CN108643608B - 一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，所述的岗亭包括围护结构、空调系统、太阳能设备。本发明突出的特点在于，非透明围护结构为冷热源一体化围护结构，冬季制热时，非透明维护结构不再是散热构件，而是放热构件，计算岗亭热负荷时不需要计算外墙耗热量，夏季制冷时，非透明维护结构不再是放热构件，而是吸热构件，计算岗亭冷负荷时不需要计算外墙传热量，所以本发明的岗亭的冷热负荷明显低于传统岗亭的冷热负荷。岗亭外顶部围护结构外表面敷设单晶硅太阳能发电设备，为空调系统的压缩机提供电能，实现空调系统零能耗。本岗亭结构设计合理巧妙，有效节省了岗亭空间，不依赖外界提供电能，节能环保。

Description

一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭
技术领域
本发明涉及一种制冷取暖岗亭，特别是利用太阳能供电的冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭。
背景技术
现在岗亭通常采用分体式空调机用于夏季供冷冬季供热，一般分体式空调机的室内机置于岗亭内，室外机置于岗亭外部周围，不仅占用岗亭空间、影响美观，而且需要外界提供电能，能耗高。
如申请公布号为CN105716176A公开了一种名称为“基于光伏驱动的户外岗亭用蒸发冷却气幕空调”的发明专利，包括有贴附于户外岗亭顶外表面的太阳能光伏板组、设置于户外岗亭顶上且面向户外岗亭内输送空气幕形成单元及设置于户外岗亭内蒸发冷却-电力控制一体化站台；蒸发冷却-电力控制一体化站台分别与太阳能光伏板组、空气幕形成单元连接，此发明有效地利用了自然资源的同时实现了对户外岗亭的降温，给户外岗亭提供了舒适的工作环境。
申请公布号为CN103499126A公开了一种名称为“露点间接蒸发冷却与太阳能发电结合的执勤岗亭空调系统”的发明专利，包括有复合式露点间接蒸发冷却空调机组和设置于执勤岗亭顶棚外侧的太阳能发电组件，太阳能发电组件与太阳能发电系统连接，复合式露点间接蒸发冷却空调机组的一次风口通过一次风管与执勤岗亭顶棚内侧设置的环形风管连接，环形风管上设置有多个矩形射流消声风口，复合式露点间接蒸发冷凝空调机组的二次风口通过二次风管与执勤岗亭的岗亭中空撑杆连接，岗亭中空撑杆上设置有多个球形射流消声风口。此发明结合干空气能、自然能和太阳能，有效地降低了岗亭的温度，还具有节能、环保、经济、简便的特点。
授权公告号为CN205174651U的名称为“适用于户外岗亭的降温式蒸发冷却空调系统”的实用新型专利；还有授权公告号为CN205476615U的名称为“一种太阳能-辐射对流空调岗亭”的实用新型专利；以及授权公告号为CN205261809 U的名称为“一种岗亭空调器”的实用新型专利。
上述公开的现有岗亭空调器系统，虽然实现了对户外岗亭的降温，给户外岗亭提供了舒适的工作环境，而且还具有节能环保，经济实用的特点，但在利用太阳能供电为岗亭制冷制热时，在供冷季节，由于传统岗亭结构保温效果不好，特别是在我国北方冬季寒冷季节，制热能耗大，太阳能发电无法满足供冷需求，但是在偏僻的或者需要保密场所设置的岗亭无法提供市电接入，这就导致了冬天在岗亭值班人员工作环境恶劣。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供一种结构简单，节省空间的冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭。
一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭的技术方案如下：
一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，包括岗亭围护结构、空调系统、太阳能设备，所述的岗亭围护结构包括非透明围护结构、外窗、外门、屋顶、地面；所述岗亭外窗的下方的非透明围护结构为冷热源一体化围护结构，由第一换热器、第二换热器和隔热层构成，所述的第一换热器和第二换热器为冷热源一体化围护结构的冷热源，所述的空调系统包括压缩机、第一换热器、第二换热器、毛细管、四通换向阀；所述的太阳能设备敷设于岗亭外顶部围护结构外表面，为压缩机及岗亭内的照明装置提供电能。
