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CN101600914B - 建筑物的通风空气冷却方法和装置 - Google Patents

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CN101600914B CN2007800176219A CN200780017621A CN101600914B CN 101600914 B CN101600914 B CN 101600914B CN 2007800176219 A CN2007800176219 A CN 2007800176219A CN 200780017621 A CN200780017621 A CN 200780017621A CN 101600914 B CN101600914 B CN 101600914B
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Abstract

一种建筑物的冷却通风装置，包括建筑物上的一个带有散热面的散热板，该散热板的散热面朝天放置并暴露于周围空气中。散热板界定了其与建筑物之间的一个空气收集区域，并具有多个进风孔，周围空气可由进风孔进入空气收集区域。一通道在空气收集区域和建筑物内部之间延伸，为冷空气提供了从空气收集区域进入建筑物内部的通道。与通道相连的风扇把空气从空气收集区域由通道输送至建筑物内部。

Description

建筑物的通风空气冷却方法和装置 
技术领域
本发明涉及为建筑物提供通风空气，并涉及在通风空气进入建筑物前对其进行冷却。 
背景技术
商用、工业、居住和公寓建筑物均有通风要求。通常，标准的房屋构造会利用门、墙-顶棚接缝等的自然渗漏允许足够的空气进入建筑物。强风、排气扇和燃烧燃料所需的助燃空气等多种因素都会形成建筑物外部与内部之间的压降。于是，室外空气会从每一处缝隙或开口被吸进建筑物。 
常规的仅靠门和接缝处的气流渗漏提供通风的方法问题在于通风空气的量和温度都得不到控制。对通风空气缺乏控制通常造成需要利用空调或风扇在采暖季节更多的加热或在夏季或热天时需要更多的制冷。 
1990年2月13日授权的美国专利No.4,899,728和1990年6月19日授权的美国专利No.4,934,338分别介绍了使用太阳能板加热要进入建筑物的补充空气(通风)。这些系统能有效地加热太阳能板表面上的大量空气。然而专利中所介绍的系统只讲述了如何加热通风空气，并没有说明怎样在暖季或热天时所需的对通风空气进行冷却。 
发明内容
根据本发明的实施例的一个方面，为建筑物提供了一个通风空气冷却装置，该装置包括用于建筑物上的带有一散热面的散热板，该散热板的散热面朝天放置并暴露于周围空气中。散热板界定了其与建筑物之间的一个空气收集区域，并具有多个进风孔，周围空气可由进风孔进入空气收集区域。一通道在空气收集区域和建筑物内部之间延伸，为冷空气提供了从空气收集区域进入建筑物内部的通道。一风扇把制冷的空气从空气收集区域 由出所述通道输送至建筑物内部。 
根据本发明的实施例的另一方面中，为建筑物提供了一冷却通风空气的方法。该方法包括：在建筑物表面上安装一带有一散热面的散热板，散热面朝天放置并暴露于周围空气中。该板界定了其与建筑物之间的一个空气收集区域，板上有多个进风孔，周围空气可通过进风孔进入空气收集区域。该方法还包括将周围空气经进风孔吸入空气收集区域，空气中的热量传递到板，再从板上辐射到外界来对空气进行冷却，从而得到冷却通风空气并经由进气孔收回排入建筑物内。 
将空气吸入到板和建筑物之间的空气收集区域中，通过热传递到板上再将板上热量辐射到外界来更好地对空气进行冷却。因此，进入建筑物的通风空气温度较之于室内空气温度要低。在一实施例中，在一斜屋顶上使用水平Z杆支撑散热板。在板的背面凝有水珠，沿着Z杆向下流并滴落在屋顶上至流走。板的背面留存的水越少，所需冷却的水也就越少，从而有利于冷却空气。 
在另外一实施例中，装有一用来将加热好的空气从空气收集区域输送到建筑物内部的加热通道。因此，在采暖期间太阳照射加热的周围空气直接进入建筑物，而冷却空气在冷却期间直接进入建筑物。 
附图说明
参照以下附图和说明可以更好地理解本发明，其中： 
图1是根据本发明的一个实施例为建筑物提供冷却通风空气的装置的部分的透视图。 
图2是图1中装置的局部视图。 
图3是根据本发明的另一实施例为建筑物提供冷却通风空气装置的局部视图。 
图4是根据本发明的又一实施例为建筑物提供冷却通风空气装置的局部视图。 
图5是根据本发明的还一实施例为建筑物提供冷却通风空气装置的立体图。
图6是根据本发明的再一实施例为建筑物制作的冷却通风空气装置的侧面剖视图。 
图7是图6中装置侧面剖视图的局部放大图。 
图8是图6中装置俯视图的局部放大图。 
发明内容
