CN108534275A - 建筑热循环系统 - Google Patents

Abstract

建筑热循环系统，它包括外墙立管、屋面管、地板管、埋地管、室内立管，外墙立管埋在外墙内，屋面管埋在屋面板内，地板管埋在室内地板内，埋地管埋在地下室地板内，室内立管位于室内；外墙立管上端与屋面管连通，下端与埋地管连通；屋面管与周围的外墙立管连通，中间通过屋面汇集管与室内立管的上端连通；地板管的两端与室内立管连通；埋地管与周围的外墙立管连通，中间通过地下汇集管与室内立管的下端连通；室内立管上端通过屋面汇集管与屋面管连通，下端通过地下汇集管与埋地管连通；上述管道采用金属管、塑料管、建筑风道，循环介质为空气或水，它们依秩连接成辐射空调系统，通过系统循环，实现能量的储存和释放。

Description

建筑热循环系统

技术领域

本发明属于空调领域，具体涉及用于建筑辐射空调的热循环系统。

背景技术

空调蓄冷通常采用冰蓄冷、水蓄冷、相变墙体蓄冷，它把夜间低谷廉价的电能转换成冷能或热能储存起来，用于白天空调，但它需要大量的蓄冷材料，体积大，系统复杂，投资成本高。而高纬度地区昼夜温差大，在夏季某些时段，夜间室外温度远低于白天室内空调温度，形成巨量的天然冷源，在不利用制冷机蓄冷的条件下，如何把这个天然冷源蓄积起来，目前还缺少相关技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充分利用天然冷热源、更加节能的建筑热循环系统。

本发明的解决方案是：建筑热循环系统包括外墙立管、屋面管、地板管、埋地管、室内立管，它们依秩连接成热循环系统。外墙立管埋在外墙内，屋面管埋在屋面板内，地板管埋在室内地板内，埋地管埋在地下室地板内，室内立管位于室内。外墙立管上端与屋面管连通，下端与埋地管连通；屋面管与周围的外墙立管连通，中间通过汇集管与室内立管的上端连通；地板管的两端与室内立管连通，或一端与室内立管连通，另一端与外墙立管连通，或与独立的空调系统连通；埋地管与周围的外墙立管连通，中间通过汇集管与室内立管的下端连通；室内立管上端与屋面的汇集管连通，下端与地下的汇集管连通。上述管道采用金属管、塑料管、建筑风道，管内循环介质为空气或水，形成热循环辐射空调系统。

在夏季的白天，建筑的外墙、屋面由于室外高温和太阳辐射以及室内热负荷的作用，外墙和屋面温度升高，外墙立管、屋面管内的循环介质温度也升高，而室内立管的循环介质温度相对较低，这样，室内立管底部的压力大于外墙立管底部的压力，两者存在压力差，循环介质在压力差的作用下，在外墙立管中上升，在室内立管中下降，从而在外墙立管、屋面管、室内立管、埋地管中形成重力自然循环，循环介质经过地下室时，由于地下室的土壤温度低于循环介质温度，高温的循环介质向土壤传递热量，室内外的余热排向土壤，维持室内的空调温度不变，当土壤温度与循环介质的温度接近时，传热趋于停止，此时启动空调系统，把室内外余热排向室外。自然循环换热效率低，可在系统中增加风机、水泵，并与空调设备配合，进行机械循环，提高换热效率。

在夏季的夜晚，室外温度低于室内温度、外墙温度及地下室土壤的温度，建筑外墙向外散热，外墙立管、屋面管内的循环介质温度低于室内立管的循环介质温度，这样，外墙立管底部的压力大于室内立管底部的压力，两者存在压力差，循环介质在压力差的作用下，在外墙立管中下降，在室内立管中上升，从而在外墙立管、屋面管、室内立管、埋地管中形成重力自然循环，循环介质经过地下室时，由于地下室的土壤温度高于循环介质温度，高温的土壤向循环介质传递热量，通过循环，土壤的热能及室内余热通过外墙及屋面排向室外，维持室内的空调温度不变，在上半夜，室外温度较高时，需启动空调系统，把室内余热排向室外，在下半夜，室外温度较低，是向建筑墙体、地板、土壤蓄冷的最好时机。

