一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙
技术领域
本发明属于建筑外围护结构的节能技术以及文化展示技术领域，具体涉及一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙。
背景技术
集热墙是利用阳光照射到外面有玻璃罩的深色蓄热墙体上，形成温室效应，加热透明玻璃罩和厚墙外表面之间的夹层空气，通过热压作用使空气流入室内向室内供热，同时墙体本身通过热传导向室内放热并储存部分能量，夜间墙体将储存的热能释放到室内；另一方面，在室内温度过高时，集热墙通过开启部分玻璃等将热量以传导、对流及辐射的方式转移到室外，防止室内过热。集热墙式太阳房适用于我国北方太阳能资源富集、昼夜温差比较大的地区如宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏西部地区等，它将大大改善该地居民的居住环境，减少这些地区的采暖能耗。
基于上述优势，我国北方太阳能富集地区一般都会安装集热墙，但是现有集热墙有以下不足：
1.现有集热墙只有蓄热功能，仅仅是集热构件，功能单一，与建筑的内部功能及造型脱节，附加特性明显。
2.现有集热墙蓄热体单一，储能有限。目前的集热墙只有墙体是蓄热体，蓄热能力受制于墙体自身的蓄热物理性能。
3.现有集热墙缺乏遮阳构件。在夏季太阳辐射强烈，且温度较高时，当室内温度达到舒适临界值时，集热墙继续接受辐射，会导致过剩的热量进入集热墙，间接影响室内热舒适度。
4.现有集热墙通过热空气对流、热压通风换热等被动式热转换方式将墙体内的热量向室内转移，热量转移效率较低。
另外随着乡村振兴战略的落实，需要将乡村文明建设不断推进，因此在乡村建设中普及文化宣传设施。然而，目前的乡村文化宣传设施以浮雕文化墙、宣传栏、或者在广场临时搭建多媒体幕布支架，夜间在村广场临时安装投影幕布的方式。这些展示方式存在以下问题：
1、展示形式传统、缺乏吸引力，宣传效果一般；
2、室内室外的展示要素分散，需要多次建设，建设成本大，且后期维护管理难度大；
3、再次浮雕文化墙等设施暴露在室外、容易受到人为和天气的破坏。
因此乡村文化展示设施需要新颖化、集约化、易维护、提高耐候性，需要提出能够整合文化展示设施，集成文化展示功能的方案。
有鉴于此，本发明人设计出了一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，以解决现有集热墙自身存在的不足，同时解决乡村文化展示功能提供承载体。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，本发明通过将静态展示物与太阳墙蓄热体相结合，在南向玻璃幕墙设置有兼具遮阳功能的可升降多媒体幕布，在南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体顶部设置太阳能光电顶板，太阳能光电顶板为控制幕布升降的电机、南向玻璃幕墙的幕墙通风机以及安装在后置蓄热墙体的通风电机提供电源。
同时本发明将文化展示体兼蓄热体设置于太阳墙空腔中，既能够提高展示模式的新颖性，也能提高静态展示体的耐候性，进而降低展示体的维护成本。
本集热墙将太阳能集热装置与静态文化展示结合；将建筑造型与集热墙融合；将遮阳构造与集热墙相结合；将遮阳幕布和多媒体文化展示功能相结合；将文化展示体与蓄热体相融合；将光热转换与光电转换相结合；将被动式热转换方式与主动式热转换方式结合。解决了当前集热墙存在的不足，也为太阳能富集地区提供了静态及多媒体文化展示功能，同时也减少了建筑采暖能耗。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：包括南向玻璃幕墙和后置蓄热墙体，所述南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体之间设置有蓄热文化展示体，所述蓄热文化展示体用于展示文化和储蓄热能；
