CN214738973U - 一种新型动态相变材料墙结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型动态相变材料墙结构，该相变材料墙结构由四层不同厚度的材料组成，包括石膏层、隔热层、相变材料(PCM)层和砖，厚度范围分别为8‑30、40‑100、25‑35和100‑120mm。其中，砖层位于最外侧，石膏层位于最内侧。相变材料层和绝热层的位置会发生变化，白天，新型相变材料墙的结构由外到内分别是砖、相变材料层、绝热层、石膏层；晚上，相变材料层和绝热层交换位置。新型相变材料墙结构工作时，冬季白天，位于外侧的相变材料受到太阳的照射和外界温度影响，融化吸热；冬季夜晚，相变材料层位于绝热层内侧，当外界温度降低到相变温度，相变材料开始凝固并释放热量到室内，从而在冬天对房间起到保温作用。

Description

一种新型动态相变材料墙结构

技术领域

本实用新型涉及建筑节能领域，特别是涉及一种在建筑围墙中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构。

背景技术

热能储存技术是利用相变材料在小温度范围内改变其物理状态并储存或回收其潜热的一种节能技术。相变材料是一种非常有潜力的储能材料，相变材料可以在温度基本不变的情况下，通过相变改变物质的状态来吸收或释放能量，其吸热或放热的能力非常强。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，相变材料就产生从固态到液态的相变，吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。相变材料可以分为有机、无机和共晶相变材料。有机相变材料分为石蜡和非石蜡。非石蜡包括多种有机物质，如脂肪酸、酯类、醇类和二醇类等。无机相变材料分为水合盐和金属(对于被动建筑应用，金属具有过高的熔化温度)。共晶是由两种或两种以上成分组成的最小熔融成分，在结晶过程中，每一种成分都会熔化和凝固，形成成分晶体的混合物。相变材料不仅具有很高的蓄热密度，而且可以降低建筑物的温度波动。可用于太阳能系统、工业余热利用等方面。相变材料可用于吸收太阳能，吸收的建筑采暖或制冷的能量不仅为太阳能的储存提供了一种极具优势的解决方案，而且可以减少建筑内的采暖、通风和空调负荷，从而降低能耗。

被动式太阳能的捕获和储存不需要外部电源或机械设备，因为它使用建筑特征和建筑结构材料将阳光转化为热量。利用这种能源可以取代大部分用于建筑供暖的传统能源。使用被动式太阳能取暖的建筑最理想的特点是能够吸收白天最大量的太阳辐射，有效地储存多余的热量，并在需要时逐渐释放。基于以上讨论，利用被动式太阳能为建筑物供暖的创新技术对于建筑取暖能源效率的提升具有重要作用。另外，建筑外墙作为建筑围护结构的最重要构件，在采暖节能和改善室内环境以及提升居住空间的舒适度等方面发挥重要作用。在被动建筑的应用中，外墙的结构对于要符合绿色低能耗以及具有更高要求的采暖保温等性能要求起决定性作用。

传统的建筑供暖消耗大量的化石能源，化石燃料的燃烧会产生大量CO2和其他温室气体，引起温室效应，还会产生酸雨等污染问题。所以，随着化石能源的消耗量逐年增加，带来的环境污染也越来越严重。而传统的相变储能技术，由于在建筑中的结构比较固定，节能效率有待提高。

因此，对外墙的结构进行创新和合理改造同样能够节约采暖能源，提升能源效率，减少建筑带来的环境污染。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种在建筑围墙中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构，具备智能化和节约能源的特点，减少了建筑中室内温度的波动，提高了建筑的舒适度，具有较高的能源效率，解决的传统冬季采暖和夏季供冷能源消耗量大，污染严重的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：建筑围护结构中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构，包括砖层，砖层位于整个墙体最外侧，覆盖整个墙面，砖层内侧有绝热层和相变材料(PCM)层，绝热层也覆盖整个墙面，相变材料(PCM)层面积为0.8米×1.0米，石膏层位于整个墙体的最内侧，并且也覆盖整个墙体。在冬季白天和夜晚，相变材料(PCM)层和绝热层的位置不同，相变材料(PCM)层会相对于绝热层的位置发生变化。冬季白天，砖层位于整个墙体最外侧，砖层内侧是相变材料(PCM)层，相变材料(PCM)层内侧是绝热层，绝热层内侧是石膏层。冬季夜晚，砖层位于整个墙体最外侧，砖层内侧是绝热层，绝热层内侧是相变材料(PCM)层，相变材料(PCM)层内侧是石膏层。

