太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑

摘要

本发明公开了一种太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑，包括相变房屋和屋顶上的太阳能系统。相变房屋的水泥地板内埋设有相变套管，相变套管内设置有相变材料，多根相变套管水平设置组成相变材料层，所述相变材料为无机相变材料、有机相变材料或有机相变材料的低共熔混合物；水泥地板与地面之间设置有通风层，通风层通过通风窗与室外空气相同，水泥地板上设置的孔洞与通风层相通。太阳能集热器通过管路与相变套管形成一个完整的太阳能热水系统循环回路。本发明可跨季节使用，冬季通过太阳能系统为房屋内供热，夏季通过自然通风为房屋内降温，通过相变材料稳定室内热环境，最大程度地利用可再生能源，减少了建筑能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种民用住宅，特别涉及一种太阳能光热技术和相变蓄能材料集成设计及 应用的实现供暖能源自维持的房屋。属于绿色建筑和可再生能源利用领域。

背景技术

近年来，整个社会对生态和节能的重视程度越来越高，国家也相继推出一系列的政策 和法规来指导节能工作，其中的重点之一就是建筑节能。我国人口众多，居住形式也多种 多样，尽管近年来我国的城市化发展一直在以较快的速度进行，多数城市和城镇居民已经 进入住宅小区居住，但在广大的农村区域和部分城市区域仍存在数量众多的形式相对简单、 能耗水平较高的独立住宅。为了缓解能源问题，国家于2006年颁布了《可再生能源法》， 提倡可再生能源的利用，然而这些法规和政策在无论是农村或是城市的独立住宅领域收效 甚微，如何改善独立住宅领域的能源结构，增加其中可再生能源的比重是一个值得注意和 研究的课题。

可再生能源包括太阳能、风能、水力能、潮汐能等，相对我国而言，对这其中的太阳 能的利用具有较大的优势。首先，我国地域广大，气候和环境也多种多样，太阳能没有地 域的限制，无论陆地海洋或高山海岛处处皆是，并且可以直接利用，无须开采和运输。其 次，太阳能是最清洁的能源之一，在环境问题日益突出的今天，清洁能源极其宝贵。再次， 太阳蕴藏的能量巨大，一年内达到地球的太阳能总量折合标准煤约1.892×1016亿吨，可 以说是取之不尽用之不竭的。

我国的太阳能资源较为丰富，但利用形式较为单一，尤其是在广大的农村地区和部分 城市地区的独立建筑领域，其主要利用途径仍旧是使用太阳能热水器提供生活热水。随着 太阳能利用技术与建筑一体化技术的日益完善，太阳能集热器的应用已不仅仅局限于提供 生活热水这一单一的功能上，在供暖、制冷、烘干和其他工业应用上也有着很大的利用潜 力。

太阳能分布广泛，但受到昼夜、季节和地理纬度等自然因素的限制和晴天、多云、阴 雨甚至雾霾等随机因素的影响，太阳能具有极大不稳定性。为了使太阳能成为连续、稳定 的能源，各类的蓄能技术是首选方案，而这其中又以相变材料储能技术在建筑太阳能利用 中最具优势，集中体现在以下几点：首先，各类相变材料在相变过程中会吸收或释放相变 潜热，其热量相对于显热热量要大得多。对于房屋来说，这样就可以节省建筑空间，降低 成本。其次，在相变过程进行的同时材料自身的温度几乎维持不变或变化较小，形成一个 宽的温度平台，这对维持温度恒定有着重要的意义。再次，相变材料种类众多，不同的材 料具有不同的物理性质，可以针对某一类型房屋根据其使用功能和要求进行选择。最后， 相变材料是一种蓄热能力强，热惰性大的材料，其作为建筑材料应用在房屋围护结构中， 对稳定室内温度作用明显，在节能的基础上同时改善室内热环境，使得建筑更加宜居。

专利号为ZL201210169219.5的中国专利公开了一种由软脂酸、肉豆蔻酸、石蜡组成的 太阳能相变储能复合材料。该相变储能复合材料无添加剂,相变潜热大,蓄热量高。其吸热 峰在46-50℃，放热峰在44℃左右。用于地板辐射采暖，将该相变储能复合材料填装于储 热罐中，将储热罐安装在太阳能热水器与热水箱之间，在夜晚或环境温度降低时，相变复 合材料固化放热，从而可继续向地板辐射采暖器提供所需40℃左右的热水保证采暖正常进 行。该复合材料及应用方式存在的问题是相变温度较正常室温高，夏季室温升高时也完全 是凝固状态，不能够实现相变材料调节室内气温的跨季节应用，只可在供暖季进行使用。 其次，向室内提供的热水温度过高会使得室内过热、停止供热后室温下降较快等极端问题 的出现。再次，将相变材料放置在热水箱处，不仅在一定程度上使得相变材料的用量较小， 蓄能能力较低，而且忽略了相变材料维持室温稳定这一重要作用。

