CN212773743U - 一种固-固相变气候自适应围护结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种固‑固相变气候自适应围护结构，包括可变透明度固‑固相变材料、高反射率膜、绝热保温层、直角固定片及螺栓螺母。在夏季高温下，固‑固相变材料呈透明状态，太阳入射光透过固‑固相变材料后在高反射率膜的作用下，被反射到室外环境中，减少绝热保温层得热，实现了围护结构隔热的作用；在冬季低温下，固‑固相变材料呈不透明状态，能够吸收并储存太阳入射光，维持围护结构温度在较高的水平，实现了围护结构保温的作用。本实用新型结构简单，造价低，通过可变透明度固‑固相变材料与高反射率膜结合，实现了建筑围护结构的太阳辐射得热的主动调节，兼具保温和隔热的作用。

Description

一种固-固相变气候自适应围护结构

技术领域

本实用新型涉及一种可变透明度固-固相变材料的建筑围护结构,属于建筑与建造技术领域。

背景技术

目前中国建筑能耗约占社会总能耗的30-40％，并且预计会继续增加，采暖，通风和空调系统消耗的建筑能耗超过40％，而其中大约60％-80％供暖和制冷负荷是通过建筑围护结构热传递引起的，包括窗户，墙体和屋顶在内的建筑围护结构是热能损失的重要来源，在这些建筑围护结构中，通过墙体传热产生的热能损失高达25％-30％。由于固定热物性参数的设定，传统建筑围护结构难以根据室内外气温和太阳能来实现自身热平衡。理想的建筑外围护结构最好能在冬季充分利用太阳辐射，而在夏季尽量减少太阳辐射得热。目前主要建筑围护结构保温隔热方法有屋顶绿化，内置保温层，内嵌相变材料隔热层，混凝土空心砌块砌筑等，但是上述外围护墙体由于直接受室外太阳辐射影响，并不能直接对太阳辐射进行调节，只能被动接收太阳辐射。很多学者利用固-液相变材料在墙体内的相变过程来减小建筑内部温度的波动，提高室内环境的热舒适，同时可以转移建筑峰值负荷，减少建筑能耗。但是固-液相变材料需要封装或者对其进行定形，同时存在边缘渗漏、挥发或腐蚀等问题，这在一定程度上限制了其在建筑中的应用。相比固-液相变材料，固-固相变材料在相变过程中始终处于固态，通过材料在结晶(固态)与非结晶(固态)状态之间的转换，实现热量的吸收和释放，而且部分固-固相变材料在高温相变非结晶时呈透明状态，在低温结晶时呈不透明状态。利用固-固相变材料透明度可变的特点，提出一种固-固相变气候自适应围护结构，可根据室外气象参数，调节围护结构辐射得热量，并不需要外部能量供给。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为201920289553.1，名称为：一种可旋转装配式冬夏两用多层相变墙体，该技术涉及组合式相变墙体调节温度。该系统在固定墙体与格栅端盖之间放置活动墙体，活动墙体由混凝土层和相变点高低不同的两种相变材料层组成，活动墙体由其两侧的转轴支架带动旋转活动，根据室外气象条件旋转活动墙体，提高相变墙体相变材料的利用率，实现冬夏季调节墙体热流。但是该装置系统复杂，需要外部能量供给驱动，不能调节墙体辐射得热量，应用场景有限。中国专利申请号201911059889.X，专利名称为：一种可全年发挥节能作用的建筑围护墙体，该技术涉及组合式相变墙体调节温度。该系统包括外饰面，基层墙体，界面砂浆层，保温层，第一相变砂浆层，第二相变砂浆层，第三相变砂浆层，抹面层和内饰面层。系统将三层相变砂浆层设定不同的相变温度，使围护墙体能够满足全年度建筑节能。但是该系统只是不同相变温度点相变材料的简单组合，响应室外环境温度变化不灵活，造价较高，系统复杂。中国专利申请号201811069092.3，名称为：一种改变相变温度的相变材料卷帘装置，该技术涉及窗帘内嵌相变材料调节温度。该系统包括：相变材料卷带和相变材料卷放装置，相变材料卷带在长度方向上依次连接具有不同相变温度的相变材料段，在过渡季节，夏季，冬季分别释放不同的相变材料段，使得相变材料一年均可白天相变潜热吸收室内环境热量，夜晚相变潜热为室内环境供热。但是该装置结构复杂，造价较高，改善室内热舒适会影响室内采光和美观。中国专利申请号201921774776.3，名称为：一种能自动调温的复合瓷砖，该技术涉及墙体内嵌相变材料层调温。该系统由装饰层，相变材料层和压封层组成，采用平扣连接方式。陶瓷装饰层加工过程中添加石墨烯粉，增强室内和相变材料层之间的热传递，相变材料根据室内温度的高低实现储热和放热以调节室内温度。但是该系统只是利用相变材料蓄冷、蓄热的作用调节室内温度，不能响应室外环境变化。可以看出，以上利用相变材料与建筑围护结构结合的调温系统，虽然能够改善室内热舒适，实现建筑节能，但是存在结构复杂，动力驱动耗能高，响应室外环境变化不够灵活，不能调节墙体辐射得热等问题，本实用新型提出的固-固相变自适应围护结构，兼具保温和隔热的作用，能够根据室外温度变化，自动调节围护结构的太阳辐射得热，结构简单，易于安装，不需要外部能量供给，能够实现全年度的建筑节能。

