CN110274397B - 一种兼具制冷和集热能力的筒瓦及太阳能瓦屋面*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种兼具制冷和集热能力的筒瓦以及太阳能瓦屋面***，它包括同心设置于外层的双层真空管和设置于内层的冷媒管，所述双层真空管的外层管为大气窗口材料的外管，内层管为金属材料的内管，内管与外管之间为真空层，所述内管外表面沿周向分为相对的两部分，其中一部分设置辐射制冷超材料，另一部分设置热选择性涂料，所述双层真空管和所述冷媒管可相对转动，所述内管与冷媒管之间直接接触或设置热传递层，所述冷媒管内部用于通入热传递媒介。通过该结构，在不同季节将双层真空管转动到不同的角度，以实现制冷和制热的切换，解决与建筑整合的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓦结构，具体的说，涉及了一种兼具制冷和集热能力的筒瓦以及基于该筒瓦的太阳能瓦屋面***。
背景技术
中国乃至世界都在面临着日益严峻的能源和环境挑战，在当前建筑业加速转型、创新和跨越的关键时期，低能耗的建筑的建设和推广刻不容缓。
基于此，被动式低能耗建筑应运而生，与传统建筑相比，被动式低能耗建筑能耗更低、舒适度更高，目前已得到迅速推广和广泛应。
这其中，太阳能***是最先被利用起来的***，其具备良好的发电能力，但是最终建筑的制冷或制热仍然依赖太阳能所发电的电量，两者供需极不匹配，尤其是在急需制暖的冬天。
基于以上不足，被动式长波辐射制冷的理论一直为行业内专家研究发展，近几十年来，随着材料科学的快速发展，使得不用电力的昼间被动式辐射制冷成为可能，最新的研究进展使得利用太空作为热沉进行辐射制冷的同时，能够获得太阳辐射进行集热和发电。然而这一技术目前仅停留在实验室技术阶段，还不能实现与建筑物的整合和应用。
目前市面上实现在发电的同时实现制冷，对太阳能瓦的玻璃和电池设计有特殊要求，同时，制冷装置必须在冬季停止，导致无法应用于大部分地区，目前尚未有能够解决该问题的产品出现。
这其中主要面临的问题是，辐射制冷超材料可以实现不用电能24小时仅依靠辐射制冷超材料进行辐射制冷。但是必须避免冬季时仍然对建筑物持续制冷。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种兼具制热和制冷、无需额外耗能、与建筑物融合统一的一种筒瓦以及应用该筒瓦的太阳能瓦屋面***。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种兼具制冷和集热能力的筒瓦，包括同心设置的位于外层的双层真空管和位于内层的冷媒管，所述双层真空管的外层管为大气窗口材料的外管、内层管为金属材料的内管，内管与外管之间为真空层，所述内管外表面沿周向分为相对的两部分，其中一部分设置辐射制冷超材料，另一部分设置热选择性涂料，所述双层真空管和所述冷媒管转动配合，所述内管与冷媒管之间直接接触或设置热传递层，所述冷媒管内部用于通入热传递媒介。
基上所述，所述内管与冷媒管之间设置金属刷片，所述金属刷片的一端固定在冷媒管上，另一端与所述内管接触。
所述双层真空管的内管和外管的其中一端硬性密封连接，另一端通过密封胶填充密封，使玻璃外管的端部有伸缩空间，目的是为了避免真空管的外层玻璃材料和和内层的金属材料的线膨胀系数不一致的问题，在热胀冷缩时没有热应力，避免爆管。
基上所述，所述双层真空管两端的偏心处安装微型驱动电机，所述微型驱动电机传动第一齿轮转动，所述冷媒管的两端固定有同轴设置的第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合。
基上所述，所述双层真空管的两端与所述冷媒管的两端通过轴承实现转动配合。
基上所述，所述外管上镀增强透光率的光学薄膜和DLC类金刚石碳膜。
一种太阳能瓦屋面***，它包括建筑物制冷/供热***和设于建筑物外部的前述筒瓦，所述筒瓦阵列的排布在建筑物外部，各筒瓦的冷媒管与建筑物制冷/供热***连接。
基上所述，它还包括板瓦，所述板瓦铺设于筒瓦上方，板瓦的材质为大气窗口材料，板瓦中内嵌太阳能电池，所述太阳能电池及其组件在板瓦中集中布置以最大化的留出透光区域。
基上所述，所述大气窗口材料为锗玻璃。
基上所述，各微型驱动电机均连接控制终端，以控制各微型驱动电机的动作。
