用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁

现有的“被动房”和各种节能建筑，所用的墙壁都是采用隔热保温性能尽可能好的建筑材料和结构，尽可能增强墙壁的隔热保温性能；而本发明“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”则是按照建筑楼层和墙壁的朝向方位，以及各个房间所在的部位，将建筑外墙分区设立成与房间相对应的、具有温度控制机构的各个单元，每个单元都是由具有较强隔热能力、在其上部和下部开有可控开闭活门的通风孔洞的内墙体、具有较强导热能力的外墙体、四周密封围框、以及夹壁墙空腔共同组成的，可以根据为室内升温还是降温的需要，通过对具有不同状态的各单元的自动温度控制，使其夹壁墙空腔里的空气上、下流动或静止，实现为室内升温或降温做出贡献，或仅仅增强保温能力。

(一)技术领域：本发明属于建筑节能技术领域。(二)背景技术：″被动房″建筑的概念是在德国上世纪80年代低能耗建筑的基础上建立起来的。″被动房″建筑是不用主动的采暖和空调系统就可以维持舒适室内热环境的建筑，也被称为被动式超低能耗建筑。这种建筑集建筑和节能技术为一体，极大地提高建筑保温隔热性能和气密性，大幅减少建筑主动向外的能源需求。也可以说，这是一种通过保温和密封技术，营造一个与外部相对隔绝的空间，将阳光、地热和家用电器，甚至人体自身产生的热量，通过能量交换设备回收和再利用的节能建筑。对于这种节能建筑使用的墙壁来说，不难看出，用于“被动房”建筑的墙壁，所具有的一个突出特点，是具有很好的保温隔热性能和气密性。这也是各种节能建筑的墙壁所具有的共同特点。为了使墙壁具有良好的隔热性，要么把墙壁设计建造得尽可能厚些，要么选用隔热性能好的建筑材料或通过多层复合结构来降低墙壁的热传导能力，亦即增强墙壁的保温性能。尤其在砖石或钢筋混凝土墙壁外复合一层带有金属网和外墙皮的泡沫材料隔热层，更是近年来常用的增强墙壁保温性能的技术措施。保温性能好有助于把室内室外的温度环境明显分隔开来，使室内的温度不致太多受室外环境温度及其变化的影响。(三)发明内容：本发明提出一种“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”。这种墙壁不仅仅着眼于提高墙壁的隔热保温性能，而能够通过特殊的结构设计，充分利用室内外的温差，为实现室内升温或降温的目的主动增效。这种主动节能墙壁的特征是：按照楼层和墙壁的朝向方位(东、西、南、北)，以及各个房间所在的部位，分区设立成独立的、由“具有较强隔热能力、在其上部和下部开有通风孔洞，并在其通风孔洞处装有可控的、能够开启或关闭的活门的内墙体”，和“具有较强导热能力和强度、由耐候性金属板或单层玻璃板或天然石板或人造外墙板构成的密封外墙体”、“介于内、外墙体之间、具有支撑连接作用和耐候性耐久性的四周密封围框”、以及“被内墙体、外墙体和四周密封围框包围形成的夹壁墙空腔”共同组成的主动节能墙壁的单元结构，并在可控活门处安装有可以分别探测夹壁墙空腔和室内空气温度的温度传感器，以及与总体温度控制机构相联动的该单元独立的分支温度控制机构，能够按照被动房或节能建筑户主为室内升温或降温的需要，进行总体控制，以便使各个主动节能墙壁单元能够根据该单元夹壁墙空腔里的空气温度和室内空气温度的对比状况，分别控制上、下活门的开启或关闭：若为了降温，对于夹壁墙空腔里的空气温度低于室内空气温度的单元，通过温度自动控制机构，能够开启该单元内墙体的上、下活门，使夹壁墙空腔里的空气能够自上而下向室内持续流动，并在流动过程中，隔着容易传热的外墙，与室外较凉的空气进行热交换，为室内空气降温；而对于夹壁墙空腔里的空气温度高于室内空气温度的单元，则通过该单元的温度自动控制机构，自动关闭该单元内墙体的上、下活门，使该单元夹壁墙空腔里的空气不能流动，仅起到增加隔热效果的被动作用；若为了升温，对于夹壁墙空腔里的空气温度高于室内空气温度的单元，通过该单元的温度自动控制机构，开启该单元内墙体的上、下活门，使夹壁墙空腔里的空气能够自下而上向室内持续流动，并在流动过程中，隔着容易传热的外墙，与室外较热的空气进行热交换，为室内空气升温；而对于夹壁墙空腔里的空气温度低于室内空气温度的单元，则通过该单元的温度自动控制机构，自动关闭该单元内墙体的上、下活门，使该单元夹壁墙空腔里的空气不能流动，也就停止了室内、外通过夹壁墙空腔里空气的流动所进行的热交换，仅起到增加隔热效果的被动作用.