嵌入保溫外墻的溫差能量收集裝置設(shè)計(jì)

孫瑩　張端

摘? 要：利用碳纖維水泥復(fù)合材料（CFRC）的Seeback效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)一種溫差能量收集裝置，將溫差轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)，串聯(lián)疊加加強(qiáng)效應(yīng)，并通過構(gòu)造設(shè)計(jì)嵌裝于建筑保溫外墻中，為智能建筑低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。這一裝置避免了大量的布線供電設(shè)計(jì)和采用化學(xué)電池引起的二次污染。

關(guān)鍵詞：智能建筑;Seeback效應(yīng);溫差;電動(dòng)勢(shì);保溫外墻;能量收集

中圖分類號(hào)：TU234? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0032-04

Abstract： Based on the Seeback effect principle of carbon fiber reinforced cement composites（CFRC）， a kind of temperature difference energy collection device is designed， which transforms the temperature difference into electromotive force， and the series superposition strengthening effect is adopted. The device is embedded in the thermal insulation outer wall of the building through the structural design to supply power for the low-power wireless sensor network nodes of the intelligent building. This device avoids a large amount of wiring power supply design and secondary pollution caused by the use of chemical batteries.

Keywords： intelligent building; Seeback effect; temperature difference; electromotive force; thermal insulation exterior wall; energy collection

引言

根據(jù)《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50314-200，智能建筑（intelligent building，簡(jiǎn)稱IB），指以建筑物為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境。

建筑的智能圍護(hù)是建筑構(gòu)件的綜合體，這些構(gòu)件能夠執(zhí)行各自功能，使這些構(gòu)件能夠執(zhí)行各自功能，建筑外圍護(hù)構(gòu)件獨(dú)立或聯(lián)合做出調(diào)整，提前應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化，以最小的能耗維持建筑內(nèi)部的健康舒適的環(huán)境。在這樣的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過手動(dòng)或者自動(dòng)調(diào)節(jié)使得外圍護(hù)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性得到加強(qiáng)，建筑圍護(hù)的能量流動(dòng)得到自主的控制，從而以最低的能耗取得最高效率。智能圍護(hù)的核心要求時(shí)能夠應(yīng)對(duì)建筑物內(nèi)外環(huán)境的變化。因此，智能圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身具有可變性。這種可變性可以是圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身物理性能的變化，比如，含有相變材料的墻體、樓板;也可以是物理結(jié)構(gòu)本身的可調(diào)節(jié)性，比如，根據(jù)室外太陽輻射強(qiáng)度和室內(nèi)照度來調(diào)節(jié)內(nèi)遮陽百葉，或者根據(jù)散熱和保溫的不同需求來調(diào)控風(fēng)口的開合[1]。

智能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中分布大量傳感器節(jié)點(diǎn)，均需解決節(jié)點(diǎn)供電問題，通常有兩種選擇，第一，布線實(shí)現(xiàn)供電以及測(cè)量信號(hào)的傳遞，考慮到傳感器數(shù)量繁多、圍護(hù)結(jié)構(gòu)體量巨大并可能存在的活動(dòng)部件，布線設(shè)計(jì)和施工代價(jià)較大;第二，電池供電，測(cè)量信號(hào)無線傳輸，即構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，避免前種方法布線的困擾，但仍存在某些負(fù)面影響：（1）電池電量有限，限制節(jié)點(diǎn)使用壽命;（2）節(jié)點(diǎn)往往不回收，化學(xué)電池引起的二次污染。

針對(duì)上述問題，希望實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電，因此能量收集技術(shù)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)有了用武之地[2]。本設(shè)計(jì)致力于收集和增強(qiáng)材料的溫差電動(dòng)勢(shì)，為低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。能量收集技術(shù)與發(fā)電有些區(qū)別，能量收集往往意味著僅僅獲取較為微弱的能量為低功耗或超低功耗的用電設(shè)備供電，而發(fā)電通常要求為外界提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。

