建筑物的通风空气预热装置和方法

摘要

一种用于建筑物的通风空气预热装置。该装置包括建筑物上的带有多个进风孔的第一块日光吸收集热器板，界定了其与建筑物之间的第一个空气收集区域。建筑物上带多个进风孔的第二块日光吸收集热器板与第一块日光吸收集热器板相邻，界定了其与建筑物之间的第二个空气收集区域。一块玻璃覆盖着第二块日光吸收集热器板，界定了其与第二块日光吸收集热器板之间的中间气流室。中间气流室与第一个空气收集区域相通并接受来自那里的空气。第二块日光吸收集热器板中的进风孔提供了中间气流室和第二个空气收集区域之间的通路。一个出风口从第二个空气收集区域延伸至建筑物内部送风。一个风扇与出风口连通，把来自第二个空气收集区域的空气由出风口输送至建筑物的内部。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及为建筑物提供通风空气，特别是利用太阳能对进入建筑物的通风空气进行预热。

背景技术

商用、工业、居住和公寓建筑物均有通风要求，通常，标准的房屋构造会利用门以及墙—顶棚接缝附近的自然渗漏允许足够的空气进入建筑物。强风、排气扇和燃烧燃料的炉子所需的助燃空气等多种因素都会形成建筑物外部与内部之间的压降。于是，室外空气会从每一处缝隙和开口被吸进建筑物。

常规方式的问题在于通风空气的量得不到控制，建筑物内部靠近外墙的温度低于平均温度且感觉不适，在采暖季节里必须提供额外的热量将室外空气加热至室温。

典型的解决方式是安装燃气、燃油加热器或电加热器以及风扇来加热建筑物内的空气。采用太阳能板对建筑物进行加热时，空气在建筑物和太阳能集热器之间反复循环。在采暖季节里，环境温度低于室温，因此循环型的太阳能集热器的效率水平会显著下降。

1985年10月4日颁布的加拿大专利No.1,196,825介绍了如何为了通风目的利用补充新风，而非单纯地对建筑物的室内空气进行重复循环。利用这一方法，补充新风在进入建筑物之前需穿过一个太阳能集热器并得到预热。太阳能集热器外罩有玻璃，空气从二者间的空隙穿过并被加热。尽管这一特殊设计降低了消耗性能源的使用需求，然而玻璃的使用却极大地提高了造价。其优点是，玻璃减少了辐射热损失和不良风效应，然而，只有约85％的日光能够穿透玻璃。使用常规玻璃板的缺点还包括玻璃板的密封要求。这再度增加了玻璃板的造价。另外，如果利用玻璃板对新风进行加热，灰尘会在玻璃板内堆积，尤其是玻璃下面，对此尚无简单易行的清洁方法。因此玻璃板的设计必须满足定期的清洁需求。

1994年2月1日颁布的加拿大专利No.1,326,619以及1990年2月13日和1990年6月19日颁布的美国专利No.4,899,728和No.4,934,338分别公开了用于预热进入建筑物的补充新风的不含玻璃的太阳能板。按太阳能板的表面积计算，这些系统能够以极高的效率加热大量空气(即大约6立方英尺/分钟)。然而，对于较低的空气流量而言，系统的效率则显著下降。较低的空气流量会导致太阳能板温度过高，从而增加对周围环境的辐射热损失。这些系统还存在其他不足。例如，其低流量设计所能达到的最大温升约为超过环境温度30℃。这一温升值在寒冷气候条件下无疑是不够的。此外，在大风天气，如果空气进入太阳能板的速度不够快，风会把进风孔周围的热量吹散，导致效率严重降低。因此，这些太阳能板最好是用于南向外墙，用于屋面时则会因为屋顶的风速增大而效果不佳。这是非常令人遗憾的，因为对于许多人来说，屋面是安装太阳能板的最佳位置。