本发明按照建筑的不同分层(楼层)，来构建主动节能墙壁的单元(简称节能单元)，上、下互不串通。而在每一层楼的建筑，又根据外墙所处的各个房间的对应部位进行分区，来分别构建主动节能单元。各个分区互不串通。每个节能单元都是由隔热性良好的内墙体、传热性良好的外墙体和密封性良好的围框，以及被围在其间的夹壁墙空腔构成的。通常情况下，夹壁墙空腔里的空气层可以起到一定的保温隔热作用。而在隔热性良好的内墙体的上部和下部，都开有可以使夹壁墙空腔里的空气向上或向下流动通风的孔洞。在上、下孔洞里安装有可以控制开闭的活门。并通过各节能单元独立的自动温控系统，控制各个节能单元上、下活门的开启与关闭。当上、下活门打开时，夹壁墙空腔里的空气就可以与室内空气沟通流动，并在流动过程中，隔着容易传热的外墙，与室外空气进行热交换；而当活门关闭时，夹壁墙空腔里的空气就不能与室内空气沟通流动，仅仅起到增强该处墙壁隔热性能的作用.在可控活门处安装有可以分别探测夹壁墙空腔和室内空气温度的温度传感器，以及与总体温度控制机构相联动的该单元独立的分支温度控制机构，能够按照为室内升温或降温的需要和指令，进行总体控制，并对处于不同情况的各节能墙壁单元进行自动的区分控制，以便使各个节能墙壁单元能够根据该单元夹壁墙空腔里的空气温度和室内空气温度的对比状况，并按照为室内升温或降温的需要和指令，来控制该分区内墙体上、下活门的开启或关闭。当需要为室内升温时，将总体温度控制机构放在升温档，与总体温度控制机构相连通的各个单元独立的分支温度控制机构就能够按照指令，据该单元夹壁墙空腔里的气温与室内气温谁高谁低的对比，决定该单元内墙体上、下活门的开启与关闭：如果该单元夹壁墙空腔里的气温比室内气温高，则活门打开，使该单元夹壁墙空腔里气温比室内气温高的空气，能自下向上流动，进入室内，为室内增温，并在流动过程中，持续地与外墙体、以及隔着容易导热的外墙体，与室外较热的空气进行热交换；而夹壁墙空腔里的气温比室内气温低的单元，其内墙体上、下活门就关闭，该单元夹壁墙空腔里气温比室内气温低的空气，就不能进入室内，室外较凉的气温就不能影响室内。当需要为室内降温时，将总体温度控制机构放在降温档，与总体温度控制机构相连通的各个单元独立的分支温度控制机构就能够根据该单元夹壁墙空腔里的气温与室内气温谁高谁低的对比，决定该单元内墙体上、下活门的开启与关闭：如果该单元夹壁墙空腔里的气温比室内气温低，则活门打开，使该单元夹壁墙空腔里气温比室内气温低的空气，能自上向下流动，进入室内，为室内降温，并在流动过程中，持续地隔着容易导热的外墙体，与室外较凉的空气进行热交换；而夹壁墙空腔里的气温比室内气温高的单元内墙体上、下活门就关闭，该单元夹壁墙空腔里气温比室内气温高的空气，就不能进入室内为室内增温.每座建筑都会有东、西、南、北的朝向。朝向不同，相对于不同时间的太阳来说，就会有不同的日晒时段。处于地球北半球的建筑，朝向东、南、西三个方位的墙壁，会在不同时段朝向太阳、被太阳晒，而朝向北的墙壁则始终见不到太阳。每个具体墙壁的客观朝向，决定了容易传热的外墙在不同时段的吸热与散热状态，并将吸热或散热的效果，传递给该单元夹壁墙空腔里的空气，使其升温或降温。在外墙被太阳晒的时段，外墙吸收太阳的热辐射，升高温度，除了与相邻的室外空气进行一部分热交换之外，还向其内传热，使得里面夹壁墙空腔的空气升温；而在不被太阳晒的时段，则外墙处于单纯与相邻的室外空气进行热交换的状态。