CN114543217A - 利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，包括相变储能墙体以及板式换热器，板式换热器具有第一换热管，第一换热管两端分别伸出板式换热器上下两端分别构成上接口和下接口；相变储能墙体的相变储能砂浆层中嵌设有第二换热管，第二换热管的两端分别伸出相变储能墙体上下两端分别构成第一接口和第二接口；第一接口和上接口通过第一管路连通，第二接口和下接口通过第一支路连通，且在第一支路上设有第一止回阀；包括第二支路，第二支路的两端分别与第一支路连通且第二支路的两端位于第一止回阀两侧，第二支路上设有储液器、循环泵和第二止回阀。该***能充分利用太阳能和天空辐射冷却自然能源，降低建筑采暖空调能耗。

Description

利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，具体涉及利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***。
背景技术
随着环境保护和可持续发展等理念的提出，节能低碳发展成为了全球的共识。根据国际能源署统计，世界建筑能耗大约占能源消耗的35～40%。建筑围护结构的保温隔热性能对建筑能耗具有重要影响，从需求侧提高建筑围护结构的热工性能是有效降低建筑冷、热负荷的方法。内嵌管式围护结构是一种将循环管路***嵌入围护结构的一种节能围护结构形式，这种利用管路内部传热工质循环既可以实现夏季围护结构隔热、制冷，也可以实现冬季围护结构保温，从而改善室内热环境。
太阳能作为清洁可再生能源已经得到广泛的应用，而太阳光热的利用是现阶段太阳能最广泛的应用形式。在屋顶安装太阳能集热器为建筑提供热能是建筑成功利用可再生能源实现节能的主要方案。但是由于夜间没有辐射，太阳能集热器在夜间总是处于空闲状态。天空辐射冷却技术是近几年来兴起的一种新型冷却技术，它利用辐射换热将热量排放到天空寒冷的外层空间，从而实现高效的制冷过程。基于此制成的辐射冷却集热器通常也制成平板结构，现在已经应用于光伏电池板冷却和建筑通风供冷等领域。
目前，平板太阳能集热器和辐射冷却集热器都有各自的局限性，都不能对太阳能和天空辐射冷却这两种免费获取的自然冷热源加以充分利用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，该***能充分利用太阳能和天空辐射冷却自然能源，在营造舒适的室内热环境的同时，还可以大幅降低建筑采暖空调能耗。
本发明的技术方案是这样实现的：
利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，包括相变储能墙体以及倾斜设置在建筑屋顶上的太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器具有第一换热管，所述第一换热管两端分别伸出太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器上下两端，其中位于上端的为上接口，位于下端的为下接口。
所述相变储能墙体包括加气混凝土砌块层和相变储能砂浆层，所述相变储能砂浆层设置在加气混凝土砌块层内侧，相变储能砂浆层中嵌有第二换热管，第二换热管的两端分别伸出相变储能墙体上下两端，其中位于上端的为第一接口，位于下端的为第二接口。
第一接口和上接口通过第一管路连通，第二接口和下接口通过第一支路连通，且在第一支路上设有第一止回阀，以避免第二换热管内的循环工质通过第一支路流入第一换热管。
还包括第二支路，所述第二支路的两端分别与第一支路连通且第二支路的两端位于第一止回阀两侧，第二支路上设有储液器、循环泵和第二止回阀，所述储液器用于储存循环工质，循环泵用于将储液器内的循环工质泵入第一换热管，所述第二止回阀用于防止第一换热管内的循环工质通过第二支路流入第二换热管。
进一步地，第一换热管和第二换热管均包括若干水平间隔设置的换热管，第一换热管和第二换热管对应的所有换热管分别相互连通均形成蛇形结构。
进一步地，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器包括顶面敞口设置的箱体，并在箱体顶面设置透明盖板以将箱体顶面密封，所述第一换热管设置在箱体内。
进一步地，箱体底部从下到上依次喷涂有一层钛基太阳辐射选择性吸收剂和一层聚对苯二甲酸乙二醇酯。
进一步地，所述相变储能墙体还包括保温板，所述保温板设于加气混凝土砌块层外侧。
进一步地，第一换热管、第二换热管、第一管路、第一支路和第二支路均采用热管制成，且第一管路、第一支路和第二支路外包覆有保温层。
进一步地，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器倾斜角度为30~50℃。
进一步地，相变材料的相变温度为22℃~27℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器与相变储能墙体相耦合，充分利用了太阳能和天空辐射冷却，同时也充分发挥相变材料的潜热，提高了建筑墙体的蓄放热能力，降低建筑制冷或供暖负荷，改善建筑的室内热环境，进而起到建筑节能的目的。