用Stefan-Boltzmann辐射定律可以计算表面温度下降的热损失。建筑物的屋顶暴露在晴朗的夜间天空中，由于屋顶向凉爽的夜间辐射热损失，其温度降低至低于室内空气温度。在晴朗干燥天气里屋顶的冷却速率大约是75W/m2。在湿度更大和多云天气时冷却速率会有所下降。当屋顶热损失超过所吸收太阳能热量时，夜间冷却开始起作用，一般从黄昏前开始一直持续到黎明。因此，屋顶大约有10-12个小时的夜间冷却，每天如此。 
参照图1和图2来描述建筑物的冷却通风空气装置。装置由数字10整体性指示，建筑物由数字50来整体性指示。建筑物50上安装的装置10包括一散热板14，板上有一散热面16，散热板14上的散热面16朝天放置并暴露在周围空气中。散热板14界定了其与建筑物50之间的空气收集区域18，板上有多个进气孔20便于周围空气经由进气孔20进入空气收集区域18中。一个通道22从空气收集区域18延伸至建筑物50的内部，将冷却后的周围空气从空气收集区域18输送到建筑物50内部。相连的风扇24将空气从冷却后的周围空气从空气收集区域18经由通道22输送到建筑物50的内部。 
继续参照图1和图2可以对建筑物50上冷却通风空气装置10的实施例进行进一步描述。装置10固定在建筑物50的屋顶52上。如图所示，散热板14，此处用板14表示，为波纹梯形状的金属板，板的一面为高散热或辐射面16，另一面为低吸收和低辐射面17。因此，板的其中一面散热速率大于另外一面。板14固定在屋顶52的外表面，其高散热面16朝天安置，低散热面17(此处也称为下表面17)朝向建筑物50的屋顶52。本实施例中屋顶52呈一定角度，屋顶中心的顶部至外边缘高度逐渐下降，并且波纹梯形板14的一部分在与屋顶52平行的方向上伸展。因此，板14有一接近屋顶52外边缘的低位部分26和一接近屋顶52顶部的高位部分28。在本实施例中板14覆盖住屋顶52的大部分，在屋顶52上遮挡阳光。 
板14通过固定夹子(hat clip)32上的Z型杆30安置于屋顶52的外表面。参照图2，夹子32被适当的加紧器固定在屋顶52的外表面上。夹子32水平排列且彼此间隔以便气流能进入夹子间的空隙。杆30的Z型截面可以在图2中看到。如图所示，杆30固定在夹子32上，同时也固定在板14上，结果使得Z型杆的中心区域能进一步将板14与屋顶52分隔开。因此，Z型杆一个边支撑着彼此分开的夹子32，另一边支撑着板14。 
如上文所述，板14表面上分布有进风孔20。进风孔20为周围空气从外界进入到空气收集区域18提供通道。在本实施例中，进风孔20大致均匀分布在板14上，通道22与空气收集区域18相接处的区域除外。板14上的进风孔由旋转冲压孔隙形成，孔隙末端的孔隙即构成进风孔20。进气孔20很小，便于过滤要进入冷却装置的空气。 
板14由金属框架33围绕其包边。金属框架33用例如硅系填料在板14的侧面和顶面与屋顶52形成封接。金属框架的底面并未形成封接以便雨水或雾水从屋顶52流走。 
风管34与空气收集区域18相通，该管从空气收集区域18(在斜屋顶52的低位处)的低位处经过建筑物50的外墙面，提供通道22以便冷却的周围空气从空气收集区域18进入到建筑物50内部。风管34延伸至建筑物50内，在其出口将冷却的外界空气输送至建筑物50内部。 
风扇外罩36与风管34相连，它包括将空气从空气收集区域18输送至建筑物内部的风扇24。在本实施例中，风扇外罩36位于建筑物50外部的屋顶52上。风扇外罩36的电动挡风板可以调节，使建筑物内部的空气可以与来自空气收集区域18的冷风混合。风扇24一般尺寸上满足通风要求并防止建筑物内部产生负气压。通过把经过冷却的室外空气由风管34引入建筑物能过获得正气压。内部空气经由通风口和缝隙排出建筑物。在本实施例中，风扇24是一个由控制器控制的、与进风温度相关的可变速风扇。因此，当进风温度高于室温时，风扇24低速运转。当进风温度 低于室温时，风扇速度提高，不仅提供通风空气，同时提供空气冷却。 
在实际使用中，冷却通风空气的装置10位于建筑物50的屋顶52上。周围空气由板14上的进风孔20进入空气收集区域18。当空气收集区域18中的空气冷却时，冷空气在空气收集区域中的位置下沉，暖空气则上升。因此，最冷的空气自然沉入空气收集区域的最低位置处，在此处，空气被风扇24从空气收集区域18抽出经过风管34上的通道22排入建筑物50内，为建筑物提供经过冷却的通风空气。 
空气在空气收集区域18内冷却的过程中，在板14的下表面形成的水滴受重力的作用向下并经过板14的斜面向下运动。该运动受到固定于板14下表面17上且水平延展的Z型杆的阻挠。水滴到达Z型杆时，将从板14上滑落并落至建筑物50的屋顶52上，再从屋顶上流走。因此，在板14的下表面17上凝聚的水滴滑落，需冷却的水滴量变少。此外，白天太阳也将晒干空气收集区域。 
现参照图3对另一实施例进行描述。本实施例与第一次描述的实施例相似，因此不再对细节进行描述。然而与第一次实施例不同的是，本实施例中有一空气调节器作为冷却单元38，并且风扇24位于冷却单元内部。从空气收集区域18抽过来进入风管34的冷空气在与建筑物内部空气混合前经此冷却单元得到进一步的冷却，因而该冷却单元起到第二次冷却的作用。冷却单元38也包括一个从进入建筑物的空气中去除水蒸汽的除湿器。在天气潮湿时，除湿器作用非常显著。 
