專利名稱：氣溫自適應節能裝置及節能墻體的制作方法
技術領域：
本發明屬于建筑節能技術領域，尤其涉及一種具有多種溫控功能的裝置和裝設有 該裝置的節能型建筑構件。
背景技術：
在能源危機和環保的雙重制約下，節能建筑逐漸成為建筑領域的發展趨勢。目前， 建筑圍護結構節能技術主要包括墻體內/外保溫、自保溫、夾芯保溫等局限于提高圍護結 構的熱工性能或增加圍護結構厚度的技術措施。眾所周知，這些節能措施僅能滿足嚴寒地 區建筑在冬季的節能要求，對于夏天酷熱的南方地區，尤其是涼爽的夜間，保溫墻體反而可 能成為夏季通風降溫的阻力，弱化建筑物的節能效果。因此，冬季既能保溫、夏季又能防熱 的建筑節能墻體及節能裝置的研制，對減少建筑能耗、實現可持續發展具有重要意義。目前，太陽能光伏建筑一體化技術得到了快速的發展，由于光伏方陣與建筑的結 合不占用額外的地面空間，可以緩解城市用地的緊張狀況；更重要的是，將太陽能光伏發電 方陣安裝在建筑圍護結構外表面來提供電力，能使得建筑物從單純的耗能型變為供能型， 可緩解城市發展與能源供應的巨大矛盾。然而，在太陽能電池發電的過程中，電池的背面 溫度高于表面溫度和環境氣溫，隨著太陽輻射照度增大和發電功率上升，電池背面溫度不 斷升高；研究表明，光伏電池溫度每升高l°c，轉換效率平均下降0. 4% 0. 5%，在實際應用 中，光伏電池工作時只有6% 15%的太陽能轉換為電能輸出，而剩下的85%以上都轉換為 熱能，這使得現有太陽能光伏系統存在光電轉換效率較低、發電成本相對較高的問題。為 了提高光伏電池的轉化效率，目前普遍采用的光伏電池散熱方式是以空氣或水作為冷卻介 質，但其效果并不十分理想；而普通節能建筑只是留足了太陽能電池組件的散熱空間，在冬 季室內需要采暖時，太陽能組件所產生的熱能卻被白白地浪費掉。因此，研究光伏發電高效 率的散熱系統對光伏發電系統整體效率的提高具有重要作用。值得注意的是，太陽能光伏發電產生的是直流電，發電成本僅0.7元/kWh，通常在 太陽能光伏發電系統將光能轉換成直流電后，再通過各種管線流向匯流箱，匯流箱把集中 起來的直流電輸往光伏并網逆變器(逆變器的效率為84. 4%)，再轉換成交流電送入電網； 加上控制器和傳輸線路的電力損失，最終的系統能源利用效率大大降低，這導致目前并網 發電成本大大提高(并網發電成本大約2元/kWh)。因此，我們有必要研究光伏發電的原地 發電、原地用電的應用模式。另一方面，太陽能驅動的制冷技術目前主要有吸附式和吸收式兩類，但是這兩類 空調的體積大、效率低，難以實現小型化和緊湊化，更難以與建筑物圍護結構進行結合實現 太陽能建筑一體化的目標。CN201466046U號中國專利文獻公開了一種光電光熱保溫建筑一體化節能系統，其 采用金屬導熱管對光伏電池基板進行吸熱，并將熱量儲存在水中供給的人們的生產生活。 然而，該系統僅僅是被動地將光伏電池板的熱量轉移到水中，并不是主動對光伏電池板的 熱能進行主動吸收并冷卻，而且其不能實現制冷功能，系統結構也較為復雜，不能實現對室內環境溫度的主動控制。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單緊湊、施工 方便、成本低、溫控和節能效果好的氣溫自適應節能裝置，相應還提供一種能適應季節和氣 候變化、具有供熱、通風和降溫等多種功能的的節能墻體。