2、利用本***，在夏季日间和冬季夜间，***中的循环工质不循环，依靠相变储能墙体中相变材料的潜热来增加相变储能墙体的热惰性，降低建筑制冷或供暖负荷，改善建筑的室内热环境，起到建筑节能的目的；而在夏季夜间，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器同低温深空进行辐射换热，循环工质靠自身重力与墙体内的液态相变材料被动换热，使得相变材料逐渐凝固成固态，以供第二天白天使用，同时也降低墙体内表面温度，从而保证室内冷舒适性；冬季日间，循环泵开启，板式换热器集热，循环工质在循环泵带动下进入相变储能墙体，和相变储能墙体内的相变材料进行换热，相变材料融化储热，供夜间向室内供暖用。
附图说明
图1-本发明的立体结构示意图。
图2-本发明的侧面结构示意图。
图3-不同运行工况下的结构示意图。
其中：1-太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器；11-第一换热管；2-相变储能墙体；21-第二换热管；22-相变储能砂浆层；23-加气混凝土砌块层；24-保温板；3-第一管路；4-第一支路；5-第一止回阀；6-第二支路；7-储液器；8-循环泵；9-第二止回阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2，利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，包括相变储能墙体2以及倾斜设置在建筑屋顶上的太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器1，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器1具有第一换热管11，所述第一换热管11两端分别位于太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器1上下两端，其中位于上端的为上接口，位于下端的为下接口。
所述相变储能墙体2包括加气混凝土砌块层23和相变储能砂浆层22，所述相变储能砂浆层21设置在加气混凝土砌块层23内侧，相变储能砂浆层中嵌设有第二换热管21，第二换热管的两端分别伸出相变储能墙体上下两端，其中位于上端的为第一接口，位于下端的为第二接口。
第一接口和上接口通过第一管路3连通，第二接口和下接口通过第一支路4连通，且在第一支路4上设有第一止回阀5，以避免第二换热管21内的循环工质通过第一支路4流入第一换热管11。
还包括第二支路6，所述第二支路6的两端分别与第一支路4连通且第二支路6的两端位于第一止回阀5两侧，第二支路6上设有储液器7、循环泵8和第二止回阀9，所述储液器7用于储存循环工质，循环泵9用于将储液器8内的循环工质泵入第一换热管11，所述第二止回阀9用于防止第一换热管11内的循环工质通过第二支路6流入第二换热管21。
这里设置储液器一是为了储存液态的循环工质，二是作为气液分离器，保证循环泵在工作状态下，进入循环泵的全是液态循环工质。本实施例中采用的循环泵为自吸式磁力泵。
这样，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器的第一换热管、第一管路、相变储能墙体的第二换热管和第一支路构成一个闭合的循环管路；太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器的第一换热管、第一管路、相变储能墙体的第二换热管和第二支路构成另一个闭合的循环管路。
具体实施时，第一换热管11和第二换热管21均包括若干水平间隔设置的换热管，第一换热管11和第二换热管21对应的所有换热管分别相互连通均形成蛇形结构。
具体实施时，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器1包括顶面敞口设置的箱体，并在箱体顶面设置透明玻璃盖板以将箱体顶面密封，所述第一换热管11设置在箱体内。
具体实施还是，箱体底部从下到上依次喷涂有一层钛基太阳辐射选择性吸收剂和一层聚对苯二甲酸乙二醇酯。
这样，使得太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器在夏季夜间充当天空辐射制冷装置，而在冬季日间充当太阳能集热装置。为保证保温效果，可在太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器箱体的底部及四周包裹保温棉。
具体实施时，所述相变储能墙体2还包括保温板24，所述保温板24设于加气混凝土砌块层23外侧。
具体实施时，第一换热管11、第二换热管21、第一管路3、第一支路4和第二支路6均采用热管制成，且第一管路3、第一支路4和第二支路6外包覆有保温层。
热管的换热效果良好，能有效提高***的换热效率。
具体实施时，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器倾斜角度为30~50℃。
