一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗制造技术

一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗。该储热门窗单元包括形状规则的木框、填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列和两块形状与木制边框形状配合的玻璃。本发明专利技术通过利用相变材料的储热特性来实现寒冷天气时，白天储存外界的太阳热能，晚上释放至文物所在的内环境，来实现保温的功能，同时选择玻璃来固定Al管阵列，在保证文物环境内的采光度，不影响游客日常参观的同时，有效吸热增强保温功能。本储热门窗具有无需外界额外供应能量便可起到对文物保温的作用，且安装灵活既可以与露天文物原有的防护结构合并，又可直接将多个单元拼接成一个非接触式的防护屏障来保护露天文物，此外拆卸方便也满足文物界所要求的“防护可逆原则”等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗
本专利技术涉及露天文物保护领域，具体涉及利用相变材料的储热性能来对露天文物进行保温，进而起到保护露天文物的方法。
技术介绍
露天文物大多是体积大、不易移动、分布在野外环境，无法像室内或馆藏文物一样通过人为调控环境来达到保护的目的，其保护材料的选择和保护技术的研究一直是国际文化遗产保护领域的关注热点。我国拥有大量的露天文物遗产，它们承载了中华民族灿烂的历史文化。然而，由于它们分布在野外，受恶劣环境的影响，正遭受较为严重的腐蚀风化。此外，基于露天文物的珍贵性和唯一性，要求其保护材料的设计要综合考虑各种因素。故而，针对露天文物的主要危害源：物理、化学和生物破坏。其保护措施必须满足以下四个基本原则:(1)不改变文物原貌。(2)尽量少干预的原则。只有在十分必要的情况下，才对文物实施保护性处理。(3)对文物不产生副作用。保护材料的老化产物应对文物无副作用。(4)符合生态保护的原则。选择防护材料的同时，必须考虑施工条件和周围环境的影响。目前，对于露天石质文物保护材料的研究大多是对现有材料进行实验和使用，很少有根据需求对保护材料进行设计。常用的物理防风化方法有加雨棚和排水渗水工程等，化学防风化的方式主要有三种：涂覆方法，喷涂方法和浸泡方法。所用材料主要有无机防风化材料、有机防风化材料、复合防风化材料、仿生材料和纳米复合材料。尽管这些材料在一定程度上能起到加固、防水、防酸、防污、防溶蚀、防微生物和防风化等作用，以减缓石质文物的损毁进程，然而，这些材料在实际防护应用中，总存在一些无法避免的缺点。如硅酸盐等无机材料的疏水性差，弹性小，粘接力脆弱；丙烯酸树脂等有机材料的寿命短，渗透性差，失效后还使得文物表面颜色变暗；纳米材料和新型仿生材料虽然效果好，但其机理尚不是完全明确需要进一步的验证，且目前主要集中在实验室研究过程中，缺乏实际应用的考验，还需要更多基础性的研究来支撑。
技术实现思路
本专利技术的目的是，在“不改变文物原状”、“过程可逆”、“与环境统一”，“预防优于弥补”等实施文物保护原则的前提下，提供一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗，此门窗单元可与文保界认可的保护性防护结构合为一体，或直接拼接多个单元构成防护屏障，对露天文物实现隔绝雨、雪、挡风功能且不影响参观效果的同时，在寒冷天气时对文物保温，进而起到保护露天文物的功效。本专利技术的技术方案：一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗，该储热门窗包括木制边框、填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列和两块形状与木制边框的形状配合的玻璃；所述两块玻璃分别嵌装在木制边框的前后两个表面，分别称为内部玻璃和外部玻璃，Al管阵列的一端封闭固定在一块玻璃的内侧表面上，另一端为封闭端并悬空。所述的木制边框为正方形、长方形、六边形或菱形等规则几何形状。优选为正方形。所述的正方形木框为环绕本门窗单元结构的木框，在木制边框所在平面方向的厚度为15mm，对应外边长为180mm，内边长为150mm，与木制边框所在平面垂直方向的长度为100mm；利用这个外框可与防护结构等其他既有防护结构相结合或直接进行多个单元的拼接。所述的填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列水平放置，一端优选与储热门窗内部玻璃的内侧表面紧密接触并粘合，保证相变材料不外漏，另一端封闭且悬空不接触外部玻璃；相变材料在液体的状态下填满Al管。所述的填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列，其中Al管的外半径为8mm，壁厚0.45mm，长度为60mm，周期为60mm；所用相变材料为有机相变材料石蜡，因为石蜡相变潜热量大、相变温度范围广、价格低的优点。所述石蜡的储热能为2000J/kg·K，熔点为19℃，凝固点为17℃，固态密度为880kg/m3，液态密度为770kg/m3。为解决上述被动式储热门窗的技术问题，可将本储热门窗结构与能阻挡雨、雪、风等防止侵蚀文物的防护结构相结合或直接拼接多个储热单元构成防护性屏障。