所述石膏层厚度为8-30mm、所述隔热层厚度为40-100mm、所述相变材料(PCM)层厚度为25-35mm，所述砖层厚度为100-120mm。

所述相变材料(PCM)层冬季白天位于所述相变材料墙体结构的外侧第二层，所述相变材料(PCM)层冬季晚上位于所述相变材料墙体结构的外侧第三层。

所述隔热层冬季白天位于所述相变材料墙体结构的外侧第三层，所述隔热层冬季晚上位于所述相变材料墙体结构的外侧第二层。

所述相变材料(PCM)层和所述隔热层沿拱肩梁旋转，所述相变材料(PCM)层白天将朝南(向墙体外侧旋转)旋转，所述相变材料(PCM)层后面有隔热层，所述相变材料(PCM)层夜间被移到隔热层后面。

所述隔热层和相变材料(PCM)层的位置通过转轴可互换；转轴位于隔热层和相变材料层中间的装置，位于图2中圆心的位置。动力可以用电，可以做成一个自动控制的，设定一定的时间，在设置的时间这个系统可以自动翻转转轴，改变相变材料的位置。

本技术方案的工作原理在于：本新型动态相变材料墙结构在使用中，可以改变相变材料(PCM)层相对于绝热层的位置。相变材料(PCM)层和绝热层位置的改变可以通过一个转轴实现。所述转轴由相变材料(PCM)层和绝热层组成。相变材料(PCM)层和绝热层可以被分成若干个转轴。所述转轴的一侧是相变材料(PCM)，另一侧是绝热层。冬季白天，太阳照在建筑外墙上，相变材料(PCM)层旋转到墙体外侧，即墙体结构由外到内第二层。相对地，此时绝热层位于相变材料(PCM)层内侧，即墙体结构由外到内第三层。位于绝热层外侧的相变材料(PCM)层，可以吸收太阳照射带来的太阳辐射能，加上外界温度的升高，相变材料(PCM)层内包覆的相变材料能够相对快速地融化，并将这些能量储存起来。

冬季夜晚，相变材料(PCM)层旋转到墙体内侧，即墙体结构由外到内第三层。相对地，此时绝热层位于相变材料(PCM)层外侧，即墙体结构由外到内第二层。位于绝热层内侧的相变材料(PCM)层，里面的相变材料可以在外界低温的条件下凝固，将白天储存在相变材料中的潜热释放出来，这些潜热向墙体两侧释放，由于此时相变材料(PCM)层外侧为绝热层，所以向外释放的潜热非常少，大部分的潜热通过石膏层释放到建筑物内部，以供建筑物晚上取暖，减少空调、暖气、地暖等取暖设施的使用，节约能源。

相对于传统的位置固定的相变材料墙，本方案的关键特性是动态的，因为可以切换墙内的PCM位置。将本结构的相对性能与类似静态PCM墙体的性能以及无PCM墙体结构的性能进行了比较。假定这些墙是中国天津市和哈尔滨市建筑物的一部分，其中一处相对较温和，而另一处则相对寒冷。所有分析均使用计算流体动力学(CFD)进行，并使用可用的实验数据验证了CFD模型。

本技术方案相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.与传统的无PCM的墙体结构相比，动态PCM墙体可以节省高达89％的外部能量，以使冬季的模型房间温度保持在建议范围内。

2.在相同条件下，名义上相同的静态PCM墙体可以节省13％的所需外部能量。

3.每立方米房间加热空间只需要0.32kg的无机PCM就可以实现上述节能效果。

4.与先前报告的结果相比，就每单位PCM的节能量而言，本新型相变材料墙体结构效率最高。

5.详细的CFD建模可以优化墙体操作并最大程度地节省能源。

6.尽管每单位PCM质量的节能程度将根据主要的太阳辐射和室外温度条件而变化，但是墙体的动态特性允许人们根据特定的天气条件优化其性能。

7，在记录的温度和太阳辐射条件下，动态墙连续五天的CFD分析表明，该墙可以连续运行而效率降低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为包含新型动态PCM墙体结构的房间示意图。