在实际应用中，可适应性调整太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器的安装倾斜度，尽量保证太阳光直射太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器。
具体实施时，相变材料的相变温度为22℃~27℃。
图3是本***四种不同运行工况的示意图，其四种工况具体为：
工况一（冬季日间）：如图3（b）所示，循环泵开启，太阳辐射加热太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器第一换热管中的循环工质，并在循环泵带动下，循环工质进入相变储能墙体，循环工质在相变储能墙体内放热，和相变储能墙体内的相变材料进行换热，相变材料吸热融化后，墙面温度持续上升，实现在阻隔室内环境通过相变储能墙体向室外流失热量的同时，还可以向着室内供暖，减小房间热负荷需求，提升室内热舒适性。
工况二（冬季夜间）：如图3（d）所示，循环泵关闭，***中的循环工质不循环，随着温度下降，相变储能墙体内的相变材料会逐渐凝固并释放热量，保证相变储能墙体内表面的温度，保证室内的热舒适性，同时降低室内环境经相变储能墙体的热量流失。
工况三（夏季日间）：如图3（a）所示，循环泵关闭，***中的循环工质不循环，相变储能墙体在室外辐射和气温的综合影响下，温度升高，相变储能墙体内部的相变材料逐渐融化吸收热量，维持相变储能墙体内表面温度稳定，阻隔外界热量通过相变储能墙体进入室内，保证室内冷舒适性，降低室内冷负荷。
工况四（夏季夜间）：如图3（c）所示，循环泵关闭，***处于被动运行状态，***的驱动力来自于气相工质和液相工质的压力差。太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器同深空换热，第一换热管内的循环工质逐渐冷凝成液体，因重力作用下，通过第一支路流入相变储能墙体内的第二换热管和相变储能墙体内的液态相变材料换热，使得相变材料逐渐凝固成固体，以供第二天白天使用，同时也降低墙体内表面温度，从而保证室内冷舒适性。
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，包括相变储能墙体以及倾斜设置在建筑屋顶上的太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器具有第一换热管，所述第一换热管两端分别伸出太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器上下两端，其中位于上端的为上接口，位于下端的为下接口；
所述相变储能墙体包括加气混凝土砌块层和相变储能砂浆层，所述相变储能砂浆层设置在加气混凝土砌块层内侧，相变储能砂浆层中嵌有第二换热管，第二换热管的两端分别伸出相变储能墙体上下两端，其中位于上端的为第一接口，位于下端的为第二接口；
第一接口和上接口通过第一管路连通，第二接口和下接口通过第一支路连通，且在第一支路上设有第一止回阀，以避免第二换热管内的循环工质通过第一支路流入第一换热管；
还包括第二支路，所述第二支路的两端分别与第一支路连通且第二支路的两端位于第一止回阀两侧，第二支路上设有储液器、循环泵和第二止回阀，所述储液器用于储存循环工质，循环泵用于将储液器内的循环工质泵入第一换热管，所述第二止回阀用于防止第一换热管内的循环工质通过第二支路流入第二换热管。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，第一换热管和第二换热管均包括若干水平间隔设置的换热管，第一换热管和第二换热管对应的所有换热管分别相互连通均形成蛇形结构。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器包括顶面敞口设置的箱体，并在箱体顶面设置透明盖板以将箱体顶面密封，所述第一换热管设置在箱体内。
4.根据权利要求3所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，箱体底部从下到上依次喷涂有一层钛基太阳辐射选择性吸收剂和一层聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，所述相变储能墙体还包括保温板，所述保温板设于加气混凝土砌块层外侧。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，第一换热管、第二换热管、第一管路、第一支路和第二支路均采用热管制成，且第一管路、第一支路和第二支路外包覆有保温层。
7.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，太阳能集热-天空辐射冷却一体化板式换热器倾斜角度为30~50℃。
8.根据权利要求1所述的利用太阳能和天空辐射冷却的嵌管式相变围护结构***，其特征在于，相变材料的相变温度为22℃~27℃。
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