一种墙体

本申请要求享有2021年7月27日提交的申请号为202110848271.2，发明名称为“一种墙体”的中国 专利申请的优先权。

技术领域

本发明属于建筑节能领域，具体涉及一种可控辐射制冷和温控变色相变储能的墙体。

背景技术

为实现建筑节能，减少碳排放，我们需要采取措施，改变目前的能源使用形式，寻求清洁和无污染 的能源，以取代传统的化石能源。作为清洁能源的太阳能，现今越来越受到人们的重视，但其存在间断 性的缺点，不能为房间提供稳定的热量。相变材料具有向环境自动吸收或释放潜热的特点，将相变材料 与建筑相结合，可以缓解建筑储能与能量利用在时间和空间上的矛盾，但相变材料无法自动调节光吸收 强度，夏季容易过快热饱和而失去热缓冲效果。

此外，由于全球变暖效应、人口增长、工业发展以及新兴经济体和发展中经济体生活水平的提高， 全球对制冷和空气调节的能源需求急剧增加。目前主要的蒸汽压缩制冷技术面临着大量能源消耗和由于 使用制冷剂造成的全球变暖效应等问题，如氢氟烃(HFCs)，这又反过来引起了环境问题。且由于不可再 生的化石资源绝大多数是通过热力循环产生的，冷却过程实际上使地球变得更热。

地球外层空间的温度接近绝对零度，高层大气大约为200K，地球表面接近300K。对于地面上的物 体来说，空间和高层大气都是富含冷能的巨大冷源。地球表面的物体将自身热量以热辐射的形式，通过 大气层在“大气窗口”波段(8～13μm)的高透射性发射到低温外太空，以较大功率与宇宙空间进行辐射 换热，从而降低自身温度并实现被动制冷，即天空辐射制冷。天空辐射制冷是一种可以在不消耗任何外 部能量情况下进行被动、高效、可持续地降低冷量需求的制冷方式，其与传统的冷却技术不同的地方在 于：传统的冷却技术将废热排放到周围环境中，包括地球上的本地大气和水体，而天空辐射冷却技术将 过多的热量排放到外层空间而不消耗任何能量。研究表明，有机玻璃(PMMA)具有在可见光波段高透过率、在“大气窗口”波段高发射率的光学特性，可获得较好的天空辐射制冷效果。但现有的天空辐射 制冷装置并不可控，即无法有效控制其开启和关闭，无法实现全年有效控温。

因此，有必要提出一种结合可控天空辐射制冷与温控变色相变储能技术的墙体，充分利用清洁能 源，可以在不同环境条件下均保持优异的温度控制效果及良好的室温分布均匀性实现全年有效控温，减 少建筑能耗，响应国家号召，实现更高效的能源利用。

现有中国专利CN105275112 A、CN108915116 A中提出的利用百叶窗改变相变墙体光吸收的方法， 其局限在于墙体机械结构与控制装置复杂，墙体安装与维护成本高，因此难以广泛推广。《太阳能学 报》第41卷第4期“基于辐射制冷和微槽道热管的相变墙体实验研究”一文中提出利用辐射制冷与微槽 道热管强化相变墙体散热解决其夏季因热饱和失效的问题，但其辐射制冷持续存在，不利于冬季储热。 中国专利CN106836522 A中提出的高密度聚乙烯、膨胀石墨、石蜡熔融共混处理得到的复合墙体，其局 限在于只能强化传热与光吸收而不具有可控的特点，相变墙体无自调节光吸收特性存在易过热失效的问 题。中国专利CN110295831 A中通过液-液相变材料调节透过窗口的太阳光透光率的变色层，但其相变材 料仅随温度在白色与透明之间转化，低温时光热转化效率低。中国专利CN110424530中提出的节能建筑 围护结构仅适用于二层复式或大型结构建筑，在民用场合因实际建筑高度远小于其提出的墙体适用高度 范围，将无法发挥良好的效果。

发明内容

针对现有技术的以上局限或改进需求，本发明的目的在于提供一种结合可控辐射制冷和温控变色相变 储能技术的墙体。专利中提出的技术施工尺寸范围灵活，适用范围广；其中通过设置采用可控辐射制冷技 术的外墙，取消了现有装置中百叶窗的设置，减少了机械驱动装置的使用、简化了墙体结构，降低了安装 与维护成本；通过在内墙填充混合温控变色粉末的相变材料，使得本发明的相变墙体具有温控变色的特点， 从而具有不同温度下不同光吸收效率的特征，解决了原有相变墙体无自调节光吸收特性、易过热失效的问题；通过使用随温度在黑色和白色之间转化的变色材料，提高了低温时的光热转化效率。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：

