一种基于气液固液耦合相变的自力式围护结构储能系统

技术领域

本发明涉及建筑节能技术领域，特别是涉及一种基于气液固液耦合相变的自力式围护结构储能系统。

背景技术

适当的建筑被动设计，特别是围护结构的被动设计，已被认为是减少建筑日益增长的供暖和制冷需求的一个关键方面。相变材料在较小温度范围内具有很高的能量密度，因此相变材料在建筑围护结构中的应用得到了广泛的研究。大量研究成果也表明相变材料的加入可以使围护结构在降低冷/热负荷、削弱负荷峰值等方面获得良好的效益。

然而，现有的研究及公开的技术方案，大多将相变材料固定在围护结构中部、内侧或外侧。这样的固定位置的方案将使得相变材料的实际节能效益大打折扣。

例如，专利号为ZL2009200957328的专利文件公开了一种建筑外保温隔热墙体结构，该墙体结构由外至内依次为保温层、隔热层、钢网、保温层、玻璃网格布、防裂保护层和饰面层。其中隔热层是由相变粒球和复合保温材料构成的复合材料。该结构相变材料位于墙体中部，相变材料的储能(夏季凝固后储存的冷量或冬季融化后储存的热量)无论是向室内还是室外传递热量传递都需要经过保温层，吸热和释热的速率都较低。甚至可能出现冬季日间吸收的太阳辐射热量到夜间同时向室内和室外传递，由于室外温度更低导致向外侧流失的热量远大于进入房间内部的热量的情况。

再如，专利号为ZL2008101968705的专利文件公开了一种新型相变-保温复合墙体，该墙体结构由外至内依次为保温层、定形相变层和墙基体。该结构相变材料位于保温层内侧(内侧是指靠近室内的一侧)，其优势是有利于相变材料储存的能量(夏季凝固后储存的冷量或冬季融化后储存的热量)向室内释放；缺点是由于保温层的隔断不利于相变材料的储能过程(如夏季夜间向室外释放热量，冬季日间接收室外的太阳辐射热量)。

又如，专利号为ZL2007100137023的专利文件公开了一种自调温相变复合保温墙体的制造方法及其产品，该产品由外至内依次为相变砂浆，保温腻子，弹性腻子、封闭底漆和绝热涂料。该结构相变材料位于保温绝热层的外侧(外侧是指靠近室外的一侧)，其优势是有利于储能过程，因为无论夏季对外放热还是冬季吸收太阳辐射热量都具有较高的热流率，需要的温差较低；缺点是相变材料所储存的能量对室内的释放经过保温隔热层，热流速率小且需要较高的温差，而对室外释放的能量阻力小、热流率大。

理想的相变储能墙体，我们希望是这样的一种形式：夏季，当室外温度较室内高时相变材料位于保温层内侧(以减少储存的冷量向室外流失)，而当室外温度较室内低时相变材料位于保温层外侧(以增强蓄冷速率)；冬季，当室外温度较室内高时相变材料位于保温层外侧(以接收更多的热量)，当室外温度较室内低时相变材料位于保温层内侧(以减少储存的热量向室外流失)。

为实现上述目的，许多学者和工程师开展了相关研究，以期获得一种可根据季节或室内外温差来实现位置转换的相变墙体。

例如，专利号为ZL2020101071781的专利文件公开了一种耦合附加阳光间和双层旋转相变墙体的供暖制冷系统。该系统利用机械装置旋转双层相变墙体，以调整不同条件下不同相变层(夏季相变层相变温度接近26℃，冬季相变层相变温度接近20℃)所处的位置。但该方法利用机械旋转的方式在实际应用中有非常大的局限。

再如，专利号为ZL2019202895531的专利文件公开了一种可旋转装配式冬夏两用多层相变墙体。同样该相变墙体内部的活动墙体也是采用转轴支架进行旋转，以实现冬夏两季的切换。

