一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体及其控制方法

本发明属于建筑墙体结构隔热，涉及一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体及其控制方法。

背景技术：

1、 在“双碳”战略稳步推进的背景下，建筑领域的节能降碳已成为我国绿色低碳发展的重要环节。建筑运行阶段的采暖、制冷、通风及生活热水用能是建筑碳排放的主要来源，优化建筑围护结构性能、降低建筑冷/热负荷，是实现建筑节能降碳的关键。建筑外墙作为围护结构热量交换的重要载体，其热工性能直接决定室内热环境质量及能耗高低。优化外墙的隔热性能对改善人居环境、降低建筑能耗具有重要的工程价值。当前建筑外墙主要通过增设保温层、优化墙体构造来提升热阻，这种被动隔热技术仅能削弱冷热传递，无法适配室外温湿度与太阳辐射的周期性波动。夏季工况下，普通墙体日间蓄积的热量易在夜间持续向室内释放，严重影响室内热舒适性，节能调控效果有限。

2、 相变材料（phase change material——pcm）在其达到相变温度时具有恒温储热/放热的特性，可有效抑制墙体温度波动、降低建筑冷/热负荷、减少热量的传递，在建筑隔热领域具备广阔应用前景。然而，相变墙体在夏季昼夜温差小、夜间环境温度偏高的地区夜间放热凝固不充分，导致次日蓄热调温性能下降，出现热量累积问题，很大程度上限制其工程应用效果。

3、 土壤具备高热惰性与高热容量的特点，恒温层土壤的温度全年波动极小，可作为稳定的天然热汇与热源，可提供恒定换热条件。利用水与地下土壤恒温层换热盘管制备低温冷水，同时在相变墙体内设置水冷壁换热层，不仅可以降低相变墙体的传热量，还可以加速相变材料层夜间凝固放热，解决传统相变墙体凝固放热不足、相变材料无法有效进行相变循环的问题，为建筑外墙的隔热设计提供新的技术方案。

4、 针对上述问题，本发明提供了一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体及其控制方法。

技术实现思路

1、 本发明的目的在于提供一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体及其控制方法，降低相变墙体在夏季高温湿热气候下的传热量，提高建筑外墙的隔热性能。

2、 为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、 一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体，包括相变隔热单元、监测单元、控制单元、太阳能光伏发电单元。

4、 所述相变隔热单元，包括相变隔热墙体、土壤恒温层换热盘管和水泵，相变隔热墙体的主体结构由外到内依次包括外抹灰层、外相变层、水冷壁换热层、砖层、内相变层、内抹灰层；

5、 所述外相变层和内相变层，具有较大的潜热储存和释放能力，可以有效降低通过墙体的最大热流量，延迟最大热流出现的时间，起到“削峰、延迟”的作用，相变层的自调温功能，能够使通过墙体的热量在时间和空间上发生转移，改变热量传递的规律；

6、 所述水冷壁换热层，则利用水的流动性，通过对流换热带走部分显热，同时还可以有效带走相变层凝固时的潜热，提高相变材料相变循环的有效性，增强相变墙体的隔热性能；

7、 所述土壤恒温层换热盘管，利用当地土壤恒温层常年温度较低且基本恒定不变的特点，利用换热盘管实现水与土壤的换热，制备出温度较低的冷水；

8、 所述水泵的作用是将换热后温度较低的冷水输送到相变隔热墙体中的水冷壁换热层。

9、 所述监测单元，用于实时检测相变隔热墙体内表面温度、土壤恒温层换热盘管出口处的水温，以及水泵出口的流量。

10、 所述控制单元，分别与监测单元、水泵连接，用于接收相变隔热墙体内表面温度及土壤恒温层换热盘管出口处的水温数据，并分别将检测的相变隔热墙体内表面温度与预设温度、检测的土壤恒温层换热盘管出口处的水温与预设水温进行对比，当检测的相变隔热墙体内表面温度大于预设温度时，控制水泵启动，反之水泵停止，当检测的土壤恒温层换热盘管出口处的水温大于预设水温时，控制调节阀的开启度，控制水流量，以调节土壤恒温层换热盘管出口水温。

