嵌入保温外墙的温差能量收集装置设计

孙莹　张端

摘  要：利用碳纤维水泥复合材料（CFRC）的Seeback效应原理，设计一种温差能量收集装置，将温差转化为电动势，串联叠加加强效应，并通过构造设计嵌装于建筑保温外墙中，为智能建筑低功耗的无线传感网络节点供电。这一装置避免了大量的布线供电设计和采用化学电池引起的二次污染。

关键词：智能建筑;Seeback效应;温差;电动势;保温外墙;能量收集

中图分类号：TU234        文献标志码：A 文章编号：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

根据《智能建筑设计标准》GB/T50314-200，智能建筑（intelligent building，简称IB），指以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。

建筑的智能围护是建筑构件的综合体，这些构件能够执行各自功能，使这些构件能够执行各自功能，建筑外围护构件独立或联合做出调整，提前应对环境的变化，以最小的能耗维持建筑内部的健康舒适的环境。在这样的建筑围护结构中，通过手动或者自动调节使得外围护构件的環境适应性得到加强，建筑围护的能量流动得到自主的控制，从而以最低的能耗取得最高效率。智能围护的核心要求时能够应对建筑物内外环境的变化。因此，智能围护结构本身具有可变性。这种可变性可以是围护结构自身物理性能的变化，比如，含有相变材料的墙体、楼板;也可以是物理结构本身的可调节性，比如，根据室外太阳辐射强度和室内照度来调节内遮阳百叶，或者根据散热和保温的不同需求来调控风口的开合[1]。

智能建筑围护结构中分布大量传感器节点，均需解决节点供电问题，通常有两种选择，第一，布线实现供电以及测量信号的传递，考虑到传感器数量繁多、围护结构体量巨大并可能存在的活动部件，布线设计和施工代价较大;第二，电池供电，测量信号无线传输，即构建无线传感网络，避免前种方法布线的困扰，但仍存在某些负面影响：（1）电池电量有限，限制节点使用寿命;（2）节点往往不回收，化学电池引起的二次污染。

针对上述问题，希望实现无线传感网络节点的自供电，因此能量收集技术在围护结构有了用武之地[2]。本设计致力于收集和增强材料的温差电动势，为低功耗的无线传感网络节点供电。能量收集技术与发电有些区别，能量收集往往意味着仅仅获取较为微弱的能量为低功耗或超低功耗的用电设备供电，而发电通常要求为外界提供强劲的动力。

1 设计原理：CFRC的Seeback效应和利用温差的能量收集

Seeback效应是材料内部温差导致载流子沿温度场方向运动形成电动势的现象。当载流子为空穴时，在低温端产生正的温差电动势，表现为P型半导体性质;然而，当载流子为电子时，在低温端产生负的温差电动势，表现为N型半导体性质[3]。对于P型半导体材料来说，当材料中没有温度梯度时，材料中的载流子（空穴）是均匀分布的，但是当材料中一旦存在温度梯度时，材料中热端的空穴就会向冷端进行扩散，扩散的结果就会导致热端的空穴越来越少，而冷端的空穴越来越多，当达到平衡后，热端和冷端之间形成了电势差。N型半导体材料与P型半导体材料类似，当N型半导体材料中存在温度梯度时，材料中热端的电子就会从向冷端扩散，当达到平衡后，热端和冷端之间同样会形成电势差[4]。

温差能量收集的材料通常有金属、半导体和明胶等，上述材料与智能建筑结构和材料的结合上存在一定困难，于是，有学者开始研究混凝土材料的温差能量收集性能。碳纤维水泥复合材料（Carbon fiber reinforcedcement-based composites，简写为 CFRC）是由短纤维、水泥即添加剂等复合而成的新材料。纯水泥基体是电不良导体，也无法进行温差能量收集，掺入碳纤维后可显著增强水泥基材料电导率，形成碳纤维水泥基复合材料， 其高电导率是载流子经由碳纤维网络和多种类型缺陷界面共同输运的结果，同时材料也出现了Seeback效应，具备温差能量收集的条件。

