CN109028414A - 低能耗一体化建筑能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗一体化建筑能源系统，旨在提供一种充能够在降低办公建筑全年能耗、提升办公建筑室内热舒适度的同时，大幅减少办公建筑的初投资和运行费用的系统。包括蓄能系统、第一换热系统和第二换热系统以及位于南侧、西侧和东侧中的至少一侧的光伏幕墙和位于北侧的重质墙体，光伏幕墙内有第一换热系统，重质墙体内有第二换热系统，蓄能系统通过水泵分别为第一换热系统和第二换热系统进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存；光伏幕墙由室外向室内依次为光伏玻璃组件、膜层、幕墙外侧基底玻璃层、空气层、幕墙内侧基底玻璃层。本发明的一体化建筑能源系统结构简单，适用性强。

Description

低能耗一体化建筑能源系统
技术领域
本发明涉及建筑节能技术领域，尤其是涉及一种实现建筑低能耗目标的一体化建筑能源系统。
背景技术
众所周知，建筑行业实际上是最大的非可再生能源使用者之一，占世界主要经济体一次能源消费的百分之四十左右。光伏幕墙由于可以解决建筑的部分用电负荷，因此在办公建筑中的应用逐渐兴起。但光伏幕墙建筑因其自身属于轻质围护结构的特点，能耗一直居高不下，且光伏幕墙中太阳能电池由于无法得到有效冷却而严重制约其光电转化效率的提升。事实上，围护结构是影响建筑能耗的主要因素，夏季建筑冷负荷主要来自于围护结构太阳得热、冬季建筑热负荷主要来自围护结构环境冷量渗透。当前，重质墙体和轻质光伏幕墙在办公建筑中均得到广泛应用。当前，对于北墙应用重质围护结构的办公建筑来说，降低建筑负荷的主要措施就是使用保温材料。虽然保温材料已成熟应用数十年之久，但保温材料在使用过程中也暴露出诸多问题，例如：占用了大量建筑空间、使用寿命低于建筑寿命、具有火灾安全隐患等。而对南向大量应用光伏幕墙的办公建筑来说，保温材料的应用则受到限制，使用高性能玻璃则是目前较为常见的幕墙节能措施之一。但由于玻璃属于轻质围护结构，自身存在较为严重的隔热和太阳辐射得热问题，使得室内环境容易产生较为严重热不舒适问题，因此建筑能耗并未有效得到降低。事实上，从办公建筑冷热负荷形成的角度来看，夏季南墙幕墙的太阳辐射、南墙光伏幕墙的光电转化余热以及冬季北墙环境冷量渗透是造成办公建筑能耗较高的主要因素。从能源利用角度来看，它们都属于未被建筑有效利用的、就地的且广泛存在的低品位可再生能源。鉴于此，本发明针对现有典型南墙为轻质玻璃幕墙设计、北墙为重质围护结构设计的办公建筑提出了一种一体化能源系统解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种低能耗一体化建筑能源系统，充分利用建筑自身围护结构和地下蓄能系统收集、转移并蓄存建筑中广泛存在的低品位可再生能源，能够在降低办公建筑全年能耗、提升办公建筑室内热舒适度的同时，大幅减少办公建筑的初投资和运行费用。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，包括蓄能系统、第一换热系统和第二换热系统以及位于南侧、西侧和东侧中的至少一侧的光伏幕墙和位于北侧的重质墙体，所述光伏幕墙内设置有所述第一换热系统，所述重质墙体内设置有所述第二换热系统，所述蓄能系统通过水泵分别为所述第一换热系统和第二换热系统进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存；所述光伏幕墙由室外向室内依次为光伏玻璃组件、膜层、幕墙外侧基底玻璃层、空气层、幕墙内侧基底玻璃层；所述第一换热系统安装于所述膜层与幕墙外侧基底玻璃层之间。
还包括补热/补冷装置，所述补热/补冷装置通过所述水泵与所述蓄能系统进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。