所述南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体上部封顶处设置有太阳能光电顶板，所述太阳能光电顶板伸出南向玻璃幕墙外缘处设置有兼具遮阳功能的可升降多媒体幕布，所述多媒体幕布的控制电机与太阳能光电顶板通过电线电性连接；
所述南向玻璃幕墙上下部分别均匀开设有多个上部可开启窗和下部可开启窗，每个所述上部可开启窗和下部可开启窗都安装有幕墙通风机，所述后置蓄热墙体上下部分别均匀开设有多个上部可开闭透气孔和下部可开闭透气孔，每个所述上部可开闭透气孔和下部可开闭透气孔都安装有通风电机，所述幕墙通风机和通风电机均与太阳能光电顶板电性连接。
进一步地，所述多媒体幕布设置在收卷套筒内，所述收卷套筒固定在太阳能光电顶上、位于南向玻璃幕墙外侧，所述收卷套筒内转动连接有收卷轴，所述收卷轴上收卷有多媒体幕布，所述收卷套筒上开设有供所述多媒体幕布通过的开口；
所述收卷轴的任意一端与控制电机相连，所述控制电机用于驱动收卷轴转动以控制多媒体幕布的上升或下降。
进一步地，所述南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体之间底部设置有混凝土底板；
所述南向玻璃幕墙、太阳能光电顶板、后置蓄热墙体和混凝土底板通过紧固件可拆卸连接为一体。
进一步地，所述南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体内部腔体距离为15cm～35cm。
进一步地，所述蓄热文化展示体由相变性材料制成。
进一步地，所述后置蓄热墙体为空心砖墙或夯土墙。
进一步地，所述多媒体幕布的表面涂覆有用于隔绝紫外线的遮阳涂层。
进一步地，所述南向玻璃幕墙和太阳能光电顶板的框料均为铝合金框，所述铝合金框内包含双层玻璃。
进一步地，所述南向玻璃幕墙上部的可开启窗为上悬窗。
进一步地，所述蓄热文化展示体放置在混凝土底板表面或者固定在后置蓄热墙体上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，本发明解决了现有集热墙的不足，同时为其增加了静态、多媒体展示功能，且与建筑立面融合。具体的本发明在集热墙南向玻璃幕墙与后置蓄热墙体之间设置了用于静态展示乡村文化的蓄热文化展示体，所述蓄热文化展示体可以是该村历史人物、本地风貌、乡村风俗等制作的浮雕或者图案文字等；在太阳能光电顶板伸出南向玻璃幕墙外缘处设置有兼具遮阳功能的可升降多媒体幕布，多媒体幕布的控制电机与太阳能光电顶板通过电线电性连接，多媒体幕布结合投影设备可用于动态展示影视文化，另外多媒体幕布表面涂覆有用于隔绝紫外线的遮阳涂层，用于在夏季太阳辐射强烈时降下幕布，从而通过多媒体幕布抵挡夏季强烈的太阳辐射，解决南向墙体过热问题。
2.本发明一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，在南向玻璃幕墙上、下部均匀开设有多个上部、下部可开启窗，每个上部、下部可开启窗上安装有幕墙通风机，在后置蓄热墙体上下分别均匀开设有多个上部可开闭透气孔和下部可开闭透气孔，每个上部可开闭透气孔和下部可开闭透气孔都安装有通风电机，幕墙通风机和通风电机均与太阳能光电顶板电性连接。
当冬季时，白天太阳辐射透过南向玻璃幕墙照射在蓄热文化展示体、及太阳能光电顶板上，蓄热文化展示体受热升温后加热周边空气，热空气向上流动；太阳能光电顶板受太阳辐射产生电力驱动后墙通风电机转动，此时南向玻璃幕墙的上、下部的可开启窗及幕墙通风电机关闭，因此集热墙空腔高处的热空气在通风电机的带动下通过后置蓄热墙体上的上部可开闭透气孔进入室内，室内的下部的冷空气在通风电机的带动下进入集热墙内部被加热，形成集热墙空腔与室内的热交换，通过这样的方式可提高建筑内部的温度；冬季夜间，集热墙南向玻璃幕墙上的上、下部的可开启窗继续保持关闭状态，后置蓄热墙体的温度高于周边，其通过热辐射的方式将热量向室内传播。周边空气，热空气上升，通过上部可开闭透气孔进入室内，而室内下部的冷空气通过下部可开闭透气孔进入集热墙空腔被加热，从而将即热墙的热量以被动式模式持续转换到建筑室内，提高室内温度。