理想的做法是为建筑物提供一个通风空气预热装置的同时避免或减缓先前技术中存在的不足。

发明内容

本发明的实施例的一个形式中，为建筑物提供了一个通风空气预热装置。该装置包括建筑物上的第一块日光吸收集热器板。该集热器板暴露于周围空气中，界定了其与建筑物之间的第一个空气收集区域。第一块日光吸收集热器板具有多个进风孔，周围空气可由进风孔进入第一个空气收集区域。建筑物上的第二块日光吸收集热器板与第一块日光吸收集热器板相邻，界定了其与建筑物之间的第二个空气收集区域。第二块日光吸收集热器板具有多个进风孔，空气可由进风孔进入第二个空气收集区域。第二块日光吸收集热器板由一块玻璃覆盖，玻璃界定了其与第二块日光吸收集热器板之间的中间气流室。中间气流室与第一个空气收集区域相通并接受来自那里的空气。第二块日光吸收集热器板的进风孔提供了中间气流室和第二个空气收集区域之间的通道。一个出风口从第二个空气收集区域延伸至建筑物内部。与出风口相连的风扇把空气从第二个空气收集区域由出风口输送至建筑物内部。

本发明的实施例的另一个形式中，为建筑物提供了通风空气加热解决方案。该解决方案包括：在建筑物上安装第一块日光吸收集热器板，该集热器板暴露于周围空气中，界定了其与建筑物之间的第一个空气收集区域，第一块日光吸收集热器板具有多个进风孔，周围空气可由进风孔进入第一个空气收集区域；在建筑物上安装第二块日光吸收集热器板，第二块日光吸收集热器板界定了其与建筑物之间的第二个空气收集区域，第二块日光吸收集热器板具有多个进风孔，空气可由进风孔进入第二个空气收集区域；第二块日光吸收集热器板由一块玻璃覆盖，玻璃界定了其与第二块日光吸收集热器板之间的中间气流室，中间气流室与第一个空气收集区域相通并接受来自那里的空气，第二块日光吸收集热器板的进风孔提供了中间气流室和第二个空气收集区域之间的通道；室外空气预热在第一个空气收集区域进行，太阳辐射热来自第一块日光吸收集热器板，预热空气被输送至中间气流室；通过把预热空气从中间气流室输送至第二个空气收集区域在第二个空气收集区域对预热空气进行加热，获得热风；然后由第二个空气收集区域的出风口将热风排入建筑物内部。

在本发明的实施例的又一形式中，为建筑物提供了配备风扇的通风空气预热装置。该装置包括建筑物上的第一块日光吸收集热器板。该集热器板暴露于周围空气中，界定了其与建筑物之间的第一个空气收集区域。第一块日光吸收集热器板具有多个进风孔，周围空气可由进风孔进入第一个空气收集区域。建筑物上的第二块日光吸收集热器板与第一块日光吸收集热器板相邻，界定了其与建筑物之间的第二个空气收集区域。第二块日光吸收集热器板具有多个进风孔，空气可由进风孔进入第二个空气收集区域。第二块日光吸收集热器板由一块玻璃覆盖，玻璃界定了其与第二块日光吸收集热器板之间的中间气流室。中间气流室与第一个空气收集区域相通并接受来自那里的空气。第二块日光吸收集热器板的进风孔提供了中间气流室和第二个空气收集区域之间的通道。风扇抽出预热空气并由上述第二个空气收集区域的出风口向建筑物送风。

因此，采用两级太阳能加热器的空气加热系统兼顾了玻璃系统和非玻璃系统的优点。其优点是，不仅能够把空气加热至玻璃型太阳能集热器所能达到的温度，同时造价与非玻璃型太阳能集热器的造价更为接近。一方面，非玻璃型集热器包括非常细微的孔，能够过滤空气中的大部分尘粒。这样一来，空气在通过玻璃集热器之前，首先通过非玻璃集热器并得到过滤。因此，与空气未经过滤的玻璃集热器相比，该玻璃集热器下面堆积的灰尘将大为减少。

此外，两级太阳能加热器更有利于风力强于墙面的建筑物屋面区域的利用。而且，非玻璃部分可以安置于墙面，玻璃部分可以安置于建筑物的屋面。通过利用建筑物的屋面区域，能够增加太阳能集热器的有效表面积。

附图说明

参照以下附图和说明可更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的某一实施例制作的太阳能加热装置透视图；