若该处室外空气温度低于该单元墙壁外表面的温度，则该单元的墙壁向外散热，并将这种散热的效果传递给该单元外墙里面夹壁墙空腔的空气，使其降温；而若该单元处室外气温高过该墙壁外表面温度时(例如夏季气温高时)，该墙壁吸热，并将吸热的效果传递给里面夹壁墙空腔的空气，使其升温。这是每座建筑不同朝向的墙壁所具有的与太阳和室外空气进行热交换的特征。本发明“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”就利用不同朝向墙壁的这种特征，根据为室内增温还是降温的需要，对于不同时段所处状态不同的节能墙壁单元，按照夹壁墙里面的气温与室内气温的对比情况，进行区别对待和控制：当需要为室内增温时(例如冬季)，可以通过控制内墙的上、下通风孔洞，将外墙处于太阳晒、能够吸收太阳热辐射能量向内传热，并且夹壁墙空腔里的气温高过室内的节能单元内墙体的上、下通风孔洞开启，与其相邻的夹壁墙空腔里被外墙加热升温的空气，就可以从开启的上、下孔洞持续地自下而上流动到室内，并在流动过程中，持续地与被晒热的外墙体进行热交换，为室内增温；与此同时，对处于背阴的、不能吸收太阳热辐射能量向内传热的节能单元，如果该时段室外气温高于室内，则内墙体上、下通风孔洞也会开启，也能够使与其相邻的夹壁墙空腔里被外墙加热升温的空气，从开启的上、下孔洞持续地自下而上流动到室内，为室内增温；如果该背阴的节能单元室外气温以及夹壁墙空腔里的气温低于室内，则该单元内墙体上、下通风孔洞关闭，与其相邻的较凉的夹壁墙空腔里的空气，就不能流动到室内，仅仅起到增强保温效果的作用。而当夏季需要为室内降温时，可以通过控制内墙的上、下通风孔洞，使处于太阳晒、能够吸收太阳热辐射能量向内传热，并且夹壁墙空腔里的气温高过室内气温的节能单元内墙体的通风孔洞关闭，还有那些虽然没有被太阳晒，但却处于室外气温较高，并且夹壁墙空腔里的气温高过室内气温的节能单元内墙体的通风孔洞也关闭，与其相邻的夹壁墙空腔里的空气虽被加热升温，却不能流动到室内为室内增温，仅仅起到增加隔热效果的作用；而与此同时，对处于背阴的、不能吸收太阳热辐射能量的节能单元也进行控制：如果该处室外气温高于室内(例如在夏季午后)，则该单元内墙体的通风孔洞也关闭，与其相邻的夹壁墙空腔里被室外空气加热升温的空气，也不能流动到室内为室内升温；如果该背阴的节能单元处室外气温低于室内，并且夹壁墙空腔里的气温也低于室内，则内墙体上、下通风孔洞开启，与其相邻的夹壁墙空腔里气温较低的空气，就能够自上而下从通风孔洞持续地流向室内，并在流动过程中，持续地隔着容易导热的外墙体，与室外较凉的空气进行热交换，为室内降温。在内墙体上、下活门打开时，夹壁墙空腔里空气之所以会自动流动，是因为热空气比重小，因而上升，而凉空气比重大，因而下沉。这样，对于采用本发明“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”的被动房和节能建筑来说，墙壁的作用就不仅仅是隔热保温，而是可以根据该墙壁单元所处的不同部位和在不同时段的不同状况，主动地为被动房和节能建筑增强节能效果：在需要升温时，这种节能墙壁可以主动地吸收外界热量，为室内增温；而在需要降温时，这种节能墙壁又可以主动地向外散热，为室内降温。“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”不仅可以在新建筑上使用，也可以对现有建筑进行“主动节能墙壁”的技术改造，使墙壁不仅仅起到保温隔热的作用，而且还能够为建筑物做出主动节能的贡献.除了利用温度自动控制系统，控制各个节能单元内墙体上、下活门的开启与关闭之外，也可以根据季节、时段、以及升温或降温的需要和各个节能单元所处的朝向方位，分别对不同单元内墙体的上、下活门进行人工开启或关闭的控制.(四)附图说明：图1和图2是这种“用于被动房和节能建筑的主动节能墙壁”的示意图，表示在一层楼的一个房间里，不同朝向的两个节能墙壁单元的基本结构。