11、 所述太阳能光伏发电单元，包括太阳能光伏板和蓄电池，所述太阳能光伏板敷设在建筑的屋顶表面，所述蓄电池用于储存太阳能光伏板转换的电能。

12、 本发明的特点还在于：

13、 所述监测单元包括温度传感器和流量传感器。

14、 所述温度传感器、流量传感器分别与所述控制单元电连接。

15、 所述温度传感器用于实时检测相变隔热墙体内表面温度和土壤恒温层换热盘管的出口水温，所述流量传感器用于实时检测水冷壁换热盘管的冷水流量。

16、 所述控制单元包括控制器，控制器分别与温度传感器、流量传感器、水泵电连接。

17、 所述太阳能供电单元，包括太阳能光伏板与蓄电池。

18、 所述太阳能光伏板设置在建筑物屋顶，太阳能光伏板与蓄电池电连接。

19、 所述蓄电池分别与水泵、监测单元、控制单元电连接。

20、 所述土壤恒温层换热盘管和所述水冷壁换热层内的换热管均为铜管制成。

21、 一种相变储能与土壤换热耦合的自响应相变隔热墙体的设计，还包含以下步骤：

22、 获取建筑物所在区域的气象参数与土壤热物性参数，根据气象参数与土壤热物性参数确定土壤恒温层的深度和土壤恒温层的温度；

23、 所述土壤恒温层换热盘管埋在土壤恒温层中；

24、 制备所述外相变层和内相变层；

25、 所述水冷壁换热层置于外相变层与砖墙之间；

26、 所述监测单元实时检测温度与流量，并将其反馈至所述控制单元；

27、 所述气象参数包括建筑物所在区域的年平均气温，所述土壤热物性参数包括建筑物所在区域土壤表层年平均温度。

28、 所述土壤恒温层的深度，需根据气象参数与土壤热物性参数确定，先由土壤导温系数的计算公式确定相变隔热墙体所在区域土壤的导温系数，再根据相变隔热墙体所在区域年最高日均温度、年平均温度、大气温度年振幅、土壤的导温系数、土壤恒温层温度振幅、土壤导热系数、地表与大气间的表面传热系数等参数，确定土壤恒温层深度；

29、 所述土壤恒温层的温度，采用建筑所在地年平均气温和地表土壤年均温度估算土壤恒温层温度。

30、 所述太阳能光伏板将太阳能转化为电能存储至蓄电池。

31、 本发明的第二个目的是提供一种上述相变隔热墙体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

32、 判断所述相变隔热墙体所处环境为日间或夜间，若为日间则进入日间运行模式，若为夜间则进入夜间运行模式；

33、 所述日间运行模式为：当太阳辐射和室外高温共同作用于所述相变隔热墙体外侧时，热量经所述外抹灰层进入所述外相变层，当温度达到外相变材料的相变温度范围后开始熔化吸热，传入墙体的部分热量以潜热形式储存在外相变层中，相变材料由固态变为液态后，熔化吸热过程结束，热量经所述外相变层继续向所述水冷壁换热层传递，冷水被加热，热量进一步削减，再经所述砖层继续向内传递，所述内相变层在此时是否发生相变吸热，取决于所述内相变层表面的温度，当所述内相变层表面温度高于其相变温度时，所述内相变层开始融化吸热，以潜热的形式储存热量，使到达所述相变隔热墙体内表面的温度较低，提高建筑室内的热舒适性；

34、 所述夜间运行模式为：夜间散热运行时，冷水流过所述水冷壁换热层，带走所述外相变层凝固散出的热量，吸热后水温升高，在所述水泵的作用下被重新送回所述土壤恒温层换热盘管，水通过所述土壤恒温层换热盘管与土壤进行间接换热，降温后的冷水继续流到所述水冷壁换热层处吸热，如此反复循环，达到提高所述外相变层降温效果的作用。

35、 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

36、 本发明将基于相变材料的相变隔热墙体、水冷壁换热、土壤恒温层换热技术和光伏发电系统有机结合。夏季白天室外温度较高时，相变隔热墙能依靠相变层高蓄热性能和水冷壁对流换热特点在日间储存部分热能并被冷水带走部分热能以降低建筑室内空气温波动以及峰值温度，提高建筑内部环境的热舒适性；夏季夜间室外温度较低时，当相变层凝固放热时，水冷壁换热层能够快速带走相变层释放的相变潜热，不仅可以实现快速散热，还能够实现相变材料有效的吸/放热循环，解决夏热冬冷地区或夏热冬暖地区由于昼夜温差小导致相变层散热不完全的问题。

37、 本发明的相变隔热墙体有效降低通过墙体的最大热流量，延迟最大热流出现的时间，降低建筑室内温度波动的幅度，减少空调设备启停次数和运行时间，节能降耗。

38、 本发明的太阳能光伏发电系统为水泵、监测单元、控制单元供电，可实现按需运行与智能节能控制，避免无效能耗，有效降低建筑墙体的传热量，提升相变墙体的隔热性能，达到建筑墙体节能降耗的目的。