图1A是图1中的太阳能加热装置某一部分放大后的透视图；

图1B是图1中的太阳能加热装置另一部分放大后的透视图。

图2是图1中的太阳能加热装置透视图，显示安装于屋面，出于插图和说明的目的，装置的某些部分被省略；

图3是图1中的太阳能加热装置的截面侧视图；

图4是根据本发明的另一实施例制作的太阳能加热装置透视图，显示安装于墙面和屋面，出于插头和说明的目的，装置的某些部分被省略；

图5是图4中的太阳能加热装置缩小后的截面侧视图。

图6是根据本发明的另一实施例制作的太阳能加热装置侧视图，显示安装于屋面；且

图7是根据本发明的又一实施例制作的太阳能加热装置侧视图，显示安装于墙面。

具体实施方式

首先参照图1一图3，根据本发明的一个实施例来描述一个对建筑物通风空气进行预热的太阳能加热装置，并以数字20概括性地指示。装置20包括建筑物上的第一个日光吸收集热器板22。板22暴露于周围空气中，界定了其与建筑物之间的第一个空气收集区域24。第一块日光吸收集热器板22具有多个进风孔26，周围空气可由进风孔26进入第一个空气收集区域24。第二块日光吸收集热器板28安装在建筑物上，与第一块日光吸收集热器板22相邻，界定了其与建筑物之间的第二个空气收集区域30。第二块日光吸收集热器板28具有多个进风孔32，空气可由进风孔32进入第二个空气收集区域30。第二块日光吸收集热器板28由一块玻璃34覆盖，界定了其与第二块日光吸收集热器板28之间的中间气流室36。中间气流室36与第一个空气收集区域24相通并接受来自那里的空气。第二块日光吸收集热器板28的进风孔32提供了中间气流室36和第二个空气收集区域30之间的通道。一个出风口38从第二个空气收集区域30延伸至建筑物内部。与出风口38相连的风扇40把空气从第二个空气收集区域30由出风口38输送至建筑物内部。

参照各图可以对太阳能加热装置20的实施例进行进一步描述。具体如图1-3所示，装置20被固定至建筑物屋面100的外表面。如图1和图2所示，第一和第二块日光吸收集热器板22和28(在本文中简称为第一和第二块集热器板22和28)被固定至屋面100的外表面。屋面100呈一定角度，第一块集热器板22在屋面100上的位置低于第二块集热器板28的位置。

第一和第二块集热器板22和28被一个包括金属边框44和纵向内部支撑杆46的金属框架结构42固定至建筑物屋面100的外表面。在本实施例中，纵向支撑杆46把包括第一块集热器板22的金属框架结构42部分与包括第二块集热器板28的金属框架结构42部分隔开。包括金属边框44和纵向支撑杆46的金属框架结构42以适当的紧固件固定至建筑物屋面100。

金属框架结构42还包括一个在金属边框44内、由固定在建筑物屋面100上的金属板组成的衬板50。衬板50从而被固定至屋面100的表面。

金属边框44以例如硅填隙料与屋面100形成封接。类似地，衬板50的金属板与金属边框44形成封接。

金属边框44包括一个容纳第一和第二块集热器板22和28边缘的轨道。纵向支撑杆46也包括容纳第一和第二块集热器板22和28的轨道。理想的方式是金属边框44中具有内置轨道。类似地，纵向支撑杆46中具有内置轨道。

第一块集热器板通过金属边框44的轨道以及纵向支撑杆46一侧的轨道固定至金属框架结构42内。注意，第一块板22包括多个梯形波纹板，界定了许多相似的、搭接的辅助板22a、22b、22c...等等。每一块辅助板或者梯形波纹板22a、22b、22c...均包括一个平直上端52，一对倾斜侧壁54以及基本平直的槽壁56。各倾斜侧壁54从上端52的相应一侧延伸，各槽壁56从相应的侧壁54延伸。

第一块集热器板22被牢固地固定至金属框架结构42内，波纹板的各上端52与衬板50基本平行。很明显，各上端52与建筑物屋面100也基本平行。因此，第一个空气收集区域24处于第一块板22和屋面100的表面之间。

如图1A所示，第一块集热器板22包括了遍布平直上端52的进风孔26，倾斜侧壁54以及槽壁56。进风孔26为周围空气从建筑物外部进入第一个空气收集区域24提供了通路。在本实施例中，进风孔26基本上均匀地分布于波纹状的第一块集热器板22，它们是由第一块集热器板22中的旋转孔隙形成，孔隙末端的缝隙即构成进风孔26。进风孔26孔径较小，有助于过滤准备进入太阳能加热装置20的空气。

第一块集热器板的外侧覆盖着一种选择性涂层。该选择性涂层是一种太阳辐射吸收涂层，利于吸收太阳辐射，在晴朗天气，集热器板在各种温度下发生的红外线热辐射散发较少，总而保持较低的总能量损失。