还包括控制系统和检测系统，所述检测系统用于检测太阳照度、室外温度和土壤温度，所述控制系统根据所述检测系统的检测数据控制集热隔热模式、集冷保温模式、补热模式或补冷模式的实现。
所述重质墙体由室外到室内依次为外抹灰层、保温层、基础墙体层，填充材料层位于所述保温层与基础墙体层之间或基础墙体层室内一侧，所述第二换热系统安装于所述填充材料层内。
所述第一换热系统包括第一流体换热管路，所述第二换热系统包括第二流体换热管路，所述蓄能系统包括地埋换热装置、回流管路和出流管路，所述出流管路的流体出口通过水泵和阀门分别与所述第一流体换热管路的第一流体进口和第二换热管路的第二流体进口连接，所述回流管路一端与所述地埋换热装置的流体进口连接，所述回流管路的另一端分别与所述第一流体换热管路的第一流体出口和第二流体换热管路的第二流体出口连接，所述出流管路的流体出口与所述水泵进口连接。
所述检测系统包括太阳辐照度传感器、室外温度传感器和土体温度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一体化建筑能源系统充分利用建筑自身围护结构和地下蓄能系统收集、转移并蓄存建筑中广泛存在的低品位可再生能源，能够在降低办公建筑全年能耗、提升办公建筑室内热舒适度的同时，大幅减少办公建筑的初投资和运行费用。
2、本发明的一体化建筑能源系统结构简单，适用性强。
3、本发明的一体化建筑能源系统中通过光伏幕墙的特定结构与换热系统相结合，能够充分利用幕墙建筑自身围护结构和蓄能系统收集、转移并蓄存幕墙建筑中广泛存在的低品位可再生能源，降低能耗，节约能源。同时，能够大幅降低夏季南侧光伏幕墙中太阳能光伏电池的运行温度，由此提升光伏发电效率。
附图说明
图1所示为本发明低能耗一体化建筑能源系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明低能耗一体化建筑能源系统的结构示意图如图1所示，包括蓄能系统3、第一换热系统1和第二换热系统2，以及位于南侧、西侧和东侧中的至少一侧的光伏幕墙4和北侧的重质墙体5，所述光伏幕墙4内设置有所述第一换热系统1，所述重质墙体5内设置有所述第二换热系统2，所述蓄能系统3通过水泵7分别为所述第一换热系统1和第二换热系统2进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存。
为了春季和秋季的蓄能，还包括补热/补冷装置6，所述补热/补冷装置6通过所述水泵7与所述蓄能系统3进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。本实施例中，所述补热/补冷装置采用采用辐射板，也可以采用热泵等现有设备。
为了实现自动控制，还包括控制系统和检测系统，，所述检测系统用于检测太阳照度、室外温度和土壤温度。本实施例中，所述检测系统包括太阳辐照度传感器9、室外温度传感器10和土体温度传感器11。所述控制系统根据所述检测系统的检测数据控制集热隔热模式、集冷保温模式、补热模式或补冷模式的实现。
本实施例中，所述光伏幕墙4由室外向室内依次为光伏玻璃组件4-1、膜层4-2、幕墙外侧基底玻璃层4-3、空气层4-4、幕墙内侧基底玻璃层4-5。所述第一换热系统1安装于所述膜层4-2与幕墙外侧基底玻璃层4-3之间。
所述重质墙体5可以采用现有技术中的结构。本实施例中，所述重质墙体5由室外到室内依次为外抹灰层5-5、保温层5-4、基础墙体层5-2，填充材料层5-3位于所述保温层5-4与基础墙体层5-2之间，或位于基础墙体层5-2靠近室内一侧，所述第二换热系统2安装于所述填充材料层5-3内。