又如，专利号为ZL2020102946028的专利文件公开了一种基于相变材料的建筑围护结构系统。该系统由上部的固液相变材料槽、中间的工作腔体和下部的气液相变材料槽组成，在气液相变材料和固液相变材料中间采用活塞分隔两种相变材料。在夏季该系统利用气液相变材料(相变温度25-30℃之间)蒸发汽化膨胀的原理挤压液态的固液相变(相变温度在15-20℃)材料，使其封存于上部的固液相变材料槽；冬季气液相变材料凝结收缩的，再次使相变材料填充工作墙体。该系统利用气液相变的膨胀与收缩作用可以巧妙的实现季节转换。但依然存在两个缺点，一是夏季相变储能失效；二是冬季工作腔虽然填充了固液相变材料，但依然只能固定在墙体(包括保温层)的内侧或外侧，无法根据温差来调节位置。其根本上没有解决相变材料位置的转换问题。

为此，要使相变储能墙体发挥最大的效益，需要提供一种可实现根据季节和室内外温差来自动调节相变材料位置的系统，以解决现有技术无法最大限度获得相变材料节能效益的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气液固液耦合相变的自力式围护结构储能系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现根据季节和室内外温差来自动调节相变材料位置，以解决现有技术无法最大限度获得相变材料节能效益的难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于气液固液耦合相变的自力式围护结构储能系统,包括墙体和安装在所述墙体内的储能环管系统，所述墙体包括由外向内依次设置的外侧墙基体层、保温层、内侧墙基体层；

所述储能环管系统包括安装在所述外侧墙基体层内的室外侧感温包，所述内侧墙基体层内安装有室内侧感温包，所述室外侧感温包和所述室内侧感温包内均填充有气液相变材料，所述室外侧感温包和所述室内侧感温包通过夏季储能管和冬季储能管连通。

优选的，所述夏季储能管的两端连通有第一导压管，所述夏季储能管通过所述第一导压管与所述室外侧感温包和所述室内侧感温包连通；所述冬季储能管靠近所述外侧墙基体层的一端连通有第二导压管，所述冬季储能管通过所述第二导压管与所述室内侧感温包连通，所述冬季储能管远离所述外侧墙基体层的一端连通有第三导压管，所述冬季储能管通过所述第三导压管与所述室外侧感温包连通。

优选的，所述夏季储能管和所述冬季储能管均包括储能管外壳，所述储能管外壳内滑动连接有两阻隔件，两所述阻隔件与所述储能管外壳配合形成储料腔，所述储料腔内填充有固液相变材料。

优选的，所述阻隔件为活塞端头，两所述活塞端头均与所述储能管外壳滑动连接。

优选的，所述活塞端头两端分别固定连接有密封条，所述密封条与所述储能管外壳滑动连接。

优选的，所述储能管两端均固定安装有缓冲限位突块，所述缓冲限位突块与所述活塞端头接触配合。

优选的，所述夏季储能管中的所述储能管外壳主体材质热膨胀系数与所述活塞端头的热膨胀系数相同；所述冬季储能管中的所述储能管外壳主体材质热膨胀系数小于所述活塞端头的热膨胀系数。

本发明公开了以下技术效果：本发明采用气液相变与固液相变耦合的方式，利用气液相变材料在不同室内外温差作用下产生的体积变化和压力差，推动固液相变材料在墙体内外侧位置的自动调整。整个系统结构简单、无需外力作用、不消耗额外能源、无需专人管理与维护。夏季，在室外温度低于室内温度时，夏季储能管中的固液相变材料受室内外侧感温包压力差的作用自动移动到靠室外侧，充分与室外环境换热使固液相变材料凝固；当室外温度高于室内温度时，位于靠室外侧的已凝固的固液相变材料吸热形成液膜，当液膜厚度达到一定程度后，在压差作用下自动转移到靠室内侧，以降低建筑内的空调负荷。冬季，当室外温度或由于太阳辐射导致的外墙外表面温度高于室内温度时，冬季储能管内的固液相变材料受到反向的作用压力，使其自动转移到靠室外侧，以充分与室外环境换热；当室外温度低于室内温度或无太阳辐射时，受压差作用力，固液相变材料自动转移到室内侧，以降低建筑内的采暖负荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明储能管结构示意图；