在所述岗亭外窗下方的非透明围护结构为冷热源一体化围护结构，由第一换热器和第二换热器和隔热层构成，所述的第一换热器设置在岗亭非透明围护结构的岗亭内侧，第二换热器设置在岗亭外窗结构的下方岗亭非透明围护结构的岗亭内侧，第一换热器和第二换热器为平板式换热器，所述的隔热层为硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层，所述的外窗为三玻Low-E节能窗(军用岗亭的最外层玻璃应为防弹材质)，所述的外门为三玻Low-E节能门，所述的屋顶由建筑钢材层、硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层、防水材料层组成，所述的地面由SPS板层、PU板层、泡沫玻璃层和加气混凝土砌块层组成。
所述的太阳能设备是敷设于岗亭外顶部围护结构外表面的单晶硅太阳能发电设备，所述的单晶硅太阳能发电设备与压缩机连接，为空调系统的压缩机提供电能，在太阳能丰富的地区，发电量较大时还可为岗亭的照明设备等提供电能。
空调系统制热时：压缩机将制冷剂压缩成高压、高温蒸汽，高压、高温蒸汽制冷剂通过四通换向阀进入第一换热器向室内放热凝结成为高压、低温液体，高压、低温液体制冷剂进入节流元件毛细管中变为低压、低温液体，低压、低温液体制冷剂通过四通换向阀进入第二换热器并吸收热量蒸发成为低压、低温蒸汽，低压、低温蒸汽制冷剂再由压缩机抽吸压缩、进入下一个制热循环；空调系统制冷时：压缩机将制冷剂压缩成高压、高温蒸汽，高压、高温蒸汽制冷剂通过四通换向阀入第二换热器冷凝放热成为高压、低温液体，高压、低温液体制冷剂进入节流元件毛细管中变为低压、低温液体，低压、低温液体制冷剂通过四通换向阀进入第一换热器并吸收室内热量蒸发成为低压、低温蒸汽，低压、低温蒸汽制冷剂再由压缩机抽吸压缩，进入下一个制冷循环制热时。
所述的空调系统制冷剂为R12制冷剂，蒸发温度和冷凝温度根据环境参数来选择，换热器的面积根据岗亭负荷来选择。
所述第一换热器和第二换热器是平板式换热器，由翅片和管子组成为一体，在两块铜板的内表面，带有一种与制冷剂流动路线相一致的印刷图案，并通过冷轧方法将两块板焊接为一体。
所述的单晶硅太阳能发电设备敷设于岗亭顶部非透明围护结构外表面，单晶硅太阳能发电设备与压缩机连接，为压缩机提供电能，根据压缩机所需电能选择单晶硅太阳能发电设备的规格，在太阳能丰富的地区，发电量较大时还可以为岗亭的照明设备等提供电能。
与现有技术相比，本发明设计的岗亭冬季制热时，第一换热器作为热源将第二换热器吸收的室外热量释放到岗亭室内从而提高室内温度，非透明维护结构不再是散热构件，而是放热构件，计算耗热指标时不需要计算外墙耗热量这一部分；夏季制冷时，第一换热器为冷源吸收岗亭室内热量降低室内温度，第二换热器再将热量释放到室外非透明维护结构作为吸热构件，计算冷量消耗指标时不需要计算外墙传热量冷量这一部分，所以本发明的岗亭冷热负荷明显低于传统岗亭的冷热负荷，本发明的冷热源一体化围护结构以及各个结构的合理设置，太阳能供电设备为空调系统的压缩机，达到零能耗的目的节能环保，不需要外界提供电能，使用灵活方便，特别适用于偏远或保密场所，无法提供市电的岗亭环境，适用面广。
附图说明
图1是本岗亭冷暖系统的整体结构示意图。
图2是本岗亭冷暖系统的空调结构原理示意图。
图3是本岗亭四周非透明围护结构示意图。
图4是实施例岗亭冷暖系统的外观结构尺寸示意图。
图中：1.非透明围护结构，2.外窗，3.外门，4.屋顶，5地面，6.压缩机，7.第一换热器，8第二换热器，9.毛细管，10.四通换向阀，11.单晶硅太阳能发电设备，12.建筑钢材层，13.硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层，14.防水材料层，15.SPS板层，16.PU板层，17.泡沫玻璃层，18.加气混凝土砌块层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭的技术方案，岗亭尺寸大小如附图4所示，包括岗亭维护结构、空调系统、太阳能设备，如附图1所示，所述的岗亭包括非透明围护结构1、外窗2、外门3、屋顶4、地面5，所述的空调系统如图2所示，包括压缩机6、第一换热器7、第二换热器8、毛细管9、四通换向阀10，在所述岗亭外窗2下方的非透明围护结构1为冷热源一体化围护结构，由冷热源的第一换热器7和第二换热器8和隔热层构成，所述的第一换热器7设置在围护结构内表面，第二换热器8设置在围护结构外表面，所述的隔热层为硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层13，所述的外窗2为三玻Low-E节能窗，所述的外门3为三玻Low-E节能门，所述的屋顶4由建筑钢材层12、硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层13和防水材料层14组成，所述的地面由SPS板层15、PU板层16、泡沫玻璃层17和加气混凝土砌块层18组成；所述的太阳能设备为敷设于岗亭外顶部围护结构外表面的单晶硅太阳能发电设备，如图3所示，所述的单晶硅太阳能发电设备11与空调系统的压缩机6连接为其提供电能；