和第一块集热器板22一样，第二块集热器板28也通过金属边框44的轨道和纵向支撑杆46一侧的轨道固定至金属框架结构42内。同样，第二块集热器板28包括多个梯形波纹板，界定了许多相似的、搭接的辅助板28a、28b、28c...等等。每一块梯形波纹板(辅助板)均包括一个基本平直的上端58、一对倾斜侧壁60以及基本平直的槽壁62。各倾斜侧壁60从上端58的相应一侧延伸，各槽壁62从相应的侧壁60延伸。

然而，与第一块集热器板22不同的是，第二块集热器板28被牢固地固定至金属框架结构42内，各上端58与衬板50以及屋面100并不平行。各上端58与衬板50呈一定角度，从而与屋面100也呈一定角度，从而使最接近第一块集热器板22的第二块集热器板28的边缘64与衬板相邻(轨道的一侧置于第二块集热器板28的边缘64与屋面100的表面之间)，且远离第一块集热器板22的第二块集热器板28的边缘66与衬板50之间留出间隔。很明显，第二块集热器板28和衬板50之间的距离随着与第一块集热器板22的距离而增大。由此，第二个空气收集区域30的深度也随着与第一块集热器板22的距离而增大。

和第一块集热器板22一样，第二块集热器板28包括遍布波纹板基本平直的上端52、倾斜侧壁54以及槽壁56的第二组进风孔32，如图1B所示。进风孔32为第二个空气收集区域30提供了通路。然而，在此情况下，第二组进风孔32是为来自中间气流室36的、准备进入第二个空气收集区域30的空气提供了通路。很明显，中间气流室36位于第一个空气收集区域24和第二个空气收集区域30之间，将在下文做进一步讨论。在本实施例中，进风孔32基本上均匀地分布于第二块集热器板28，由第二块集热器板28中的旋转孔隙形成，孔隙末端的缝隙即构成进风孔32。

第二块集热器板的外侧覆盖着利于吸收太阳辐射的太阳辐射吸收选择性涂层，在晴朗天气，集热器板在各种温度下发生的红外线热辐射散发较少。

以玻璃板34形式的玻璃位于第二块集热器板28上方。玻璃板34以固定至金属边框44上半部分和纵向支撑杆46表面的玻璃框架68固定至金属边框44的上半部分以及纵向支撑杆46。没有必要以气密的方式把玻璃板34封接于金属边框44以及纵向支撑杆46。只需紧密配合即可，允许存在细小的空隙。

玻璃板34和第二块集热器板28之间的间隔为上文提及的中间气流室36。中间气流室36与第一个空气收集区域24以及第二个空气收集区域30相通。空气从第一个空气收集区域24进入中间气流室36，并离开中间气流室36进入第二个空气收集区域30。很明显，纵向支撑杆46的大小、形状和位置是为了支撑第一和第二块集热器板22和28，并支撑玻璃板34所在的玻璃框架68的边缘，同时允许空气从第一个空气收集区域24进入中间气流室36。在本实施例中，这一气流是由穿过纵向支撑杆46中的轨道缝隙的空气提供的。

风管70与第二个空气收集区域30相通，贯穿衬板50并穿过建筑物的屋面100。风管70由出风口38与第二个空气收集区域相连，使空气从第二个空气收集区域30排出。如图所示，出风口38位于远离纵向支撑杆46的位置，此处第二个集热器板28和衬板50之间的距离最大。

风管延伸至建筑物内，由风管70中的通风口为建筑物内部提供经过加热的室外空气。

风扇外罩72与风管70相连，它包括将空气从第二个空气收集区域30输送至建筑物内部的风扇40。风扇外罩72中的电动挡风板可以调节，使建筑物内部的空气与来自第二个空气收集区域30的热风混合。风扇外罩中的风扇40的尺寸设计旨在满足通风要求并防止建筑物内产生负气压。通过把经过加热的室外空气由风管70引入建筑物能够获得正气压。内部空气由通风口和缝隙离开建筑物。在本实施例中，风扇40是一个由控制器控制的、与进风温度相关的可变速风扇。因此，当进风低于室温时，风扇40低速运转。当进风高于室温时，风扇速度提高，不仅提供通风空气，还提供空间供暖。