图3为本发明阻隔件结构示意图；

图4为夏季储能管单独工作原理示意图；

图5为冬季储能管单独工作原理示意图；

图6为冬夏季储能管联合运行时夏季工况的工作原理示意图；

图7为冬夏季储能管联合运行时冬季工况的工作原理示意图；

其中，1-室外侧感温包，2-室内侧感温包，21-气液相变材料，3-夏季储能管，4-冬季储能管，5-第一导压管，51-第二导压管，52-第三导压管，6-外侧墙基体层，7-内侧墙基体层，8-保温层，9-储能管外壳，10-固液相变材料，11-活塞端头，12-密封条，13-缓冲限位突块，14-液膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明提供一种基于气液固液耦合相变的自力式围护结构储能系统，包括墙体和安装在所述墙体内的储能环管系统，所述墙体包括由外向内依次设置的外侧墙基体层6、保温层8、内侧墙基体层7；所述储能环管系统包括安装在所述外侧墙基体层6内的室外侧感温包1，所述内侧墙基体层7内安装有室内侧感温包2，所述室外侧感温包1和所述室内侧感温包2内均填充有气液相变材料21，所述室外侧感温包1和所述室内侧感温包2通过夏季储能管3和冬季储能管4连通。外侧墙基体层6和内侧墙基体层7包括但不限于结构层、放水层、外饰面层、内饰面层，室外侧感温包1尽量靠近墙体外表面，室内侧感温包2尽量靠近墙体内表面，以便于室外侧感温包1和室内侧感温包2进行充分换热。

进一步的，所述夏季储能管3的两端连通有第一导压管5，所述夏季储能管3通过所述第一导压管5与所述室外侧感温包1和所述室内侧感温包2连通；所述冬季储能管4靠近所述外侧墙基体层6的一端连通有第二导压管51，所述冬季储能管4通过所述第二导压管51与所述室内侧感温包2连通，所述冬季储能管4远离所述外侧墙基体层6的一端连通有第三导压管52，所述冬季储能管4通过所述第三导压管52与所述室外侧感温包1连通。室外侧感温包1和室内侧感温包2通过第一导压管5、第二导压管51、第三导压管52连通，使得相变材料变化产生的压差正常工作。

进一步的，所述夏季储能管3和所述冬季储能管4均包括储能管外壳9，所述储能管外壳9内滑动连接有两阻隔件，两所述阻隔件与所述储能管外壳9配合形成储料腔，所述储料腔内填充有固液相变材料10。阻隔件将气液相变材料21和固液相变材料10隔离，防止两者混合造成储能系统失效，同时使得固液相变材料可以跟随阻隔件发生移动，从而完成换热过程。

进一步的，所述阻隔件为活塞端头11，两所述活塞端头11均与所述储能管外壳9滑动连接。活塞端头11可以采用金属材质或者是非金属材质，其密封效果好且活塞端头11厚度较大，使其在储能管外壳9内滑动时不易出现翻倒现象。

进一步的，所述活塞端头11两端分别固定连接有密封条13，所述密封条12与所述储能管外壳9滑动连接。密封条12提高整体密封性，避免固液相变材料10和气液相变材料21发生混合。

进一步的，所述储能管两端均固定安装有缓冲限位突块13，所述缓冲限位突块13与所述活塞端头11接触配合。缓冲限位突块13与活塞端头11接触，避免活塞端头11在移动过程中与储能管外壳9的两端发生碰撞，降低活塞端头11的损耗，提高其使用寿命。

进一步的，所述夏季储能管3中的所述储能管外壳9主体材质热膨胀系数与所述活塞端头11的热膨胀系数相同；所述冬季储能管4中的所述储能管外壳9主体材质热膨胀系数小于所述活塞端头11的热膨胀系数。冬季储能管4选用的热膨胀系数较大(热膨胀系数大于冬季储能管外壳)的材料作为活塞端头11的主体材质。夏季当温度较高时，活塞因热膨胀体积变大，从而形成一个很高的移动阻力，即F

实施例1

如图4所示，夏热冬暖、温和地区建筑室内温度调节以制冷为主，因此在这一地区可以单独使用夏季储能管3。根据室内设计温度的不同，储料腔内填充的固液相变材料其相变温度可在24-28℃范围内选择。T

当室外温度开始下降达到低于室内温度时，如夏季傍晚，室外侧感温包1内气液相变材料21凝结收缩形成低压；室内侧感温包2内气液相变材料21蒸发膨胀形成相对高压，在压差作用下液态的固液相变材料10被固定在靠室外侧的位置，如图4(a)所示。位于室外侧的液态固液相变材料10与室外环境充分换热，液态转变成固态，如图4(b)所示。