1 設(shè)計(jì)原理：CFRC的Seeback效應(yīng)和利用溫差的能量收集

Seeback效應(yīng)是材料內(nèi)部溫差導(dǎo)致載流子沿溫度場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)形成電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。當(dāng)載流子為空穴時(shí)，在低溫端產(chǎn)生正的溫差電動(dòng)勢(shì)，表現(xiàn)為P型半導(dǎo)體性質(zhì);然而，當(dāng)載流子為電子時(shí)，在低溫端產(chǎn)生負(fù)的溫差電動(dòng)勢(shì)，表現(xiàn)為N型半導(dǎo)體性質(zhì)[3]。對(duì)于P型半導(dǎo)體材料來說，當(dāng)材料中沒有溫度梯度時(shí)，材料中的載流子（空穴）是均勻分布的，但是當(dāng)材料中一旦存在溫度梯度時(shí)，材料中熱端的空穴就會(huì)向冷端進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致熱端的空穴越來越少，而冷端的空穴越來越多，當(dāng)達(dá)到平衡后，熱端和冷端之間形成了電勢(shì)差。N型半導(dǎo)體材料與P型半導(dǎo)體材料類似，當(dāng)N型半導(dǎo)體材料中存在溫度梯度時(shí)，材料中熱端的電子就會(huì)從向冷端擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到平衡后，熱端和冷端之間同樣會(huì)形成電勢(shì)差[4]。

溫差能量收集的材料通常有金屬、半導(dǎo)體和明膠等，上述材料與智能建筑結(jié)構(gòu)和材料的結(jié)合上存在一定困難，于是，有學(xué)者開始研究混凝土材料的溫差能量收集性能。碳纖維水泥復(fù)合材料（Carbon fiber reinforcedcement-based composites，簡(jiǎn)寫為 CFRC）是由短纖維、水泥即添加劑等復(fù)合而成的新材料。純水泥基體是電不良導(dǎo)體，也無法進(jìn)行溫差能量收集，摻入碳纖維后可顯著增強(qiáng)水泥基材料電導(dǎo)率，形成碳纖維水泥基復(fù)合材料， 其高電導(dǎo)率是載流子經(jīng)由碳纖維網(wǎng)絡(luò)和多種類型缺陷界面共同輸運(yùn)的結(jié)果，同時(shí)材料也出現(xiàn)了Seeback效應(yīng)，具備溫差能量收集的條件。

CFRC表現(xiàn)為P型半導(dǎo)體，是因?yàn)樘祭w維在600～1750℃碳化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的空穴載流子，是近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一種新型且應(yīng)用前景廣闊的智能材料。CFRC通過進(jìn)一步摻雜不同材料，可以增強(qiáng)其P型半導(dǎo)體性質(zhì)，也可使其變性為N型半導(dǎo)體性質(zhì)。武漢工業(yè)大學(xué)孫明清等對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)中表明，不論溫差Δt大小，電動(dòng)勢(shì)E與Δt均呈線性關(guān)系，并且炭纖維水泥試塊對(duì)溫差具有較高的靈敏度[5]。CFRC所產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)仍屬微量，一般在幾十μV/K級(jí)別，目前不少材料學(xué)者正致力于提高這一關(guān)鍵指標(biāo)，最高已達(dá)幾千μV/K。重慶大學(xué)唐祖全等對(duì)鋼渣混凝土的Seeback效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表明：摻入鋼渣的水泥基體，其溫差電動(dòng)勢(shì)與溫差間存在線性關(guān)系，且溫差電動(dòng)勢(shì)率（TEP）高達(dá)48μv/℃[6]。材料學(xué)者主要從有效利用夏季室外存在的大量熱能的角度，研究CFRC的應(yīng)用。

CFRC的Seeback效應(yīng)可有效地將混凝土材料表面聚集的熱量轉(zhuǎn)化為電能，可應(yīng)用于大型工業(yè)窯爐系統(tǒng)的承載結(jié)構(gòu)與設(shè)備外壁的能量收集，提高能源綜合利用效率?，F(xiàn)CFRC在上述領(lǐng)域的應(yīng)用，關(guān)鍵是提高CFRC的Seeback系數(shù)與熱電轉(zhuǎn)換效率。熱電轉(zhuǎn)換器件的輸出電流的一個(gè)解決方案就是將多對(duì)P型和N型單元交替、規(guī)律地串聯(lián)起來，以達(dá)到使用效果[7]。

2 能量收集裝置的設(shè)計(jì)方案擬解決的關(guān)鍵問題

根據(jù)前文所述的原理，低功耗的智能建筑無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電能量收集裝置的設(shè)計(jì)方案擬解決以下關(guān)鍵問題：