在冬季的白天，如果阳光充足，气温较高，室内有富裕的余热，可通过循环系统，把这部分余热传递到地下室土壤中积蓄起来，用于夜间采暖需求。实际上，在冬季大部分时间，尤其是在夜晚，室内没有余热，必须通过循环系统，从地下室土壤中提取热能，当热能不够时，要启动空调系统供热。

因此，通过本发明的建筑热循环系统，实现夏季夜间向土壤、建筑结构蓄冷，冬天白天蓄热，达到节能的目的。

附图说明

图1是具有建筑热循环系统的建筑立面和剖面图

图2是图1的1-1剖面图

图3是图1的2-2剖面图

图4是自然循环风系统原理图

图5是自然循环水系统原理图

图6是机械循环风系统原理图(1)

图7是机械循环风系统原理图(2)

图8是机械循环水系统原理图(1)

图9是机械循环水系统原理图(2)

图10是机械循环风水混合系统原理图

图11是带蓄能水池的机械循环水系统原理图

附图标记说明：

1、外墙立管，2、屋面管，3、地板管，4、埋地管，5、6、室内立管，7、8、汇集管，9、外墙风道，10、11、14、15、风阀，12、13、18、20、21、25、26、27、阀门，16、循环风机，17、23、热泵空调机组，19、28、循环水泵，22、冷却塔，24、蓄能水池，29、30、内墙立管。

具体实施方式

图1中外墙立管1埋在外墙内，屋面管2埋在屋面板内，地板管3埋在室内地板内，埋地管4埋在地下室地板内，室内立管5、6位于室内。外墙立管1上端与屋面管2连通，下端与埋地管4连通；屋面管2与周围的外墙立管1的上端连通，中间通过屋面汇集管7与室内立管5的上端连通；地板管3的两端与室内立管5、6连通，或一端与室内立管5连通，另一端与外墙立管1连通，或与独立的空调系统连通；埋地管4与周围的外墙立管1下端连通，中间通过地下汇集管8与室内立管6的下端连通；室内立管5上端通过屋面汇集管7与屋面管2连通，室内立管6下端通过地下汇集管8与埋地管4连通，室内立管5下端与室内立管6上端连通，当室内立管5下端与地板管3连通时，在室内立管5与室内立管6之间装有阀门12。室内立管5、6应远离外墙，位于室内中部，与室内温度一致的地方。多层建筑的每层地板管3并联在室内立管5、6上。

上述管道采用建筑风道、金属管、塑料管。建筑风道可采用空心砖形成的风道，在空心砖砌筑的外墙内形成上下贯通的风道，与屋面管2、埋地管4连通，当外挂石材与墙面有间隙时，也可作为风道使用。室内立管5、6、地板管3可采用预制混凝土风道。屋面管2、埋地管4可采用预制板架空层。金属管可采用铁皮管、钢管等，塑料管可采用PVC管等，管道可预埋在混凝土、砖砌墙、保温层内，当钢管预埋在混凝土内时，可替代结构钢筋，节省材料。因屋面汇集管7的尺寸较大，宜将其布置在屋面结构板的上面。外墙风道9装在墙根处，与外墙立管1连通，上面装有风阀10，室外空气从风阀10进入外墙风道9，再进入外墙立管1中，可从风阀11中排出，风阀11装在屋面汇集管7上。如果有上下连续的内墙，也可在其中埋入内墙立管，上下与系统连通，增大辐射面积。上述管道的尺寸、数量、类型应通过计算，满足辐射空调工艺的要求。图中的循环介质为空气，上述系统形成自然循环辐射空调系统，管内冷热空气与地板、顶板、墙体热交换，对室内形成冷热辐射，如果再增设一套新风设备，就形成一套完善的通风空调系统。

当外墙和内墙为剪力墙时，埋入其中的外墙立管1、内墙立管采用钢管，作为结构钢筋使用，代替实芯钢筋，节省钢材，外墙立管1、内墙立管的力学特性必须达到实芯钢筋的标准，管道的排列布置必须满足结构设计规范的要求，同样，屋面管2、地板管3、埋地管4也可用钢管代替结构实芯钢筋。当管道为水管时，钢管宜采用不锈钢管，或碳素管内衬不锈钢；当管道为风管时，钢管宜采用不锈钢管，或碳素管内衬不锈钢，或碳素管内刷防腐涂层。