CFRC表现为P型半导体，是因为碳纤维在600～1750℃碳化过程中会产生大量的空穴载流子，是近年来国内外发展较快的一种新型且应用前景广阔的智能材料。CFRC通过进一步掺杂不同材料，可以增强其P型半导体性质，也可使其变性为N型半导体性质。武汉工业大学孙明清等对碳纤维水泥基复合材料的实验中表明，不论温差Δt大小，电动势E与Δt均呈线性关系，并且炭纤维水泥试块对温差具有较高的灵敏度[5]。CFRC所产生电动势仍属微量，一般在几十μV/K级别，目前不少材料学者正致力于提高这一关键指标，最高已达几千μV/K。重庆大学唐祖全等对钢渣混凝土的Seeback效应的实验表明：掺入钢渣的水泥基体，其温差电动势与温差间存在线性关系，且温差电动势率（TEP）高达48μv/℃[6]。材料学者主要从有效利用夏季室外存在的大量热能的角度，研究CFRC的应用。

CFRC的Seeback效应可有效地将混凝土材料表面聚集的热量转化为电能，可应用于大型工业窑炉系统的承载结构与设备外壁的能量收集，提高能源综合利用效率。现CFRC在上述领域的应用，关键是提高CFRC的Seeback系数与热电转换效率。热电转换器件的输出电流的一个解决方案就是将多对P型和N型单元交替、规律地串联起来，以达到使用效果[7]。

2 能量收集装置的设计方案拟解决的关键问题

根据前文所述的原理，低功耗的智能建筑无线传感器节点供电能量收集装置的设计方案拟解决以下关键问题：

2.1 选取建筑保温外墙的内外表面作为能量收集的部位

将能量收集思路主要集中于选取建筑保温外墙的内外表面作为能量收集的部位，利用混凝土Seeback效应进行设计。以夏热冬冷地区为例：根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016，夏热冬冷地区是指我国最冷月平均温度满足0～10℃，最热月平均温度满足25～30℃，日平均温度≤5℃的天数为0～90天，日平均温度≥25℃的天数为49～110天的地区。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，夏热冬冷地区冬季采暖室内热环境设计指标，卧室、起居室室内设计温度取16-18℃; 夏季空调室内热环境设计指标，卧室、起居室室内设计温度取26-28℃。由此可见，冬季有近3个月的室内外日均温差达到11-13℃。相反，夏季建筑保温外墙外部受到太阳辐射的作用，外表面温度往往高于室外日平均温度，我国江南、华南、西南地区持续35℃以上持续高温天气集中在5-10月。据1951-2013年的资料统计，在中国省级以上城市中，除拉萨，昆明没有高温天气外，其余均出现过高温天气，重庆出现的次数最多，达2050天。虽然无法完全排除温差的不稳定，但一年中大部分时间，建筑内外墙表面存在温差，能够通过Seeback效应产生几十μV/K级别的微量电动势。经过积累加强而达到为传感器供电的使用要求。

2.2 电动势的叠加

装置内部的主要温差的能量收集并通过Seeback效应转化为电能，通过串联积累加强，获得叠加效应，以达到使用效果。由于P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势方向上与N型水泥基Seebeck效应棒的温度电动势相反，为叠加所有水泥基Seebeck效应棒的电动势，室内侧电路板和室外侧电路板需要实现将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度電动势正向串接，每一N型水泥基Seebeck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高。

2.3 电流输出端和电路板的设计

通过Seeback效应及其串接所获累加的温差电动势，需通过电路板导流，并设置两个正负极总引出端，接入传感器。因此，需要设计两块电路板，分别位于P型水泥基Seebeck效应棒和N型水泥基Seebeck效应棒的两端，即一块电路板位于外墙外表面，另一块电路板位于外墙内表面，电路板与效应棒接触，以输入电流。

2.4 装置与建筑的整合

传感器的供电装置需与建筑融为整体。由于建筑外墙做法类型多样，本设计预设目前较为普遍采用的保温外墙做法，设定主要构造层次为砌块+外保温层的做法。因此，装置的尺寸，需要与外墙的厚度和构造层次匹配。设计选取一块普通的外墙砌块加以改造，使该砌块及其保温层中埋设了P、N型水泥基Seebeck效应棒，两侧安装了电路板，并留出传感器的安装位置。在建筑外墙砌筑时作为一个普通砌块砌入外墙即可。并且，装置的外表面与建筑外立面的材质尽可能保持一致。

3 构造设计

嵌入保温外墙的温差能量收集装置，其构造层次由室内侧到室外侧依次为：室内侧电路板，斜孔砌块，穿孔保温层和室外侧电路板，其中外墙砌块和保温层穿孔，孔内布置P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。（图1）

外墙砌块，外形大致为长方体，两侧均设有台阶型收口，较短小收口插入室内侧电路板的翻边内，端面与室内侧电路板贴合。外墙砌块及其外保温层上开设贯通孔，孔内注入相应的P型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料以及N型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料，凝固分别形成P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。（图2）