现参照图4对又一实施例进行描述。同样本实施例与第一次的实施例相似，因此无需对相同特征进行描述。在本实施例中，板14的辐射表面16被覆上一层传导色漆(介于黑和白之间)形成吸热表面。因此板14在白天时的作用是对空气收集区域18中的空气进行加热。 
第二风管40与空气收集区域18相连，该风管从空气收集区域18的上部(斜屋顶52的上部)延伸至风扇24，并提供第二通道，第二通道用来加热从空气收集区域18进入建筑物50内的周围空气。第一风管34和第二风管40包括引导气流经风扇进入建筑物50内的挡风板。因此，根据白天时间的不同或加热或冷却的需要，有选择地从空气收集区域18中抽 走空气。 
实际使用中，本实施例中的装置10在制冷季节(夏季)时用于冷却通风空气。然而，本实施例中的装置10同样可在采暖季节(冬季)用于加热通风空气。空气收集区域18中的空气由板14传导的太阳热和经过屋顶52从建筑物50内泄露的热量共同作用加热。如上所述，空气收集区域18中的暖空气在冷空气下沉的时候上升。因此，安装第二气管40将空气从空气收集区域的移走。热气被风扇24通过第二气管40抽离出空气收集区域18并进入建筑物50内。使用热吸收涂层使得白天能够加热，也允许无太阳时的夜间冷却。 
已通过众多例子对本发明进行了描述。上述的实施例可发生变化和改进。比如，第一个被描述的实施例论及到进风孔的均匀分布，但是进风孔也可以不均匀分布，比如，在接近风管34向气体收集区域的出气口处的板的低位处分布较少的进风孔。此外，进风孔的密度可以随其到风管34间的距离而增加。此外，进风孔的尺寸可以随其到风管34间的距离而增加。此处将冷风排入建筑物内的风管34描述为从建筑物侧墙的进入，风管也可从建筑物屋顶进入。 
至此对斜屋顶上的建筑物的冷却通风装置做了描述。该装置同样也可用于平屋顶，如图5所示，图5示出了建筑物50的屋顶52上的散热板14，板上有允许气流进入该板界定的空气收集区域的一些进风孔20。在本实施例中，散热板14相对屋顶52倾斜，以便于空气在空气收集区域中的低水平面上经过通道22被抽离。由于热空气上升，热空气朝散热板14的最上方或经过进气孔20向上运动。冷空气则沉向通道22，并在使用时被抽离。如图所示，在风管34与空气收集区域相接处没有进气孔。在本实施例中，风扇外罩36(包括风扇)位于屋顶52上。 
其它的替代方案也是可能的。比如，进风孔可通过任何合适的方式形成。这些进风孔可以是上述的孔隙，或连接处及交叠的屋瓦形成孔或缝隙。参照图6至图8，散热板14由图中交叠的屋瓦46形成。在此实施例中，通风空气经过瓦下缝隙，绕过瓦片随后向下至垂直支撑物47之间，水平支撑物48固定在垂直支撑之上。水平支撑物48固定在建筑物50的屋顶 52上。也可以设想，要在白天时发电，可以用光电瓦片做交替瓦片。 
在第三个所述的实施例中，可以理解，热气在与建筑物50内的气体混合之前可以得到进一步加热。同样可以理解，在提供加热通风空气的第三个实施例中，也不只使用一个风扇，一般也采用第二风扇外罩和第二风扇来抽取空气。同样，本文中夹子和z型杆也作为示范来进行描述。也可使用其它部件。例如，在一些屋顶，例如在屋顶间隔距离一定或屋顶支撑物与夹子固定位置不在同一直线时，可以采用垂直的Z型杆而不使用夹子。安装垂直杆使得空气水平向出通道运动。水平杆下的垂直杆距屋顶的较低处线不远，便于空气水平流向进风管。 
需将板的散热表面积大小与风扇控制的流速联系起来。如流速可由板的散热表面积和空气经过进风孔的最大冷却速率决定。在另一种变化形式中，板的尺寸可由流速和空气经过进风孔的最大冷却速率决定。 
本领域技术人员仍可以对发明所描述的实施例进行其他修改或改变。所有此类修改和变化均被视为本发明的范畴。

Claims (24)

1.一种用于建筑物的通风空气冷却装置，包括：
一带有散热面的散热板，安装在所述建筑物上，所述散热板的所述散热面朝天放置并暴露于周围空气中，所述散热板界定了其与所述建筑物之间的空气收集区域，板上带有多个进风孔，周围空气可经进风孔进入空气收集区域；
一通道，在所述的空气收集区域和所述建筑物内部之间，为冷风提供了从空气收集区域到建筑物内部的通道；