图中：1、房顶；2、窗户；3、PCM墙；4、地板；5、门。

图2为新型动态PCM墙体结构中PCM方位示意图。

图中：6、石膏层；7、绝热层；8、PCM层；9、砖层。

图3为新型动态PCM墙体结构(旋转之前)。

图4为新型动态PCM墙体结构(旋转之后)。

图5为冬季白天包含新型动态PCM墙体结构的房间在天津市的温度变化曲线图。

图6为冬季夜晚包含新型动态PCM墙体结构的房间在天津市的温度变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种在建筑围墙中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构，具备智能化和节约能源的特点，减少建筑中室内温度的波动，提高建筑的舒适度，提高能源效率，解决的传统冬季采暖和夏季供冷能源消耗量大，污染严重的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种在建筑围护结构中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构，位于图1所示房间结构中的1处。本实用新型的在建筑围护结构中利用外部热源节能的新型动态相变材料墙结构，包括砖层，砖层位于整个墙体最外侧，覆盖整个墙面，如图2所示，砖层内侧有绝热层和相变材料(PCM)层，绝热层也覆盖整个墙面，相变材料(PCM)层面积为0.8米×1.0米，石膏层位于整个墙体的最内侧，并且也覆盖整个墙体。在冬季白天和夜晚，相变材料(PCM)层和绝热层的位置不同，如图3和4所示，相变材料(PCM)层会相对于绝热层的位置发生变化。冬季白天，砖层位于整个墙体最外侧，砖层内侧是相变材料(PCM)层，相变材料(PCM)层内侧是绝热层，绝热层内侧是石膏层。冬季夜晚，砖层位于整个墙体最外侧，砖层内侧是绝热层，绝热层内侧是相变材料(PCM)层，相变材料(PCM)层内侧是石膏层。

新型动态相变材料墙结构工作时，由相变材料层和绝热层组成的旋转体旋转来控制相变材料层的位置。在天津，冬季白天，为了使相变材料更好地融化，吸收太阳辐射的热量，通过旋转旋转轴，使相变材料层旋转到靠外的一侧，最终相变材料基本全部融化。在夜晚，为了使相变材料凝固释放的热量释放到室内，通过旋转轴将相变材料层旋转到靠近室内的一侧。相变材料凝固时，会释放相变材料内储存的潜热，这些潜热释放到室内，对房间进行加热，从而对室内起到保温的作用，减少采暖的能源消耗。图5为冬季白天包含新型动态PCM墙体结构的房间在天津市的温度变化曲线图。图6为冬季夜晚包含新型动态PCM墙体结构的房间在天津市的温度变化曲线图。

实施例2

本实施例将所提出的墙体结构与两个类似墙体结构的性能进行了比较，一个结构中没有PCM，另一个墙体结构中PCM位置是固定的，称为固定(静态)相变材料墙体结构。采用计算流体力学(CFD)方法，并通过实验对比，验证了CFD模型可以准确的模拟出传热与空气流动耦合效应。通过对天津和哈尔滨两个城市2月24小时内PCM的相变和室温进行研究，发现与传统的无相变材料保温墙体相比，本发明提出的动态相变材料墙体可分别节省89％和49％的外部能源，使天津和哈尔滨的室温保持在人体舒适度的推荐范围内。与此相反，静态PCM墙体所实现的相应节省分别为6％和13％。通过每立方米空间仅使用0.32kg的主要由CaCl₂制成的无机PCM，可以实现这些能源的减少。这个量几乎是先前研究者使用的最低量的50％，但也提供了同样令人满意的结果。结果还表明，冬季使用该系统可使天津市白天最高气温降低4℃左右，防止过热。

Claims (6)

1.一种新型动态相变材料墙结构，其特征在于：该相变材料墙结构包括石膏层、隔热层、相变材料(PCM)层和砖层；所述砖层位于所述相变材料墙体结构的外侧第一层，所述石膏层位于所述相变材料墙体结构的内侧第一层。

2.根据权利要求1所述的新型动态相变材料墙结构，其特征在于：所述石膏层厚度为8-30mm、所述隔热层厚度为40-100mm、所述相变材料(PCM)层厚度为25-35mm，所述砖层厚度为100-120mm。

3.根据权利要求1所述新型动态相变材料墙结构，其特征在于：所述隔热层和相变材料(PCM)层的位置通过转轴可互换。

4.根据权利要求1所述的新型动态相变材料墙结构，其特征在于：所述相变材料(PCM)层冬季白天位于所述相变材料墙体结构的外侧第二层，所述相变材料(PCM)层冬季晚上位于所述相变材料墙体结构的外侧第三层。

5.根据权利要求1所述的新型动态相变材料墙结构，其特征在于：所述隔热层冬季白天位于所述相变材料墙体结构的外侧第三层，所述隔热层冬季晚上位于所述相变材料墙体结构的外侧第二层。

6.根据权利要求1所述的新型动态相变材料墙结构，其特征在于：所述相变材料(PCM)层和所述隔热层沿拱肩梁旋转，所述相变材料(PCM)层白天将朝南旋转，所述相变材料(PCM)层后面有隔热层，所述相变材料(PCM)层夜间被移到隔热层后面。

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