專利名稱：太陽熱量空氣冷量的直接利用空調(diào)方法
太陽熱量空氣冷量的直接利用空調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑物采暖空調(diào)技術(shù)。
應(yīng)對氣候變化，維護(hù)地球和諧與持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前各國必須承擔(dān)的國際義務(wù)， 節(jié)能減排是全人類都在研究與實踐的共同目標(biāo)。在所有耗能領(lǐng)域，采暖空調(diào)耗能所占比 例很大。我國采暖空調(diào)耗能占全國總耗能的30%以上，發(fā)達(dá)國家則占總能耗的40%。 采暖空調(diào)節(jié)能減排的空間極其巨大，若能使它實現(xiàn)零碳，全球氣候變化就可有效控制，《京都議定書》就可提前實現(xiàn)。
本人發(fā)明的“太陽能庭院環(huán)境空調(diào)中央式冰箱熱水器一體化工程”，可以達(dá)到 采暖空調(diào)的零碳排放，現(xiàn)在正有待于全面試驗與推廣。此技術(shù)原理簡單、空調(diào)效果直 觀，且社會效益是多方面的。它提出已經(jīng)3年，至今未在社會普及的原因，主要是它與 傳統(tǒng)的空調(diào)方法大相徑庭，建筑部門領(lǐng)導(dǎo)與科技人員，未予以應(yīng)有的重視與認(rèn)真研究， 因而至今未得到法規(guī)與政策上的全面支持。與上述對人的空調(diào)技術(shù)的原理相同、技術(shù)措 施相似的對動植物的空調(diào)——“太陽能有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品禽畜品高產(chǎn)多用大型溫室”，在2008 年內(nèi)由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和從中國得到的技術(shù)后的日本相繼試驗成功，就足以證明“太陽能 庭院環(huán)境空調(diào)”的完全可行。此法要求建筑物為高層的樓群，樓群圍成相對的封閉圈， 其庭院上再加頂棚(蓋)，這種布局和結(jié)構(gòu)與人們的傳統(tǒng)住房模式相悖，也是開發(fā)商不敢 輕易接受的社會原因。但此環(huán)境空調(diào)方法，適用于樓群區(qū)的優(yōu)點是明顯的。
本人的另一發(fā)明家庭零碳無機(jī)自控空調(diào)方法將上述用于人的樓群環(huán)境空調(diào)和用 于動植物的大棚空調(diào)的原理用于單幢建筑物的空調(diào)，從而使零碳空調(diào)不再有任何觀念上 的阻力和建筑布局上的特殊要求，可以普及到每幢大小、高矮建筑，它用于任何建筑 物，包括用于新設(shè)計的建筑和對既有建筑的改造。但此發(fā)明也存在不足之處在太陽熱 量的利用和空氣涼量的利用方面尚不充分，隔熱措施也欠完善，因而還有進(jìn)一步改進(jìn)的 必要；它還需要用戶自己調(diào)控，有所不便。但此方法簡單實用，使每個家庭實現(xiàn)零碳無 機(jī)空調(diào)的優(yōu)點是明顯的，應(yīng)在既有建筑中推廣。
本發(fā)明克服了環(huán)境空調(diào)和家庭零碳無機(jī)自控空調(diào)方法的不足，提供了迄今為止 最完美的空調(diào)方法。
本發(fā)明是這樣實施的
充分利用自然條件采暖季節(jié)太陽高度低；晴天最高溫度(白天)與最低溫度 (夜間)差在10°C以上；固體熱容量遠(yuǎn)大于空氣熱容量(接近4000 1)。
充分利用PMMA的光學(xué)特性，在需要光熱時，將陽光全部折射進(jìn)室內(nèi)；當(dāng)不需 要陽光時，由PMMA將陽光全部反射。
整個建筑的承重部分均采用鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼架在室內(nèi)部分盡可能使庭院或只有 薄層裝飾材料覆蓋(不嚴(yán)密覆蓋)，以利用其儲熱性能?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計要滿足特別設(shè)計 的墻體塊和窗戶塊的安置空間和固定要求。墻體和窗戶都是整體裝配式的。
