专利名称：用于热能回收和太阳能空气加热的多孔透明玻璃窗的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及适合于依靠例如太阳能和/或热能等自由能回收来将新鲜外部 空气预热的装置。
背景技术：
常规的有玻璃的太阳能空气加热器的设计通常包括置于暗色的太阳能吸收器前 部的玻璃、聚碳酸酯或莱克桑(Lexan )的透明盖。前部透明盖用来将从收集器的顶部损 失的热能最小化。通常从前部透明盖与太阳能吸收器之间的收集器的一端导入新鲜外部空 气。空气沿着散热片通过收集器并在沿着散热片移动时从太阳能吸收器上吸收热能。在收 集器的相反末端排出温空气或热空气。当空气在收集器中前行时，空气的温度上升到高于 环境温度。收集器中的温度越高，损失到环境中的热能就越多。在收集器的底部、边缘以及 顶部(玻璃窗所在的部位)均发生热能损失。通常边缘和底部是隔热的，所以主要经由顶 部发生热能损失，也就是说，热能通过吸收器与玻璃窗之间的对流，然后经由玻璃窗传导而 损失。当玻璃窗变得非常温暖时，收集器效率变低。这些年还设计出了多种无玻璃窗的太阳能空气加热器。目前透气的收集器设计是 这样的太阳能吸收表面位于面向太阳的外侧，并且没有玻璃窗防护。多孔吸收器连接至在 建筑物(或收集器的底部)与吸收器之间产生负压的风扇。当风扇运转时，经由吸收器抽 入空气。从外部不透明吸收器中的孔穿过的空气破坏了自然地存在于吸收器面向外部的一 侧处的温暖空气薄膜(边界层)。当收集器的每单位面积的空气流量超过6cfm每平方英尺 时，这种方法所提供的性能是可接受的。然而，当单位流量低于5cfm每平方英尺时，经多孔 板过滤的冷空气量不足以防止收集器板升温，从而会对系统的总热效率造成不利影响。当 速率为2cfm每平方英尺时，效率降到30%或更低。
发明内容
因此，本发明旨在解决上述的问题。所以，根据本发明的总体方面，提供一种热能收集器包括透明玻璃窗，其暴露在 环境中，所述透明玻璃窗与背表面隔开以与所述背表面限定气室；多个孔，其限定为贯穿所 述透明玻璃窗，所述多个孔用于允许外部空气经由所述透明玻璃窗流入所述气室中，所述 孔分布在所述透明玻璃窗的表面区域上，所述气室具有出口 ；以及空气移动装置，其将被加 热的空气经由所述出口从所述气室中抽出。根据其它总体方面，所述背表面包括太阳辐射吸收板。根据另一总体方面，提供一种用于加热空气的装置，所述装置包括多孔透明表 面，其允许太阳辐射穿过所述多孔透明表面；太阳辐射吸收表面，其位于所述多孔透明表面 后方，以吸收太阳辐射；以及空气间隙，其被限定在所述多孔透明表面与所述太阳辐射吸收 表面之间，在所述空气间隙中流动的空气在新鲜环境空气经由所述多孔透明表面的孔流入 时，从所述太阳辐射吸收表面吸收热能，从而使所述多孔透明表面的温度变化量最小。
根据另一总体方面，提供一种暴露在环境中的多孔透明表面。所述多孔透明表面 与背表面间隔开以在所述多孔透明表面与所述背表面之间限定空气间隙或气室。经由所述 多孔透明表面将新鲜外部空气抽入所述气室中。所述背表面可以设置为以下形式例如，太 阳能收集器的底部、建筑物的墙壁或屋顶、温室的外部表面、光电板、地面或任何无孔表面。 利用机械或自然手段将所述多孔透明表面与所述背表面之间的所述空气间隙保持为负压。 设置出口，所述出口用于允许将流过所述气室的空气抽入导管或管道中，以用作消耗或需 要热能的补给、通风、处理或装置的助燃空气。所述气室中的空气由入射到作为太阳能吸收器的背板的表面上的太阳辐射加热， 或/和由从所述背表面逸出的热能加热。因此，所述装置可以作为太阳能空气加热器和/ 或热能回收单元。当用作太阳能空气加热器时，所述背表面可以是暗色的，以便使通过所述 多孔透明表面入射的太阳辐射被所述背表面以热能的形式吸收而不被反射回外部空间。然 而，如果由于美学或其它原因所述背表面必须是浅色的，则太阳能热效率仍然比其它的常 规无玻璃窗的收集器设计的太阳能热效率高。这在将所述装置用作热能回收装置时尤其明 显，这是因为所述背表面可以是任何颜色而对效率没有影响(如在温室的情况下，所述背 表面甚至可以是透明的)，但是所述背表面的耐热性(隔热性)越低，热能回收率就越高。 所述装置可以同时用来实现太阳能加热和热能回收的功能。如果有必要的话，离开所述装置的被预加热的空气可以使位于下游的辅助加热装 置(例如，燃气系统)的温度达到预定设定值。根据其它方面，提供一种用于对具有面向太阳的表面的建筑物之外的外部空气进 行预加热的方法，所述方法包括在所述建筑物的面向太阳的表面上设置允许太阳辐射通 过的多孔透明表面，在所述多孔透明表面与所述面向太阳的表面之间限定有气室；将外部 空气经由所述多孔透明表面抽入所述气室中；捕获通过所述多孔透明表面入射的太阳辐 射，利用所捕获的太阳辐射加热所述气室中的空气；以及从所述气室中抽出被加热的空气。