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種氣溫自適應節能裝置，所述 裝置由外到內包括有太陽能光伏發電方陣層、散熱層、熱電熱泵芯層和熱輻射層，所述太陽 能光伏發電方陣層是由光伏電池板拼接而成，所述熱電熱泵芯層是由熱電熱泵芯片組成， 所述太陽能光伏發電方陣層與熱電熱泵芯層通過電線連接，電線上接有一電流轉向開關。上述技術方案是基于以下技術思路即首先利用光伏發電直接產生直流電的光電 效應，將產生的直流電直接輸送至半導體的熱電熱泵芯層，然后利用熱電熱泵芯層在獲得 較低品位熱量方面(如建筑供熱，生活熱水以及低溫干燥等)的高效率和獨特優勢，將光伏 發電技術與熱電熱泵技術有機結合；在此基礎上，通過利用散熱風道密閉后形成的空氣介 質層，使制熱時的半導體熱泵熱電芯片充分吸收光伏電池基板的熱量，進而將太陽能光電、 光熱產生的能量同時利用并有效轉化為室內供熱，使光伏發電系統、熱電熱泵系統的利用 效率均得到有效提升，以最大限度地提高太陽能光伏發電系統的利用效率和穩定性，提高 熱源溫度，滿足建筑的能源供應。作為對上述技術方案的進一步改進，上述的氣溫自適應節能裝置中，所述散熱層 設有與所述熱電熱泵芯片相連接的散熱器，所述散熱器與太陽能光伏發電方陣層之間設有 一散熱風道，所述散熱風道的通風口設有控制通風口啟閉的風道開關。通過調節風道開關 的啟閉，可以實現散熱風道的不同功能，并對應實現上述氣溫自適應節能裝置不同的工作 狀態。例如，優選的，當所述散熱風道設有上、下兩個通風口時，上、下兩個通風口處分別設 有對應的上風道開關和下風道開關，在冬季需要采暖的制熱工況下，上、下風道開關可同時 關閉，散熱風道則成為一密閉空間，其中的空氣介質則能起到良好的保溫效果，使光伏電池 板散發的熱量能夠蓄存在密閉的散熱風道中，同時直接利用光伏電池產生的直流電來驅動 熱電熱泵芯片組吸收光伏電池板基板的熱量，使光伏電池板基板的溫度降低，減小熱電熱 泵芯片兩端的溫差，進而在提高光伏方陣發電效率的同時，提高了熱電熱泵芯片的制熱效 率。在夏季制冷時，則同時打開上風道開關和下風道開關，散熱風道便具備了類似于煙囪的 工作狀態，其能夠加強本發明的氣溫自適應節能裝置在向室內制冷工況下的通風和散熱， 解決了因太陽能電池過熱影響發電及制冷效果的問題。作為進一步的改進，在上述的氣溫自適應節能裝置中，所述熱電熱泵芯層的內側 連接有一熱輻射層，所述熱輻射層是由輻射板構成，所述輻射板的腔體內填置有蓄熱材料 (蓄熱材料可采用水作為介質，或采用其他相變點在20°c左右的蓄能材料，優選用水)或者 在輻射板的內側設置通向室內的散熱翅片。當輻射板內置有蓄熱材料時，其能夠使從熱電 熱泵芯片蓄積的熱量或冷量更加緩慢、均勻地釋放到室內。當輻射板與室內接觸的內側面 設置為散熱翅片時，其可增大散熱面積，改善熱電熱泵芯片的散熱情況。在上述優選的氣溫自適應節能裝置中，所述散熱器的內側和輻射板的外側相應位 置均可設置柵格狀凸條，所述凸條由隔熱材料制成，所述熱電熱泵芯片設置在凸條與散熱器內側面和輻射板的外側面所共同圍成的網格狀凹槽中。上述的各氣溫自適應節能裝置，所述電流轉向開關優選設有分別控制電流正流、 逆流和斷開的三個檔位(從太陽能光伏發電方陣層到熱電熱泵芯層的電流流向為正流)，三 個檔位反應到熱電熱泵芯片向著室內工作面的工作狀態分別為制熱、制冷和不工作；所述 太陽能光伏發電方陣層連接有蓄電池，所述電流轉向開關處于斷開檔位時(亦即熱電熱泵 芯片不工作時)，太陽能光伏發電方陣層則可向所述蓄電池充電以儲藏電能，以供備用。本 優選的技術方案僅提供電流轉向開關檔位的設置方式以及其與蓄電池的配合方式，本領域 普通技術人員可依據公知常識完成電流轉向開關的電路連接。