夏季时，白天太阳辐射强度大，蓄热文化展示体及后置蓄热墙体受热后将热量传递给空气，从而使热空气向上流动。此时将后置蓄热墙体上、下部可闭合式透气孔关闭，南向玻璃幕墙的上、下部的可开启窗开启，幕墙风机在太阳能光电顶板产生电能的驱动下启动，集热墙上部热空气在幕墙风机的带动下从南向玻璃幕墙的上部排除集热墙腔体，进入主动排热状态，从而确保室内温度不会过高；在太阳辐射过强的情况下，太阳能光电顶板将为多媒体幕布的控制电机提供电源，兼具遮阳功能的多媒体幕布及顶部遮阳帘降下，从而直接切断直射蓄热文化展示体及后置蓄热墙体的辐射，从而减少进入墙面的热量；同时太阳能光电顶板继续为幕墙风机供电，加速热空气流出，利于降低腔体内部温度；夏季夜间，由于文化展示蓄热体和背景墙白天受到太阳辐射后，温度较高，夜间将开始向外部释放热量，其将加热墙体内部的空气，产生向上的气流，此时，可以打开后置蓄热墙体的上、下部可开闭透气孔，冷空气从下部可闭合式通风孔进入室内，热空气从上部可闭合式通风孔流出，带动建筑室内空气流动，从而改善室内通风效果。本集热墙一年四季均可合理使用，改善室内的温度和通风环境，且绿色环保。
3.本发明一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，所使用材料都是价格低廉且容易获取的材料，其制作成本低，便于在太阳能富集的乡村地区推广。
附图说明
图1为本发明集热墙爆炸结构示意图；
图2为本发明集热墙侧剖视结构示意图；
图3为本发明集热墙多媒体幕布升降结构示意图；
图4为本发明集热墙冬季白天工作状态结构示意图；
图5为本发明集热墙冬季夜间工作状态结构示意图；
图6为本发明集热墙夏季白天工作状态结构示意图(幕布收起)；
图7为本发明集热墙夏季白天工作状态结构示意图(幕布展开)；
图8为本发明集热墙夏季夜间工作状态结构示意图(幕布展开)；
图9为本发明集热墙多媒体幕布展开状态示意图；
图10为本发明集热墙多媒体幕布收起状态示意图。
图中：1、南向玻璃幕墙；2、蓄热文化展示体；3、太阳能光电顶板；4、后置蓄热墙体；5、收卷套筒；6、混凝土底板；11、上部可开启窗；12、立面玻璃幕墙；13、侧面玻璃幕墙；14、幕墙通风机；15、下部可开启窗；31、顶板遮阳帘；41、上部可开闭透气孔；42、下部可开闭透气孔；43、通风电机；51、收卷轴；52、多媒体幕布；53、开口；521、控制电机。
具体实施方式
为使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明，详细说明如下。
实施例：如附图1～10所示，一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，包括南向玻璃幕墙1和后置蓄热墙体4，其中，南向玻璃幕墙1由立面玻璃幕墙12和两侧侧面玻璃幕墙13组成半包围结构，在南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4之间设置有蓄热文化展示体2，在南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4上部封顶处设置有太阳能光电顶板3，所述太阳能光电顶板3用于将太阳能转换为电能。
其中，所述蓄热文化展示体2由相变性材料制成，例如可以采用PVC壳体内置石蜡，设置蓄热文化展示体2主要有两方面的作用，一方面是储存热量，尤其是冬季夜间，蓄热体白天吸收太阳能并储存后夜间释放，以提高室内的温度；另一方面可以静态展示本村的文化特点，例如可以将本村的历史人物、山水风貌、乡村风俗等制作的浮雕或者图案文字，由于设置在夹层内，从而避免风雨扬尘侵蚀，提高其耐候性，降低后期维护成本，提高展示方式的新颖性。