整個南墻立面都被充分用來采集陽光。PMMA整體覆蓋南立面(樓層板上端留 有通風(fēng)縫隙)墻體內(nèi)面與外面之間沒有貫通的熱橋。
加強(qiáng)南墻的冬季采光和夏季的拒光性能采用PMMA為南墻面的采光板，它與墻體外層有Icm的間距。墻體采用深色材料(最好用黑色，但為美觀也可用深藍(lán)、深 綠)，以加強(qiáng)吸熱和減少反射。冬季太陽高度角小于40°，陽光照射到PMMA板面時， 全部被折射進(jìn)到它與墻面之間的空隙(1cm)，被深色材料吸熱并加熱空隙中的空氣。熱 空氣比重小，向上流動在樓頂(板)下的橫貫東西的縫隙進(jìn)入室內(nèi)?？障断露?地板 面)橫貫東西的有縫隙，白天可從室內(nèi)向縫隙補(bǔ)充“冷”空氣。即這里構(gòu)成了下縫隙 —PMMA與墻面空隙(加熱空氣)一上空隙一室內(nèi)空氣(放熱)的供熱循環(huán)。無陽光的 陰天和夜晚，加強(qiáng)南墻面的夏季拒熱性能下縫隙自動關(guān)閉，將洞堵嚴(yán)，防止冷空氣逆 向進(jìn)入室內(nèi)。
在赤道，太陽在夏至從正東升起，在正西下落。我國在北半球，故在夏至之 前，太陽從近正東升起，中午時分，太陽偏南。在一般情況下，太陽光將斜、下方向 全部射到室內(nèi)或外墻面；在有玻璃窗的情況下，由于玻璃的反射，它將只有部分射入室 內(nèi)。在這兩種情況下，朝南方向的立面(窗和墻體)都是熱源。但PMMA材料的折射 率很高，當(dāng)入射線與PMMA板的法線方向夾角大于40°時，陽光將全部被反射。除冬 季外，太陽高度角均大于40°，有PMMA板的反射，陽光將全部被拒于窗外和墻體上的 PMMA之外。PMMA的導(dǎo)熱系數(shù)又很小，故是夏季的隔熱材料。PMMA、Icm空隙和 南墻體一起，構(gòu)成了比東、西、北墻體都優(yōu)越的隔熱體。
北墻只要求良好的隔熱效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)簡單。內(nèi)層為兩面均反光的玻璃。玻璃 之下為隔熱材料。隔熱材料之下為厚度不大的泡沫水泥砌塊(有一定保溫性能)。泡沫 水泥之外可涂白色油漆，以反光，在炎熱地區(qū)，也可覆蓋PMMA。
東端和西端的墻體與北墻基本相似，只是最外而的不能是PMMA，而應(yīng)是雙 面反光玻璃。
窗戶樓層高的1/3為下部墻體塊，其結(jié)構(gòu)同南墻塊或北墻塊；2/3為窗戶塊， 此窗戶塊只有采光功能，不可開啟。它視當(dāng)?shù)貧夂蚨ǎ请p層或單層的玻璃塊；在極 寒冷地區(qū)還可將雙層窗玻璃抽成真空的。其外面整個為PMMA所覆蓋。其內(nèi)有地毯導(dǎo) 軌式窗簾，有陽光時它移到一側(cè)的墻上，夜間為保溫移到窗戶位置。
間壁兩側(cè)無溫差，所以不采取它們之間的隔熱措施。但為利用它所對應(yīng)的南立 面的陽光，墻體應(yīng)有較好的貯熱能力和防止熱量從南立面散失的功能，為此，此墻用釩 鈦黑泥板且中間有寬縫隙，其兩半墻體上、下有通風(fēng)口，可實現(xiàn)對熱空氣循環(huán)，，在室 內(nèi)放熱。另一墻體無此通風(fēng)口，以保證相鄰室之間的隔聲。
屋頂?shù)睦门c隔熱屋頂最底層鋪雙面反光材料膜，防止熱的輻射損失，其上 作常規(guī)防水層。防水層之上鋪設(shè)釩鈦黑泥中空板(它的吸熱率達(dá)90% )，板寬600mm， 厚度30mm(中空部分厚2mm)，長度約2000mm，南北向鋪設(shè)，向北有5°的傾角。此 黑泥中空板，東西方向鋪滿。南端有與供水水箱連接的供水管定時供水(日出時供水)。 北端連接長管式熱水箱，定時向長管式水箱排水(日落前)將曬熱的水儲于長管式熱水 箱。長管式熱水箱有良好的保溫性能，它橫貫整幢屋頂，下連各室內(nèi)洗漱間和洗碗池， 為它們常年供應(yīng)熱水。屋頂距北沿Im處，設(shè)太陽電池，組件(總高Im)，其傾角可隨 季節(jié)作調(diào)整。冬至日前(后)15天，太陽能電池直立90°，15天后(前)將角度降為 80°，30天后(前)降為70°，45天后降為60°……到夏至前15天，處于水平位置。 秋分后，傾角又逐漸調(diào)大。這調(diào)整傾角的目的是，跟蹤太陽高度角的變化，以取得最佳光電轉(zhuǎn)換效率。太陽電池發(fā)出的電量，儲于鋰離子蓄電池。當(dāng)冰箱制冷，或洗滌用水溫 度不夠時，由它自動供給電量。