图2中，地板管3的一端与室内立管5的下端连通，另一端与室内立管6的上端连通，室内立管5与室内立管6之间装有阀门12，这是个短路阀，打开阀门12，循环风不经过地板管3，直接从室内立管5、6中通过。外墙中垂直排列有外墙立管1。外墙风道9装在墙根周围，与每根外墙立管1连通，上面装有多个风阀10，室外空气从风阀10进入外墙风道9，再进入外墙立管1中。当外墙立管1遇到窗户时，可取消一部分管道，或者从窗户两侧外墙绕行，局部密集排列，该方法适用于水系统。

图3中，埋地管4一端与周围的外墙立管1连通，另一端与地下汇集管8连通，汇集管8与室内立管6的下端连通。埋地管4、汇集管8主要与土壤换热，也与地下室空气换热，为了减少与地下室空气换热，可铺设保温地板和墙板。埋地管4、汇集管8宜做在地下室防水层的里面。

图4中，在夏季的白天，建筑的外墙、屋面由于室外高温和太阳辐射以及室内热负荷的作用，外墙和屋面温度升高，外墙立管1、屋面管2内的空气温度也升高，而室内立管5、6的空气温度相对较低，这样，室内立管6底部的压力大于外墙立管1底部的压力，两者存在压力差，空气在压力差的作用下，在外墙立管1中上升，在室内立管5、6中下降，从而在外墙立管1、屋面管2、室内立管5、6、埋地管4中形成重力自然循环，循环空气的流程见图中实线箭头方向：外墙立管1→屋面管2→汇集管7→室内立管5→阀门12→室内立管6→汇集管8→埋地管4→外墙立管1。循环空气经过地下室时，由于地下室的土壤温度低于循环空气温度，高温的循环空气向土壤传递热量，室内外的余热排向土壤，维持室内的空调温度不变，当土壤温度与循环空气的温度接近时，传热趋于停止，此时打开风阀10、11，由于外墙立管1中的空气被墙体加热，温度高于室外温度，在管内形成上升气流，室外冷空气从风阀10进入外墙立管1中，被墙体加热后，从屋面上的风阀11排出，从而消除余热，很显然，这是被动房的方式，由于是自然循环，换热效率较低。当这种方法不能完全消除余热时，启动空调系统，把室内外余热排向室外。当关闭阀门12时，循环空气通过地板管3，阀门12为旁通阀门。

在夏季的夜晚，室外温度低于室内温度、外墙温度及地下室土壤的温度，建筑外墙向外散热，外墙立管1、屋面管2内的空气温度低于室内立管5、6的空气温度，这样，外墙立管1底部的压力大于室内立管5、6底部的压力，两者存在压力差，空气在压力差的作用下，在外墙立管1中下降，在室内立管5、6中上升，从而在外墙立管1、屋面管2、室内立管5、6、埋地管4中形成重力自然循环，循环空气的流程见图中虚线箭头方向：外墙立管1→埋地管4→汇集管8→室内立管6→阀门12→室内立管5→汇集管7→屋面管2→外墙立管1。循环空气经过地下室时，由于地下室的土壤温度高于循环空气温度，高温的土壤向循环空气传递热量，通过循环，土壤的热能及室内余热通过外墙及屋面排向室外，维持室内的空调温度不变，关闭阀门12，循环空气通过地板管3，可通过地板向室内辐射换热。在上半夜，室外温度较高时，需启动空调系统，把室内余热排向室外，在下半夜，室外温度较低，是向建筑结构、土壤蓄冷的最好时机。

在冬季的白天，如果阳光充足，气温较高，室内有富裕的余热，可通过循环系统，把这部分余热传递到地下室土壤中积蓄起来，用于夜晚采暖需求。实际上，在冬季大部分时间，尤其是在夜晚，室内没有余热，必须通过循环系统，从地下室土壤中提取热能，当热能不够时，要启动空调系统供热。

图5是自然循环水系统，循环介质是水，在系统的顶部装排气阀、注水阀，在系统的底部装泄水阀，为防止系统结冰，宜加注防冻液，管道采用钢管、铜管、PE、PB管等耐压管，它的循环和换热过程同图4，水循环比空气循环的效率高，管材尺寸小。

图6是在图4的自然循环风系统上增加了循环风机16，并配备风冷式热泵空调机组17，形成一套主动房的辐射空调系统，提高了系统的换热效率。为减少占地面积，循环风机16、热泵空调机组17宜布置在屋面。