其中数标1表示外墙体，数标2表示密封围框的竖向围墙(通常为两个房间之间的隔墙)，数标3表示内墙体，数标4表示密封围框上部的密封顶盖(通常为本层楼天花板的延伸)，数标5表示密封围框下部的密封下底(通常为本层楼地面的延伸)，数标6表示夹壁墙空腔，数标7表示处于内墙体上部的通风孔洞，数标8表示处于内墙体下部的通风孔洞，数标9表示可以控制上部通风孔洞开启或闭合的可控活门，数标10表示可以控制下部通风孔洞开启或闭合的可控活门，数标11表示伸进夹壁墙空腔里的温度传感器，数标12则表示处于室内的温度传感器。具体的温度控制系统在示意图中没有显示。数标13表示用来安装固定外墙体的、除了四周密封围框之外的竖向和横向辅助支撑框架，在横向支撑框架上带有很多孔洞，不会阻碍该夹壁墙空腔里的空气上、下流动；数标14表示室内空间，数标15表示室外空间。数标16表示阳光照射方位。图1是在需要为室内增温的总体要求下，通过处于不同环境状态的两个墙壁单元各自独立的温度控制机构的控制，使得向阳面单元(左边)由于被太阳晒热、因而夹壁墙空腔里的空气温度高于室内温度的内墙体的上、下活门打开，夹壁墙空腔里被外墙体加热了的空气，就由下向上流动，并在流动过程中，通过与容易导热、并因吸收太阳热辐射而变热的外墙体进行热交换，之后流动进入室内，把热量带入室内，为室内升温做出贡献；与此同时，在背阴面(右边)因室外较凉而使夹壁墙空腔里的空气温度低于室内温度的墙壁单元，其内墙体上、下活门被控制机构关闭，夹壁墙空腔里比室内气温低的空气，就处于停止流动的状态，不会导致室内降温，而由于在室内外之间的墙壁多了一层空气层，就可以起到增加该单元墙壁保温效果的作用。图2所示是需要为室内降温，则两个单元内墙体上、下活门的开启与关闭状态与上相反，左边被太阳晒的单元内墙体的上、下活门关闭，夹壁墙空腔里较热的空气不会流动，仅仅起到增加隔热作用的效果，而右边背阴面单元，如果该处室外空气较凉，使得夹壁墙空腔里的空气温度低于室内温度，则该单元内墙体上、下活门打开，夹壁墙空腔里低于室内温度的空气，就会自上而下流动，进入室内，为室内降温做出贡献。如果该处室外空气较室内热，则内墙体上、下活门也关闭，仅仅起到增强隔热效果的作用.(五)具体实施方式：在建造一座被动房和节能建筑之前，事先在设计时，就将外墙设计成内外两层.内层与外层之间留有一个夹壁墙空腔。内层墙采用隔热性能良好的墙体材料(例如在钢筋混凝土墙壁外敷设泡沫隔热材料层)，而外层墙采用传热性能良好的板材密封为一整体(例如边缘密封相连的铝合金板或不锈钢板或钢化玻璃板等)。连接固定和支撑内、外墙体的，是整体建筑的框架结构以及辅助支撑框架，在横向辅助支撑框架上带有许多孔洞，只起支撑外墙体的作用，而不阻碍该单元夹壁墙空腔里的空气上下流动。在与各个房间相对应的隔热保温性能良好的内墙体的上方和下方，设计构建出适当大小和形状尺寸的通风孔洞。在通风孔洞里密封安装尺寸配套的活门结构，活门结构带有内、外温度传感器和独立的该单元的温度控制机构。在与各房间相应的内、外墙体单元之间的周边，通过墙壁和地板、天花板，的延伸，形成与之对应的密封围框，使与该内、外墙体和密封围框之间，能够形成一个独立的密封夹壁墙空腔。并采用辅助支撑框架结构，在对四周进行密封处理的情况下，将外墙体牢固固定在墙壁、地板、天花板形成的密封围框以及加装的辅助支撑框架上。这样就建成了一个个的主动节能墙壁单元。再将各个节能单元的分支温度控制机构与总体温度控制机构连通，就完成了带有主动节能墙壁单元的被动房和节能建筑的建造.对于现有的被动房和节能建筑来说，也可以通过在与各个单元相应的密封围框的部位，用钢铁型材或钢筋混凝土结构，加装能够承载和支撑外墙体的结构性密封围框，并在其间加装可进一步固定外墙体而不影响夹壁墙空腔里空气上下流动的辅助支撑框架，还在内墙体开挖上、下通风孔洞，并在上、下通风孔洞处安装温度传感器和温度控制机构，最后再进一步密封安装外墙体，就实现了将现有被动房和节能建筑加配“主动节能墙壁”的技术改造。