专利号为ZL201320137266.1的中国专利公开了一种家用中央太阳能采暖系统，用于给 房屋室内的地暖提供热量，包括集热器、与集热器管路相连的水箱以及与水箱管路相连的 地暖地板，水箱上连接有冷水管，所述地暖地板从下往上依次设有基础层、挤塑聚苯板层、 隔热层以及地板层，地板层与隔热层之间铺设有间隔排列的水管，相邻水管之间填充有相 变材料。其地暖地板内填充有相变材料体，在地暖地板接受水箱提供的热水同时，相变材 料体可吸收热水中的热量加以储存，到晚上继续给地暖地板供热，从而提高了太阳能采暖 效率，也减少了水箱的容量。该系统存在的问题同样有只可在供暖季使用，不可实现跨季 节的应用。其次通过其描述可以推断出相变材料在此系统中仅作为蓄热单元使用，而忽略 了相变材料维持室温稳定的作用。再次，相变材料填充在水管间，与水系统分离，会使相 变材料蓄热能力降低，同时用量也会受到限制。

专利号为ZL200910310405.4的中国专利公布了一种太阳能集成房屋，室内地板下面有 卵石蓄热层，卵石蓄热层的下面有栅孔板，栅孔板与地面之间铺设有卵石层风道，卵石层 风道的一侧与设于房屋墙体根部的进风口连通，卵石层风道的另一侧与房屋另一墙体根部 的出风口连通，进风口处有可关闭百叶，出风口处有抽风机；太阳能空气集热器的出气口 通过送风管与卵石层风道连通，太阳能空气集热器的进气口与出风管连通，送风管和出风 管的上端凸出于屋顶，出风管的下端延伸至房屋室内。该房屋的设计虽然可以实现跨季节 使用，但存在的问题一是利用卵石进行显热蓄热，其蓄热量势必较小；二是全年利用空气 作为冷热量的载体，不仅输送能力有限，而且存在损失较大的缺陷。

发明内容

本发明的目的，为解决目前单体建筑能耗较大，可再生能源利用率低的问题。提供一 种集成太阳能光热技术和相变蓄能技术集成及应用的房屋，以实现冬季太阳能在单体住宅 中的高效、多元利用，同时维持其他季节室内热环境的舒适及稳定，

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑，包括相变房屋和太阳能系统， 其特征在于，所述相变房屋1的北墙设置有外门23，南墙设置有外窗24；水泥地板29内 埋设相变套管2，每根相变套管2内均设置有相变材料，多根相变套管2水平设置构成相变 材料层；在水泥地板29与地面28之间设置有通风层4，通风层4为一个空间，其内部通过 两处交错设置的砌体结构34将其分隔成近似风道状，砌体结构34同时作为承重结构支撑 水泥地板29；南墙下部临近通风层4处设置有南墙通风口25，北墙下部临近通风层4处设 置有北墙通风口26；相变房屋1临近东墙或西墙的水泥地板29上设置有孔洞27，孔洞27 与通风层4相连通；

相变房屋1的屋顶上设置有太阳能系统，太阳能系统包括太阳能集热器3，太阳能集热 器3通过热水供水管路6和热水回水管路7与相变套管2形成一个完整的太阳能热水系统 循环回路；所述太阳能集热器3由集热单元A17和集热单元B33组成，分别设置在坡度为 45度的角钢支架上，按上下顺序排列；集热单元A17和集热单元B33的顶部设有集热器水 箱A16和集热器水箱B32；集热器水箱A16与集热单元A17相连通，集热器水箱B32与集热 单元B33相连通，集热器水箱A16与集热器水箱B33通过管道串联在一起；热水回水管路7 上设置有水泵5、补水箱11、电磁阀12和集水器9；热水供水管路6上设置有热量表10、 分水器8，还设置有底部自动排气阀15、中部自动排气阀14和顶部自动排气阀13；

所述相变套管2由内外两层钢管组成，外管18纵向的同心位置设置有内管19，内管 19与外管18的管壁之间设置有强化传热的圆形肋片20；内管19为水管路，其两端分别设 置有接口A30和接口B31，分别作为进水口和出水口；外管18的两端为封闭状，且留有接 口A和接口B；内管19与外管18之间由肋片20分割为相变材料填充腔22，相变材料填充 腔22内设置有相变材料；外管18的一端侧面设置有接口21，作为相变材料填充孔及自动 排气阀的接口；内管19通过集水器9与热水回水管路7相连接，并通过分水器8与热水供 水管路6相连接。

