果，夏季，除使用热水洗浴外，其余热能用做溴化锂一氨水热泵系统制冷的热源，用于蒸发低沸点溴化锂一氨水介质冷却水介质，制冷后的水介质再进入地板和墙壁制冷过程，由于使用了相变贮能，全过程动力均采用以太阳能为主的能量做功。

2、根据权利要求1，本发明的相变贮能物质使用以高碳羟基酸的酯类为主的载体，同氧化铍、氧化铝、氧化铁、氧化铜超细粉末混合而成，其中，氧化铍粉末占0、3-2％；γ-氧化铝粉末占2、5-20％；氧化铁粉末占0、5-4％；氧化铜粉末占0、5-10％，各种金属氧化物的细度均超过1000目。最佳配比为：氧化铍粉末1％、氧化铝粉末18％、氧化铁粉末4％、氧化铜粉末2％，其余为高碳羟基酸的酯类。

3、按照权利要求1，本发明中的太阳瓦构造是由轻烧镁呋喃树脂改性材料在氯化镁参加下，使用模具自固化而成，内置透明铝塑管，其向阳面有一层聚碳酸酯覆盖膜，厚度为0、5毫米，透光率为92％，铝塑管向阳面上，使用喷溅法涂布黑镍(硫化镍)可选择性涂层，借以提高吸收率和实现对红外、远红外能量的吸收，太阳瓦的底部，衬有保温隔热材料。

4、根据权利要求3，保温隔热材料使用硅铝纤维毡，岩棉毡或玻璃纤维毡一次性固定镶嵌，并使用建筑胶黏结，太阳瓦的顶部，即屋脊处，安装有管道式集热水箱，利用内径阀门管道32毫米的非带丝紧压连接方式同竖直方向的、镶嵌在墙壁内的下行水管相连。进入地板时改变方向，横向铺设热辐射层或制冷管道。

5、贮存能量的相变贮能装置和热交换器内，装有电辅助加热设备，每100平方米装有1千瓦的加热板，用来加热相变物质，外接电源开关前，使用漏电保护装置和漏电保护开关。

6、根据权利要求1，本设备使用彩钢板和槽钢、角钢先制成龙骨，每层地板和龙骨的结合位置采用螺栓或热铆、冷铆等方便操作的方式进行。墙体材料使用硅钙板或其他无机轻体材料镶嵌在龙骨上。

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