對地基作絕熱處理房內(nèi)地基應(yīng)有隔熱層，房屋外墻的基礎(chǔ)部分外側(cè)，也有隔 熱材料。此隔熱材料，也要防水。提倡在建筑物周圍多種草木，它們除美化環(huán)境外，夏 季還起降溫作用(減少陽光對墻體的曝曬和增加地溫)。
每幢房屋在冬天和夏天只在人員出入等必要時開大門。在夏天，要在太陽下山 后將“窗”(上下縫隙)打開，使夜間冷空氣(比室內(nèi)氣溫低的空氣)進(jìn)入室內(nèi)；在日 出前，將“窗”關(guān)嚴(yán)，以留住冷空氣，拒絕陽光曬熱的空氣。冬夏季只在出入時才開 門，在夏季定時開關(guān)大門，嚴(yán)格執(zhí)行這樣的開關(guān)門窗制度，就足以做到冬暖夏涼的空調(diào) 目的。這是無碳空調(diào)的關(guān)鍵。
充分利用屋頂曝曬熱水和光伏發(fā)電。
上述措施能達(dá)到不制熱卻充分供熱，不制冷卻達(dá)到室內(nèi)涼爽。其原理如下
現(xiàn)在住房面積多在120m2以上，有3間、4間或更多，相對于過去1間、2間 一套的房子，其外墻散熱面積相對減少許多。由于采取多種外墻和頂?shù)讓拥母魺岽胧?夏天冷量和冬天熱量的損失，可減少一半以上。固體的熱容量與空氣熱容量之比接近 4000 1，現(xiàn)在房屋面積大，外墻和間壁墻墻體多，室內(nèi)物品多，它們都是現(xiàn)成的儲熱 (冷)材料。室內(nèi)物體多數(shù)較小或較薄，它們的總體積大、總表面積很大，吸熱放熱的 能力很快很強(qiáng)，是良好的“溫度調(diào)節(jié)器”或穩(wěn)溫器。現(xiàn)在的家庭住房特點再加上隔熱措 施，即使是夜間或多天無陽光，或多天最高溫度與最低溫度之差不明顯，室內(nèi)溫度都不 會有5°C以上的波動。
上述原理是由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和日本試驗成功的“太陽能有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品禽畜品高產(chǎn) 多用大型溫室”所證實的。它與本發(fā)明相比，無論保溫材料和技術(shù)，陽光采集與儲存利 用條件，大型溫室都遠(yuǎn)不如后者，故實際空調(diào)效果要更好。
在熱帶和亞熱帶地區(qū)，有可能出現(xiàn)天氣極端悶熱(相對濕度很大)或晝夜溫差很 小，且持續(xù)許多天的情況，這時可用家庭的冰箱輔助降溫。對此，建議將冰箱作改進(jìn)， 將其排熱系統(tǒng)置于室外(如空調(diào)器那樣)，必要時再加大壓縮機(jī)制冷能力，就可將溫度降 到滿意的程度。
說明書附

圖1為建筑物的南北向剖面示意圖。圖中1為樓頂。2為樓板。3為 樓底層地面。4為樓南墻。5為南墻外的PMMA板(與南墻面等大但不擋樓板位置的通 風(fēng)口)。6為墻與PMMA之間的空隙。7為其下的引氣孔，8為其上的排氣孔。在冬季 白天有陽光時，室內(nèi)空氣由引氣孔7進(jìn)入PMMA板與墻體之間的空隙6，從縫隙狀排氣 孔8進(jìn)入室內(nèi)，實現(xiàn)熱空氣進(jìn)入室內(nèi)的循環(huán)。無陽光的夜間和陰雨天引氣孔關(guān)閉。圖中 9為反光材料。10為常規(guī)防水處理。11為釩鈦黑泥中空板。12為管狀配水器。13為 長管式熱水箱。14為熱水箱保溫層。15為可旋轉(zhuǎn)太陽電池板。16為地基隔熱層。17 為外墻基隔熱層。18為外防寒塞，冬季用它堵塞外界與室內(nèi)的連通；夏天取掉它，冷空 氣由此進(jìn)入室內(nèi)。
本技術(shù)適用于新的高矮建筑物，但既存建筑在增強(qiáng)保溫性能后，也有較好的空 調(diào)效果。為確保冬季取暖的效果，要求建筑物南墻之南無任何遮擋陽光的固定物體。
說明書附圖2為南墻的采熱塊。其中1為PMMA板。2為黑泥中空板(1和2之間有2cm間隙)。3為隔熱材料。4為雙面反光玻璃。5為外防寒塞(全樓統(tǒng)一管 理)，冬季用它將墻外上、下的PMMA之間的空隙和釩鈦黑泥中空板的空隙堵嚴(yán)，以防 冷空氣侵入室內(nèi)。6為內(nèi)防寒塞(由室內(nèi)人員酌情自控)，它在冬天夜間塞緊，使中空板 內(nèi)的空氣不再流動，減少室內(nèi)熱量損失。
