一种智能可调的新型被动式屋顶的制作方法

本实用新型涉及建筑工程技术领域，特别是涉及一种智能可调的新型被动式屋顶。

背景技术：

长久以来，建筑的围护结构以静态的保温隔热设计为主。通过增设高热阻保温材料等形式，提升围护结构的整体热阻，以减少室内外的热量传递。此类围护结构适用于严寒、寒冷地区的冬季保温隔热，但对全年防热为主的地区及排热为主的建筑并不适宜。针对此类地区及建筑，静态的高热阻导致室内热量难以通过围护结构及时向外排出，只能通过主动式设备排热，无形中增加了供冷能耗。

以夏热冬暖地区为例，其气候特征是长夏无冬，日平均温度≥25℃的天数为100～200天，且最冷月的平均温度也大于10℃，该地区的气候特点决定了建筑物应以全年防热为主且无供暖需求；而数据机房等高产热场所则是因自身内热源的产热量过大，同样导致建筑物以全年排热为主且无供暖需求。

无论是因气候条件决定全年防热的夏热冬暖地区，还是因自身内热源导致全年排热的数据机房等场所，静态高热阻的建筑围护结构均无法满足其排热需求，此类建筑理想的围护结构形式应智能可调：当室内温度高于室外温度时，降低围护结构热阻，将热量及时排出至室外；当室外温度高于室内温度时，增大围护结构热阻，减少室外向室内的传热量。通过此类围护结构，满足全年防热为主的地区及排热为主的建筑的实际需求。

与本实用新型最相近似的现有技术是将辐射降温超材料层与墙体或屋顶相结合形成被动式冷却的建筑围护结构。深圳瑞凌新能源科技有限公司的徐绍禹等人基于此提出了“一种建筑外墙或屋顶用中空辐射降温被动式结构”(申请公布号：cn108222367a)，该装置的结构组成及其关系介绍如下：

图1、图2分别展示了该建筑外墙或屋顶用中空辐射降温被动式结构的整体结构示意图与截面示意图。其中，包括由外层板10、内层板20、上顶板30、下底板40和两侧板50组成的空气腔体60；上顶板30和下底板40分别固定在外层板10的上下两端，外层板10和内层板20并行设置在下底板40上，上顶板30盖设在外层板10和内层板20上，两侧板50分别在外层板10两侧，且两侧板50均与上顶板30、下底板40、内层板20相接；内层板20与上顶板30之间设有一进气口210，内层板20与下底板40之间设有一出气口220；外层板10的最外侧表面设置有辐射降温超材料层70。其中，辐射降温超材料层70为该排热屋顶的核心降温部件。

现有的屋顶技术主要以静态隔热为主，通过在结构层内部或外部设置保温层以增大屋顶热阻，减少室内外的热量传递。传统屋顶的静态隔热特性决定了屋顶热阻不受季节变化等因素影响，无法根据室内外的温度变化来灵活地调整屋顶热阻。

而上述介绍的“一种建筑外墙或屋顶用中空辐射降温被动式结构”对传统屋顶隔热的特性进行了改变。利用屋顶表面辐射降温超材料层的热辐射作用，将传统屋顶的隔热特性调整为排热特性，通过天空冷辐射的方式将热量转移至较冷的太空环境中。该辐射降温超材料层将一部分波长较短的可见光通过高反射率的镀银薄膜反射，同时将另一部分波长较长的红外线通过高吸收率的超材料吸收，再利用大气层在波长8-13μm的红外窗口，将红外线穿过大气层直接辐射到太空，以此形成连续排热的屋顶。

基于以上的原理介绍，现有技术存在如下主要不足：

1、无论是传统的保温层隔热屋顶，还是利用辐射降温超材料层而形成的排热屋顶，屋顶热阻均不可调，只能单一地满足隔热或排热模式，无法满足屋顶随室内外温度变化。对传统的保温层隔热屋顶而言，屋顶不可调的高热阻导致室内温度高于室外温度时，热量无法及时排出；而对辐射降温超材料层屋顶而言，该结构为定值、连续排热，同样非智能可调，不起隔热作用。若室内温度已较低时，该屋顶依旧通过辐射作用单向排热，不受室内外温度变化的影响，存在室内温度过低而导致房间内过冷的风险。