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種節能墻體，所述墻體側壁和/或頂板 上開鑿有安裝孔，所述安裝孔中裝設有前述的氣溫自適應節能裝置，所述氣溫自適應節能 裝置向室內制熱時，所述上風道開關和下風道開關關閉，使散熱風道形成密閉空間，所述電 流轉向開關設置在正流檔位；所述氣溫自適應節能裝置向室內制冷時，開啟所述上風道開 關和下風道開關，所述電流轉向開關設置在逆流檔位。與現有技術相比，本發明的優點在于本發明直接利用太陽能光伏電池板產生的 直流電驅動熱電熱泵芯片向建筑物內部供熱/制冷，實現光伏發電的“原地發電、原地用 電”。本發明的技術方案在制熱時利用光伏電池發電驅動半導體熱泵吸收光伏電池基板的 熱量，在大大提高光電整體利用效率及熱電熱泵工作效率的同時，還提升了建筑物圍護、墻 體結構自身的自保溫/隔熱性能，提高了室內環境的舒適度，實現了能量的多級利用，為建 筑物實現真正的“零能耗”提供了前提。本發明不使用傳統能源，運行時無能源成本，且節 能裝置本身重量較輕，室內空間占用小；在對節能墻體進行施工時，不僅節省工時，而且施 工方便，最后建造的節能墻體具有保溫、通風和降溫等多重功能，具有很強的適應性和可操 作性。綜上，本發明通過巧妙地利用太陽能光伏發電方陣、熱電熱泵芯片等材料，構建了 完整的墻體作為建筑圍擋結構，其有效解決了節能墻體在不同季節或不同氣候條件下的適 應性問題，通過太陽能光電、光熱的全方位綜合應用真正構筑起節能環保的生態型建筑，為 實現建筑行業的可持續發展提供了廣闊的應用前景。
圖1為本發明實施例中氣溫自適應節能裝置的主視結構示意圖2為本發明實施例中氣溫自適應節能裝置去掉外罩后的立體結構示意圖； 圖3為圖1中A-A處的剖面圖； 圖4為圖3中B-B處的剖面圖； 圖5為本發明實施例中熱輻射層的結構示意圖； 圖6為本發明實施例中熱輻射層另一種實施方式的結構示意圖。圖例說明
1、光伏發電方陣層；2、散熱層；21、散熱器；22、散熱風道；23、上風道開關；24、下風道 開關；3、熱電熱泵芯層；31、熱電熱泵芯片；4、熱輻射層；41、輻射板；42、隔熱材料；5、電流 轉向開關；6、凸條；7、凹槽。
具體實施例方式以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。一種如圖1 圖5所示的本發明的氣溫自適應節能裝置，該裝置由外到內(外側是 指裝置朝向室外的一側)包括有太陽能光伏發電方陣層1、散熱層2、熱電熱泵芯層3和熱輻 射層4，各層依次拼裝后機械固定成一個整體，并由一外罩包覆。太陽能光伏發電方陣層1是由光伏電池板拼接而成的一個整體并處在同一平面 上，熱電熱泵芯層3是由熱電熱泵芯片31組成(本實施例中的熱電熱泵芯片采用N. P半導 體元件組成的熱電芯片)，散熱層2設有與熱電熱泵芯片31相連接的散熱器21，散熱器21 與太陽能光伏發電方陣層1之間設有一可調節的散熱風道22，散熱風道22的頂部和底部設 有上、下兩個通風口，散熱風道22的上、下通風口分別設有控制通風口啟閉的上風道開關 23和下風道開關24。熱輻射層4是由輻射板41構成，輻射板41的腔體內填置有蓄熱材料 (也可采用如圖6所示的帶散熱翅片的輻射板型式)。輻射板41的外側相應位置均設有柵 格狀的凸條6，熱電熱泵芯片31設置在凸條6與散熱器21內側面和輻射板41的外側面所 共同圍成的網格狀凹槽7中，各熱電熱泵芯片31由隔熱材料42制成的。太陽能光伏發電方陣層1與熱電熱泵芯層3通過電線及電線上設置的電流轉向開 關5連接。電流轉向開關5設有分別控制電流正流、逆流和斷開的三個檔位，太陽能光伏發 電方陣層1可連接有蓄電池(本實施例未示出)。一種本發明的節能墻體，其墻體側壁上開鑿有安裝孔，安裝孔中裝設有上述的氣 溫自適應節能裝置。本實施例的氣溫自適應節能裝置及節能墻體的工作原理為
