CN115479290A - 基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法，涉及太阳能建筑集热技术领域，该方法包括：高透光玻璃、选择性吸光材料、静止空气层、导热金属板以及吸附床，建筑墙体内部设有空腔，吸附床的两端分别设置有吸附床上腔和吸附床下腔；吸附床上腔处设置有建筑阳面排气口，吸附床下腔处设置有建筑阳面进气口，且在建筑物墙体阴面还设置有建筑阴面进气口；建筑阳面排气口分别于吸附床上腔和空腔相连通；建筑阴面进气口分别于吸附床下腔和空腔相连通，建筑阴面进气口与所述空腔相连通。本发明能够解决面向建筑供热的传统储热技术如水储热及相变储热等方式中储热能量密度低、运行耗电量大与储热运行调控灵活性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能建筑集热技术领域，具体地，涉及一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法。
背景技术
目前建筑物中使用的大部分能源来自化石燃料，这种做法不仅极大地影响了我国的能源安全，而且对环境产生负面影响。为了减少建筑物中不可再生能源的过度消耗，研究人员开展了各方面的研究，将太阳能技术与建筑结合将是大规模发展可再生能源，降低建筑中传统化石能源消耗比例的重要解决途径。
特朗伯墙体是在建筑方面利用太阳能的一种有效方式。但特朗伯墙也存在一些缺点，限制了其推广和使用。在夜间或长时间的阴天期间，大量的热量会从房间内部通过特朗伯墙体传递到室外，导致房间的热量损失，增加了能源消耗，这个问题对于气候寒冷的地区尤为显著。
在寒冷的冬季，围护结构的温度明显低于室内温度，且从室内到室外呈梯度分布。尤其是玻璃因为隔热性能较差，温度接近室外温度。不过人们通常忽视了冬季室内热环境非均匀分布的特征，只着眼于采用高于室内要求温度的热源来维持室内所需温度。实际上，可以利用低于室温的水对建筑进行保温，可有效减少室内的散热。如果将自然环境中的土壤热源、天然水源进行充分利用，完全可以减少室内向外界传递的热量，从而减少高品位供热的需求进而减少供热能耗。
公开号为CN112178962A的发明专利，公开了一种包含光伏光热相变水箱、特朗伯墙、植物的***及方法，包括光伏光热相变水箱、特朗伯墙、植物、储电***；本***可实现发电、制热水、被动制冷、被动采暖、净化空气等多种功能。在非采暖季，光伏光热相变水箱与植物分别以储热和蒸腾作用降低建筑墙体温度，获得热水的同时而并与特朗伯墙形成太阳能烟囱，达到建筑被动制冷功能；在采暖季，光伏光热相变水箱和特朗伯墙联合，实现建筑被动采暖的同时储存热量，而植物通过光合作用吸收CO2释放O2并耦合被动采暖过程调节室内空气质量。除了季节性的实现制热水、被动制冷、被动采暖和调节室内空气质量外，该***同时可实现全年供电。
该发明中采用水和相变材料作为储热介质储存白天富余的太阳能，储热能量密度低，需求水箱体积大；需要水泵驱动完成有效的储、放热过程，***运行耗电量大。
公开号为CN112082274A的发明专利，公开了一种有效减热损失的复合型特朗伯墙体，将特朗伯墙体与水墙相结合。该发明可在夜间利用土壤热源、天然水源等低品位能源，让低温水在水墙中进行循环以减少建筑的热损失。该发明结构简单，成本低廉，可有效降低室内的热量耗散，保证室内的热舒适性。
该发明采用水作为储热介质储存白天富余的太阳能，储热能量密度低，在满足设计需求的储热体积下无法满足全天候建筑供热；需要水泵驱动完成有效的储、放热过程，***运行耗电量大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法。
根据本发明提供的一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法，所述方案如下：
第一方面，提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，所述***包括：