提供一种墙体，至少包括可控辐射层、温控变色相变墙体，其特征在于：所述可控辐射层为双层天空 辐射冷却材料，所述双层天空辐射材料中间填充有外墙内相变材料，通过相变材料控制天空辐射制冷开启 与关闭，构成辐射“热开关”；所述温控变色相变墙体为在承重墙体外侧固定有内墙内相变材料的墙体， 所述可控辐射层和温控变色相变墙体之间为空气隙；墙体设有对流“热开关”，即可控辐射层的上端开有 外墙上通风口，下端开有外墙下通风口；温控变色相变墙体上端开有内墙上通风口，下端开有内墙下通风 口，每个风口均设有风口开合装置，包括阀门和驱动机构。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

所述双层天空辐射冷却材料为有机玻璃，实现天空辐射制冷。

所述双层天空辐射冷却材料间填有的相变材料为正十六烷，相变温度为18.17℃。

所述温控变色相变墙体内的相变材料为正十八烷与温控变色粉末的混合物，正十八烷的相变温度为 28.18℃，温控变色粉末于26℃开始变色，低温时呈现黑色，高温时呈现白色。

所述墙体设置有温度传感器，温度传感器位于室外，用于检测室外的温度。

所述对流“热开关”，即外墙上通风口、内墙上通风口、外墙下通风口和内墙下通风口共有五种工作 模式，以实现不同温度下的有效控温。

一种墙体结构，包括如下情况：

夏季清晨，室外气温尚未很高时，对流“热开关”外墙上风口和外墙下风口开启，利用外循环将一 部分热量带走，减少相变墙体的热量吸收；当达到可控辐射层内相变材料相变点时，相变材料为液态， 辐射“热开关”开启，薄有机玻璃实现天空辐射制冷，实现夏季降温。

夏季中午，室外气温很高时，可控辐射层内相变材料为液态，辐射“热开关”开启，薄有机玻璃实 现天空辐射制冷；温控变色相变墙体呈白色，增强光反射，减少光吸收，防止相变墙体过热，阻碍热饱 和现象的出现；对流“热开关”外墙上风口、外墙下风口、内墙上风口、内墙下风口全部关闭，利用空 气夹层与仍有很大储热容量的相变墙体去阻挡外部高温的侵入，从而有效发挥相变墙体的恒温作用，使 室内气温始终维持在人体舒适的温度。

夏季夜晚，室外气温降低，可控辐射层内相变材料为液态，辐射“热开关”开启，薄有机玻璃实现 天空辐射制冷；对流“热开关”外墙上风口和外墙下风口开启，通过自然对流与辐射制冷加速相变墙体 的冷却，从而使室温与相变墙体温度降低。

冬季白天，可控辐射层内相变材料为固态，辐射“热开关”关闭，阻挡相变墙体向外热辐射；温控 变色相变墙体呈黑色，加强光吸收，提高相变墙体的光吸收热转化效率；空气夹层内气温升至合适的温 度后，开启对流“热开关”的内墙上风口和内墙下风口，即内循环模式，带动室内空气流动，空气在空 气夹层中得以加热，从而均衡室内温度，减少温度分布的不均匀性。

冬季夜晚，室外气温较低，外墙相变材料凝固为固态，辐射“热开关”关闭，阻挡相变墙体向外热 辐射；温控变色相变墙体呈黑色，加强光吸收，提高相变墙体的光吸收热转化效率；对流“热开关”外 墙上风口、外墙下风口、内墙上风口、内墙下风口全部关闭，从而减少热量损失，使室温更好地维持在 相对高的水平。与现有技术相比：

1、本发明采取有机玻璃(PMMA)或聚碳酸酯等透明有机材料构成所属墙体的双层天空辐射冷却材 料。因该类有机材料在可见光波段具有高透过性，在红外大气窗口具有高辐射特性，从而有利于墙体内填 充的相变材料吸收太阳光能转化为热量存储，并利用相关辐射特性构成天空辐射制冷体系，从而使得相变 墙体除可以实现热缓冲及热量的时间转移(即白天吸收热量，夜间释放热量的“削峰填谷”)之外，能够 利用夜间进行对外太空的辐射来冷却墙体，解决现有技术中相变墙体在夏季或低纬度地区失效的问题。

2、为解决原有持续存在的天空辐射制冷使得冬季相变墙体不易升温和储热的问题，本发明提出利用 相变材料固态与液态对红外不同的透过特性，构成辐射“热开关”，也即提出了“可控天空辐射制冷”的 实现方法，即在有机玻璃中加入相变材料，利用相变材料较高时为液态，热辐射正常通过；气温较低时为 固态，阻挡向外热辐射的特点，控制天空辐射制冷的开启与关闭。