2.1 選取建筑保溫外墻的內(nèi)外表面作為能量收集的部位

將能量收集思路主要集中于選取建筑保溫外墻的內(nèi)外表面作為能量收集的部位，利用混凝土Seeback效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以夏熱冬冷地區(qū)為例：根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016，夏熱冬冷地區(qū)是指我國(guó)最冷月平均溫度滿足0～10℃，最熱月平均溫度滿足25～30℃，日平均溫度≤5℃的天數(shù)為0～90天，日平均溫度≥25℃的天數(shù)為49～110天的地區(qū)。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)指標(biāo)，臥室、起居室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取16-18℃; 夏季空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)指標(biāo)，臥室、起居室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取26-28℃。由此可見，冬季有近3個(gè)月的室內(nèi)外日均溫差達(dá)到11-13℃。相反，夏季建筑保溫外墻外部受到太陽輻射的作用，外表面溫度往往高于室外日平均溫度，我國(guó)江南、華南、西南地區(qū)持續(xù)35℃以上持續(xù)高溫天氣集中在5-10月。據(jù)1951-2013年的資料統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)省級(jí)以上城市中，除拉薩，昆明沒有高溫天氣外，其余均出現(xiàn)過高溫天氣，重慶出現(xiàn)的次數(shù)最多，達(dá)2050天。雖然無法完全排除溫差的不穩(wěn)定，但一年中大部分時(shí)間，建筑內(nèi)外墻表面存在溫差，能夠通過Seeback效應(yīng)產(chǎn)生幾十μV/K級(jí)別的微量電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過積累加強(qiáng)而達(dá)到為傳感器供電的使用要求。

2.2 電動(dòng)勢(shì)的疊加

裝置內(nèi)部的主要溫差的能量收集并通過Seeback效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，通過串聯(lián)積累加強(qiáng)，獲得疊加效應(yīng)，以達(dá)到使用效果。由于P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒兩端的溫度電動(dòng)勢(shì)方向上與N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的溫度電動(dòng)勢(shì)相反，為疊加所有水泥基Seebeck效應(yīng)棒的電動(dòng)勢(shì)，室內(nèi)側(cè)電路板和室外側(cè)電路板需要實(shí)現(xiàn)將所有P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒兩端的溫度電動(dòng)勢(shì)正向串接，每一N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒與每一P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒反向串接，如此水泥基Seebeck效應(yīng)棒數(shù)量愈多，所獲溫差電動(dòng)勢(shì)愈高。

2.3 電流輸出端和電路板的設(shè)計(jì)

通過Seeback效應(yīng)及其串接所獲累加的溫差電動(dòng)勢(shì)，需通過電路板導(dǎo)流，并設(shè)置兩個(gè)正負(fù)極總引出端，接入傳感器。因此，需要設(shè)計(jì)兩塊電路板，分別位于P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒和N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的兩端，即一塊電路板位于外墻外表面，另一塊電路板位于外墻內(nèi)表面，電路板與效應(yīng)棒接觸，以輸入電流。

2.4 裝置與建筑的整合

傳感器的供電裝置需與建筑融為整體。由于建筑外墻做法類型多樣，本設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)目前較為普遍采用的保溫外墻做法，設(shè)定主要構(gòu)造層次為砌塊+外保溫層的做法。因此，裝置的尺寸，需要與外墻的厚度和構(gòu)造層次匹配。設(shè)計(jì)選取一塊普通的外墻砌塊加以改造，使該砌塊及其保溫層中埋設(shè)了P、N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒，兩側(cè)安裝了電路板，并留出傳感器的安裝位置。在建筑外墻砌筑時(shí)作為一個(gè)普通砌塊砌入外墻即可。并且，裝置的外表面與建筑外立面的材質(zhì)盡可能保持一致。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

嵌入保溫外墻的溫差能量收集裝置，其構(gòu)造層次由室內(nèi)側(cè)到室外側(cè)依次為：室內(nèi)側(cè)電路板，斜孔砌塊，穿孔保溫層和室外側(cè)電路板，其中外墻砌塊和保溫層穿孔，孔內(nèi)布置P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒。（圖1）

外墻砌塊，外形大致為長(zhǎng)方體，兩側(cè)均設(shè)有臺(tái)階型收口，較短小收口插入室內(nèi)側(cè)電路板的翻邊內(nèi)，端面與室內(nèi)側(cè)電路板貼合。外墻砌塊及其外保溫層上開設(shè)貫通孔，孔內(nèi)注入相應(yīng)的P型半導(dǎo)體性質(zhì)的碳纖維水泥基復(fù)合材料以及N型半導(dǎo)體性質(zhì)的碳纖維水泥基復(fù)合材料，凝固分別形成P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒。（圖2）