当系统自然循环时，打开阀门12、13，它的循环和换热过程同图4。

当系统进行机械循环时，关闭阀门10、11、12、13、15，打开阀门14，循环空气的流程是：循环风机16→空调机组17→室内立管5→地板管3→室内立管6→汇集管8→埋地管4→外墙立管1→屋面管2→汇集管7→风阀14→循环风机16。当外墙、屋顶、土壤换热能够满足室内空调负荷时，空调机组17不启动，否则，启动空调机组17，为室内提供冷热负荷。夏季循环空气的温度不宜低于露点温度，以防止结露，温度宜控制在15～20℃之间。

当利用室外冷热空气进行换热时，比如：夏季夜晚利用室外冷空气驱热蓄冷，冬季白天利用室外热空气蓄热。关闭阀门10、12、13、14，打开阀门11、15，空气的流程是：室外空气→阀门15→循环风机16→空调机组17→室内立管5→地板管3→室内立管6→汇集管8→埋地管4→外墙立管1→屋面管2→汇集管7→风阀11→室外。这样，室外冷空气或热空气从进风阀门15进入系统，经过与室内建筑结构和地下室土壤换热，变成热空气或冷空气，从排风阀门11排入室外，能量积蓄在室内建筑结构和地下室土壤中，这种系统称为室外空气直流式空调系统。当系统以自然循环为主时，室内立管5、6不宜做保温；当系统以机械循环为主时，室内立管5、6宜做保温。

图7中，地板管3的一端与室内立管5连通，另一端与外墙立管1连通，通过阀门18控制风量，这种做法可以缩短空气循环路径，减小阻力。

图8是在图5的自然循环水系统上增加循环水泵19，并配备冷却塔22、水冷式热泵空调机组23，冷却塔22采用闭式或开式冷却塔，图中为闭式冷却塔，当采用闭式冷却塔时，可采用风干式或水淋式两种冷却换热方式。水系统可以提高了系统的换热效率。为减少占地面积，循环水泵19、冷却塔22、热泵空调机组23宜布置在屋面。

当系统自然循环时，打开阀门12、13，它的循环和换热过程同图4、5。

当系统进行机械循环时，关闭阀门12、13，循环水的流程是：循环水泵19→阀门20→冷却塔22→热泵空调机组23→室内立管5→地板管3→室内立管6→汇集管8→埋地管4→外墙立管1→屋面管2→汇集管7→循环水泵19。循环水在冷却塔22中被室外空气冷却或加热，进入系统后，与室内建筑结构和地下室土壤换热，当室外空气温度不适合换热时，启动热泵空调机组23，关闭阀门20，打开阀门21，冷却塔22关闭，循环水与热泵空调机组23换热，被冷却或加热，然后进入室内系统。夏季循环水的温度不宜低于露点温度，以防止结露，温度宜控制在15～20℃之间。当系统以自然循环为主时，室内立管5、6不宜做保温；当系统以机械循环为主时，室内立管5、6宜做保温。

外墙立管1、地板管3也可用毛细管代替，在吊顶、顶板、墙面上敷设毛细管网，形成室内辐射管网系统。

图9中，地板管3的一端与室内立管5连通，另一端与外墙立管1连通，通过阀门18控制水量。

图10中，地板管3与循环水泵19、冷却塔22、热泵空调机组23组合成循环水系统，室内立管5、6、汇集管8、埋地管4、外墙立管1、屋面管2、汇集管7、循环风机16、空调机组17组合成循环风系统；或者地板管3与循环风机16、空调机组17组合成循环风系统，室内立管5、6、汇集管8、埋地管4、外墙立管1、屋面管2、汇集管7、循环水泵19、冷却塔22、热泵空调机组23组合成循环水系统，系统中同时具有风循环系统和水循环系统，两者是独立的辐射空调系统，从而形成风水混合热循环系统。该系统的每个系统可以单独进行自然水循环、自然风循环、机械水循环、机械风循环，两个系统以上述四种循环方式组合成多种混合循环方式。由于水系统换热效率高，管道尺寸小，地板管3宜采用水系统，在地板内容易敷设布置。冷却塔22的循环介质也可以是循环空气，把闭式冷却塔的循环介质管径放大，适合循环空气流动，这样循环介质水或空气都可以在冷却塔22中换热，循环水系统、循环风系统共用一个冷却塔22。

