CN111394065B - 一种基于相变材料的建筑围护结构*** - Google Patents

一种基于相变材料的建筑围护结构*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于相变材料的建筑围护结构***，包括有固液相变材料储槽、气液相变材料储槽和相变换热工作部件，固液相变材料储槽位于整个组件上部，其中储存有固液相变材料，气液相变材料储槽位于整个组件下部，其中储存有气液相变材料，固液相变材料比气液相变材料具有更低的相变温度，相变换热工作部件位于所述固液相变材料储槽和气液相变材料储槽之间，分别与固液相变材料储槽和气液相变材料储槽连通，利用了固液相变材料液体状态的流动性，及气液相变材料气化后体积膨胀的特性，以及相变材料的潜热特性达到节能降耗效果。

Description

一种基于相变材料的建筑围护结构***
技术领域
本发明涉及建筑节能领域，特别涉及一种基于相变材料的建筑围护结构***。
背景技术
随着人民生活水平的提高，人们对室内环境舒适度的要求也愈来愈高，从而使空调采暖能耗在建筑总能耗中所占比重越来越高。在建筑节能的大趋势下，降低空调采暖能耗首当其冲。在各种降低空调采暖能耗的技术中，节能墙体技术受到广泛关注。
相变材料可在特定的相变温度下或相变温度区间内发生相变，并在此过程中吸收或释放巨大的热量。如果能够合理地利用相变材料这一吸/放热特性，在建筑物中有目的性地吸/放热，则可以降低空调采暖能耗。因而基于相变材料的节能墙体具有广阔的应用前景。
现有的相关研究及公开的相关产品，虽然利用了相变材料的巨大潜热来实现储热和放热，但是普遍将相变材料固定在围护结构中。这就使相变材料在不同季节里均只能白天吸热、夜间放热。对于在一年里既需要供冷也需要供暖的建筑来说，这种形式对建筑冷/热负荷的调节作用单一，甚至可能会增加建筑的冷/热负荷。
例如，专利号为ZL100489205C的专利文件公开了一种相变蓄能三合一外墙保温***及其施工方法，采用的三合一保温结构是指粘结保温层、稳定保温层、活跃保温层。其中活跃保温层中的相变蓄能保温砂浆可利用相变材料的潜热，在白天吸收热量，降低夏季的空调能耗。除了对冷/热负荷调节作用单一的缺点外，这种砂浆还配料复杂、施工难度高。
又如，专利号为ZL102116587B的专利文件公开了一种相变材料综合利用***。其目的是在供冷季节，吸收室内余热，减少室内温度波动。原理上并没有降低室内的热负荷。
再如，专利号为ZL205907844U的专利文件公开了一种采用定形潜热蓄热相变材料的复合墙体，也是只考虑了冬季利用相变材料“削峰填谷”，降低采暖能耗。而在夏季，这种设计会增加制冷能耗。
有一些围护结构试图使相变材料在不同季节都能发挥作用，但效果并不理想，且多需要设置大量辅助结构或装置，较为复杂。
例如，专利号为ZL104674978B的专利文件公开了一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构。其在内层和外层使用不同的相变材料，并通过EnergyPlus优化相变材料配比，获得最低的全年空调采暖能耗。但是，即便使用了较优的材料配比，该方法也只是减轻了相变材料只在白天吸热、夜间放热的单一性对制冷/采暖能耗带来的负面影响，却并未消除。此外，该外墙结构体由外到内依次包括外定型相变墙板层、第一隔热层、墙体层、第二隔热层、内定型相变墙板层。其结构过于复杂，可能会严重增加墙体厚度，实用性不强。
又如，申请号为201010034197.2的专利申请文件公开了一种高效太阳能相变蓄热集热墙***，通过布置各种涡发生器有条件地让建筑房间与室外相通，降低采暖、空调能耗。但涡发生器设计较复杂，而且需要对墙体进行改造，施工难度大。
再如，专利号为ZL105180464B的专利文件公开了一种能控制蓄放热量的相变墙体***，通过换热管道内的热水将外部热源的热量带入相变材料，经过相变过程储存热量。该墙体***在需要采暖时，需要将保温饰面移开，实际应用中难以操作。此外，它还需要额外的热源装置，使***更加复杂。
故此，需要提供一种基于相变材料的建筑围护结构***解决此问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于相变材料的建筑围护结构***，既可实现冬天降低建筑热负荷，又可在夏天降低建筑冷负荷。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种基于相变材料的建筑围护结构***，包括：