P型水泥基Seebeck效应棒与N型水泥基Seebeck效应棒数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号。设编号（1）为P型水泥基Seebeck效应棒，编号（2）为N型水泥基Seebeck效应棒，如此，所有奇数编号为P型水泥基Seebeck效应棒，偶数编号为N型水泥基Seebeck效应棒，二者数量相等。每一个水泥基Seebeck效应棒两端分别与室内侧和室外侧的电路板表面的凸起金属帽和实现电连通。对编号（1）的P型水泥基Seebeck效应棒其外墙侧电路板一端接触的金属帽为一个总引出端，室内侧电路板一端接触的金属帽通过室内侧电路板的印刷电路引向编号（2）的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，室外侧电路板一侧上与编号（2）的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽与通过室外侧电路板的印刷电路引向编号（3）的P型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，依次类推，直到最大编号的N型水泥基Seebeck效应棒接触的室外侧电路板上的金属帽为另一个总引出端。

外墙砌块及其保温层的外侧安置室外侧电路板，外墙砌块室内侧安置室内侧电路板。

室外侧电路板外形为四周有翻边的矩形薄板，插入穿孔保温层的阶梯型收口内。室外侧电路板为印刷电路板，其翻边一侧与穿孔的保温层外表面紧贴，并且在每一个穿孔保温层通孔位置处有一个微微凸起的金属帽嵌入于室外侧电路板表面，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通;室外侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。室外侧电路板的外表面无印刷电路，外表面可作拉毛处理以涂附与普通外墙相同的涂料;如果建筑外立面材料为铝板，也可在室外侧电路板的外表面附铝板，在提高传热效率的同时也统一了外立面。（图3）

室内侧电路板呈矩形薄板，外形为四周有翻边的矩形薄板，套在斜孔保温砖的阶梯型收口内。室内侧电路板在与斜孔保温砖接触的一侧，表面嵌入多排微微凸起的金属帽，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通;室内侧电路板为印刷电路板，在厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。室内侧电路板的另一侧表面，即与建筑墙体内表面同侧齐平的一侧，到其中间的印刷电路层仅隔半层室内侧电路板的厚度，该表面可作拉毛处理以涂附与普通内墙相同的涂料。（图4）

当建筑室内外存在温差时，由于斜孔保温砖和穿孔保温层的保温作用，外墙的内外表面存在温差。故P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室内侧电路板一侧的温度接近于外墙内表面温度。同样，P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室外侧电路板一侧的温度接近于外墙外表面温度。从而，在每个P型水泥基Seebeck效应棒或者N型水泥基Seebeck效应棒两端存在较为明显的温差时，将产生一定的温度电动势。

4 结束语

本设计的有益之处在于从智能建筑中无线传感器节点的能量收集需求与碳纤维水泥基复合材料的功能有机结合的角度，利用智能建筑保温外墙的内外表面温差，充分考虑与建筑外墙材料的融合，设计了一种利用碳纤维水泥基复合材料进行温差能量收集的室内外墙温差能量收集装置，替代电池为无线传感器节点供电，避免大量布线，避免了电池的使用，从而避免电池电量和寿命对传感器节点寿命的限制，避免化学电池引起的污染，构建智能建筑传感器的便捷，持久和环保的供电方式。后续工作重点在于对装置进行检测，获取实验数据，并加以改进和研发。

参考文献：

[1]Bradford Campbell， Meghan Clark， et al. Perpetual Sensing for the Built environment. energy harvesting，2016，10：46-55.

[2]陈亮.基于无线传感网络的建筑围护结构综合传热系数获取方法研究[D].安徽建筑工业学院，2011.

[3]Sihai Wen，D.D.L Chung. Seebeck effect in carbon fiber-reinforced cement[J]. Cement and Concrete Research，1999，29（12）.

[4]Yong Du，Kefeng Cai，Song Chen，Hongxia Wang， Shirley Z.Shen，Richard Donelson，Tong Lin，Thermoelectric Fabrics：Toward Power Generating Clothing， Scientific Reports，2015（5）：448-1243.

[5]孙明清，李卓球，沈大榮.炭纤维水泥基复合材料的Seebeck效应[J].材料研究学报，1998（01）：111-112.

[6]唐祖全，童成丰，钱觉时，等.钢渣混凝土的Seebeck效应研究[J].重庆建筑大学学报，2008（6）：125-128.

[7]魏剑，赵莉莉，张倩，等.碳纤维水泥基复合材料Seebeck效应研究现状[J].材料导报，2017，31（01）：84-89.