图11中，在地下室装有蓄能水池24，通过冷却塔22或热泵空调机组23换热，把能量积蓄在蓄能水池24中，用于辐射制冷或采暖，图中蓄能水池24是开式容器，也可采用闭式水罐等形式的蓄能容器，不限于水蓄冷，蓄能容器中也可采用其它蓄冷介质。图中循环水的流程是：循环水泵19→阀门20→冷却塔22→热泵空调机组23→室内立管5→地板管3(或阀门12)→室内立管6→阀门25→蓄能水池24→循环水泵28→阀门27→室内立管6→汇集管8→埋地管4→外墙立管1→屋面管2→汇集管7→循环水泵19。图中，内墙立管29上端与室内立管5连通，下端与室内立管6连通，内墙立管30上端与屋面管2或汇集管7连通，下端与埋地管4或汇集管8连通，图中内墙立管29、30为水管，也可采用风管。

夜间利用廉价的电能蓄冷、蓄热，可以节省电费。当夏季利用墙体、地板蓄冷，循环介质的温度不宜低于露点温度，以防止结露，循环介质的温度在夏季宜控制在15～20℃之间，冬季蓄热时循环介质的温度宜控制在26～35℃之间。这样，夏季夜间墙体、地板蓄冷温度稳定在20℃后，白天不开空调设备，由墙体、地板向房间辐射制冷，释放冷量，直到墙体、地板的温度升至26℃后再启动空调系统；冬季夜间墙体、地板蓄热温度稳定在26℃后，白天不开空调设备，由墙体、地板向房间辐射制热，释放热量，直到墙体、地板的温度降至20℃后再启动空调系统。当利用蓄能容器蓄冷、蓄热时，如果其中的蓄能介质直接供给系统，则夏季蓄能介质的蓄冷温度宜控制在15℃左右，冬季蓄热温度宜控制在35℃左右；如果其中的蓄能介质通过二次换热间接供给系统，则夏季蓄能介质的蓄冷温度宜控制在10℃以下，冬季蓄热温度宜控制在40℃以上。

综上所述，当利用空气作为循环介质，由于空气的热容量低，温度衰减快，它适用于冷热负荷较小的带地下室的低层建筑。而利用水作为循环介质，它适合各类建筑，对于高层建筑，由于土壤蓄热量有限，使用本系统只能把能量积蓄在墙体和地板中，适合夜间利用低谷电能积蓄能量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施办法而已，并非对本发明做任何形式上的限制。依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.建筑热循环系统，它包括外墙立管、屋面管、地板管、埋地管、室内立管，其特征在于，外墙立管埋在外墙内，屋面管埋在屋面板内，地板管埋在室内地板内，埋地管埋在地下室地板内，室内立管位于室内；外墙立管上端与屋面管连通，下端与埋地管连通；屋面管与周围的外墙立管上端连通，中间通过屋面汇集管与室内立管的上端连通；地板管的两端与室内立管连通，或一端与室内立管连通，另一端与外墙立管连通，或与独立的空调系统连通；埋地管与周围的外墙立管下端连通，中间通过地下汇集管与室内立管的下端连通；室内立管上端通过屋面汇集管与屋面管连通，室内立管下端通过地下汇集管与埋地管连通；上述管道采用金属管、塑料管、建筑风道，管道内循环介质为空气或水，它们依秩连接成热循环系统，形成辐射空调系统，通过系统循环，向建筑结构、地下室土壤中蓄能。

2.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，它带有循环风机、热泵空调机组，该系统进行自然循环或机械循环。

3.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，它带有循环水泵、冷却塔、热泵空调机组，该系统进行自然循环或机械循环。

4.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，它是室外空气直流式空调系统，带有进风阀门、排风阀门。

5.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，它是风水混合热循环系统。

6.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，室内立管上装有旁通阀门。

7.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，系统带有内墙立管，它埋于内墙中，上端与室内立管的上端连通，下端与室内立管的下端连通，或上端与屋面的屋面管、汇集管连通，下端与地下室的埋地管、汇集管连通。

8.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，外墙立管、内墙立管、屋面管、地板管、埋地管采用钢管，作为结构钢筋使用，管内有循环介质。

9.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，外墙立管的墙根处连接有外墙风道和进风阀，在屋面汇集管上装有排风阀。

10.根据权利要求1所述的建筑热循环系统，其特征在于，系统带有蓄能容器。