图1是根据本发明实施例的包括多孔透明表面的太阳能收集器的示意性侧视图；图2是具有多孔透明玻璃窗的太阳能收集器的另一个实施例的示意性侧视图；图3和图4是根据本发明的其它实施例的具有多孔透明玻璃窗的太阳能收集器的 地面安放构造的示意性侧视图；图5是具有多孔透明玻璃窗的墙壁安装式太阳能收集器的示意性侧视图；图6是具有多孔透明玻璃窗的屋顶安装式太阳能收集器的示意性侧视图；图7是示出用于在借助通风系统将外部的冷空气抽入温室中之前对外部的冷空 气进行预加热的围绕温室外壳的多孔透明玻璃窗的示意性视图；以及图8是对多孔玻璃窗收集器与无玻璃窗的多孔收集器的效率进行比较的曲线图， 上述效率是流过这两种收集器的空气的量的函数。这里的术语“玻璃窗(glazing) ”广义地泛指任何允许光线穿过的透明表面。
具体实施例方式图1示出太阳能空气加热器10，太阳能空气加热器10设置成安装在基座上的细长管状封闭空间的形式并且包括面向太阳的多孔透明玻璃窗12，玻璃窗12暴露在环境中并 布置在背板的前方，背板具有设置在绝热层15上的弧形太阳辐射吸收板14。背板通常设置 为被多孔透明玻璃窗12覆盖的半管壁的形式。吸收板14可以是暗色的，以将太阳能增益 最大化。多孔玻璃窗12可以设置为多孔聚碳酸酯或透明的耐紫外线板的形式。也可以使 用其它透明的聚合物。玻璃窗12可以是刚性的或挠性的。孔可以分布在玻璃窗的整个表 面，或者只分布在玻璃窗的所选表面区域上。在整个玻璃窗表面上，孔密度可以是均勻的或 可变的。在多孔透明玻璃窗12和太阳辐射吸收板14之间限定有气室16。风扇或其它合适 的空气移动装置17可操作地连接到设置在背板一端处的开口 18，以便在将新鲜外部空气 导入通风系统例如建筑物通风系统之前，将新鲜外部空气经由多孔透明玻璃窗12抽入气 室16中。穿过多孔透明玻璃窗12的太阳辐射被吸收板14吸收。气室16中的空气在被抽 出气室16之前获得由吸收板14吸收的热能。在空气顺着吸收板14与多孔玻璃窗12之间 的气室16沿纵向移动时，经由多孔玻璃窗12抽入额外的新鲜外部空气。这样，玻璃窗12 保持在与环境温度大致相同的温度。因此，进入的空气与环境之间的温度差等于零或接近 零，所以将热效率保持在可能的最高值。因此，将经由玻璃窗盖损失的热能保持在最小值。图2示出第二个实施例，其中，用类似的附图标记表示类似的部件。图2所示的太 阳能空气加热器IOa与图1所示的太阳能空气加热器10的主要不同在于太阳能空气加热 器IOa具有以隔开的平行透明玻璃窗和背板为特征的平面构造。背板设为置于平坦隔热材 料层1 上的平坦吸收板14a的形式。吸收板1 可以是波纹状的。侧壁或支架19a沿着 背板和多孔透明玻璃窗12a的周边设置，以便在背板和多孔透明玻璃窗1 之间产生均勻 的空气间隙16a。多孔玻璃窗1 和背板优选地是共同延伸的。背板Ha可以设置为光电 板(PV板)的形式，以便提供加热空气和冷却PV板的双重功能，PV板在表面被保持在低温 时产生更多的电能。如图1和图2所示，根据使用，多孔透明玻璃窗1 优选地被支撑为倾 角与所在地的纬度相同并且面向赤道。然而，应该理解的是，透明玻璃窗可以以其它方式进 行取向或倾斜。例如，图4示出水平取向的多孔透明玻璃窗，而图5示出竖直取向的多孔透 明玻璃窗。如图3和图4所示，太阳能空气加热器可以直接安放在地面上，地表面构成装置的 背板。在图3的实施例中，用类似的附图标记表示类似的部件，其中，气室16b由多孔透明 玻璃窗12b、建筑物的墙壁20b以及地面G形成。抽入气室16b中的新鲜外部空气被地面G 所吸收的太阳辐射以及经由墙壁20b从建筑物中逸出的热能加热。