嵌入保溫外墻的溫差能量收集裝置設計

孫瑩　張端

摘? 要：利用碳纖維水泥復合材料（CFRC）的Seeback效應原理，設計一種溫差能量收集裝置，將溫差轉化為電動勢，串聯疊加加強效應，并通過構造設計嵌裝于建筑保溫外墻中，為智能建筑低功耗的無線傳感網絡節點供電。這一裝置避免了大量的布線供電設計和采用化學電池引起的二次污染。

關鍵詞：智能建筑;Seeback效應;溫差;電動勢;保溫外墻;能量收集

中圖分類號：TU234? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：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《智能建筑設計標準》GB/T50314-200，智能建筑（intelligent building，簡稱IB），指以建筑物為平臺，兼備信息設施系統、信息化應用系統、建筑設備管理系統、公共安全系統等，集結構、系統、服務、管理及其優化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、健康的建筑環境。

建筑的智能圍護是建筑構件的綜合體，這些構件能夠執行各自功能，使這些構件能夠執行各自功能，建筑外圍護構件獨立或聯合做出調整，提前應對環境的變化，以最小的能耗維持建筑內部的健康舒適的環境。在這樣的建筑圍護結構中，通過手動或者自動調節使得外圍護構件的環境適應性得到加強，建筑圍護的能量流動得到自主的控制，從而以最低的能耗取得最高效率。智能圍護的核心要求時能夠應對建筑物內外環境的變化。因此，智能圍護結構本身具有可變性。這種可變性可以是圍護結構自身物理性能的變化，比如，含有相變材料的墻體、樓板;也可以是物理結構本身的可調節性，比如，根據室外太陽輻射強度和室內照度來調節內遮陽百葉，或者根據散熱和保溫的不同需求來調控風口的開合[1]。

智能建筑圍護結構中分布大量傳感器節點，均需解決節點供電問題，通常有兩種選擇，第一，布線實現供電以及測量信號的傳遞，考慮到傳感器數量繁多、圍護結構體量巨大并可能存在的活動部件，布線設計和施工代價較大;第二，電池供電，測量信號無線傳輸，即構建無線傳感網絡，避免前種方法布線的困擾，但仍存在某些負面影響：（1）電池電量有限，限制節點使用壽命;（2）節點往往不回收，化學電池引起的二次污染。

針對上述問題，希望實現無線傳感網絡節點的自供電，因此能量收集技術在圍護結構有了用武之地[2]。本設計致力于收集和增強材料的溫差電動勢，為低功耗的無線傳感網絡節點供電。能量收集技術與發電有些區別，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備供電，而發電通常要求為外界提供強勁的動力。

1 設計原理：CFRC的Seeback效應和利用溫差的能量收集

Seeback效應是材料內部溫差導致載流子沿溫度場方向運動形成電動勢的現象。當載流子為空穴時，在低溫端產生正的溫差電動勢，表現為P型半導體性質;然而，當載流子為電子時，在低溫端產生負的溫差電動勢，表現為N型半導體性質[3]。對于P型半導體材料來說，當材料中沒有溫度梯度時，材料中的載流子（空穴）是均勻分布的，但是當材料中一旦存在溫度梯度時，材料中熱端的空穴就會向冷端進行擴散，擴散的結果就會導致熱端的空穴越來越少，而冷端的空穴越來越多，當達到平衡后，熱端和冷端之間形成了電勢差。N型半導體材料與P型半導體材料類似，當N型半導體材料中存在溫度梯度時，材料中熱端的電子就會從向冷端擴散，當達到平衡后，熱端和冷端之間同樣會形成電勢差[4]。

溫差能量收集的材料通常有金屬、半導體和明膠等，上述材料與智能建筑結構和材料的結合上存在一定困難，于是，有學者開始研究混凝土材料的溫差能量收集性能。碳纖維水泥復合材料（Carbon fiber reinforcedcement-based composites，簡寫為 CFRC）是由短纖維、水泥即添加劑等復合而成的新材料。純水泥基體是電不良導體，也無法進行溫差能量收集，摻入碳纖維后可顯著增強水泥基材料電導率，形成碳纖維水泥基復合材料， 其高電導率是載流子經由碳纖維網絡和多種類型缺陷界面共同輸運的結果，同時材料也出現了Seeback效應，具備溫差能量收集的條件。