2、对排热屋顶，该技术的冷却原理决定了辐射降温超材料层必须位于建筑围护结构的最外侧且无遮挡。但在实际使用过程中，会常有露珠、雨水和积灰等现象的产生，同时存在如冰雹等极端气候条件对超材料层表面破坏的风险，这会导致实际的被动式冷却效果降低，技术可行性差。使用者需要进行定期的维护与清理，但超材料层位于屋顶或墙体的外表面又不便于维护与清理，进而减少了该技术的被动式优势。

3、对排热屋顶，该技术对短波可见光的高反射模式，存在光污染的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种智能可调的新型被动式屋顶，以解决上述现有技术存在的问题，通过跳跃液滴材料热二极管中超亲水层、超疏水层的被动式传热控制，形成一种无需人为清理，可嵌入建筑围护结构内部，受室内外温度被动式驱动“排热/隔热”的智能可调新型被动式屋顶。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种智能可调的新型被动式屋顶，包括自下而上依次设置的内层屋顶、空气层、跳跃液滴材料热二极管和外层屋顶；其中，所述跳跃液滴材料热二极管包括自下而上依次设置的超亲水层、超亲水层表面吸液芯和超疏水层，并通过左右两侧的垫片材料将超亲水层与超疏水层分离，形成中间的空气夹层。

优选地，所述内层屋顶包括自下而上依次设置的结构层、找坡层和找平层，所述内层屋顶的两侧设置连通所述空气层的空气通道。

优选地，所述外层屋顶包括自下而上依次设置的结合层、防水层和保护层。

优选地，所述空气夹层中的内部循环工质为去离子水。

优选地，所述超亲水层和所述超疏水层由铜板制成，所述超亲水层和所述超疏水层的表面使用硝酸银溶液做纳米涂层，并分别使用亲水剂、疏水剂进行镀层，经冲洗、干燥后形成最终的所述超亲水层和所述超疏水层。

优选地，所述垫片材料的材料为聚四氟乙烯。

本实用新型相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本实用新型提供的智能可调的新型被动式屋顶，室内排热量受室内外温差自切换控制，智能可调，非定值连续排热，受室内外温度的波动控制。当室外温度低于室内温度时，通过空气层结合热二极管单向快速排热，导热系数大，排热能力强；当室外温度高于室内温度时，通过热二极管快速隔热，导热系数小，隔热能力强。室内温度随室外温度波动，不存在室内过热或过冷的风险，室内温度变化范围合理，能够降低室内冷负荷，进而降低全年的供冷能耗。同时可以配合供冷系统结合使用，以达到更好的实际使用效果。

2、本实用新型提供的智能可调的新型被动式屋顶，屋顶坚固稳定，跳跃液滴材料热二极管置于屋顶结构的保护层内部，不受到实际使用过程中常有的露珠、雨水和积灰等现象影响，也同样能够避免如冰雹等极端气候条件对构件的破坏风险。无需使用者进行过多的维护与清理，便于使用，技术可行性较强，具备形成建筑围护结构装配式一体化的潜力。

3、本实用新型提供的智能可调的新型被动式屋顶，不存在光污染等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中专利建筑外墙或屋顶用中空辐射降温被动式结构的整体结构示意图；

图2为背景技术中专利建筑外墙或屋顶用中空辐射降温被动式结构的截面示意图

图3为本实用新型中智能可调的新型被动式屋顶的结构构造图；

图4为本实用新型中智能可调的新型被动式屋顶的排热过程示意图；

图5为本实用新型中智能可调的新型被动式屋顶的隔热过程示意图；

图中：10-外层板、20-内层板、30-上顶板、40-下底板、50-侧板、60-空气腔体、70-辐射降温超材料层、210-进气口、220-出气口；

1-内层屋顶、11-结构层、12-找坡层、13-找平层、14-空气通道；

2-空气层；

3-跳跃液滴材料热二极管、31-超亲水层、32-超亲水层表面吸液芯、33-垫片材料、34-空气夹层、35-超疏水层；

4-外层屋顶、41-结合层、42-防水层、43-保护层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种智能可调的新型被动式屋顶，以解决现有技术存在的问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实施例中的智能可调的新型被动式屋顶，如图3所示，包括自下而上依次设置的内层屋顶1、空气层2、跳跃液滴材料热二极管3和外层屋顶4，内、外层屋顶的具体材料不限；其中，内层屋顶1包括自下而上依次设置的结构层11、找坡层12和找平层13，内层屋顶1的两侧设置连通空气层2的空气通道14；跳跃液滴材料热二极管3包括自下而上依次设置的超亲水层31、超亲水层表面吸液芯32和超疏水层35，并通过左右两侧的垫片材料33将超亲水层31与超疏水层35分离，形成中间的空气夹层34；外层屋顶4包括自下而上依次设置的结合层41、防水层42和保护层43。