经由限定在透明玻璃窗 12b中的孔流入的新鲜外部空气将整个玻璃窗的温度变化量保持为接近于零，从而确保高 的热效率。被加热的空气从气室16b中抽出并经由建筑物通风系统(未示出)在建筑物B 中循环。如图4所示，其中，仍然用类似的附图标记表示类似的部件，太阳能空气加热器还 可以设置为如下封闭空间的形式，该封闭空间具有围墙19c、由地面形成的封闭底端以及由 多孔透明玻璃窗12c覆盖的顶端。出口 18c与合适的空气移动装置相连，并用于从封闭空 间中抽出被加热的空气。如图5和图6所示，多孔透明玻璃窗12d和1 可以安装为与建筑物的墙壁20d 或建筑物的屋顶2 相面对的关系。在图5的实施例中，气室16d形成在建筑物的墙壁20d 的外表面与相邻的竖直取向的多孔透明玻璃窗12d之间。在图6的实施例中，气室16e由建筑物的屋顶2 的外表面与多孔透明玻璃窗12e形成。在这两个实施例中，经由墙壁20d 或屋顶2 从建筑物围护逸出的热能被回收，以加热气室16d、16e中的空气。屋顶2 和 建筑物的墙壁20d都用作太阳辐射吸收器来进一步加热抽入气室16d和气室16e中的环境 空气。太阳辐射穿过多孔透明玻璃窗并被下面的建筑物的墙壁或屋顶表面吸收，并且气室 中的空气从建筑物的墙壁或屋顶吸收热能。在常规的太阳能墙壁或太阳能屋顶中，太阳辐 射被将建筑物的墙壁或屋顶覆盖的暗色面板直接吸收；与上述常规太阳能墙壁或太阳能屋 顶不同，该透明玻璃窗不会对建筑物的外观产生不期望的改变(即，改变建筑物的墙壁或 屋顶的颜色)。与现有技术不同的是，本系统的性能不受安装在建筑物的墙壁或屋顶上的多 孔面板的颜色的影响或限制。多孔玻璃窗12d、l&是透明的，因此它们不改变建筑物的墙 壁或屋顶的颜色。不必在美学上做出妥协。图7示出本发明其它潜在的应用。更具体地说，图7示出温室B’，如本领域所公知 的，温室B’具有以透明表层25f或隔膜覆盖的骨架。多孔透明玻璃窗12f安装在温室的墙 壁和屋顶上，以限定双壁结构，双壁结构包括限定在多孔透明玻璃窗12f与内部的透明表 层25之间的空气间隙16f。在本实施例中，多孔透明玻璃窗12f用作温室B’的第二隔热 层。从温室中经由内部的表层25逸出的热能在空气间隙16f中被回收。风扇等可以用于 将被加热的空气从空气间隙中抽回温室B’中。多孔透明玻璃窗12f保持为植物生长所需 的透明度。从上述实施例中可以看出，本装置可以用于多种应用，包括·太阳热能空气加热器；·安装在建筑物的墙壁或屋顶上的太阳能新鲜空气预加热器；·混合式太阳能空气/水加热系统；·空气-空气热泵以及空气-水热泵的预加热；·用于温室的透明的能量回收装置； 光电板的冷却；·家用低成本太阳能预加热器。还可以在本装置的下游设置多种装置，以进一步处理空气。例如，本装置可以连接 到以下单元上·燃气补充空气单元；·空气源热泵(空气-空气或空气-水)；·游泳池热泵；·燃烧室；·热能回收单元。上述透气或多孔玻璃窗提供了许多益处。要进入的空气在玻璃窗表面的较大一部 分上，或者在玻璃窗的整个表面上经由玻璃窗表面流入。因此，使玻璃窗表面保持低温，从 而基本上防止收集器顶部的热能损失。此外，收集器中的气温保持为相对低温，从而降低了 经由底部和边缘的热能损失。在高流量时，所提出的多孔透明玻璃窗设计提供至少与由多 孔板设计所提供的太阳能效率一样高的太阳能效率。然而，在低流量时，太阳能效率仍然保 持较高，并且大大超过不透明的多孔收集器，并且甚至以不到一半的成本超过有玻璃窗的 收集器太阳能效率。这容易从图8中看出。更具体地说，可以看出，当多孔表面的流量在2至6cfm每平方英尺之间时，具有黑色背衬表面的多孔玻璃窗的效率大大地高于常规的黑 色多孔金属板太阳能收集器。对于浅色或白色的太阳能收集器而言，性能差异更加明显。具 有白色背衬表面的多孔玻璃窗比白色多孔金属板太阳能收集器的效率高100%。还可以看 出，在例如3或kfm每平方英尺的低流量的情况下，常规的无玻璃窗的多孔收集器与上述 多孔玻璃窗设计之间的性能差异更加明显。 对于本领域技术人员而言，可以容易地在不脱离如所附权利要求书中所限定的本 发明的精神和范围的情况下，对所示出的实施例做出修改。
权利要求