所述相变房屋1长3m～10m，宽2m～5m，高3～4.5m，墙体采用240mm～370mm厚的实 心砖墙、空心砖墙或混凝土墙，外部加装20mm～60mm厚保温材料；屋顶为现浇混凝土屋顶 或预制板屋顶，厚度为150mm～300mm，外部加装20mm～60mm厚保温材料；墙体传热系数小 于0.55W/m².K，屋顶传热系数小于0.6W/m².K。

所述北墙设置的外门23高1.8m～2.2m，宽0.8m～1.2m；南墙设置的外窗24高1.2m～ 1.8m，宽1.2m～1.5m；门窗外框材料为塑钢或断桥铝合金。

所述南墙通风口25和北墙通风口26均可开启和关闭，孔洞27设置有盖板，以控制建 筑内气流流动。

所述相变材料填充腔19内填充的相变材料，其相变温度与室内温度相接近，在16-28 ℃之间，可以是无机相变材料、有机相变材料或有机相变材料的低共熔混合物。

所述有机相变材料的低共熔混合物为脂肪酸与高碳醇类的混合物，脂肪酸为正癸酸、 月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸或硬脂酸；高碳醇为十二醇、十四醇、十六醇或十八醇；脂肪 酸与高碳醇类的质量比为46.4～97.5：2.5～53.6；所述的脂肪酸和高碳醇的熔点都小于 80℃。

相变套管2的进水口与分水器8、出水口与集水器9相连接；太阳能集热器3产生的热 水通过管路流入分水器8，再经分水器8流入各个相变套管进行换热，然后汇入集水器9， 最后经管路流回太阳能集热器3，完成循环。

太阳能热水循环系统为同程式热水采暖系统。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、房屋结构与太阳能系统通过相变套管结合，太阳能供暖的平均能量利用率可达 49.6％，高于平均水平。

2、所选用的相变材料的相变温度与室内温度相接近，在19-28℃之间，可以防止室内 过热和较大的波动。相变材料的相变潜热较显热大得多，完全可以满足夜间室内需热要求。

3、相变材料铺设在地板上，同时在其下面设有通风层，可以实现跨季节室温调控；冬 季进行蓄热，夏季进行蓄冷。

4、太阳能系统采用热水作为冷热媒，使得冷热量输送能力加大，能量利用率提高。

5、整套房屋设计在使用时的耗电部分仅有冬季供暖水泵耗电，耗电量平均每天只有 1.3kWh，过渡季及夏季完全无需耗电。本发明大大节约了常规能源，减少了二氧化碳的排 放量。

附图说明

图1是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的整体构造示意图；

图2是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的房屋结构俯视图；

图3是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的南墙、北墙结构示 意图；

图4是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的通风层结构示意图 (图1的A-A剖视图)；

图5是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的太阳能系统结构示 意图；

图6是本发明太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑的相变套管结构示意 图；

本发明附图标记如下：

1———相变房屋                2———相变套管

3———太阳能集热器            4———通风层

5———水泵                    6———热水供水管路

7———热水回水管路              8———分水器

9———集水器                    10———热量表

11———补水箱                   12———电磁阀

13———顶部自动排气阀           14———中部自动排气阀

15———底部自动排气阀           16———集热器水箱A

17———集热单元A                18———外管

19———内管                     20———肋片

21———接口                     22———相变材料填充腔

23———外门                     24———外窗

25———南墙通风口               26———北墙通风口

27———孔洞                     28———地面

29———水泥地板                 30———接口A

31———接口B                    32———集热器水箱B

33———集热单元B 34———砌体结构

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

本发明所设计的能源自维持的房屋，主要包括相变房屋和太阳能系统两大部分。

相变房屋1的相关结构参见图1、图3、图3和图4，所述相变房屋1的外形尺寸为 3m×3m×3m，在相变房屋1的北墙设置有一扇1.8m×0.8m的塑钢门23，南墙设置一扇 1.2m×1.2m的塑钢外窗24。墙体采用240mm炉渣空心砖墙，外部加装45mm厚聚苯保温板； 屋顶采用现浇混凝土屋顶，厚度为150mm，外部加装60mm厚聚苯保温板。用于封装相变材 料的相变套管2埋设在水泥地板29内，形成相变材料层。太阳能集热器3放置在相变房屋 1的屋顶上，设置在坡度为45度的角钢支架上，通过热水供水管路6和热水回水管路7与 相变套管2形成一个完整的太阳能热水系统循环回路。在水泥地板29与地面28之间设置 有通风层4，地面28的上面贴有45mm厚的聚苯保温板。通风层4为一个空间，内部有两处 交错设置的砌体结构34将空间分隔成近似风道状(参见图4)，砌体结构34同时作为承重 结构支撑水泥地板29。通风层4与南墙接触处设置有两个通风口25，与北墙接触处设置有 一个通风口26；所述南墙通风口25和北墙通风口26均可开启和关闭，以控制建筑内气流 流动。相变房屋1临近东墙或西墙的地板上设置有孔洞27，孔洞27与通风层4相连通；孔 洞27上设置有可开启关闭的盖板(参见图2)。