高透光玻璃、选择性吸光材料、静止空气层、导热金属板以及吸附床，所述高透光玻璃设置在建筑墙体阳面，所述选择性吸光材料设置在高透光玻璃内侧，所述静止空气层、导热金属板以及吸附床依次设置在高透光玻璃和选择性吸光材料之间；
所述建筑墙体内部设有空腔，所述吸附床的两端分别设置有吸附床上腔和吸附床下腔；
所述吸附床上腔处设置有建筑阳面排气口，所述吸附床下腔处设置有建筑阳面进气口，且在建筑物墙体阴面还设置有建筑阴面进气口；
所述建筑阳面排气口分别于吸附床上腔和空腔相连通；所述建筑阴面进气口分别于吸附床下腔和空腔相连通，所述建筑阴面进气口与所述空腔相连通。
优选的，所述吸附床内沿其长度方向设置有多个空气流道，所述空气流道的两端分别与吸附床上腔和吸附床下腔之间形成通道，空气沿吸附床下腔、空气流道和吸附床上腔形成流动。
优选的，所述吸附床上腔处还设置有上风出口挡板，吸附床下腔处还设置有下风出口挡板；所述建筑阴面进气口处还设置有建筑阴面进气口挡板。
优选的，所述吸附床靠近空腔的一侧壁上还设置有隔热层，吸附床通过隔热层与室内环境热隔离。
优选的，所述建筑阳面进气口处还设置有水蒸气发生器。
优选的，所述选择性吸光材料为太阳能光热膜。
优选的，所述吸附床为高密度复合吸附材料。
第二方面，提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热方法，所述方法包括：
太阳能光热转化步骤：在白天太阳辐照充足时，吸收太阳能为建筑提供充足的供暖热负荷；同时，利用多余的热能实现通道式吸附储热步骤的加热再生，即储热过程；
通道式吸附储热步骤：在晚上或阴雨天无法利用太阳能直接采暖时，利用空气中的水蒸气实现通道式吸附储热步骤的吸附，即放热过程；
可调节水蒸气发生器步骤：对储热***的放热过程进行调控。
优选的，所述通道式吸附储热步骤的热湿转化特性在白天气温高且空气干燥与夜晚温度低且空气潮湿的条件下进行室内加湿与除湿，同时调控室内的温湿度。
优选的，所述通道式吸附储热步骤在完成再生过程后，通过控制吸附床内水蒸气的含量进行无环境热损的长期储热，调节建筑采暖热负荷。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过采用基于水蒸气吸附的高密度复合吸附材料作为储热材料，解决了传统储热技术如水储热及相变储热等方式中储热能量密度低的问题；
2、通过利用通道式吸附储热结构中空气的“烟囱效应”，实现了以太阳能光热与吸附热驱动的近零能耗长周期储、放热过程，解决了传统储热技术运行耗电量大与储热灵活性差的问题；
3、通过利用吸附床在白天储热过程中水蒸气的释放及在晚上放热过程中水蒸气的吸收，解决了室内环境的温湿度双控调节，相比传统特朗伯墙供热***增加了室内湿度调节的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明整体结构示意图。
附图标记：1、建筑阳面排气口；2、高透光玻璃；3、静止空气层；4、选择性吸光材料；5、导热金属板；6、空气流道；7、吸附床；8、隔热层；9、上风出口挡板；10、下风出口挡板；11、吸附床上腔；12、吸附床下腔；13、水蒸气发生器；14、空腔；15、建筑阴面进气口；16、建筑阴面进气口挡板；17、建筑阳面进气口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，参照图1所示，首先，该***包括：高透光玻璃2、选择性吸光材料4、静止空气层3、导热金属板5以及吸附床7，高透光玻璃2设置在建筑墙体阳面，选择性吸光材料4设置在高透光玻璃2内侧，静止空气层3、导热金属板5以及吸附床7依次设置在高透光玻璃2和选择性吸光材料4之间，本实施例中的选择性吸光材料4可以选用太阳能光热膜，本实施例中吸附床7可选用高密度复合吸附材料。
建筑墙体内部还设有空腔14，吸附床7的两端分别设置有吸附床上腔11和吸附床下腔12；吸附床上腔11处设置有建筑阳面排气口1，吸附床下腔12处设置有建筑阳面进气口17，建筑阳面进气口17处还设置有水蒸气发生器13，且在建筑物墙体阴面还设置有建筑阴面进气口15。建筑阳面排气口1分别于吸附床上腔11和空腔14相连通；建筑阴面进气口15分别于吸附床下腔12和空腔14相连通，建筑阴面进气口15与空腔14相连通。