一风扇，将空气从所述空气收集区域输送至所述空气收集区域的下部以及由所述通道输送至建筑物内部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的散热板包括一低吸收的背面，与所述的散热面相对，用来防止从所属建筑的屋顶吸取热量。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热板背面的散热速度要低于所述的散热面的散热速度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的散热板为波纹板。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热板覆盖在所述建筑物的屋顶上，从而为所述屋顶遮挡太阳，所述空气收集区域位于所述散热板和所述屋顶之间。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的散热板通过中介的、基本水平的杆固定在所述建筑物上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的基本水平的杆为基本水平的Z杆。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的Z型杆固定在夹子上，从而也固定在所述建筑物上。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述风扇包括一冷却单元，用来进一步冷却所述的冷风。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的冷却单元包括一除湿器，用来移除所述冷风中的水汽。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第二通道，其位于所述的空气收集区域和所述建筑物内部之间，为已加热的周围空气提供了从空气收集区域到所述建筑物内部的通道。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括第二风扇，其将所述已加热的周围空气从所述空气收集区域由所述的第二通道输送至所述建筑物内部。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道位于斜屋顶的低处。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括：
第二通道，其位于所述空气收集区域和所述建筑物内部之间，为已加热的周围空气提供一从所述空气收集区域到所述建筑物内部的通道，所述的第二通道位于所述斜屋顶的高位处。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进风孔由至少一个孔隙、孔、缝隙构成。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的散热板由多个的可发电的光电板构成。
17.一种用于使用权利要求1的装置来冷却建筑物通风空气的方法，包括：
在建筑物表面上安装带有散热面的散热板，使得所述散热板的散热面朝天放置并暴露于周围空气中，所述散热板界定其与所述建筑物之间的一个空气收集区域，板上有多个的气孔，以使周围空气由气孔进入空气收集区域；
经由进风孔吸取所述周围空气至所述空气收集区域；
将热量传递到所述板并将热量从板上散放到天空中来冷却所述周围空气；
经由进风孔从所述空气收集区域的下部抽取冷却后的通风空气并将所述的冷风排入建筑物内。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，安装所述散热板包括安装一低吸收率的背面板，该板与所述散热面相对，用于防止从所述建筑物的屋顶吸收热量。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，安装所述的散热板包括安装一背面板，该背面板散热速度低于所述散热面散热速度的板。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，安装所述的散热板包括用中介的、基本水平的杆将所述的散热板固定在所述的建筑物上。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在冷却单元中进一步冷却冷风。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括对所述的冷风进行除湿作用。
23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：在采暖季节用太阳能集热板和建筑物内部热量加热所述周围空气来提供热风；在采暖期间经由第二个进风孔抽出热风并将所述的热风排入所述建筑物内。
24.一种用于建筑物的通风空气冷却装置，包括，
一安装在所述建筑物上的散热板，该散热板带有暴露于周围空气中散热面，所述散热面设置为晚上朝向天空，在将所述散热板安装在所述建筑物上时，使得所述散热板因晚上的热动力学冷却而经受辐射热损耗，在将安装在所述建筑物上时，所述散热板界定了其与所述建筑物之间的空气收集区域，板上带有多个进风孔，周围空气可经进风孔进入所述空气收集区域，其中，所述空气收集区域的下部与一与所述建筑物内部相连的通道连接，所述通道与风扇相结合，将空气从冷却的空气从收集区域输送至所述空气收集区域的下部以及由所述通道输送至建筑物内部。
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