3、为解决低温时希望相变墙体能够快速升温，而高温时希望其能够减少光热吸收，从而使得相变墙体 更能广泛应用于昼夜温差大的场合，防止热饱和失效问题的产生，本发明提出了在内墙填充的相变材料中 混合温控变色粉末的方法。该温控变色粉末的低温呈黑色，高温呈白色，从而使得混合相变材料后的体系 对光的吸收与反射强度对温度敏感。从而在低温时提高相变墙体的光吸收热转化效率，高温时增强光反射， 减少光吸收，阻碍热饱和现象的出现。

附图说明

图1是有机玻璃的红外光谱图；

图2是液态正十六烷的红外光谱图；

图3是有机玻璃与呈液态的正十六烷耦合的红外光谱图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是本发明在夏季清晨的工作示意图；

图6是本发明在夏季中午的工作示意图；

图7是本发明在夏季夜晚的工作示意图；

图8是本发明在冬季白天的工作示意图；

图9是本发明在冬季夜晚的工作示意图；

图10是风口角度随外界温度变化曲线图。

其中：1、承重墙体；2、薄有机玻璃；3、外墙内相变材料；4、内墙内相变材料及温控变色粉末混合 物；5、空气夹层；6、外墙上侧阀门和驱动机构；7、外墙上侧通风口；8、内墙上侧阀门和驱动机构；9、 内墙上侧通风口；10、外墙下侧通风口；11、外墙下侧阀门和驱动机构；12、内墙下侧通风口；13、内墙 下侧阀门和驱动机构；14、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

由图1可知，薄有机玻璃2(PMMA)在可见光波段具有高透过性，在红外大气窗口具有高发射特性， 从而有利于温控变色相变墙体内填充的相变材料4吸收太阳光能转化为热量存储，并利用相关辐射特性构 成天空辐射制冷体系，从而使得相变墙体除可以实现热缓冲及热量的时间转移(即白天吸收热量，夜间释 放热量的“削峰填谷”)之外，能够利用夜间进行对外太空的辐射来冷却墙体，解决现有技术中相变墙体 在夏季或低纬度地区失效的问题。

为解决原有持续存在的天空辐射制冷使得冬季相变墙体不易升温和储热的问题，本发明提出利用相变 材料固态与液态对红外不同的透过特性，构成辐射“热开关”，也即提出了“可控天空辐射制冷”的实现 方法，即在有机玻璃中加入相变材料，利用相变材料较高时为液态，热辐射正常通过；气温较低时为固态， 阻挡向外热辐射的特点，控制天空辐射制冷的开启与关闭。

由于外墙在高温时需呈强化天空辐射制冷特性，因此需将外墙设置为对可见光呈现增反特性，即外墙 的反射率达到最大值，从而减少可见光透射使内墙升温。对于本装置所用外墙，其可认为是多层光学薄膜 结构，其反射率主要受到材料的光学特性(如折射率)和膜层厚度的影响，主要考虑其对波长为可见光最 大能量波长(475nm)的入射光的反射率。该外墙各膜层所用材料的折射率为：有机玻璃(PMMA)折射 率为n

由图2可知，液态正十六烷在大气窗口呈高透过率特性，可见对该波段红外辐射无阻碍；且由图3可 知，有机玻璃与呈液态的正十六烷耦合后，其整体的红外光谱在大气窗口波段呈现低透过率，由介质中透 过率与发射率之和约等于1可知，其在大气窗口范围内具有高发射特性。图2和图3均说明了，可控辐射 层内的相变材料3呈液态时，天空辐射制冷可正常进行，即辐射“热开关”开启。当可控辐射层内的相变 材料3结晶为固态时，由于其低温结晶后呈雾面效果，即加强了对光的散射，阻挡向外热辐射，减少热量 损失，从而起到关闭辐射“热开关”的作用。

为解决传统相变墙体无自调节光吸收特性、易过热失效的问题，本发明提供了一种结合温控变色相变 储能技术的内墙结构。温控变色相变墙体内的相变材料4为正十八烷与温控变色粉末的混合物，正十八烷 的相变温度为28.18℃，温控变色粉末于26℃开始变色，低温时呈现黑色，高温时呈现白色。

