CN102607185A - 一种空腔内水流式窗体节能系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空腔内水流式窗体节能系统，包括：窗体热交换部分，其具有在墙体上的窗体，窗体上具有空腔的双层玻璃，供水管道和回水管道分别设置在空腔两端，水流通过供水管道进入并在空腔内流动；蓄能部分，通过供水管道和回水管道与窗体热交换部分连通，用于对环水流进行蓄冷或蓄热；动力输送部分，设置在供水管道上，提供循环水流在管道和窗体内流动的输运动力。本发明还公开了一种上述节能系统的控制方法。本发明在夏季减少室外向室内的温差传热，在冬季通过水流的散热减少室内向室外的温差传热，水流吸收的冷和热可以存储在地源中以供夏冬轮流使用，本发明充分利用可再生能源减小室外气候对室内环境的影响，减少了为对高品位能源的消耗。

Description

一种空腔内水流式窗体节能系统及其控制方法
技术领域
本发明属于建筑节能领域，具体涉及一种空腔内水流式窗体节能系统及其控制方法。
背景技术
由于机械制冷技术的发展和生活标准的提高，以消耗高品位能源如电，燃气等的机械式舒适性空调系统的应用也越来越广泛。我国建筑运行能耗不断攀升，建筑运行能耗占社会总能耗的约20％。而随着对室内生活品质的要求，人们对室内采光度的要求也越来越高，这就致使人们在设计建筑围护结构时，将窗户设计的越来越大，使得由于窗户而产生的冷负荷或热负荷占建筑围护结构产生的总冷负荷或热负荷的比重也越来越大，进一步使空调系统的运行能耗加大。
在过去的一段时间内，全球气候变暖、臭氧层的破坏以及矿物燃料的消耗量的增加等这些问题迫使社会和专家以及业界等认真思考如何有效地降低建筑能耗而继续满足人们对室内舒适性的要求并同时营造低碳的和谐社会。另一方面，虽然采用机械式空调系统可以维持室内的温度来满足室内人员的舒适性要求，但由于室外环境对围护结构的影响，尤其是对窗户的影响，致使围护结构内表面温度很高或很低，窗户的内表面温度基本与室外温度相同，造成对室内人员明显的热辐射或冷辐射，从而大大降低人体舒适性。
在最近的几年内，很多研究者们把目光投向了低品位能源及可再生能源的应用以降低高品位能源的消耗、削减高峰电需求并减低能源成本。在建筑空调领域，可用的低品位能源技术包括夜间的通风冷却、蒸发冷却、冷凝冷却、以及利用太阳能、风能和地源能等。
发明内容：
本发明的目的之一旨在提供一种基于地源耦合的空腔内水流式窗体节能系统，将可再生低品位能源的利用和建筑窗体结构形式集成在一起，不但可以大大减少高品位能源的消耗，还可以提高室内的舒适性。
本发明的节能系统包括：窗体热交换部分，即空腔内水流式窗体，两层玻璃之间的循环水流与窗体玻璃内表面进行热交换，循环水流在夏季吸收太阳辐射热；蓄能部分，即地源部分，可以是土壤或含水层，用于蓄冷或蓄热；动力输送部分，即水泵，提供循环水流的输运动力，水泵可采用普通电力驱动或者是太阳能发电系统提供的电力驱动，或采用其它动力等驱动。
本发明的窗体热交换部分通过其窗体两层玻璃之间的循环水流与窗体玻璃内表面进行热交换；循环水流在夏季吸收太阳辐射热，在冬季晚上可以向室外散热，减少室内向室外的散热。
本发明的蓄能部分用于蓄冷或蓄热，在供冷季，循环水流将从窗体吸收的对流热及太阳辐射热带到土壤或含水层，升高土壤或含水层的温度，达到蓄热的作用，而循环水流的温度降低，进入下一个循环继续吸热；在供热季，循环水流向窗体散热，循环水流将冷量带到土壤或含水层，降低土壤或含水层的温度，达到蓄冷的作用，而循环水流的温度升高，进入下一个循环继续放热。