附圖3為北墻的隔熱塊。其中1為白色光面瓷磚(為提高反光效果)。2為 隔熱材料。3為泡沫水泥板。4為雙面反光玻璃。
附圖4為窗戶塊。其中1為PMMA。2為雙層玻璃。3為窗臺塊，若窗戶在 南墻，其結(jié)構(gòu)同附圖2;若窗戶在北墻，則與附圖3相同。4為壁毯導(dǎo)軌式隔熱窗簾，它 是可在導(dǎo)軌上移動的壁毯，平時在窗戶的一側(cè)，是具有裝飾功能的壁毯，在冬、夏季室 內(nèi)需保溫或保涼時它移到窗戶位置，“密封”隔熱。它內(nèi)有保溫棉，外側(cè)面有雙面反光 膜，內(nèi)側(cè)面為戶主選定的裝飾畫。
附圖5(上)南北貫通的間壁墻，左端為北，其結(jié)構(gòu)同附圖3，圖中，1為白色光 面瓷磚。2為隔熱材料。3為泡沫水泥板。右端為南。4為PMMA板。5為釩鈦黑泥 中空板。附圖5(下)為上圖的橫剖面圖，示中空部分不達(dá)北端的隔熱層，南端呈楔形， 以利PMMA對陽光的采集和引入，加熱其兩側(cè)的釩鈦黑泥板。此釩鈦黑泥板的主要功能 在于貯熱(冷)，以穩(wěn)定室內(nèi)的溫度。此板的任一側(cè)，其下沿最北端和上沿最南端有通氣 孔(直徑3cm)，它們可與室內(nèi)構(gòu)成空氣循環(huán)，將熱量(冬季)或冷量(夏季)與室內(nèi)交 換。下沿孔可在不必要熱(冷)量交換時人工堵塞。為較好隔音，不得在兩側(cè)都開通氣 孔。對南北向不貫通的間壁墻，其兩端的保溫結(jié)構(gòu)只保留外墻端。即南開始的取附圖5 的右端結(jié)構(gòu)，北端開始的取左端的結(jié)構(gòu)；它們的終端保留Im的實心墻體。
附圖6為環(huán)境空調(diào)南樓的貫通南北的間壁墻，此墻除有夏季的蓄涼和冬季的部 分蓄熱供熱外，主要動能為將南樓南立面的陽光傳送到院內(nèi)的北樓窗戶。露天中1為 PMMA (Ni = 1.495)板。2為襯于釩鈦黑泥中空板的PMMA。3為PMMA的GeO2涂層 (虛線示。其折光率N2為1.402)。4為釩鈦黑泥中空板。(下圖為上圖的橫剖面圖)。
東西向的間壁墻，為空調(diào)目的，都為實體的(熱容量大的)材質(zhì)，可為普通燒結(jié) 磚，其墻厚決定于其熱傳導(dǎo)系數(shù)，當(dāng)?shù)叵募镜?白天)最高溫度和(夜間)最低溫度的差 值以及傍晚室內(nèi)外溫度相等時刻起到早晨室外溫度接近室內(nèi)溫度時刻為止的時間長短。 具體合理厚度需實測，要求墻體全部厚度都用于貯冷和穩(wěn)定室溫。對間壁墻極少的大型 建筑(如機(jī)場候機(jī)廳)間壁墻和物品都少且存放時間很短的客車候車室(這里外來的物品 溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度往往達(dá)不到平衡)，為增強(qiáng)其室內(nèi)的貯熱功能，可將間壁墻和椅子等 設(shè)施用熱容量大，吸放熱(冷)性能大的鋁材制造。
本空調(diào)方法適用于所有建筑和全球各種氣候帶和建筑朝向。附圖1 6為適用 于各種條件的空調(diào)模塊，在實際應(yīng)用時必須結(jié)合實際、結(jié)合建筑所在地的氣候、朝向和 用途作出調(diào)整。在冬暖夏熱的熱帶、亞熱帶地區(qū)，可減少冬季采集陽光的設(shè)施，強(qiáng)化夏 季貯冷降溫的措施，一般也可達(dá)到滿意的室溫。若對舒適度要求很高。必要時還可以選 擇合適的補(bǔ)冷方式(如將冰箱的排熱系統(tǒng)置于室外)，也可通過降低相對濕度(在環(huán)境空 調(diào)的密閉院內(nèi)，大門進(jìn)口處增設(shè)脫濕系統(tǒng))，以減少悶熱感，提高舒適感。在冬冷夏暖 的亞寒帶和寒帶，那里冬季日照很短，而室內(nèi)外溫差達(dá)50°C以上，在這樣的條件下，除 強(qiáng)化保溫和采光措施外，在最冷的日子(不是整個取暖期)可能還要人工補(bǔ)溫，如暖汽、電熱和火炕等。在冬冷夏熱的溫帶地區(qū)，本辦法一般都可以做到零碳無機(jī)空調(diào)。對冬季 采暖，由于本空調(diào)是以陽光為冬季唯一天然熱源的，所以要求建筑的朝正南方向沒有遮 擋陽光的固定物體(如山嶺、高地和高樓)；這條件若得不到滿足，那就得人工補(bǔ)溫(暖 汽、電熱、火坑等)。由于電制冷效率低于電制熱效率，所以即使在需要人工補(bǔ)溫的情況 下，也可節(jié)省一多半的空調(diào)電費(fèi)。