CFRC表現為P型半導體，是因為碳纖維在600～1750℃碳化過程中會產生大量的空穴載流子，是近年來國內外發展較快的一種新型且應用前景廣闊的智能材料。CFRC通過進一步摻雜不同材料，可以增強其P型半導體性質，也可使其變性為N型半導體性質。武漢工業大學孫明清等對碳纖維水泥基復合材料的實驗中表明，不論溫差Δt大小，電動勢E與Δt均呈線性關系，并且炭纖維水泥試塊對溫差具有較高的靈敏度[5]。CFRC所產生電動勢仍屬微量，一般在幾十μV/K級別，目前不少材料學者正致力于提高這一關鍵指標，最高已達幾千μV/K。重慶大學唐祖全等對鋼渣混凝土的Seeback效應的實驗表明：摻入鋼渣的水泥基體，其溫差電動勢與溫差間存在線性關系，且溫差電動勢率（TEP）高達48μv/℃[6]。材料學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的應用。

CFRC的Seeback效應可有效地將混凝土材料表面聚集的熱量轉化為電能，可應用于大型工業窯爐系統的承載結構與設備外壁的能量收集，提高能源綜合利用效率。現CFRC在上述領域的應用，關鍵是提高CFRC的Seeback系數與熱電轉換效率。熱電轉換器件的輸出電流的一個解決方案就是將多對P型和N型單元交替、規律地串聯起來，以達到使用效果[7]。

2 能量收集裝置的設計方案擬解決的關鍵問題

根據前文所述的原理，低功耗的智能建筑無線傳感器節點供電能量收集裝置的設計方案擬解決以下關鍵問題：

2.1 選取建筑保溫外墻的內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外表面作為能量收集的部位，利用混凝土Seeback效應進行設計。以夏熱冬冷地區為例：根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176-2016，夏熱冬冷地區是指我國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℃的天數為0～90天，日平均溫度≥25℃的天數為49～110天的地區。根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》，夏熱冬冷地區冬季采暖室內熱環境設計指標，臥室、起居室室內設計溫度取16-18℃; 夏季空調室內熱環境設計指標，臥室、起居室室內設計溫度取26-28℃。由此可見，冬季有近3個月的室內外日均溫差達到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，我國江南、華南、西南地區持續35℃以上持續高溫天氣集中在5-10月。據1951-2013年的資料統計，在中國省級以上城市中，除拉薩，昆明沒有高溫天氣外，其余均出現過高溫天氣，重慶出現的次數最多，達2050天。雖然無法完全排除溫差的不穩定，但一年中大部分時間，建筑內外墻表面存在溫差，能夠通過Seeback效應產生幾十μV/K級別的微量電動勢。經過積累加強而達到為傳感器供電的使用要求。

2.2 電動勢的疊加

裝置內部的主要溫差的能量收集并通過Seeback效應轉化為電能，通過串聯積累加強，獲得疊加效應，以達到使用效果。由于P型水泥基Seebeck效應棒兩端的溫度電動勢方向上與N型水泥基Seebeck效應棒的溫度電動勢相反，為疊加所有水泥基Seebeck效應棒的電動勢，室內側電路板和室外側電路板需要實現將所有P型水泥基Seebeck效應棒兩端的溫度電動勢正向串接，每一N型水泥基Seebeck效應棒與每一P型水泥基Seebeck效應棒反向串接，如此水泥基Seebeck效應棒數量愈多，所獲溫差電動勢愈高。

2.3 電流輸出端和電路板的設計

通過Seeback效應及其串接所獲累加的溫差電動勢，需通過電路板導流，并設置兩個正負極總引出端，接入傳感器。因此，需要設計兩塊電路板，分別位于P型水泥基Seebeck效應棒和N型水泥基Seebeck效應棒的兩端，即一塊電路板位于外墻外表面，另一塊電路板位于外墻內表面，電路板與效應棒接觸，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，本設計預設目前較為普遍采用的保溫外墻做法，設定主要構造層次為砌塊+外保溫層的做法。因此，裝置的尺寸，需要與外墻的厚度和構造層次匹配。設計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了P、N型水泥基Seebeck效應棒，兩側安裝了電路板，并留出傳感器的安裝位置。在建筑外墻砌筑時作為一個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盡可能保持一致。