固液相变材料储槽，位于整个组件上部，其中储存有固液相变材料；
气液相变材料储槽，位于整个组件下部，其中储存有气液相变材料；
相变换热工作部件，位于所述固液相变材料储槽和气液相变材料储槽之间，分别与固液相变材料储槽和气液相变材料储槽连通。
进一步的，相变换热工作部件至少包括一根换热管道，在换热管道内设有阻隔装置，所述阻隔装置能相对换热管道上下移动，所述换热管道分别与固液相变材料储槽和气液相变材料储槽连通。
进一步的，阻隔装置至少包括设置在换热管道内的活塞，所述活塞贴合换热管道内壁。
优选的，活塞外壁上至少设有一个密封胶条。
优选的，换热管道为金属材质。
优选的，换热管道为非金属材质。
优选的，在固液相变材料储槽和气液相变材料储槽上分别设有加液口，在所述加液口处设有密封盖。
综上所述，本发明相对于现有技术其有益效果是：
本发明的基于相变材料的建筑围护结构***具有结构简单，成本低，建筑节能作用显著的特点，巧妙地利用了固液相变材料液体状态的流动性，及气液相变材料气化后体积膨胀的特性，以及相变材料的潜热特性达到节能降耗效果。冬季，该***可在白天吸热并储热，于夜间放热降低建筑内的采暖能耗。夏季，该***可增加建筑围护结构的热阻，在全天降低建筑内的空调能耗。
附图说明
图1为本发明的建筑围护结构***在夏季工作时的状态示意图；
图2为本发明的建筑围护结构***在冬季工作时的状态示意图；
图3为本发明的阻隔装置平面结构示意图。
图中：111-固液相变材料储槽，131-气液相变材料储槽，102-相变换热工作部件，103-气液相变材料储槽，121-换热管道，123-阻隔装置，1231-活塞，1232-密封胶条，200-建筑外墙。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述：
如图1至2所示，一种基于相变材料的建筑围护结构***，包括有固液相变材料储槽111、气液相变材料储槽131和相变换热工作部件102，固液相变材料储槽111位于整个组件上部，其中储存有固液相变材料，气液相变材料储槽131位于整个组件下部，其中储存有气液相变材料，固液相变材料比气液相变材料具有更低的相变温度，相变换热工作部件102位于所述固液相变材料储槽111和气液相变材料储槽131之间，分别与固液相变材料储槽111和气液相变材料储槽131连通，利用了固液相变材料液体状态的流动性，及气液相变材料气化后体积膨胀的特性，以及相变材料的潜热特性达到节能降耗效果，冬季，该***可在白天吸热并储热，于夜间放热降低建筑内的采暖能耗，夏季，该***可增加建筑围护结构的热阻，在全天降低建筑内的空调能耗。
如图1至3所示，相变换热工作部件102至少包括一根换热管道121，在换热管道121内设有阻隔装置123，所述阻隔装置123能相对换热管道121上下移动，并将换热管道121内工作腔体分成上下两个互相隔离的空间，所述换热管道121分别与固液相变材料储槽111和气液相变材料储槽131连通，在固液相变材料储槽111下端面上和气液相变材料储槽131上端面分别设有开口，所述换热管道121连接在开口上。
本发明中的换热管道121为导热材质，实现快速导热，符合使用需求。
如图1至3所示，阻隔装置123至少包括设置在换热管道121内的活塞1231，所述活塞1231贴合换热管道121内壁，通过活塞换热管道121内工作腔体分成上下两个互相隔离的空间。
如图3所示，活塞1231外壁上至少设有一个密封胶条1232，密封胶条1232起到将固液相变材料和气液相变材料在工作腔体中阻隔开的作用，使固液相变材料只存在于工作腔体的上部，气液相变材料只存在于工作腔体的下部。
如图3所示，所述密封胶条1232为两个，两个密封胶条1232共同起到让活塞保持与所述工作腔体平行的作用。
本发明中，在换热管道外壁包裹有固体填充材料，固体填充材料用于加固和保护工作腔体，并在换热管道的内部与建筑外墙之间进行导热。
本发明中的换热管道121为金属材质。
本发明中的换热管道121为非金属材质。
本发明中，在固液相变材料储槽111和气液相变材料储槽131上分别设有加液口，在所述加液口处设有密封盖。