(1)當室內溫度較低需要運行制熱工況時，先同時關閉上風道開關23和下風道開關 24，散熱風道22形成一密閉空間，位于最外側的太陽能光伏發電方陣層1吸收太陽能進行 光伏發電，電流轉向開關5置于正流檔位，發電產生的直流電直接輸送到熱電熱泵芯層3 中，驅動其中熱電熱泵芯片31位于室內的一面進行制熱，實現原地發電、原地用電；而熱電 熱泵芯片31的另一面則制冷，由于光伏發電方陣層1的基板溫度越高，發電效率越低，因此 在制熱工況下，熱電熱泵芯片31的制冷面可冷卻光伏發電方陣層1的基板，轉移散熱風道 中的熱量，提升光伏發電方陣層1的發電效果。由于太陽能光伏發電方陣層1發電時，只將 部分太陽能轉化為電能，剩余的大部分通過光伏發電方陣層1的基板散失到密閉的散熱風 道2中，而此時熱電熱泵芯片31制熱時的制冷面和該制冷面上連接的散熱器21正好與散 熱風道22相通，吸收了光伏發電方陣層1的基板產生的熱能后，經熱電熱泵芯片31冷熱端 的溫差減小，在提高熱電熱泵芯片31工作效率的同時，還使光伏組件保持在較低溫度下工 作，提高光伏模塊發電效率。經熱電熱泵芯片31的吸收、轉移和提升，使光伏電池板散失的 熱能得以儲存在輻射板41內置的蓄熱材料中，其熱能通過輻射板41進一步為室內提供熱 源，控制室內溫度。可見，制熱工況時，太陽輻射能量小部分被光伏電池板吸收后發電，實現 光電轉換；其余的大部分熱能通過光伏電池板的基板散失到散熱通道中，即實現光熱轉換， 被熱電熱泵芯片吸收提升后同時作為室內的熱源。根據我們的前期實驗測試結果，1平方米 大小的光伏電池板能得約130W的直流電，經熱電熱泵芯層熱提升，供熱量則可達600W，室 內溫度可達到約50°C。(2)當室內溫度較高需要運行制冷工況時，先同時開啟上風道開關23和下風道開關24，散熱風道22成為散熱的有效通道，位于最外側的太陽能光伏發電方陣層1吸收太陽 能進行光伏發電，電流轉向開關5反向并置于負流檔位，發電產生的直流電直接輸送到熱 電熱泵芯層3中，驅動其中熱電熱泵芯片31位于室內的一面進行制冷，實現原地發電、原地 用電；熱電熱泵芯層3產生的冷風直接通過輻射板41傳遞到室內環境，為室內供冷。熱電 熱泵芯片31的另一面則制熱，熱量通過散熱器21進入散熱風道22，其與太陽能光伏發電方 陣層1基板產生的熱量一起經散熱風道22散失到空氣中。由于散熱風道22的上、下端風 道開關均已打開的，由此形成煙囪式結構，熱空氣向上經上風道開關23涌出，冷空氣則由 下端的下風道開關M流入，從而以達到給光伏電池板和熱電熱泵芯片31的熱端進行降溫 的作用，這正好與夏季人們對空調的需求相匹配，在增加室內舒適性的同時，降低了建筑熱 耗，減少了空調的用能，為電網用電高峰起到消減峰負荷的作用。 (3)當室內溫度不需要調節時，開啟開啟上風道開關23和下風道開關M，散熱風 道22成為散熱通道，切斷太陽能光伏發電方陣層1與熱電熱泵芯層3之間的電流轉向開 關5，太陽能光伏發電方陣層1可發電輸送至蓄電池蓄存，以防輻射強度不夠時作為備用電 源。
權利要求