实用新型内容

针对现有建筑围护结构存在保温和隔热的矛盾，即传统建筑围护结构不能在夏季减少太阳得热的同时，在冬季有效利用太阳能实现墙体保温，提出一种固-固相变气候自适应围护结构，利用固-固相变材料透明度可变特性，实现在夏季有效减少围护结构太阳辐射得热的同时，在冬季有效利用太阳能实现围护结构保温的目的。

本实用新型通过以下技术方案实现，本实用新型涉及一种固-固相变气候自适应围护结构，其包括：可变透明度固-固相变材料、高反射率膜、绝热保温层、直角固定片及螺栓螺母。

所述可变透明度固-固相变材料，具有较低的导热率和较高的相变潜热值，根据气候特点，相变材料的相变温度点可在20-35℃之间选用，并且被布置在高反射率膜上侧。当室外环境温度高于可变透明度固-固相变材料的相变温度点时，可变透明度固-固相变材料由结晶状态完全转变为非结晶状态，其透明度提高，对太阳入射辐射呈现透明状态；当室外环境温度低于可变透明度固-固相变材料的相变点时，可变透明度固-固相变材料由非结晶状态转变为结晶状态，此时对太阳辐射呈现不透明状态。可变透明度固-固相变材料可以根据室外环境温度的高低实现自身对太阳入射辐射透明度的高低变化。所利用的可变透明度固-固相变材料为具有一定储能功能的透明类相变材料，如多元醇有机物类包括三羟甲基氨基甲烷(TAM)，三羟甲基乙烷(PG)和季戊四醇(PE)等经过提纯处理后都可作为可变透明度固-固相变材料应用。

所述的高反射率膜布置在可变透明度固-固相变材料和绝热保温层之间，为一种对太阳光具有高反射率的膜，如铝箔或聚脂薄膜等，该高反射率膜始终对太阳辐射呈现不透明状态。

所述绝热保温层布置在最下侧，直接与基础墙体接触，为一种具有低导热率的材料，如聚氨酯板，挤塑板，玻璃棉，橡塑等。

所述直角固定片及螺栓螺母用于固定围护结构，直角固定片及螺栓螺母均为高强度塑料材质，可避免围护结构形成局部热桥而造成的热损失。

本实用新型中，在夏季，当室外环境温度高于可变透明度固-固相变材料的相变温度时，可变透明度固-固相变材料发生相变呈非结晶状态，并且对太阳辐射保持透明状态，太阳入射光经过固-固相变材料表面轻反射作用，大部分入射光透射进入透明态的固-固相变材料中，而固-固相变材料下侧的高反射率膜暴露于透射光下，并把透射光反射到室外环境中去，降低了绝热保温层对太阳能的吸收，因此减少了围护结构夏季的辐射得热量，有利于夏季空调节能。

在冬季，由于室外空气温度较低，白天在太阳辐射作用下，可变透明度固-固相变材料吸收太阳辐射，但固-固相变材料的温度仍低于相变温度点，因此固-固相变材料没有发生相变，呈结晶状态，这时固-固相变材料对太阳辐射保持不透明，因此固-固相变材料层下面的高反射率膜未能暴露于太阳辐射下，大部分太阳辐射被相变材料吸收，并储存在相变材料中，起到转移围护结构峰值负荷的作用，在晚上室外气温下降后，相变材料中的热量释放出来，实现利用太阳能对围护结构保温，减少了冬季建筑的采暖负荷。

本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型涉及的一种固-固相变气候自适应围护结构中的可变透明度固-固相变材料在相变前后始终处于固体状态，无需封装，克服了固-液相变材料需要封装、存在边缘渗漏、挥发或腐蚀等缺点。

2.夏季室外高温条件下，可变透明度固-固相变材料呈透明态，太阳辐射透射过相变材料后，被高反射率膜反射到室外环境中，减少了绝热保温层对太阳辐射的吸收，减少围护结构得热量，起到了围护结构隔热效果。

3.冬季室外低温情况下，可变透明度固-固相变材料呈不透明状态，大部分太阳辐射被相变材料吸收，相变材料储存的热量能够减小室内侧的温度波动，减少热量损失，提高室内环境的热舒适，同时可以转移围护结构峰值负荷，起到了围护结构保温效果。

4.该固-固相变气候自适应围护结构通过可变透明度固-固相变材料透明度的变化并与高反射率膜结合，可以同时减小建筑围护结构室内夏季气象条件下的制冷负荷和冬季气象条件下的制热负荷，解决了夏季制冷和冬季制热同时实现节能的矛盾，可实现全年度的建筑节能，并且此过程不需要外部能源供给。