在实际使用中，太阳能加热装置20位于建筑物外部的屋面100上。周围空气由第一块集热器板22中的进风孔26进入第一个空气收集区域24，在此空气被初步加热。因此，第一块集热器板22的作用是一个非玻璃的太阳能集热器。

接下来，空气穿过第一个空气收集区域24进入中间气流室36，并由第二块集热器板28中的进风孔32进入第二个空气收集区域30。空气在穿过中间气流室36以及第二个空气收集区域30时得到进一步加热。很明显，第二块集热器板28的作用是一个玻璃的太阳能集热器。

最后，空气被风扇40从第二个空气收集区域30抽出并由风管70排入建筑物，为建筑物提供经过加热的通风空气。

参照图4和图5，根据本发明的另一实施例来描述太阳能加热装置20。与所描述的第一个实施例类似，本实施例的太阳能加热装置20包括第一块日光吸收集热器板22和第二块日光吸收集热器板28。第一和第二块日光吸收集热器板22和28类似于上文描述的第一和第二块日光吸收集热器板，因此在此对第一和第二块集热器板22和28毋庸赘述。同样，与所描述的第一个实施例类似，玻璃板34位于第二块集热器板28的上方。玻璃板34类似于上文描述的玻璃板，因此在此毋庸赘述。然而，与所描述的第一个实施例不同的是，在本实施例中，第一块集热器板22位于建筑物的墙面102。第二块集热器板28位于建筑物屋面100上，而不是位于同一墙面。因此，金属框架结构42在中点处有一个弯头，纵向支撑杆46即位于此处并沿着建筑物的墙面102和屋面100的相交线。太阳能加热装置20的其余部分，包括空气流动，皆与上文描述的太阳能加热装置20类似，因此无庸赘述。

参照图6，根据本发明的又一实施例来描述太阳能加热装置20。如图所示，不同于波纹状的第一块集热器板22，第一块集热器板22由许多搭接的小型辅助板组成，各辅助板均与屋面100的表面呈一定角度。各辅助板与建筑物屋面100之间距离最为接近的部位是辅助板的最上端。因此，辅助板与屋面表面之间的距离自上而下增大。不同于遍布波纹板的进风孔26，进风孔26位于辅助板的最下端，此处辅助板和屋面100的表面之间的距离最大。尽管图中所示为第一块集热器板22，但辅助板同样可以被用于上文描述的、带有玻璃34的第二块集热器板28。

参照图7，所示的是本发明的又一实施例。在本实施例中，太阳能加热装置20类似于上文描述的、图6所示的太阳能加热装置20。然而，在本实施例中，太阳能加热装置20被安装于建筑物的墙面102，而非屋面102。

至此，从多个示例对本说明做了描述。上文描述的实施例可以发生修改和变更。例如，尽管所描述的第一个实施例论及第一块日光吸收集热器板中均匀分布的进风孔26，但第一块日光吸收集热器板中的进风孔的密度可以随着与第二块日光吸收集热器板的距离而增大。类似地，第二块日光吸收集热器板中的进风孔32的密度可以随着与出风口的距离而增大。此外，第一块日光吸收集热器板中的进风孔的大小可以随着与第二块日光吸收集热器板的距离而增大。类似地，第二块日光吸收集热器板中的进风孔的大小可以随着与出风口的距离而增大。

其他的备选方案也是可能的。例如，在上文描述的实施例中，纵向支撑杆46内配有内置轨道。在备选实施例中，轨道被固定至纵向支撑杆46。在这种情况下，是把许多较短的轨道附着于纵向支撑杆46，在它们之间留出间隔以便气流通过。类似地，轨道可以被固定至金属边框44，而非内置于金属边框44。此外，尽管上文所描述的进风孔26和进风孔32分别由第一和第二块集热器板22和28中的旋转孔隙形成，在备选实施例中，进风孔26和进风孔32则分别由第一和第二块集热器板22和28中的冲压孔形成。

在另一变化形式中，第一和第二块集热器板可以位于建筑物的同一个墙面上，而非位于建筑物的屋面或者分别位于屋面和墙面。此时带波纹的集热器板近乎呈垂直平面，如图1所示。

通过对这一技艺的融会贯通，还会有对本文所描述的实施例的其他修改或变化形式。所有此类修改和变化形式均被视为本发明的范畴。