1.一種氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述裝置由外到內包括有太陽能光伏發電 方陣層、散熱層、熱電熱泵芯層和熱輻射層，所述太陽能光伏發電方陣層是由光伏電池板拼 接而成，所述熱電熱泵芯層是由熱電熱泵芯片組成，所述太陽能光伏發電方陣層與熱電熱 泵芯層通過電線連接，電線上接有一電流轉向開關。
2.根據權利要求1所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述散熱層設有與所 述熱電熱泵芯片相連接的散熱器，所述散熱器與太陽能光伏發電方陣層之間設有一散熱風 道，所述散熱風道的通風口設有控制通風口啟閉的風道開關。
3.根據權利要求2所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述散熱風道設有上、 下兩個通風口，上、下兩個通風口處分別設有對應的上風道開關和下風道開關。
4.根據權利要求2或3所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述熱輻射層是由 輻射板構成，所述輻射板的腔體內填置有蓄熱材料或者在輻射板的內側設置散熱翅片。
5.根據權利要求4所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述輻射板的外側相應 位置均設有柵格狀凸條，所述熱電熱泵芯片設置在凸條與散熱器內側面和輻射板的外側面 所共同圍成的網格狀凹槽中，所述各個熱電熱泵芯片之間填充隔熱材料。
6.根據權利要求5所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述電流轉向開關設有 分別控制電流正流、逆流和斷開的三個檔位，所述太陽能光伏發電方陣層連接有蓄電池，所 述電流轉向開關處于斷開檔位時，太陽能光伏發電方陣層向所述蓄電池充電。
7.根據權利要求1 3中任一項所述的氣溫自適應節能裝置，其特征在于，所述電流 轉向開關設有分別控制電流正流、逆流和斷開的三個檔位，所述太陽能光伏發電方陣層連 接有蓄電池，所述電流轉向開關處于斷開檔位時，太陽能光伏發電方陣層向所述蓄電池充 H1^ ο
8.一種節能墻體，其特征在于，所述墻體側壁和/或頂板上開鑿有安裝孔，所述安裝 孔中裝設有權利要求6所述的氣溫自適應節能裝置，所述氣溫自適應節能裝置向室內制熱 時，所述上風道開關和下風道開關關閉，使散熱風道形成密閉空間，所述電流轉向開關設置 在正流檔位；所述氣溫自適應節能裝置向室內制冷時，開啟所述上風道開關和下風道開關， 所述電流轉向開關設置在逆流檔位。
全文摘要
本發明公開了一種氣溫自適應節能裝置，該裝置由外到內包括有太陽能光伏發電方陣層、散熱層、熱電熱泵芯層和熱輻射層，太陽能光伏發電方陣層是由光伏電池板拼接而成，熱電熱泵芯層是由熱電熱泵芯片組成，太陽能光伏發電方陣層與熱電熱泵芯層通過電線連接，電線上接有一電流轉向開關。本發明還公開了一種節能墻體，其墻體側壁和/或頂板上開鑿有安裝孔，安裝孔中裝設有前述的氣溫自適應節能裝置。本發明的氣溫自適應節能裝置及節能墻體具有結構簡單緊湊、施工方便、成本低、溫控和節能效果好等優點。
文檔編號F24F5/00GK102121298SQ20111002254
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者劉忠兵, 張泠, 湯廣發 申請人:湖南大學