3 構造設計

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

外墻砌塊，外形大致為長方體，兩側均設有臺階型收口，較短小收口插入室內側電路板的翻邊內，端面與室內側電路板貼合。外墻砌塊及其外保溫層上開設貫通孔，孔內注入相應的P型半導體性質的碳纖維水泥基復合材料以及N型半導體性質的碳纖維水泥基復合材料，凝固分別形成P型水泥基Seebeck效應棒以及N型水泥基Seebeck效應棒。（圖2）

P型水泥基Seebeck效應棒與N型水泥基Seebeck效應棒數量相同，并在空間上交錯排布，并加以編號。設編號（1）為P型水泥基Seebeck效應棒，編號（2）為N型水泥基Seebeck效應棒，如此，所有奇數編號為P型水泥基Seebeck效應棒，偶數編號為N型水泥基Seebeck效應棒，二者數量相等。每一個水泥基Seebeck效應棒兩端分別與室內側和室外側的電路板表面的凸起金屬帽和實現電連通。對編號（1）的P型水泥基Seebeck效應棒其外墻側電路板一端接觸的金屬帽為一個總引出端，室內側電路板一端接觸的金屬帽通過室內側電路板的印刷電路引向編號（2）的N型水泥基Seebeck效應棒接觸的金屬帽，室外側電路板一側上與編號（2）的N型水泥基Seebeck效應棒接觸的金屬帽與通過室外側電路板的印刷電路引向編號（3）的P型水泥基Seebeck效應棒接觸的金屬帽，依次類推，直到最大編號的N型水泥基Seebeck效應棒接觸的室外側電路板上的金屬帽為另一個總引出端。

外墻砌塊及其保溫層的外側安置室外側電路板，外墻砌塊室內側安置室內側電路板。

室外側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。室外側電路板為印刷電路板，其翻邊一側與穿孔的保溫層外表面緊貼，并且在每一個穿孔保溫層通孔位置處有一個微微凸起的金屬帽嵌入于室外側電路板表面，實現與P型水泥基Seebeck效應棒以及N型水泥基Seebeck效應棒的電連通;室外側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，也可在室外側電路板的外表面附鋁板，在提高傳熱效率的同時也統一了外立面。（圖3）

室內側電路板呈矩形薄板，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。室內側電路板在與斜孔保溫磚接觸的一側，表面嵌入多排微微凸起的金屬帽，實現與P型水泥基Seebeck效應棒以及N型水泥基Seebeck效應棒的電連通;室內側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。室內側電路板的另一側表面，即與建筑墻體內表面同側齊平的一側，到其中間的印刷電路層僅隔半層室內側電路板的厚度，該表面可作拉毛處理以涂附與普通內墻相同的涂料。（圖4）

當建筑室內外存在溫差時，由于斜孔保溫磚和穿孔保溫層的保溫作用，外墻的內外表面存在溫差。故P型水泥基Seebeck效應棒以及N型水泥基Seebeck效應棒的室內側電路板一側的溫度接近于外墻內表面溫度。同樣，P型水泥基Seebeck效應棒以及N型水泥基Seebeck效應棒的室外側電路板一側的溫度接近于外墻外表面溫度。從而，在每個P型水泥基Seebeck效應棒或者N型水泥基Seebeck效應棒兩端存在較為明顯的溫差時，將產生一定的溫度電動勢。

4 結束語

本設計的有益之處在于從智能建筑中無線傳感器節點的能量收集需求與碳纖維水泥基復合材料的功能有機結合的角度，利用智能建筑保溫外墻的內外表面溫差，充分考慮與建筑外墻材料的融合，設計了一種利用碳纖維水泥基復合材料進行溫差能量收集的室內外墻溫差能量收集裝置，替代電池為無線傳感器節點供電，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傳感器節點壽命的限制，避免化學電池引起的污染，構建智能建筑傳感器的便捷，持久和環保的供電方式。后續工作重點在于對裝置進行檢測，獲取實驗數據，并加以改進和研發。

參考文獻：

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[5]孫明清，李卓球，沈大榮.炭纖維水泥基復合材料的Seebeck效應[J].材料研究學報，1998（01）：111-112.

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[7]魏劍，趙莉莉，張倩，等.碳纖維水泥基復合材料Seebeck效應研究現狀[J].材料導報，2017，31（01）：84-89.