太阳能系统的详细结构参见图5，太阳能集热器由集热单元A17和集热单元B33组成， 分别安装在一个坡度为45度的角钢焊接支架上，按上下顺序排列；集热单元A17和集热单 元B33的顶部均设有集热器水箱A16和集热器水箱B32；集热器水箱A16与集热单元A17相 连通，集热器水箱B32与集热单元B34相连通，集热器水箱A16与集热器水箱B33通过管 道串联在一起。

多根并联埋设于水泥地板29内的相变套管2由内外两层钢管组成(参见图6)，外管18 纵向的同心位置设置有内管19，内管19与外管18的管壁之间设置有强化传热的圆形肋片 20；内管19为水管路，其两端分别设置有接口A30和接口B31，分别作为进水口和出水口； 外管18的两端为封闭状，且留有接口A和接口B；内管19与外管18之间由肋片20分割为 相变材料填充腔19，相变材料填充腔19内设置有相变材料；外管18的一端侧面设置有接 口21，作为相变材料填充孔及自动排气阀的接口。所述相变材料的相变温度与室内温度相 接近，在16-28℃之间，可以是无机相变材料、有机相变材料或有机相变材料的低共熔混合 物。本实施例采用正癸酸与十六醇的低共熔混合物，其质量比为62.5:37.5，熔化温度为 22.5℃，凝固温度为20.6℃。

热水供水管路6上设置有分水器8，热水回水管路7上设置有集水器9；分水器8上设 置有多个接口，分别与多个相变套管2的内管19的进水口相连接，该分水器8与热水供水 管路6相连接；集水器9上也设置有多个接口，分别与多个相变套管2的内管19的出水口 相连接，集水器9与热水回水管路7相连接。热水供水管路6的上端与集热器水箱A16相 连接，下端与分水器7顶端接口相连。热水供水管路6从上到下依次还安装有顶部自动排 气阀13、中部自动排气阀14、底部自动排气阀15、及热量表10，其在室外部分包裹有保 温材料层以及电伴热带。热水回水管路7的上端与集热器水箱B32相连接，下端与集水器9 的底端接口相连接，与热水供水管路6形成同程式系统。分水器8与集水器9与相变套管2 处于同一平面，与部分管路共同埋设置于水泥地板29内，其整体上稍有坡度，并在沿坡度 向下处设置有三通，其中一通延伸至室外作为排水管。热水回水管路7从上至下依次还安 装有水泵5、补水箱11、电磁阀12及其他阀门等。太阳能集热器3产生的热水通过管路流 入分水器8，再经分水器8流入各个相变套管进行换热，然后汇入集水器9，最后经管路流 回太阳能集热器3，完成循环。

本发明的工作过程如下：

冬季供暖过程：水泵5和电磁阀11受智能电源控制箱控制，控制箱内引出三个温度探 头分别布置在集热器水箱、集水器和室内，当集热器水箱中水温达到30℃，且集水器温度 低于18℃时，循环水泵和电磁阀开启；当此两个温度探头测得的水温温差小于5℃时，水 泵及电磁阀关闭，系统停止循环；当室内温度达到或超过28℃时，水泵及电磁阀也会关闭。 整个冬季运行过程中，通风层4的所有通风口全部为关闭状态，孔洞27也为关闭状态。

过渡季过程：整个过渡季通风层4的所有通风口全部为关闭状态，孔洞23也为关闭状 态。太阳能系统不运行。在过渡季完全依靠建筑自身自然调控，不涉及人为控制。

夏季过程：通风层4的所有通风口全部为开启状态，在白天室外温度较高时，孔洞27 关闭，阻止室外空气进入室内从而将热量带入建筑内部，同时通过传热和阳光直接射入室 内所带来的多余热量被相变材料吸收储存；在夜间室外气温较低且低于室内温度时，外窗 24开启，孔洞27也为开启状态，通过自然通风的方式将室内多余热量以及相变材料凝固所 放出的白天储存的热量带走。在夏季过程中，太阳能系统不运行。