本发明中的建筑围护结构***的安装方式一，安装于建筑外墙的外立面，在安装时将换热管道与墙壁的间隙填充满固体填充材料，使固体填充材料与建筑外墙的外表面充分接触。
本发明中的建筑围护结构***的安装方式二，安装于建筑外墙的内部，作为建筑外墙的一个夹层，使固体填充材料与建筑外墙的内表面充分接触。
本发明中，所述固液相变材料储槽内所储存的相变材料，其相变温度在15-20℃之间，温度超过其相变温度则为液态，温度低于其相变温度则为固态。
本发明中，所述气液相变材料储槽内所储存的相变材料，其相变温度在25-30℃之间，温度超过其相变温度则为气态，温度低于其相变温度则为液态。
本发明中的固液相变材料和气液相变材料均采用市售产品。
本发明的工作原理，如下：
在进入冬天的过程中，气液相变材料储槽内气液相变材料由气体状态变成液体状态，使气液相变材料储槽内压力下降。而固液相变材料此时仍为液体状态。阻隔装置受其下方气液相变材料产生的负压，以及其上方固液相变材料的向下压力作用，而向下移动。液态的固液相变材料即充入并占据换热管道的工作腔体的大部分空间。进入冬季后，由于气液相变材料的温度无法超过其相变温度，因此，工作腔体被固液相变材料填充了大部分空间的状态将一直持续。在冬季夜间时，固液相变材料温度降低，相变成固态，并释放出大量潜热，该潜热通过固体填充材料传导至建筑外墙200，从而降低建筑内的采暖能耗；在冬季白天时，固体填充材料吸收外部环境空气的热量以及太阳辐射热量，并将热量传导换热管道的至工作腔体中的固液相变材料，使固液相变材料吸收热量，并达到相变温度，转变为液态，储存大量热量。
在进入夏天的过程中，气液相变材料储槽内气液相变材料由液体状态变成气体状态，体积膨胀，使气液相变材料储槽内压力急剧上升。而固液相变材料此时仍为液体状态。阻隔装置受其下方气液相变材料产生的正压，以及其上方固液相变材料的向下压力作用。当气液相变材料对阻隔装置形成的推力大于固液相变材料对阻隔装置形成的推力时，阻隔装置向上移动。液态的固液相变材料即被推回固液相变材料储槽，而气态的气液相变材料充入并占据换热管道的工作腔体的大部分空间。进入夏季后，由于气液相变材料的温度始终高于其相变温度，因此，换热管道的工作腔体被气液相变材料填充了大部分空间的状态将一直持续。由于气液相变材料在气态时具有远低于建筑外墙200的热导率，该建筑围护结构***将极大地增加建筑外墙200的热阻，从而降低建筑内的空调能耗。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是包括：
固液相变材料储槽，位于整个组件上部，其中储存有固液相变材料，其相变温度在15-20℃之间，温度超过其相变温度则为液态，温度低于其相变温度则为固态；
气液相变材料储槽，位于整个组件下部，其中储存有气液相变材料，其相变温度在25-30℃之间，温度超过其相变温度则为气态，温度低于其相变温度则为液态；
相变换热工作部件，位于所述固液相变材料储槽和气液相变材料储槽之间，分别与固液相变材料储槽和气液相变材料储槽连通；
所述相变换热工作部件至少包括一根换热管道，在换热管道内设有阻隔装置，所述阻隔装置能相对换热管道上下移动，所述换热管道分别与固液相变材料储槽和气液相变材料储槽连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是阻隔装置至少包括设置在换热管道内的活塞，所述活塞贴合换热管道内壁。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是活塞外壁上至少设有一个密封胶条。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是在换热管道外壁包裹有固体填充材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是换热管道为非金属材质。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于相变材料的建筑围护结构***，其特征是在固液相变材料储槽和气液相变材料储槽上分别设有加液口，在所述加液口处设有密封盖。
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