其中，吸附床7内沿其长度方向设置有多个空气流道6，空气流道6的两端分别与吸附床上腔11和吸附床下腔12之间形成通道，空气沿吸附床下腔12、空气流道6和吸附床上腔11形成流动。
吸附床上腔11处还设置有上风出口挡板9，吸附床下腔12处还设置有下风出口挡板10；且在建筑阴面进气口15处还设置有建筑阴面进气口挡板16。吸附床7靠近空腔14的一侧壁上还设置有隔热层8，本实施例中的隔热层8可以选用硅酸铝纤维纸，吸附床7通过隔热层8实现与室内环境热隔离。
本发明的实施原理为：在采暖季，建筑阴面进气口挡板16、建筑阳面排气口1和建筑阳面进气口17关闭，上风出口挡板9和下风出口挡板10开启；白天时，室内空气寒冷干燥，太阳光照透过高透光玻璃2和静止空气层3到达太阳能光热膜，太阳能被转化为热能，其热量通过导热金属板5传递给吸附床7体及空气流道6。
其中，吸附床7的复合吸附材料被加热后进行解吸过程并储存热量用于夜间持续供热；空气流道6内的空气被加热后由于热浮力作用形成垂直流道内的自然对流，即烟囱效应，从而在吸附床下腔12和吸附床上腔11形成垂直方向上的压力差，在压力差的驱动下，室内冷空气由吸附床下腔12进入吸附床7内的空气流道6，在空气流道6内以自然对流换热形式被加热，同时带走吸附材料解吸过程中释放的水蒸气，被加热加湿后的空气由吸附床上腔11和上风出口挡板9进入室内，完成储热、采暖、加湿功能；夜间时，室内空气寒冷潮湿，利用室内居民基础代谢产生的湿分或可调节水蒸气发生器13提供水蒸气用于吸附放热，潮湿空气从下风出口挡板10经过吸附床下腔12进入吸附床7的空气流道6内，吸附材料吸附水蒸气后释放热量，热量从吸附床7通过自然对流形式传递给空气流道6内空气，被加热除湿后的空气由吸附床上腔11和上风出口挡板9进入室内，完成放热、采暖、除湿功能。
在非采暖季，上风出口挡板9关闭，建筑阴面进气口挡板16、下风出口挡板10、建筑阳面排气口1打开。空气流道6内的空气被加热形成烟囱效应，驱动建筑背面的低温空气由建筑阴面进气口15进入室内，而室内热空气经吸附床下腔12、空气流道6和建筑阳面排气口1排出室外，形成被动制冷。
本发明还提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热方法，该方法包括：太阳能光热转化步骤、通道式吸附储热步骤以及可调节水蒸气发生器步骤，在白天太阳辐照充足时，利用太阳能光热转化步骤吸收太阳能为建筑提供充足的供暖热负荷，同时利用多余的热能实现通道式吸附储热步骤的加热再生(储热过程)；在晚上或阴雨天无法利用太阳能直接采暖时，利用空气中的水蒸气实现通道式吸附储热步骤的吸附(放热过程)，且在必要时通过额外的可调节水蒸气发生器13增湿对储热***的放热过程进行调控。
利用通道式吸附储热步骤中空气由太阳能光热效应或吸附放热形成的温度差而导致的“烟囱效应”，通道式吸附储热步骤可实现近零能耗的太阳能光热与吸附热自驱动的再生与吸附过程，从而实现全天候近零能耗供热。另外，通道式吸附储热步骤在完成再生过程后，可通过控制吸附床7内水蒸气的含量几乎无环境热损的长期储热，显著提高通道式吸附储热步骤对建筑采暖热负荷调节的灵活性。除此之外，***还可通过通道式吸附储热步骤的热湿转化特性在白天气温高且空气干燥与夜晚温度低且空气潮湿的条件下实现室内加湿与除湿，同时调控室内的温湿度，提高居住舒适度。
本发明实施例提供了一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***及方法，白天利用太阳能直接供热，同时利用富裕的热能实现吸附床7的再生储热，晚上或阴雨天利用空气中的水蒸气实现吸附床7的吸附放热，从而形成全天候的建筑供热；在白天太阳能直接加热吸附床7以及吸附床7在吸附放热过程中，由加热效应导致的在吸附床7通道内的“烟囱效应”可实现太阳能光热与吸附热自驱动的吸附储热***近零能耗运行；不仅如此，吸附床7在吸附、再生的过程中消耗或产生水蒸气，可对室内的湿度进行调节，提升对室内环境舒适度的控制灵活性。