以正方形木制边框为例，具体制作过程如下：第一、选择在木制边框所在平面(y-z平面)方向的厚度为15mm，对应的外边长为180mm，内边长为150mm，与木制边框所在平面垂直方向(x方向)长度为100mm的木框作为本储热门窗单元的外围，用于后面的嵌入原有防护结构或实施多个单元的拼接；其中，x和y方向分别对应实际地理方位的北方和西方，z方向为太阳正午时正方向。第二、选择厚度均为4mm，边长为150mm的正方形玻璃两块，用于固定Al管及保证此结构的采光度；第三、制备填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列；①选择一端封口的，外半径为8mm，壁厚0.45mm，长度为60mm的Al管；②准备液态相变材料。选用熔点较低的有机相变材料，型号为R18的石蜡；③将液体相变材料注满Al管；第四、组装被动式储热门窗单元；①紧密固定装有相变材料的Al管到内玻璃片上；②装配外玻璃片和已固定好Al管的内玻璃片到木框中；第五、将储热门窗单元嵌入已有防护结构中或多个单元拼接成防护屏障；①根据已有防护结构的尺度，计算所需储热门窗单元个数，拼接后嵌入防护结构中，并安装于露天文物外围实现对文物的保护；②直接拼接成所需尺寸的防护屏障，并安装于露天文物外围实现对文物的保护。本专利技术的优点和有益效果：1、在寒冷天气下，可起到对露天文物进行保温的作用(如图6所示)；2、有效防止雨雪对露天文物外表的直接冲刷；3、可减轻因大气污染物的侵入而导致的化学破坏；4、使用此非直接接触的防护结构时，不会对露天文物造成保护式的损坏；5、防护的可逆性，即当将来出现性能更好的防护结构时，拆除本储热门窗防护结构后，不会对露天文物造成任何的伤害。附图说明图1为本专利技术的储热门窗防护单元结构线条图；图2为本专利技术的储热门窗防护单元结构透视图；图3、为本专利技术的储热门窗防护单元结构主视图；图4、为本专利技术的储热门窗防护单元结构俯视图；图5、为本专利技术的储热门窗防护单元结构左视图；图6为本专利技术的储热门窗防护单元的调控温度性能示意图；图7、为本专利技术的储热门窗防护单元在2017-3-208:00的温度场分布图；图8、为本专利技术的储热门窗防护单元在2017-3-2012:00的温度场分布图；图9、为本专利技术的储热门窗防护单元在2017-3-2016:00的温度场分布图；图10、为本专利技术的储热门窗防护单元在2017-3-2020:00的温度场分布图；图中：1.储热门窗单元的正方形木制边框；2.内外玻璃层；3.填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列。以下将结合附图，对本专利技术的优选实例以及露天石质文物风化的复合防护结构进行详细的描述：应当理解，优选实例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。具体实施方式实施例1如图1、图2所示为本专利技术的储热门窗单元结构，该单元结构包括正方形木制边框1、填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列3、和两块正方形玻璃2。该单元结构的具体制备及工作过程如下：1.制备过程(1)仿真模拟：利用相变材料的相变潜热大和稳定性高等特点，设计一种可调控温度的储热门窗。使用COMSOL电磁仿真软件，模拟计算本储热门窗单个单元结构对温度的调控结果，接着分析其控热性能与结构单元形状、尺度、周期等参数的关系，进而优化参数得出最适合实际需要的储热门窗结构单元的各项参数值。图6为模拟计算此单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗，其特征在于：该储热门窗包括木制边框、填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列和两块形状与木制边框的形状配合的玻璃；所述两块玻璃分别嵌装在木制边框的前后两个表面，分别为内部玻璃和外部玻璃，Al管阵列的一端封闭固定在一块玻璃的内侧表面上，另一端为封闭端并悬空。

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的露天文物被动式储热门窗，其特征在于：该储热门窗包括木制边框、填充了相变材料的周期性圆柱Al管阵列和两块形状与木制边框的形状配合的玻璃；所述两块玻璃分别嵌装在木制边框的前后两个表面，分别为内部玻璃和外部玻璃，Al管阵列的一端封闭固定在一块玻璃的内侧表面上，另一端为封闭端并悬空。2.根据权利要求1所述的被动式储热门窗，其特征在于：所述的木制边框为正方形、长方形、六边形或菱形。3.根据权利要求2所述的被动式储热门窗，其特征在于：所述的木制边框优选为正方形，在木制边框所在平面方向的厚度为15mm，对应的外边长为180mm，内边长为150mm，与木制边框所在平面垂直方向的长度为100mm。4.根据权利要求1所述的被动式储热门窗，其特征在于：所述的相变材料为有机相变材料石蜡，因为石蜡相变...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟田华，刘红梅，李榜全，卢玉和，董丽娟，任建光，石云龙，
申请(专利权)人：山西大同大学，
类型：发明
国别省市：山西,14