空调系统制热时：压缩机6将制冷剂压缩成高压、高温蒸汽，高压、高温蒸汽制冷剂通过四通换向阀10进入第一换热器7向室内放热凝结成为高压、低温液体，高压、低温液体制冷剂进入节流元件毛细管中变为低压、低温液体，低压、低温液体制冷剂通过四通换向阀10进入第二换热器8并吸收热量蒸发成为低压、低温蒸汽，低压、低温蒸汽制冷剂再由压缩机6抽吸压缩、进入下一个制热循环，实现制冷制热。
空调系统制冷时：压缩机6将制冷剂压缩成高压、高温蒸汽，高压、高温蒸汽制冷剂通过四通换向阀10入第二换热器8冷凝放热成为高压、低温液体，高压、低温液体制冷剂进入节流元件毛细管9中变为低压、低温液体，低压、低温液体制冷剂通过四通换向阀10进入第一换热器7并吸收室内热量蒸发成为低压、低温蒸汽，低压、低温蒸汽制冷剂再由压缩机抽吸压缩，进入下一个制冷循环；
本专利实施例以山西省太原市为岗亭实施地点，根据太原市环境参数确定岗亭围护结构的具体材料，计算得到各维护结构的传热系数如表1所示：
表1岗亭材料列表
Figure BDA0001662639090000071
所述的隔热层为厚度为150mm的硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层13，传热系数为0.178K(W/m2·K)，所述的外窗2为三玻Low-E节能窗是三层厚度为5mm的玻璃组成的三层两腔结构，中间两腔的厚度均为9mm，传热系数为1.7K(W/m2·K)，所述的外门3为三玻Low-E节能门是三层厚度为5mm的玻璃组成的三层两腔结构，中间两腔的厚度均为9mm，传热系数为1.7K(W/m2·K)，所述的屋顶由厚度为3mm的建筑钢材层12、厚度为150mm的硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层13、厚度为2mm防水材料层14组成，传热系数为0.15K(W/m2·K)，所述的地面由厚度为30mm的SPS板层、厚度为25mm的PU板层、厚度为65mm的泡沫玻璃层和厚度为100mm的加气混凝土砌块层组成，传热系数为0.35K(W/m2·K)。
所述第一换热器7和第二换热器8是平板式换热器，由翅片和管子组成为一体，在两块铜板的内表面，带有一种与制冷剂流动路线相一致的印刷图案，并通过冷轧方法将两块板焊接为一体。
根据相关规范计算得到岗亭的冷热负荷如表1、2所示，空调系统制冷剂为R12制冷剂，蒸发温度为t0＝-20℃，冷凝温度t＝45℃，设计第一换热器和第二换热器8的面积均为8m2，由图4岗亭的具体尺寸可知外窗下非透明维护结构面积为12.24m2，满足换热器敷设条件。非透明维护结构面积的计算过程如下(2.55+2.55+2.55+1.55)X1.2＝12.24m2
表2：岗亭供暖和供冷期的时间表
季节设定 月份 日期
采暖季开始日期 11 1
采暖季结束日期 3 1
空调季开始日期 6 1
空调季结束日期 8 30
表3岗亭供暖期和供冷期负荷表
Figure BDA0001662639090000081
Figure BDA0001662639090000091
根据表3内容可知，岗亭最大热负荷出现时刻在1月份，为1450W，COP＝3，则压缩机所需电量是483W，太阳能发电量满足空调系统所需最大冷负荷出现时刻在7月份，为1150W，COP＝2.85，则压缩机所需电量是403W。单晶硅太阳能发电设备11选用晶澳JAM672-320/SI，一块面积是1965mm×991mm，并取三块敷设于岗亭顶部非透明围护结构外表面，发电量如附表4。由此可知太阳能发电量满足空调系统所需(空调的COP选自《直膨式家用水源空调器实验研究》)
表4单晶硅太阳能发电设备的发电量
Figure BDA0001662639090000092
Figure BDA0001662639090000101
山西省居住建筑节能设计标准DBJ04-242-2012相关条文规定居住建筑节能标准为耗热量指标≤18W/m2。根据山西省居住建筑节能设计标准DBJ04-242-2012规定的耗热量指标计算方法，
qH＝qHT+qINF-qIN
式中：qH-建筑物耗热量指标(W/m2)；
qHT-折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑围护结构的传热量(W/m2)；
qINF-折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑空气渗透耗热量(W/m2)；
qIN一折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑内部得热量，取3.8W/m2。