權(quán)利要求
1.太陽熱量空氣冷量的直接利用空調(diào)方法，其特征在于a.對建筑物布局、大小、樓層和使用，無任何限制；b.空調(diào)本身不用網(wǎng)電，無空調(diào)器；c.不制熱能保暖，不制冷能降溫；d.適用于任何氣候帶的四季空調(diào)；e.建筑投資中空調(diào)所占比例極??；f.使用費(fèi)用近于零；&使用中不需維修，確?？照{(diào)安全。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，以PMMA板覆蓋整個建筑的南立面，最有效地利用南立面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，根據(jù)南、北和東、西外墻受熱和散熱特點，采取不同結(jié) 構(gòu)和材料的隔熱措施。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，對南、北窗戶采用不同的窗戶塊結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，整個建筑為框架結(jié)構(gòu)，南墻的采熱塊、北墻的隔熱塊、 南、北窗戶的窗戶塊，都是預(yù)制、定型裝配于框架上的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，窗戶塊有壁毯導(dǎo)軌式隔熱窗簾，內(nèi)有保溫棉，外側(cè)面有 雙面反光膜，內(nèi)面為裝飾畫面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，南北向貫通的間壁墻為由釩鈦黑泥制成的中空板，其南 端有PMMA板采光，在單幢建筑中，其北端封閉，有隔熱層。在環(huán)境空調(diào)(南、北并列 兩樓)中，它北端開口，可將南樓陽光由南立面的光投射到庭院內(nèi)和北樓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，對東西向的間壁墻采用燒結(jié)磚，其墻的厚度根據(jù)磚的熱 傳導(dǎo)速度、傍晚到早晨日出時段內(nèi)熱傳導(dǎo)的距離決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，南墻采熱塊由PMMA密封整個采熱塊，釩鈦黑泥中空 板下、上有通氣口，可形成室內(nèi)外循環(huán)流動的氣流；下氣孔可啟、閉。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，樓基礎(chǔ)和頂層均有隔熱措施。樓頂?shù)母魺岽胧┲饕?為釩鈦黑泥中空板，它有陽光時充水，陽光為水加熱；無陽光時排水，貯熱水于熱水箱
全文摘要
太陽熱量空氣冷量的直接利用空調(diào)方法集太陽能建筑庭院環(huán)境空調(diào)中央式冰箱熱水器一體化工程和家庭零碳無機(jī)自控空調(diào)方法的優(yōu)點于一身，適用于任何形式單幢、連幢的高矮建筑，適用于我國各地氣候。它不排放二氧化碳，不制熱能保暖，不制冷能降溫；沒有機(jī)械裝置，不用傳熱介質(zhì)；不改變建筑的布局、外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它通過隔熱措施、加強(qiáng)陽光采集、提高熱量(冷量)的儲存與釋放，實現(xiàn)戶內(nèi)的四季空調(diào)。利用屋頂陽光制取熱水和光伏發(fā)電。光電儲于鋰離子電池，所儲電能供冰箱和為熱水增溫。必要時光電冰箱還可為室內(nèi)降溫?，F(xiàn)有住房亦可用此原理實現(xiàn)冬暖夏涼。
文檔編號E04B1/74GK102021949SQ200910176509
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者楊家鈺, 鐘顯亮, 黃福元 申請人:鐘顯亮