本实施例中，空气夹层中的内部循环工质可选用去离子水36，超亲水层31、超疏水层35均可以使用铜板为主要材料，在其表面使用硝酸银溶液做纳米涂层，并分别使用亲水剂(如在ch2cl2中混合少量的hs(ch2)11oh)、疏水剂(如在ch2cl2中混合少量的cf3(cf2)7ch2ch2sh)进行镀层，经冲洗、干燥后形成最终的超亲水层31和超疏水层35。垫片材料33可选用导热系数较低的聚四氟乙烯，以防止“热桥”现象的产生。对跳跃液滴材料热二极管3的相关研究表明，在室温条件下，跳跃液滴材料热二极管3的正向导热系数(即室内向室外传热)约为10w/(m·k)，反向导热系数(即室外向室内传热)约为0.06w/(m·k)，正反向传热能力的差异性极大，结合建筑围护结构形成被动式“排热/隔热”的新型屋顶有较好的应用前景，适用于全年防热为主的地区及排热为主的建筑等场景。

本实用新型的技术方案中通过跳跃液滴材料热二极管3结合空气层2来控制智能可调新型被动式屋顶的排热、隔热模式，该屋顶的排热与隔热模式均由室内外温度自主驱动控制。图4为跳跃液滴材料热二极管3在“室内向室外排热”模式下的结构示意图，图5为跳跃液滴材料热二极管3在“室内向室外隔热”模式下的结构示意图。

排热模式为：当室内温度高于室外温度时，室内热空气上升，通过内层屋顶1中的空气通道14进入空气层2中，以自然对流换热的方式将热量传递至跳跃液滴材料热二极管3最下方的超亲水层31。空气层2的设置，能够在排热模式中，使热空气通过对流换热的方式直接与跳跃液滴材料热二极管3进行换热，最大限度地减少内层屋顶1中结构层11的蓄热作用，更加快速地向室外排热。

由于跳跃液滴材料热二极管3最下方的超亲水层31受热，位于超亲水层表面吸液芯32中的去离子水36受热发生相变过程，蒸发吸热，热蒸汽上升，遇到跳跃液滴材料热二极管3上方较冷的超疏水层35，在超疏水层35表面再次发生相变过程，冷凝放热，将热量传递给外层屋顶4，进而将热量传递到较冷的室外。与此同时，由于超疏水层的表面特性，冷凝的去离子水36在超疏水层35表面发生液滴聚集现象，小液滴自主聚集形成大液滴，液滴总体表面积减小。当减少表面积所获得的能量大于超疏水表面较小的吸附力时，液滴就会发生自主跳跃现象脱离超疏水层35。液滴借助跳跃现象，配合重力作用，穿越空气夹层34返回到下方的超亲水层31，完成整个循环过程，并进行下一轮的室内排热过程。如图4所示。

隔热模式为：当室外温度高于室内温度时，室外温度经由外层屋顶4将热量传递至跳跃液滴材料热二极管3最上方的超疏水层35，但由于跳跃液滴材料热二极管3的特性决定去离子水36浸润在超亲水层表面吸液芯32中，因此无法发生相变传热过程。热量只能通过垫片材料33和空气夹层34进行极少量传递，以此起到室内向室外的隔热作用。如图5所示。

以全年无需供暖的夏热冬暖地区为例，该地区夏季全天的室外气温主要在25-35℃附近。当白天室外温度较高时，此时室外温度高于室内温度，即外层屋顶4温度高于屋顶内部空气层2温度，根据跳跃液滴材料热二极管3的特性，此时去离子水36浸润在超亲水层表面吸液芯32内，屋顶起隔热作用，相比传统屋顶减少了室外向室内的传热量。当夜间室外温度开始逐渐降低，直至低于室内温度时，此时屋顶内部空气层2温度高于外层屋顶4温度，根据跳跃液滴材料热二极管3的特性，发生相变传热过程，屋顶自动切换为排热模式，将热量通过被动式屋顶快速排出室外，并保持室内温度相对适宜。当白天室外温度又开始逐渐上升，再次高于室内温度时，屋顶自动切换为隔热模式，以此循环往复，从而全时段的降低室内冷负荷，进而降低供冷能耗。

本实用新型应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

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