1.一种热能收集器，包括透明玻璃窗，其暴露在环境中，所述透明玻璃窗与背表面间隔开以与所述背表面限定气室；多个孔，其限定为贯穿所述透明玻璃窗，所述多个孔用于允许外部空气经由所述透明 玻璃窗流入所述气室中，所述孔分布在所述透明玻璃窗的表面区域上，所述气室具有出口 ； 以及空气移动装置，其将被加热的空气经由所述出口从所述气室中抽出。
2.根据权利要求1所述的热能收集器，其中， 所述背表面包括太阳辐射吸收板。
3.根据权利要求2所述的热能收集器，其中， 所述太阳辐射吸收板铺在隔热材料层上。
4.根据权利要求2所述的热能收集器，其中， 所述太阳辐射吸收板是弯曲的。
5.根据权利要求1所述的热能收集器，其中， 所述背表面包括至少一张光电板。
6.根据权利要求1所述的热能收集器，其中， 所述背表面是浅色的。
7.根据权利要求2所述的热能收集器，其中， 所述太阳辐射吸收板是波纹状的。
8.根据权利要求1所述的热能收集器，其中，所述背表面具有细长管状构造，所述多孔玻璃窗顺着所述背表面的一侧沿纵向延伸。
9.根据权利要求1所述的热能收集器，其中， 所述气室至少部分地由建筑物的墙壁界定。
10.根据权利要求1所述的热能收集器，其中，所述背表面包括如下透明隔膜所述透明隔膜形成温室的建筑物围护的一部分。
11.根据权利要求1所述的热能收集器，其中， 所述背表面至少部分地由地表面来限定。
12.一种用于加热空气的装置，包括多孔透明表面，其允许太阳辐射穿过所述多孔透明表面； 太阳辐射吸收表面，其位于所述多孔透明表面后方，以吸收太阳辐射；以及 空气间隙，其被限定在所述多孔透明表面与所述太阳辐射吸收表面之间，在所述空气 间隙中流动的空气在新鲜环境空气经由所述多孔透明表面的孔流入时，从所述太阳辐射吸 收表面吸收热能，从而使所述多孔透明表面的温度变化量最小。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，设置空气移动装置来保持所述空气间隙处于负压下。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述多孔透明表面安装在建筑物表面上，所述空气间隙被限定在所述多孔透明表面与 所述建筑物表面之间。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述建筑物表面是在温室骨架结构上延伸的透明隔膜。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述建筑物表面形成所述太阳辐射吸收表面的一部分并且是浅色的。
17.根据权利要求12所述的装置，其中，所述太阳辐射吸收表面包括安装在建筑物表面上的收集板，所述多孔透明表面将所述 收集板与环境隔开。
18.一种用于对具有面向太阳的表面的建筑物之外的外部空气进行预加热的方法，包括在所述建筑物的面向太阳的表面上设置允许太阳辐射通过的多孔透明表面，在所述多 孔透明表面与所述面向太阳的表面之间限定有气室； 将外部空气经由所述多孔透明表面抽入所述气室中；捕获通过所述多孔透明表面入射的太阳辐射，利用所捕获的太阳辐射加热所述气室中 的空气；以及从所述气室中抽出被加热的空气。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，利用所述建筑物的面向太阳的墙壁捕获入射的太阳辐射。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，捕获所述入射的太阳辐射的步骤包括将收集板安装在与所述多孔透明表面隔开的所 述建筑物的墙壁上，所述气室被限定在所述多孔透明表面与所述收集板之间。
全文摘要
一种热能收集器包括暴露在环境中的透明玻璃窗(12)。透明玻璃窗(12)与背表面间隔开以与背表面限定气室(16)。多个孔限定为贯穿透明玻璃窗(12)以用于允许外部空气经由透明玻璃窗(12)流入气室(16)中并且将透明玻璃窗(12)基本上保持在环境温度，从而提供高的热效率。
文档编号F24J2/20GK102149986SQ200880131019
公开日2011年8月10日 申请日期2008年9月5日 优先权日2008年9月5日
发明者克里斯蒂安·瓦尚 申请人:溶解能量概念公司