具体的，如图1～3所示，在南向玻璃幕墙1和后置蓄热墙体4的顶部设置有太阳能光电顶板3，优选的，在太阳能光电顶板3上设置有顶板遮阳帘31，所述太阳能光电顶板3完全覆盖南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4的间隙，以保护设置在夹层内的蓄热文化展示体2；太阳能光电顶板3和南向玻璃幕墙1的框料均为铝合金框，铝合金框内包含双层玻璃，以保证隔音和采光效果；在南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4之间底部设置有混凝土底板6，一般混凝土底板6的宽度由南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4内部腔体距离决定，其设置为15cm～35cm之间，当然混凝土底板6的宽度可以大于或等于南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4最大间距，以使南向玻璃幕墙1与后置蓄热墙体4可以分别固定混凝土底板6表面的前后端，蓄热文化展示体2可以放置在混凝土底板6表面上(与南向玻璃幕墙1和后置蓄热墙体4形成腔体内)或者固定在后置蓄热墙体4上，放置时可根据蓄热文化展示体2的大小和重量决定，当蓄热文化展示体2偏大偏重即放置在混凝土底板6表面上，反之则可以固定在后置蓄热墙体4上，蓄热文化展示体2固定在后置蓄热墙体4时，不能影响墙体上的通风。
当放置好蓄热文化展示体2后，将南向玻璃幕墙1、太阳能光电顶板3、后置蓄热墙体4和混凝土底板6通过紧固件可拆卸地连接为一体，方便后期维修更换。
如图1～3所示，太阳能光电顶板3伸出玻璃幕墙1外缘处设置有兼具遮阳功能的可升降多媒体幕布52，多媒体幕布52的控制电机521与太阳能光电顶板3通过电线电性连接，所述控制电机521与太阳能光电顶板3连接固定。
具体的，多媒体幕布52设置在收卷套筒5内，收卷套筒5固定在太阳能光电顶板3上、位于南向玻璃幕墙1外侧，收卷套筒5内转动连接有收卷轴51，优选的在收卷套筒5内两端分别设置有滚动轴承(图中未示出)，收卷轴51与收卷套筒5通过滚动轴承连接，收卷轴51上卷有多媒体幕布52，收卷套筒5底端上开设有供多媒体幕布52通过的开口53，收卷轴51的任意一端与控制电机521的输出轴固定连接，控制电机521用于驱动收卷轴51正反转动以控制多媒体幕布52的上升或下降，优选的，控制电机521为伺服电机。
其中，多媒体幕布52有以下两个功能，一是结合投影仪，可以作为动态文化影视展览、政策方针宣传，二是在多媒体幕布的表面涂覆有用于隔绝紫外线的遮阳涂层，在夏天炎热时，降下多媒体幕布以抵挡强烈的紫外线，从而减少直射蓄热文化展示体及后置蓄热墙体的光线，从而减少进入墙面的热量，避免室内温度过高。
如图1所示，本集热墙在南向玻璃幕墙1上下部分别均匀开设有多个上部可开启窗11和下部可开启窗15，每个上部可开启窗11和下部可开启窗15都安装有幕墙通风机14，优选的上部可开启窗11为上悬窗，后置蓄热墙体4上下分别均匀开设有多个上部可开闭透气孔41和下部可开闭透气孔42，每个上部可开闭透气孔41和下部可开闭透气孔42都安装有小型通风电机43，小型幕墙通风机14和小型通风电机43均与太阳能光电顶板3电性连接。
其中，上、下部可开启窗和后置蓄热墙体4的上、下部可开闭透气孔的开闭方式为手动开启或者机械开启，每个幕墙通风机14和通风电机43分别与太阳能光电顶板3并联，以便根据实际情况分别控制各个风机。
通过上述设置后，由于以下工作原理可以改变室内的通风状态和室内温度，具体如下：
冬季白天：如图4所示，打开后置蓄热墙体4上的上、下部可开闭透气孔，关闭南向玻璃幕墙1上的上、下部的可开启窗。太阳辐射透过南向玻璃幕墙1照射在蓄热文化展示体2及后置蓄热墙体4上，蓄热文化展示体2及后置蓄热墙体4受热升温后加热周边空气，热空气向上流动，热空气顺着后置蓄热墙体4上的上部可开闭透气孔41进入室内，室内冷空气从下部可开闭透气孔42进入集热墙腔体，依次循环，从而逐渐加热建筑内部的温度。