P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒與N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒數(shù)量相同，并在空間上交錯(cuò)排布，并加以編號(hào)。設(shè)編號(hào)（1）為P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒，編號(hào)（2）為N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒，如此，所有奇數(shù)編號(hào)為P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒，偶數(shù)編號(hào)為N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒，二者數(shù)量相等。每一個(gè)水泥基Seebeck效應(yīng)棒兩端分別與室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的電路板表面的凸起金屬帽和實(shí)現(xiàn)電連通。對(duì)編號(hào)（1）的P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒其外墻側(cè)電路板一端接觸的金屬帽為一個(gè)總引出端，室內(nèi)側(cè)電路板一端接觸的金屬帽通過室內(nèi)側(cè)電路板的印刷電路引向編號(hào)（2）的N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒接觸的金屬帽，室外側(cè)電路板一側(cè)上與編號(hào)（2）的N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒接觸的金屬帽與通過室外側(cè)電路板的印刷電路引向編號(hào)（3）的P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒接觸的金屬帽，依次類推，直到最大編號(hào)的N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒接觸的室外側(cè)電路板上的金屬帽為另一個(gè)總引出端。

外墻砌塊及其保溫層的外側(cè)安置室外側(cè)電路板，外墻砌塊室內(nèi)側(cè)安置室內(nèi)側(cè)電路板。

室外側(cè)電路板外形為四周有翻邊的矩形薄板，插入穿孔保溫層的階梯型收口內(nèi)。室外側(cè)電路板為印刷電路板，其翻邊一側(cè)與穿孔的保溫層外表面緊貼，并且在每一個(gè)穿孔保溫層通孔位置處有一個(gè)微微凸起的金屬帽嵌入于室外側(cè)電路板表面，實(shí)現(xiàn)與P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的電連通;室外側(cè)電路板厚度方向的中間為印刷電路層，印刷電路與板表面的金屬帽電連通。室外側(cè)電路板的外表面無印刷電路，外表面可作拉毛處理以涂附與普通外墻相同的涂料;如果建筑外立面材料為鋁板，也可在室外側(cè)電路板的外表面附鋁板，在提高傳熱效率的同時(shí)也統(tǒng)一了外立面。（圖3）

室內(nèi)側(cè)電路板呈矩形薄板，外形為四周有翻邊的矩形薄板，套在斜孔保溫磚的階梯型收口內(nèi)。室內(nèi)側(cè)電路板在與斜孔保溫磚接觸的一側(cè)，表面嵌入多排微微凸起的金屬帽，實(shí)現(xiàn)與P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的電連通;室內(nèi)側(cè)電路板為印刷電路板，在厚度方向的中間為印刷電路層，印刷電路與板表面的金屬帽電連通。室內(nèi)側(cè)電路板的另一側(cè)表面，即與建筑墻體內(nèi)表面同側(cè)齊平的一側(cè)，到其中間的印刷電路層僅隔半層室內(nèi)側(cè)電路板的厚度，該表面可作拉毛處理以涂附與普通內(nèi)墻相同的涂料。（圖4）

當(dāng)建筑室內(nèi)外存在溫差時(shí)，由于斜孔保溫磚和穿孔保溫層的保溫作用，外墻的內(nèi)外表面存在溫差。故P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的室內(nèi)側(cè)電路板一側(cè)的溫度接近于外墻內(nèi)表面溫度。同樣，P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒以及N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒的室外側(cè)電路板一側(cè)的溫度接近于外墻外表面溫度。從而，在每個(gè)P型水泥基Seebeck效應(yīng)棒或者N型水泥基Seebeck效應(yīng)棒兩端存在較為明顯的溫差時(shí)，將產(chǎn)生一定的溫度電動(dòng)勢(shì)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的有益之處在于從智能建筑中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量收集需求與碳纖維水泥基復(fù)合材料的功能有機(jī)結(jié)合的角度，利用智能建筑保溫外墻的內(nèi)外表面溫差，充分考慮與建筑外墻材料的融合，設(shè)計(jì)了一種利用碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行溫差能量收集的室內(nèi)外墻溫差能量收集裝置，替代電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，避免大量布線，避免了電池的使用，從而避免電池電量和壽命對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)壽命的限制，避免化學(xué)電池引起的污染，構(gòu)建智能建筑傳感器的便捷，持久和環(huán)保的供電方式。后續(xù)工作重點(diǎn)在于對(duì)裝置進(jìn)行檢測(cè)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并加以改進(jìn)和研發(fā)。

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