基本信息
- 项目名称：
- 冷凝水回收微灌天然植物窗帘遮阳技术
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目拟设计一种新型可调节植物窗帘，用于通风双层玻璃幕墙层间遮阳。选择松萝凤梨类无根无土植物制作成线状窗帘，研究其植物遮阳特性；将夏季空调系统产生的冷凝水回收对植物窗帘进行微灌，并和通风双层玻璃幕墙热通道中的通风系统相结合，以回收冷凝水中的冷量，并通过冷凝水的蒸发冷却效应和植物的蒸腾蒸散效应来降低玻璃幕墙建筑外围护结构的夏季得热量，研究冷凝水微灌植物窗帘和通风组合策略对通风双层玻璃幕墙夏季热工况性能的改善。
- 详细介绍：
- 冷凝水回收微灌天然植物窗帘遮阳技术包含以下三个子系统： 1.植物窗帘子系统 选择松萝凤梨类植物编织成任意密度、任意长度的线状植物帘组合形成百叶帘，安装于双层玻璃幕墙热通道内进行层间遮阳。植物窗帘疏密控制为以下两种方式的组合：一种方式是调节植物百叶帘的转角，控制植物百叶帘之间的间隙；另一种方式是调节每片百叶帘上线状植物帘的数量以进一步控制其疏密程度。具体的控制策略为：夏季，增加每片植物百叶帘上线状植物帘数量，采用植物密集布置，当室外太阳辐射逐渐增强时，在满足室内最小照度要求条件下，随着室外照度的增强，调整百叶帘的转角，逐渐减小植物百叶帘之间的间隙，即θ逐渐较小，直至与转动轴平行θ=0°；随着室外太阳辐射的减弱，在低于室内照度最小照度时，调整百叶帘的转角，逐渐增大植物百叶帘之间的间隙，即θ值逐渐增加，直至与转动轴垂直θ＝90°。冬季，减少每片植物百叶帘上线状植物帘数量，采用植物稀疏布置，当室外太阳辐射逐渐增强时，在满足室内最大照度条件下，随着室外照度的增强，调整百叶帘的转角，逐渐减小植物百叶帘之间的间隙，即θ逐渐较小，直至与转动轴平行θ=0°；随着室外太阳辐射的减弱，在低于室内照度最大允许值时，调整百叶帘的转角，逐渐增大植物百叶帘之间的间隙，即θ值逐渐增加，直至与转动轴垂直θ＝90°。这样，通过调整植物百叶帘的转角以及百叶帘上线状植物帘的数量和密度，实现植物窗帘和气候之间的实时对应和调节，使之成为性能优异的太阳辐射自控器。 2. 冷凝水回收微灌子系统 冷凝水全热回收微灌子系统是利用冷凝水对植物窗帘进行喷灌。其中，空调末端的冷凝水出口直接与冷凝水管相接，冷凝水管有0.01的坡度向下，保证冷凝水能够正常流入储水箱。储水箱的上同时接有补水管，当冷凝水量不充足的时候由自来水补水。储水箱的出水口接有电子水泵，电子水泵把冷凝水送入微喷灌系统的主供水管，主供水管正下方垂挂植物窗帘,同时在供水管上均布着微喷灌喷头，也就是位于植物窗帘的正上方。植物窗帘的下方设有收集多余冷凝水的排水槽,排水槽有一定的坡度，最低处接有排水管把多余的冷凝水排出。储水箱设有补水管，当冷凝水量不够时，利用自然水进行补给。 将冷凝水收集后喷淋至松萝凤梨表面，一方面会增强松萝凤梨类植物的蒸腾蒸散效应，另一方面，松萝凤梨植物表面的气根作为储水细胞将会发挥多孔吸湿材料的功能，大大增加水分发生蒸发冷却作用的表面积，持续带走热通道内部的热量。 3.通风子系统 松萝凤梨类植物虽然号称“外星植物”，具有较多优点，但也只有在通风环境下才能正常生长，而通风幕墙热通道正可以满足这一要求。