冬季夜间：如图5所示，继续打开后置蓄热墙体4上的上、下部可开闭透气孔，关闭南向玻璃幕墙1上的上、下部的可开启窗。由于白天蓄热文化展示体2和后置蓄热墙体4吸收储蓄热能，因此夜间其温度高于周边环境，通过热辐射将加热周边空气，热空气上升，同样可顺着后置蓄热墙体4上的上部可开闭透气孔41进入室内，从而渐加热建筑内部温度。
夏季白天：如图6所示，关闭后置蓄热墙体4上的上、下部可开闭透气孔，打开南向玻璃幕墙1上的上、下部的可开启窗。白天太阳辐射强度大，加热蓄热文化展示体2及后置蓄热墙体4，二者将热量传递给周围空气，从而使得热空气向上流动，此时上部可开闭透气孔41关闭，而南向玻璃幕墙1的上部可开启窗11打开，热空气将迅速排除集热墙腔体外，不会将热量带入室内；当太阳辐射过强时，太阳辐射照射在太阳能光电顶板3上将光能转换为电能，电能将为多媒体幕布52的控制电机521提供电源，兼具遮阳功能的多媒体幕布52降下，如图7所示，从而减少太阳直射蓄热文化展示体2及后置蓄热墙体4的光线，从而降低进入建筑内部的热量；再次，太阳能光电顶板3也可将转换的电能为南向玻璃幕墙1的幕墙通风机14供电，加速热空气流出，利于降低内部腔体温度。
夏季夜间：如图8所示，打开后置蓄热墙体4上的上、下部可开闭透气孔，打开南向玻璃幕墙1上的上、下部的可开启窗。由于文化展示蓄热体2和后置蓄热墙体4白天受到太阳辐射后，温度较高，夜间开始向外部释放热量，其将加热墙体内部的空气，产生向上的气流，此时，打开后置蓄热墙体4的上、下部可开闭透气孔41、42，冷空气从下部可开闭透气孔42进入室内，热空气从上部可开闭透气孔41流出，带动建筑室内空气流动，进一步的打开南向玻璃幕墙1上的上、下部的可开启窗，以增加外部新鲜空气的对流，从而改善室内通风效果。
为了进一步验证本发明的效果，结合具体实例说明如下：以某某乡村展览建筑为例，室内展厅建筑尺寸：10200×5200×3000mm(长×宽×高)；建筑除南立面是整面展示性太阳墙外，其他墙面为建筑墙体为240mm厚空心砖墙，外墙传热系数为0.738W/(m2·℃)；展厅为独立封闭房间，忽略房间周围房间区域；冬季室内换热次数取0.5ACH，即0.0221m3/s；文化展示体材料为PVC壳体内置石蜡；
基本热物理参数如下表所示：
计算步骤如下：
(1)确定室内蓄热体总热容C:
(2)确定室内等效蓄热体半径R:
(3)确定等效蓄热有效热扩散系数κ:
(4)计算关键设计参数：时间常数τ，对流换热数λ，傅里叶时间常数η
①时间常数τ：
②对流换热数λ：
③傅里叶时间常数η：
η＝R2/κ/3600＝14.7h
(5)计算室内空气温度相比于室外空气温度的延迟相位Φin：
(6)室内空气振幅和室外空气温度振幅之比
计算式中：
通过计算可得，温度延迟时间为1.97h，温度衰减倍数为7.71倍，说明能够显著的提升房间的蓄热能力。
本发明为一种适用于太阳能富集地区具有文化展示功能的集热墙，有效的解决了太阳能富集地乡村文化(静态和动态文化)展示及太阳能集热的双重问题，具体的，本发明采用PVC壳体内置石蜡的蓄热文化展示体，通过蓄热文化展示体可以形象展示本村特点另外兼具储热作用，另外在太阳能光电顶板、南向玻璃幕墙外侧安装有兼具遮阳功能的可升降多媒体幕布，当夏季太阳辐射过大时，幕布降下，起到遮阳的作用；当需要在夜间进行多媒体文化展示时，也可以将幕布降下，做投影幕布。南向玻璃幕墙上的可开启窗及后置蓄热墙体上的可开闭透气孔可以通过手动或者电动方式开启或者关闭，电动方式开启的能源可来源于太阳能光电池板，当冬季需要蓄热时，南向玻璃幕墙的可开启窗关闭，后置蓄热墙体的上、下部可闭合式透气孔都会打开；当夏季需要提高通风时，南向玻璃幕墙的可开启窗将打开，白天太阳辐射强度大时，后置蓄热墙体的上、下部可闭合式透气孔将关闭，幕墙风机开启；夜间时，后置蓄热墙体的上、下部可闭合式透气孔都打开，提高室内通风效果；另外可搭配对应的通风设备，提高气体流动；本集热墙与乡村文化展示合理集成为一体，能够一年四季为建筑室内提供合理的温度和通风环境，且制造成本低廉，便于在太阳富集地区普及。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