本发明的动力输送部分提供循环水流在管道及窗体内流动的输运动力。
本发明所述的蓄能部分为土壤或含水层。
本发明所述的动力输送部分为水泵。
本发明所述的窗体热交换部分为空腔内水流式窗体，窗体下部和上部封装的供回水干管为均匀开小孔的圆管。
本发明的目的之二在于提出一种上述节能系统的控制方法，其通过控制器控制水泵的开启/停止来实现对水流的控制，具体包括：
在供冷季室外温度高于设定值的白天，开启水泵，循环水流吸收太阳辐射热及对流热，减少进入室内的热量，同样也可能吸收部分室内多余热量；在室外温度低于设定值时，水泵停止运行，以减少能耗；
在供热季室外温度低于设定值的晚上或阴雨天，开启水泵，循环水流向窗体散热，减少室内的热损失；在其它时间水泵停止运行，让更多太阳辐射热直接进入室内。
进一步地，在供冷季的白天，循环水流在吸收窗体热量及太阳辐射热后将吸收的热量带到土壤或含水层，使蓄能部分不断地蓄热；在供热季的晚上或阴雨天，循环水流向窗体散热后温度降低(相当于吸收冷量)，将吸收的冷量带到土壤或含水层，使蓄能部分不断地蓄冷。
本发明的窗体节能系统的控制方法包括室外温度传感器及太阳辐射计，在进入地源热交换器的供回水干管上装设温度传感器，控制预设值及控制逻辑。
在供冷/供热季，根据测量的供回水干管的温差与相应的设定值相比较来确定水泵运行是否有意义；如果供回水干管的温差太小说明换热量太少，这时可以停止水泵的运行，避免不必要的高品位能的消耗。
本发明的空腔内水流式窗体节能系统的优点在于直接利用窗体内水流与窗体玻璃内表面接触面积大的特点可以在流体与玻璃之间低温差传热的条件下实现大的传热量，及在供冷季直接利用窗体内循环水流吸收太阳辐射热。这为直接利用低品位能源的实现提供了重要的条件。
空腔内水流式窗体节能系统的优点还在于当室外环境作用于窗体尚未形成室内冷或热负荷时，就将窗体内的热量或冷量直接带到土壤或含水层中。
本发明的窗体中涉及的空腔为双层玻璃相夹的空间；窗体玻璃是常规的玻璃，市场上很容易获得，地埋管技术由于近年来地源热泵技术的发展及推广也得到很大的发展。在窗体结构中对供回水干管封装及整体密封是常规的做法，比双层真空玻璃窗体的工艺简单。因此本发明提出的窗体节能系统在技术上是完全可行的。
本发明的空腔内水流式窗体节能系统的特点还在于充分利用地源这一无穷大的蓄冷蓄热体充当建筑房间与室外气候的缓冲带，使用较少的水泵能耗使循环水流流动实现冷热量的转移，大大减少室外气候的变化对室内环境的影响。采用这种设计的建筑可以充分利用可再生低品位能源，低的(夏季)或高的(冬季)窗体结构的内表面温度还可以大大提高室内人员的舒适性。
附图说明：
本发明包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，结合在本申请中并构成本申请的一部分。
图1为本发明的基于地源耦合的空腔内水流式窗体节能系统示意图；
图2为本发明的水流式窗体剖面图，水流为下进上回的布置方式；
图3为本发明的水流式窗体集水管(回水干管)剖面图；
图4为本发明的水流式窗体分水管(供水干管)剖面图；
图1-4中，相同的附图标记用来表示相同的部件或元件，其中：
1建筑房间；2蓄能部分(土壤或含水层)；3空腔内水流式窗体；4分水管(供水干管)；5集水管(回水干管)；6窗体玻璃；7窗体空腔内水流；8窗体封装部分；9地源热交换器；10动力运输部分(水泵)；11供水干管的温度；12回水干管的温度；13太阳辐射强度；14室外温度。
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明的利用可再生能源的空腔内夹流式窗体节能系统包括空腔内水流式窗体3，蓄能部2及动力输送部分10。