同时，合理的通风策略可以进一步增强冷凝水回收微灌植物窗帘的节能效果。具体的运行策略为：夏季白天，利用冷凝水雾化喷淋热通道中的植物窗帘时，机械通风开启，外层玻璃幕墙上下风口均打开，内层玻璃幕墙上下风口均关闭，利用机械通风增强冷凝水的蒸发冷却效应和植物的蒸腾蒸散效应，从而及时带走热通道中的热量，降低玻璃幕墙建筑室内得热量，并且，植物遮阳的机理和冷凝水的蒸发冷却效应会降低玻璃幕墙建筑周围的微环境温度。夏季夜晚，机械通风关闭，内、外层玻璃幕墙上、下风口均打开，利用夜间自然通风带走白天积蓄在室内的热量，减少次日清晨空调系统开机负荷。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.研究目的和思路 大部分玻璃幕墙建筑已成为高能耗的代名词。近年来国内引进了通风双层玻璃幕墙系统，遮阳系统和通风策略对其节能性能有显著影响。本作品拟设计一种新型可调节植物遮阳窗帘，结合通风双层玻璃幕墙建筑的特点进行层间遮阳，同时将夏季空调系统产生的冷凝水回收以雾灌植物窗帘，与双层幕墙中的通风系统相结合，利用植物蒸腾蒸散效应和冷凝水的蒸发冷却效应，降低热通道和室内温度，利用植物遮阳的原理，减少遮阳装置向室外环境中的辐射量，进而降低室外温室效应。 选择松萝凤梨类无根无土植物制作成线状植物帘，研究其遮阳特性及随气候变化的调节策略。设计空调冷凝水回收微灌植物窗帘系统，研究冷凝水微灌植物窗帘和通风组合策略对通风双层玻璃幕墙夏季热工况性能的改善。 该研究打破了传统垂直绿化植物遮阳在建筑中的应用瓶颈，实现了植物遮阳人工控制，将空调冷凝水回收利用，通过凝水微灌与通风系统的组合，降低建筑能耗，减少建筑温室气体排放量。 2.创新点 ①可调节植物窗帘随气候变化可实时调节；②将空调冷凝水进行回收对植物窗帘进行微灌。一方面，可以回收空调冷凝水中的显热和潜热量，其次，通风策略可以强化冷凝水的蒸发冷却效应，再次，又可以和通风策略组合，强化植物的蒸腾蒸散效应，从而降低通风双层玻璃幕墙热通道和室内温度，实现建筑节能。 3.技术关键 ①植物窗帘的可调节性；②凝水回收微灌系统的实现和节能描述。 4.主要技术指标 ①太阳得热系数；②遮阳系数；③太阳得热量。
科学性、先进性
- 1.植物窗帘随气候变化的可调节性。松萝凤梨类无根无土植物可以编织成任意密度、任意长度的线状窗帘，耐热耐寒耐旱耐湿，既具有植物遮阳的优点，又可以避免常规绿化遮阳的缺陷，打破了垂直绿化遮阳的瓶颈。可以通过调节窗帘角度和数量两种方式来调节疏密，实现随气候变化的多元调节。 2.冷凝水回收微灌植物窗帘。夏季，空调冷凝水水量较大、水温较低，水质较好。回收冷凝水微灌植物窗帘，既可回收冷凝水中的显热和潜热量，又可加强植物的蒸腾蒸散效应，达到节能效果。 3.与通风双层玻璃幕墙相结合。在通风双层玻璃幕墙系统中利用植物窗帘进行层间遮阳，既可以避免外遮阳维护困难的问题，又比内遮阳要节能，热通道为植物窗帘和被遮阳面提供了一定的间隙，从而使得其遮阳效果能够充分发挥。同时，结合通风策略，可以加强冷凝水的蒸发冷却效应和植物的蒸腾蒸散效应，及时带走热通道中的热量，降低玻璃幕墙建筑室内得热量，缓解城市热岛效应。