当室外温度开始升高，如夏季凌晨，室外侧感温包1内气液相变材料21蒸发膨胀形成高压；室内侧感温包2内气液相变材料21冷凝收缩形成相对低压。由于固态的固液相变材料10与储能管外壳9内壁粘结，具有较高的移动阻力，此时(P

随后，当室外温度持续高于室内温度，如夏季日间，固态相变材料10(以固态为主，少量融化形成液膜)逐渐融化，吸收室内/外热量，保持室内环境温度相对稳定，如图4(d)至(e)的过程。此时相变储能对建筑节能的效益可以体现在以下两个方面：一是，室外侧气液相变材料气化后形成的气态工质填充了储能管的靠室外侧空腔，气体导热系数较低，从而使墙体总热阻增大，保温性能增强；二是，固态相变材料融化吸热，在阻隔室外热量向室内传递的同时还可以吸收部分室内产热量，极大的降低了空调负荷。

当室外温度再次下降，并低于室内温度时，室内/外侧感温包在压差作用下，可将固液相变材料10移动到靠外侧位置，如图4(e)到(a)的过程。完成一次释放/吸收热量的过程。

实施例2

如图5所示，严寒或寒冷地区，建筑室内以采暖为主，因此在这一地区可以单独使用冬季储能管4。根据室内设计温度的不同，储能管内填充的固液相变材料10其相变温度可在16-20℃范围内选择。

冬季早晨，当室外温度或太阳辐射强度开始增大，使得外墙外表面温度高于室内温度时，室外侧感温包1内气液相变材料21蒸发膨胀形成相对高压，并通过导压管传递给储能管靠室内侧；室内侧感温包2内气液相变材料冷凝收缩形成相对低压，并通过导压管传递给储能管靠室外侧。在压差作用下固液相变材料10被固定在靠室外侧的位置，如图5(a)所示。位于室外侧的固态固液相变材料10与室外环境充分换热，吸热融化转变成液态，如图5(b)所示。

冬季傍晚，当室外温度下降，日落后，外墙外表面温度开始低于室内温度，在压差作用下液态的固液相变材料10被转移到靠室内侧的位置。如图5(b)到(c)的过程。

夜间，室外温度持续低于室内温度，液态相变材料向室内/外释放热量，逐渐凝固转变为固态，同时使室内保持相对稳定的温度，如图5(c)到(d)的过程。这个过程可以显著的实现建筑的节能，其效益主要体现在：一，室内侧气液相变材料气化后形成的气态工质，通过导压管填充了储能管的靠室外侧空腔，气体导热系数较低，从而使墙体总热阻增大，保温性能增强；二，液态相变材料逐渐释放热量，可显著降低了室内采暖负荷。

当室外温度逐渐升高，或者太阳升起(外墙表面辐射强度增大)，室外侧感温包1内气液相变材料21蒸发膨胀形成相对高压，并通过导压管传递给储能管靠室内侧；室内侧感温包内气液相变材料21冷凝收缩形成相对低压，并通过导压管传递给储能管靠室外侧。由于固态的固液相变材料10与储能管外壳9内壁粘结，具有较高的移动阻力，此时(P

实施例3

如图6-7所示，夏热冬冷地区夏天需要供冷，冬天需要采暖，在这个区域可以将夏季储能管3与冬季储能管4联合使用。根据室内设计空调温度和采暖温度，夏季储能管3和冬季储能管4内可分别填充不同相变温度的固液相变材料。

在夏季，夏季储能管3工作，其工作原理与夏季储能管3单独使用相同。此时冬季储能管4内填充的低温相变材料由于相变温度较低，一般处于液态，且固液相变材料在室内外侧的位置是会随室内外温差发生移动，可能出现逆热效应，如图6(e)到(a)，低温相变材料在白天吸收热量并在夜间转移室内从而增大室内热负荷。此时由于冬季储能管4选用的热膨胀系数较大(热膨胀系数大于冬季储能管外壳)的材料作为活塞端头11的主体材质。夏季当温度较高时，活塞端头11因热膨胀体积变大，从而形成一个很高的移动阻力，即F0夏季>F0冬季。从而使固液相变材料被固定在储能管一端。

在冬季，冬季储能管4工作，其工作原理与冬季储能管4单独使用相同。此时，由于冬季室内外温度一般低于高温相变材料的相变温度，夏季储能管3内的相变材料始终被固定在一端不移动。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。