5.在结构设计上，本实用新型涉及的一种固-固相变气候自适应围护结构的结构简单，可直接固定在竖直墙面上或者铺设在屋顶上，易于与现有建筑围护结构结合。

附图说明

图1为本实用新型的结构剖视图。

图2为本实用新型的结构俯视图。

图3为夏季条件下的原理示意图。

图4为冬季条件下的原理示意图。

1、可变透明度固-固相变材料 2、高反射率膜 3、绝热保温层

4、直角固定片 5、螺栓螺母 6、太阳入射光

7、漫反射 8、镜面反射 9、反射膜反射

10、透射光 11、热传导

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明。

如图1所示，本实用新型包括：可变透明度固-固相变材料1，高反射率膜2，绝热保温层3，直角固定片4，螺栓螺母5。可变透明度固-固相变材料布置在最外侧，高反射率膜在可变透明度固-固相变材料与绝热保温层之间，绝热保温层在最下侧，结构整体采用直角固定片及螺栓螺母固定。

如图2所示，直角固定片与围护结构的棱角边缘齐平，在四个棱角顶点两侧位置处使用螺栓螺母固定。

其工作原理为：如图3所示，在夏季，室外环境温度高于可变透明度固-固相变材料1相变温度值，可变透明度固-固相变材料1呈非结晶状态，并且对太阳光保持透明。此时一部分太阳入射光6经可变透明度固-固相变材料1表面的镜面反射8进入室外环境中，一部分太阳入射光6经可变透明度固-固相变材料1表面漫反射7进入室外环境中，而大部分太阳入射光6透射进入可变透明度固-固相变材料1中形成透射光10，此时可变透明度固-固相变材料1下侧的高反射率膜2暴露于透射光10下，并且经过反射作用将大部分透射光10反射到环境中去，如反射膜反射9所示，因此降低了高反射率膜2对太阳入射光6的吸收，降低了高反射率膜2向绝热保温层3的热传导11的作用，因此达到围护结构隔热的目的。

如图4所示，在冬季，室外环境温度低于可变透明度固-固相变材料1的相变温度值，可变透明度固-固相变材料呈结晶状态，并且对太阳辐射保持不透明，因此可变透明度固-固相变材料1下面的高反射率膜2未能暴露于太阳入射光6下。此时太阳入射光6照射到可变透明度固-固相变材料1上，其中一部分太阳入射光6经可变透明度固-固相变材料1表面镜面反射8进入室外环境中，一部分太阳入射光6经可变透明度固-固相变材料1表面漫反射7进入室外环境中，而大部分太阳入射光6被在可变透明度固-固相变材料1吸收，因此太阳入射光形成的热量被储存在可变透明度固-固相变材料1中，由于相变材料的潜热蓄热作用，可变透明度固-固相变材料1吸收热量能够维持围护结构温度稳定，因此减少由于热传导11引起的室内热量的损失，达到围护结构保温的效果。

Claims (5)

1.一种固-固相变气候自适应围护结构，其结构由可变透明度固-固相变材料、高反射率膜、绝热保温层、直角固定片和螺栓螺母组成，其特征是，所述固-固相变气候自适应围护结构中的可变透明度固-固相变材料布置在最外侧，高反射率膜布置在可变透明度固-固相变材料和绝热保温层之间，内侧是绝热保温层，结构整体采用直角固定片与螺栓螺母固定；所述可变透明度固-固相变材料在相变前为不透明的固体状态，在相变后为透明的固体状态；所述高反射率膜为聚脂薄膜或铝箔，并且该高反射率膜始终呈不透明状态；所述绝热保温层为聚氨酯隔热保温板或挤塑隔热保温板。

2.根据权利要求1所述的一种固-固相变气候自适应围护结构，其特征是，所述可变透明度固-固相变材料的相变温度点可在20-35℃之间选用。

3.根据权利要求1所述的一种固-固相变气候自适应围护结构，其特征是，室外环境温度高于可变透明度固-固相变材料(1)相变温度值时，固-固相变材料(1)呈非结晶状态，并对太阳辐射保持透明，固-固相变材料(1)下侧的高反射率膜(2)暴露于太阳入射光(6)下，并将透射到透明态固-固相变材料(1)的透射光(10)反射到室外环境中，减少绝热保温层得热，起到围护结构隔热效果。

4.根据权利要求1所述的一种固-固相变气候自适应围护结构，其特征是，室外环境温度低于可变透明度固-固相变材料(1)相变温度值时，固-固相变材料(1)呈结晶状态，并对太阳辐射保持不透明，固-固相变材料(1)下侧的高反射率膜(2)未能暴露于太阳入射光(6)下，大部分太阳入射光(6)被相变材料吸收，并储存在相变材料中，起到围护结构保温的效果。

5.根据权利要求1所述的一种固-固相变气候自适应围护结构，其特征是，所述直角固定片(4)与围护结构的棱角边缘齐平，在四个棱角顶点两侧位置处使用螺栓螺母(5)固定，直角固定片与螺栓螺母均为高强度塑料材质，可避免围护结构形成局部热桥而造成的热损失。

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