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点及优势 ①植物窗帘，生态环保；②植物窗帘无根无土，可耐热耐寒耐旱，便于养护；③操控方便，疏密自如；④凝水微灌，节能高效；⑤通风辅助，效果显著；⑥可规模化、产业化，带来可观经济效益。 2.适用范围 ①冷凝水回收微灌植物窗帘技术可应用于通风双层玻璃幕墙层间遮阳，充分发挥通风幕墙特点和植物遮阳优势，利用通风凝水策略增强蒸发冷却效应和植物蒸腾蒸散效应。 ②可调节植物遮阳窗帘可应用于单层玻璃幕墙、玻璃窗内、外遮阳，但要与表面之间留有一定空隙。 3.市场分析和经济效益预测 ①该技术操控简单，养护容易，对环境要求不高，节能效果显著，潜在的市场潜力巨大。 ②玻璃幕墙建筑体量巨大，新的建筑节能标准对玻璃幕墙建筑节能要求进一步提高，植物遮阳系统的优异节能特性正可以满足这一要求，有利于该类植物窗帘市场化、产业化、规模化的发展。
同类课题研究水平概述
- 通风双层幕墙系统一般由两层透明的围护结构组成，作为空气通道的空气腔把围护结构分为内、外两个部分，针对不同的室外气候条件，通过合理的通风组织设计实现通风降温等功能。 目前，已有很多国家和地区对通风双层玻璃幕墙建筑热工性能及其气候适应性进行了相关研究。通用方式是现场测试（Ward IC）和模型实验（Van Paassen），并建立相应的热工性能数值模型进行模拟计算（P.C. Wong）。Lee和Oesterle等都强调了通风双层幕墙空气腔中遮阳设备位置的重要性，并指出玻璃特性、通风策略和遮阳设备结合的准确特性值得研究。 通风双层玻璃幕墙建筑在我国出现较晚，最早应用是2000年6月投入使用的北京国家会计学院教学楼工程。目前，国内对双层玻璃幕墙建筑进行相关研究和测试的主要机构包括清华大学和华中科技大学等。华中科技大学李保峰教授建立了实验模型进行了双层玻璃幕墙的气候适应性研究，指出了遮阳措施对双层玻璃幕墙建筑节能的重要性。 从遮阳设计手法和制作来分，遮阳方式包括简易遮阳、附加构件遮阳、绿化遮阳。绿化遮阳与其他遮阳方式的不同之处在于其能量流向。植被通过光合作用将太阳能转化为生物能，蒸腾作用又使得叶片自身的温度维持在较低的波动范围之内，从而切断了能量的二次传播。而且在此过程中，植物还能吸收周围环境中的能量，从而降低了局部环境温度，形成能量的循环利用。 柳孝图等在研究中指出，落叶植物是天然的、性能优良的太阳辐射自控器，智利圣地亚哥Consorcio-Vida办公建筑、法兰克福商业银行都是垂直绿化遮阳设计的典型代表。另外，根据重庆天齐花园的实际研究发现，在垂直绿化和墙面之间留有一定间隙，夏季降温隔热效果更好。Stec等人采用数值模拟和实验研究的方法对通风双层玻璃幕墙热通道内利用攀援类植物遮阳的效果进行了研究，结果表明：植物层间遮阳的双层玻璃幕墙的各个边界的温度都低于使用普通遮阳的温度，并可降低20%的空调系统装机容量并降低能耗。以上也是仅有的关于通风双层幕墙使用植物遮阳见诸发表的研究。 吴东兴等人的研究结果表明，夏季空调系统产生的冷凝水水量较大、水温较低、水质较好。直接排放将造成能量浪费和环境污染。即便对冷凝水进行回收利用，也仅仅是考虑利用其显热。 综上，应考虑凝水全热回收微灌植物遮阳系统在通风双层幕墙中的综合应用。