qHT＝qHq+qHw+qHd+qHmc+qHy
式中：qHq-折合到单位建筑面积上单位时间内通过墙的传热量；
qHW-折合到单位建筑面积上单位时间内通过屋面的传热量；
qHd-折合到单位建筑面积上单位时间内通过地面的传热量；
qHmc-折合到单位建筑面积上单位时间内通过门、窗的传热量；
qHv-折合到单位建筑面积上单位时间内通过非采暖封闭阳台的传热量；
Figure BDA0001662639090000102
式中：
εwi-屋面传热系数的修正系数，应根据本标准附录E确定；
Kwi-屋面传热系数；
Fwi-屋面的面积，可根据本标准附录L的规定计算确定；
查该标准附录得，采暖期室外平均温度Te＝-0.9℃；南、北、东、西非透明围护结构传热系数的修正系数ε分别是0.84、0.95、0.91、0.92；屋面传热系数的修正系数ε＝0.97；水平方向、南向、北向、东向和西向的太阳总辐射平均强度分别为108、118、36、62和60。
通过上述公式及参数得到，
Figure BDA0001662639090000111
Figure BDA0001662639090000112
qH＝qHT+qINF-qIN＝17.43+4.53-3.8＝18.16W/m2
采用本发明冷热源一体化维护结构的岗亭，四周的非透明维护结构不再是散热构件，而是放热构件，所以采用冷热源一体化维护结构的岗亭计算耗热指标时不需要计算墙的耗热量这一部分，得到：
Figure BDA0001662639090000113
Figure BDA0001662639090000114
qH＝qHT+qINF-qIN＝12.08+4.53-3.8＝12.81W/m2
由上可知，本发明实施的岗亭的耗热量指标为12.81W/m2，达到了山西省居住建筑的节能设计标准，而且与传统岗亭的耗热量指标进行对比，可得发明实施的岗亭节能率达到了29.4％。
通过发明的冷热源一体化围护结构和空调系统，能够实现夏季供冷冬季供暖，太阳能发电设备为空调系统的压缩机提供电能，还可为岗亭内的照明、办公等提供电能，整个系统采用的是太阳能和空气能新能源，无污染，绿色环保，实现了空调系统零能耗。
本发明将作为冷热源与围护结构一体化，不仅大大减少了冬季围护结构耗热量和夏季围护结构得热量，而且可以节约岗亭空间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，包括岗亭围护结构、空调系统、太阳能设备，所述的岗亭围护结构包括非透明围护结构、外窗、外门、屋顶、地面，其特征在于，所述岗亭外窗的下方的非透明围护结构为冷热源一体化围护结构，由第一换热器、第二换热器和隔热层构成，所述的第一换热器和第二换热器为冷热源一体化围护结构的冷热源；所述的空调系统包括压缩机、第一换热器、第二换热器、毛细管、四通换向阀；所述的太阳能设备敷设于岗亭外顶部围护结构外表面，为压缩机及岗亭内的照明装置提供电能所述的冷热源一体化围护结构的第一换热器设置在岗亭非透明围护结构内侧，第二换热器设置在岗亭外窗结构的下方岗亭非透明围护结构外侧，隔热层设置在第一换热器和第二换热器中间，
冬季制热时，非透明维护结构不再是散热构件，而是放热构件，计算岗亭热负荷时不需要计算外墙耗热量，夏季制冷时，非透明维护结构不再是放热构件，而是吸热构件，计算岗亭冷负荷时不需要计算外墙传热量，
第一换热器和第二换热器为平板式换热器，所述的隔热层为硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层；所述的外窗为三玻Low-E节能窗；所述的外门为三玻Low-E节能门；所述的屋顶由建筑钢材层、硬质聚氨酯泡沫塑料板内保温层、防水材料层组成；所述的地面由SPS板层、PU板层、泡沫玻璃层和加气混凝土砌块层组成。
2.根据权利要求1所述的采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，其特征在于：所述的空调系统制冷剂为R12制冷剂。
3.根据权利要求1所述的采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，其特征在于：所述的太阳能设备为单晶硅太阳能发电设备，所述的单晶硅太阳能发电设备敷设于岗亭顶部非透明围护结构外表面，单晶硅太阳能发电设备与压缩机连接，为压缩机提供电能。
4.根据权利要求1所述的采用冷热源一体化围护结构的零能耗岗亭，其特征在于：所述第一换热器和第二换热器是平板式换热器，由翅片和管子组成为一体，在两块铜板的内表面，带有一种与制冷剂流动路线相一致的印刷图案，并通过冷轧方法将两块板焊接为一体。
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