基上所述，所述内管的外表面涂薄金属反射层。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，将筒瓦结构改造，设计成套管结构，外管为双层真空管，内管为金属冷媒管，双层真空管的外管采用大气窗口材料，光谱特性可使2-16微米的辐射透过，金属管外周面的一侧，即半周设置辐射制冷超材料，辐射制冷超材料发射的8-13微米的长波辐射可无阻碍的穿过外管辐射到太空，以太空作为热沉，由于太空温度极低，因而建筑物的散热远大于得热，从而不用任何电能就可以实现辐射制冷，通过内部的金属冷媒管导入建筑物的制冷***中应用；当天气转冷无需制冷时， 筒瓦的双层真空管旋转180度，将金属管外周面的另一侧对外，该侧部涂覆热选择性材料，辐射制冷超材料长波辐射的发射方向朝向屋内，太阳辐射的红外线被热选择性涂料吸收，将热量通过金属冷媒管，再进入室内的制热***中应用，同时，由于辐射制冷超材料长波辐射的反射方向朝向屋内，本身也能够起到一定的加热作用。
进一步的，可以在筒瓦的上方增加板瓦，板瓦采用大气窗口材料制造，并集成有太阳能电池部件，起到太阳能发电的能力，这样结构的瓦屋面***，兼备光伏发电、冬季制热、夏季制冷的多项功能，并可以相互切换。
本方案借助传统建筑板瓦和筒瓦的联想，将建筑物和热沉辐射的科学相互融合，实现科学的落地应用，以及传统和现代的统一。
附图说明
图1是本发明实施例1中兼具制冷和集热能力的筒瓦的结构示意图。
图2是本发明图1的剖视图。
图3是本发明实施例2中太阳能瓦屋面***的结构示意图之一。
图4是本发明实施例2中太阳能瓦屋面***的结构示意图之二。
图中： 1.外管；2.内管；3.真空层；4.板瓦；5.筒瓦；6.冷媒管；7.辐射制冷超材料；8.热选择性涂料；11.微型驱动电机；12.第一齿轮；13.第二齿轮；14.密封垫片；15.冷媒管接口；16.建筑物空调***；17.金属刷片；18.轴承；19.密封胶。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，一种兼具制冷和集热能力的筒瓦，包括同心设置的位于外层的双层真空管和位于内层的冷媒管6，所述双层真空管的外层管为大气窗口材料的外管1、内层管为金属材料的内管2，大气窗口材料可采用锗玻璃，内管2与外管1之间为真空层3，所述内管2的外表面沿周向分为相对的两部分，其中一部分设置辐射制冷超材料，优选50微米厚辐射制冷超材料，或硅+氮化硅薄膜，另一部分置热选择性涂料，所述双层真空管和所述冷媒管6转动配合，所述内管2与冷媒管6之间直接接触或设置热传递层，所述冷媒管6内部用于通入热传递媒介，所述热传递媒介可为真空或介质，作为一种特例，介质也可以是室内空气，也可以采用水，冷媒管可以采用铜材等金属管。
结构原理：该方案是基于长波辐射制冷原理设计，当内管2上的辐射制冷超材料一侧朝外，面向太空，辐射制冷超材料的光谱波长大于大气窗口材料的波长范围，因而得以以太空为热沉，无阻碍的将热量以红外线辐射到太空，由于太空温度极低，因而建筑物的散热远大于得热，从而不借助任何电能实现了辐射制冷。
其中，外管1和内管2之间的真空层3可使辐射制冷超材料与外部空气实现热隔离，不会向外泄出，而使制冷量由背部的金属管通过冷媒循环传递到建筑物，实现对建筑物的制冷。
当内管2上的热选择性涂料朝外，那么辐射制冷超材料的一侧就会朝内，长波辐射的发射方向朝向屋内，从而实现对建筑物的部分加热，另外，太阳辐射的红外线穿过外管加热热选择性涂料，这部分热量被传递至冷媒管上，实现热量的采集和对建筑物的加热。
所述内管2与冷媒管6之间设置金属刷片17，所述金属刷片17的一端固定在冷媒管6上，另一端与所述内管2接触，金属刷片17最好有一定的变形弯曲，呈角度布置，不影响双层真空管与冷媒管之间的旋转动作，金属刷片的宽度在10mm左右，每隔50mm间隔布置一个刷片带，增强热传导能力。
所述双层真空管的内管和外管的其中一端硬性密封连接，另一端通过密封胶19填充密封，使玻璃外管的密封胶一端有伸缩空间，目的是为了避免真空管的外层玻璃材料和和内层的金属材料的线膨胀系数不一致的问题，在热胀冷缩时没有热应力，避免爆管。
为了方便控制双层真空管与冷媒管的转动配合，所述双层真空管两端的偏心处安装微型驱动电机11，双层真空管的两端用密封垫片密封14，所述微型驱动电机11传动第一齿轮12转动，所述冷媒管6的两端固定有同轴设置的第二齿轮13，第一齿轮12与第二齿轮13啮合，第二齿轮13与冷媒管6为固定结构，通过微型驱动电机11的转动，带动双层真空管绕冷媒管6旋转，冷媒管6通过冷媒管接口15连接建筑内部的***，故冷媒管不动。
为了转动更顺畅，所述双层真空管的两端与所述冷媒管的两端通过轴承18实现转动配合。
为了增强锗玻璃的透光性能和结构强度，所述外管1上镀增强透光率的光学薄膜和DLC类金刚石碳膜。
实施例2
如图3和图4所示，一种太阳能瓦屋面***，它包括建筑物制冷/供热***和设于建筑物外部的前述的筒瓦，所述筒瓦阵列的排布在建筑物外部，各筒瓦的冷媒管与建筑物制冷/供热***连接。