本发明采用的通道式吸附储热步骤的储热密度比传统的水储热与相变储热更高，储热体体积更小；同时，采用的吸附储热技术可避免在建筑采暖热负荷较低时被动向室内传递热量，还可实现长时间储热，是一种低能耗、低成本的太阳能被动供热技术。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，包括：高透光玻璃(2)、选择性吸光材料(4)、静止空气层(3)、导热金属板(5)以及吸附床(7)，所述高透光玻璃(2)设置在建筑墙体阳面，所述选择性吸光材料(4)设置在高透光玻璃(2)内侧，所述静止空气层(3)、导热金属板(5)以及吸附床(7)依次设置在高透光玻璃(2)和选择性吸光材料(4)之间；
所述建筑墙体内部设有空腔(14)，所述吸附床(7)的两端分别设置有吸附床上腔(11)和吸附床下腔(12)；
所述吸附床上腔(11)处设置有建筑阳面排气口(1)，所述吸附床下腔(12)处设置有建筑阳面进气口(17)，且在建筑物墙体阴面还设置有建筑阴面进气口(15)；
所述建筑阳面排气口(1)分别于吸附床上腔(11)和空腔(14)相连通；所述建筑阴面进气口(15)分别于吸附床下腔(12)和空腔(14)相连通，所述建筑阴面进气口(15)与所述空腔(14)相连通。
2.根据权利要求1所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述吸附床(7)内沿其长度方向设置有多个空气流道(6)，所述空气流道(6)的两端分别与吸附床上腔(11)和吸附床下腔(12)之间形成通道，空气沿吸附床下腔(12)、空气流道(6)和吸附床上腔(11)形成流动。
3.根据权利要求2所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述吸附床上腔(11)处还设置有上风出口挡板(9)，吸附床下腔(12)处还设置有下风出口挡板(10)；所述建筑阴面进气口(15)处还设置有建筑阴面进气口挡板(16)。
4.根据权利要求1所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述吸附床(7)靠近空腔(14)的一侧壁上还设置有隔热层(8)，吸附床(7)通过隔热层(8)与室内环境热隔离。
5.根据权利要求1所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述建筑阳面进气口(17)处还设置有水蒸气发生器(13)。
6.根据权利要求1所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述选择性吸光材料(4)为太阳能光热膜。
7.根据权利要求1所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，其特征在于，所述吸附床(7)为高密度复合吸附材料。
8.一种基于开式吸附储热的全天候太阳能供热方法，其特征在于，基于如权利要求1-7中任意一项所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热***，包括：
太阳能光热转化步骤：在白天太阳辐照充足时，吸收太阳能为建筑提供充足的供暖热负荷；同时，利用多余的热能实现通道式吸附储热步骤的加热再生，即储热过程；
通道式吸附储热步骤：在晚上或阴雨天无法利用太阳能直接采暖时，利用空气中的水蒸气实现通道式吸附储热步骤的吸附，即放热过程；
可调节水蒸气发生器步骤：对储热***的放热过程进行调控。
9.根据权利要求7所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热方法，其特征在于，所述通道式吸附储热步骤的热湿转化特性在白天气温高且空气干燥与夜晚温度低且空气潮湿的条件下进行室内加湿与除湿，同时调控室内的温湿度。
10.根据权利要求7所述的基于开式吸附储热的全天候太阳能供热方法，其特征在于，所述通道式吸附储热步骤在完成再生过程后，通过控制吸附床(7)内水蒸气的含量进行无环境热损的长期储热，调节建筑采暖热负荷。
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