在供热季时间里，当测量的室外温度14低于设定温度值或太阳辐射强度低于设定强度值时，动力输送部分10(一般为水泵)开启，循环水流7向窗体3提供高于室外环境温度的水，减少室内向室外的散热，起到抵御寒冷的作用，散热降了温的循环水流通过地源热交换器9后温度升高，同时降低土壤或含水层2的温度(即蓄冷)，并为夏季供冷做准备。如果测量的供水干管的温度11与回水干管的温度12的差值比设定值(比如1.5℃)低，则循环水流的散热小，减少室内向室外的散热能力很弱，动力输送部分停止运行。
该设定值应尽可能地减少室内向室外的传热，比如设定温度值取10℃，设定强度值取50w/m2。
在供冷季时间里，当测量的室外温度14高于设定温度值或太阳辐射强度高于设定强度值时，动力输送部分10开启，循环水流7向窗体3提供低于室外环境温度的水，吸收窗体内的热量或太阳辐射热，起到抵御室外炎热的作用，吸热升了温的循环水流通过地源热交换器9后温度降低，同时提高土壤或含水层2的温度(即蓄热)，并为冬季散热做准备。如果测量的回水干管的温度12与供水干管的温度11的差值比设定值(比如1.5℃)低，说明循环水流从窗体中吸收的热量很小，水泵停止运行。
该设定值应尽可能地减少室内向室外的传热，比如30℃，设定强度值100w/m2。

Claims (7)

1.一种空腔内水流式窗体节能系统，包括：
窗体热交换部分，其包括设置在建筑物墙体上的窗体，该窗体具有双层玻璃，该双层玻璃之间具有空腔，供水管道和回水管道分别设置在空腔上下两端，循环水流通过供水管道进入并在空腔内流动，与窗体玻璃表面进行热交换，之后通过所述回水管道流出；
蓄能部分，通过所述供水管道和回水管道与所述窗体热交换部分连通，用于对所述循环水流进行蓄冷或蓄热；
动力输送部分，设置在所述供水管道上，用于提供所述循环水流在管道和窗体内流动的输运动力；
所述蓄能部分中经蓄冷或蓄热的水流通过供水管道进入所述窗体热交换部分的空腔内，与窗体玻璃表面进行热交换，之后通过所述回水管道排出，再进入所述蓄能部分进行蓄冷或蓄热；
2.根据权利要求1所述的节能系统，其特征在于，所述的蓄能部分为土壤或含水层。
3.根据权利要求1或2所述的节能系统，其特征在于，所述的蓄能部分具有地源热交换器，水流经其进行热量交换。
4.根据权利要求1-3之一所述的节能系统，其特征在于，所述的动力输送部分为水泵。
5.一种权利要求1-4之一所述的窗体节能系统的控制方法，其通过控制动力输送部分的开启/停止来实现对节能窗体的控制，具体为：
在供冷季，当测量的室外温度高于第一设定温度值或太阳辐射强度高于第一设定强度值时，开启动力输送部分，使循环流体吸收窗体热量或太阳辐射热，并在供水管道和回水管道中的流水温差小于最小设定值时，使动力输送部分停止运行；
在供热季，当测量的室外温度低于第二设定温度值或太阳辐射强度低于第二设定强度值时，开启动力输送部分，使循环流体向窗体散热，并在供水管道和回水管道中的流水温差小于最小设定值时，使动力输送部分停止运行。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述第一设定温度值取30℃，第一设定强度值取100w/m2。
7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述第二温度值取10℃，第二设定强度值取50w/m2。
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