该温控变色粉末由电子给予体、电子接受体、调节剂、增感剂及其它溶剂组成,采用乙二醇修饰的柱 芳烃(EGP5)和ATO纳米颗粒整合,基于吡啶盐改性的聚丙烯酰胺聚合物与成膜单体、分散剂、交联剂等成 分制成的温敏变色粉末。电子给予体和电子接受体之间因温度变化产生电子转移现象，电子转移过程中吸 收或辐射一定波长的光，表观上产生颜色的变化。因温控变色相变墙体选取正十八烷作为相变材料，其熔 点为28.18℃，故选取该温感变色粉末变色标称点为28℃，其于26℃开始变色，逐渐由低温呈现的黑色变 为高温呈现的白色，使得混合相变材料后的体系对光的吸收与反射强度对温度敏感，从而在低温时提高相 变墙体的光吸收热转化效率，高温时增强光反射减少光吸收，阻碍热饱和现象的出现，解决了低温时希望 相变墙体能够快速升温，而高温时希望其能够减少光热吸收的需求，使得相变墙体更能广泛应用于昼夜温 差大的场合，防止热饱和失效问题的产生。

可控辐射层和温控变色相变墙体间的空气夹层5在外墙上侧通风口7、外墙下侧通风口10、内墙上侧 通风口9、内墙下侧通风口12均闭合时，起到隔热的作用，有效阻挡外部高温(低温)的侵入，使室内气 温始终维持在人体舒适的温度；在外墙上侧通风口7和外墙下侧通风口10开启时，空气夹层5起到通风 的作用，通过自然对流加快相变墙体4的冷却(升温)；在内墙上侧通风口9和内墙下侧通风口12开启 时，空气夹层5起到通风的作用，通过自然对流带动室内空气流动，从而均衡室内温度，减少温度分布的 不均匀性。

对流“热开关”，即外墙上侧通风口7、内墙上侧通风口9、外墙下侧通风口10和内墙下侧通风口12 的五种工作模式如下表所示：

将温度传感器14布置到墙外，通过检测记录室外温度的值，与内墙相变材料的相变点温度比较、做 差，得到温度差ΔT，通过一个矩阵函数：

[θ

得到内外上下四个通风口的理论开合角度。

该理论开合角度作为PID算法的目标值，使用增量式PID控制算法，

Δu(k)＝K

其中：

e(k)：本次差值

Δu(k)：输出的变化量

得到Δu(k)后将该增量赋给舵机的PWM角度调节系统进而输出对应的PWM脉冲波形控制四个风口 达到理想位置。这样便构成了整个通过外界温度对风口开合的自动控制系统。

为简化讨论，取内墙相变材料的相变点为28℃，外温T

ΔT＝T

则，可以取矩阵函数[θ

此时，外墙上风口7、外墙下风口10、内墙上风口9、内墙下风口12的风口开合度变化曲线如附图10 所示。

一种墙体结构，包括如下情况：

夏季清晨，室外气温尚未很高时，对流“热开关”外墙上侧风口7和外墙下侧风口10开启，利用外循 环将一部分热量带走，减少相变墙体4的热量吸收；当达到可控辐射层内相变材料3相变点时，相变材料 3为液态，辐射“热开关”开启，薄有机玻璃2实现天空辐射制冷，实现夏季降温。

夏季中午，室外气温很高时，可控辐射层内相变材料3为液态，辐射“热开关”开启，薄有机玻璃2 实现天空辐射制冷；温控变色相变墙体4呈白色，增强光反射，减少光吸收，防止相变墙体4过热，阻碍 热饱和现象的出现；对流“热开关”外墙上侧风口7、外墙下侧风口10、内墙上侧风口9、内墙下侧风口 12全部关闭，利用空气夹层5与仍有很大储热容量的相变墙体4去阻挡外部高温的侵入，从而有效发挥相 变墙体4的恒温作用，使室内气温始终维持在人体舒适的温度。

夏季夜晚，室外气温降低，可控辐射层内相变材料3为液态，辐射“热开关”开启，薄有机玻璃2实 现天空辐射制冷；对流“热开关”外墙上侧风口7和外墙下侧风口10开启，通过自然对流与辐射制冷加 速相变墙体4的冷却，从而使室温与相变墙体4温度降低。

冬季白天，可控辐射层内相变材料3为固态，辐射“热开关”关闭，阻挡相变墙体向外热辐射；温控 变色相变墙体4呈黑色，加强光吸收，提高相变墙体4的光吸收热转化效率；空气夹层内气温升至合适的 温度后，开启对流“热开关”的内墙上侧风口9和内墙下侧风口12，即内循环模式，带动室内空气流动， 空气在空气夹层5中得以加热，从而均衡室内温度，减少温度分布的不均匀性。

冬季夜晚，室外气温较低，外墙相变材料3凝固为固态，辐射“热开关”关闭，阻挡相变墙体向外热 辐射；温控变色相变墙体4呈黑色，加强光吸收，提高相变墙体4的光吸收热转化效率；对流“热开关” 外墙上侧风口7、外墙下侧风口10、内墙上侧风口9、内墙下侧风口12全部关闭，从而减少热量损失，使 室温更好地维持在相对高的水平。

本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其 局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。