利用筒瓦的翻转结构，实现夏季和冬季、制冷和制热的切换，冷媒管连接到建筑物内的制冷/供热***中，将内部热量借助辐射散出，将吸收的热量借助内部的空调***或新风***带入建筑物中。
为了集成光伏发电的能力，设置板瓦4，所述板瓦4铺设于筒瓦5上方，板瓦4的材质为大气窗口材料，如锗玻璃，板瓦4中内嵌太阳能电池，所述太阳能电池及其组件在板瓦中集中布置以最大化的留出透光区域，不遮挡长波热辐射的通过。
为方便控制，各微型驱动电机均连接控制终端，以控制各微型驱动电机的动作。
为了提高光的利用率，所述内管的外表面涂薄金属反射层，本实施例中，采用薄银反射层。
使用说明：
夏季，通过控制终端，控制微型驱动电机11转动，带动双层真空管转动，使内管上涂有辐射制冷超材料的一侧对外，朝向太空，由于辐射制冷超材料的光谱波长大部分位于大气窗口材料的可透光波长范围内，因此将太空作为热沉，无阻碍的将热量以红外热辐射的形式辐射到太空，因为太空中的温度极低，建筑物的散热远大于得热，从而不用借助任何电能就额可以实现辐射制冷，其中，真空层起到关键作用，隔绝建筑物外的热量以热传导的方式进入筒瓦内部，使得仅有建筑物内的热量通过筒瓦的冷媒管向外传递。
冬季，通过控制终端，控制微型驱动电机11转动，带动双层真空管转动，使内管上涂有热选择性涂料的一侧对外，太阳所发射的红外线可以穿过板瓦和外管，被热选择性涂料吸收发热，热量被内管通过热传递层传递给冷媒管，再通过建筑物内的空调***15分散进入建筑物的各个角落，如新风***、空调***等等；与此同时，由于涂有辐射制冷超材料的一侧面向室内，长波辐射发射方向朝向屋内，从而实现了对建筑物的加热。
本发明通过将辐射制冷原理和传统建筑中的板瓦、筒瓦结构相结合，推动被动式建筑的发展，实现先进科学的落地应用，以及传统和现代的统一。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于：它包括同心设置的位于外层的双层真空管和位于内层的冷媒管，所述双层真空管的外层管为大气窗口材料的外管、内层管为金属材料的内管，内管与外管之间为真空层，所述内管外表面沿周向分为相对的两部分，其中一部分设置辐射制冷超材料，另一部分设置热选择性涂料，所述双层真空管和所述冷媒管转动配合，通过双层真空管的转动，内管外表面的其中一部分和另一部分可切换的朝外设置，所述内管与冷媒管之间直接接触或设置热传递层，所述冷媒管内部用于通入热传递媒介。
2.根据权利要求1所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于： 所述内管与冷媒管之间设置金属刷片，所述金属刷片的一端固定在冷媒管上，另一端与所述内管接触。
3.根据权利要求1或2所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于：所述双层真空管的内管和外管的其中一端硬性密封连接，另一端通过密封胶填充密封。
4.根据权利要求3所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于：所述双层真空管两端的偏心处安装微型驱动电机，所述微型驱动电机传动第一齿轮转动，所述冷媒管的两端固定有同轴设置的第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合。
5.根据权利要求4所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于：所述双层真空管的两端与所述冷媒管的两端通过轴承实现转动配合。
6.根据权利要求4所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，其特征在于：所述外管上镀增强透光率的光学薄膜和DLC类金刚石碳膜。
7.一种太阳能瓦屋面***，它包括建筑物制冷/供热***，其特征在于：它还包括设于建筑物外部的如权利要求1-5任一项所述的兼具制冷和集热能力的筒瓦，所述兼具制冷和集热能力的筒瓦阵列的排布在建筑物外部，各兼具制冷和集热能力的筒瓦的冷媒管与建筑物制冷/供热***连接。
8.根据权利要求7所述的太阳能瓦屋面***，其特征在于：它还包括板瓦，所述板瓦铺设于筒瓦上方，板瓦的材质为大气窗口材料，板瓦中内嵌太阳能电池，所述太阳能电池及其组件在板瓦中集中布置以最大化的留出透光区域。
9.根据权利要求8所述的太阳能瓦屋面***，其特征在于：各微型驱动电机均连接控制终端，以控制各微型驱动电机的动作。
10.根据权利要求9所述的太阳能瓦屋面***，其特征在于：所述内管的外表面涂薄金属反射层。
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