本实施例中，所述第一换热系统1包括第一流体换热管路，所述第二换热系统2包括第二流体换热管路。所述第一流体换热管路的上端设置有第一流体出口，所述第一流体换热管路的下端设置有第一流体进口，所述第二流体换热管路的上端设置有第二流体进口，所述第二流体换热管路的下端设置有第二流体处口。所述蓄能系统3包括地埋换热装置3-1、回流管路3-2和出流管路3-3，所述出流管路3-3的流体出口通过水泵7和阀门分别与所述第一流体换热管路的第一流体进口和第二换热管路的第二流体进口连接，所述回流管路3-2一端与所述地埋换热装置3-1的流体进口连接，所述回流管路3-2的另一端分别与所述第一流体换热管路的第一流体出口和第二流体换热管路的第二流体出口连接，所述出流管路3-3的流体出口与所述水泵7的进口连接。
为了实现春季和秋季的蓄能，还包括补热/补冷装置6，所述补热/补冷装置6通过所述水泵7与所述蓄能系统3进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。具体结构为：补热/补冷装置的流体出口通过单向阀13-3与蓄能系统的回流管路3-2连接，补热/补冷装置的流体进口通过电磁阀12-3与水泵7的出口连接。
为了便于实现控制，在系统中设置单向阀及电控阀门。本实施例的设计结构为：在第一换热系统1与所述回流管路3-2连接的管路上安装有单向阀13-1，在第二换热系统2与回流管路连接的管路上安装有单向阀13-2，在出流管路3-3与第一换热系统1连接的管路上安装有电磁阀12-1，在出流管路3-3与第二换热系统2连接的管路上安装有电磁阀12-2。水泵7出口处设置三通阀8，三通阀8的A口与水泵7的出口连接，三通阀8的B口一路通过电磁阀12-2与第二流体换热管路的第二流体进口连接，另一路通过电磁阀12-3与补热/补冷装置6的流体进口连接，三通阀8的C口通过电磁阀12-1与第一流体换热管路的第一流体进口连接。
所述填充材料层5-3的厚度为10-60mm。
所述基础墙体层5-2的材料优选为砖块，也可为砌块、黏土、混凝土或水泥砂浆。
所述第一流体换热管路和第二流体换热管路优选为毛细管网，方便与PVB膜固定连接。也可为布置形式为蛇形、螺旋形以及平行布置的铜管或聚乙烯管道。其中，流体工质为添加防冻液的循环水。
所述填充材料层5-3中的填充材料为水泥砂浆、相变材料、细石混凝土、黏土和石膏中的任一种。为强化集冷管道11的释热和集冷效率，所述填充材料也可以为水泥砂浆、细石混凝土、相变材料、黏土和石膏中的任一种与金属丝网、粉末以及石墨等的掺混物。
本发明的低能耗一体化建筑能源系统主要有三种运行控制模式：夏季运行模式(集热隔热模式)和冬季运行模式(集冷保温模式)、补热运行模式和补冷运行模式。
夏季运行模式(集热隔热模式)：夏季，控制系统根据太阳辐照度传感器9和室外温度传感器10的检测结果，按照常规方法计算出室外综合温度，从而判断光伏幕墙4是否需要进行集热或降低建筑围护结构冷负荷。当控制系统判断得出室外综合温度处于25-35℃范围时，控制系统控制并打开三通阀8的AC通道、电磁阀12-1，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自地埋管蓄能系统3-1的低温流体工质(经过冬季集冷运行，土体温度一般维持在15-25℃，相对环境温度可称为“低温流体工质”)流经光伏幕墙4，将光伏幕墙中未被光伏玻璃组件4-1电池有效转化的太阳能以及光伏玻璃组件4-1自身吸收的太阳辐射得热带走并蓄存至蓄能系统3中，在大幅降低光伏幕墙4冷负荷的同时也完成夏季低品位可再生能源的蓄存以便供冬季使用。当控制系统判断得出室外综合温度处于大于35℃时，控制系统控制并打开三通阀8的AC通道、AB通道、电磁阀12-1和电磁阀12-2，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自蓄能系统3的低温流体工质分别流经光伏幕墙4和北侧重质墙体5，带走南侧光伏幕墙热量并降低北侧墙体温度，大幅降低通过围护结构冷负荷，并回流至蓄能系统3。
冬季运行控制模式(集冷保温模式)：冬季，控制系统根据室外温度传感器9和太阳辐照度传感器的检测结果，按照常规方法计算综合室外温度，判从而断北侧重质墙体5是否需要进行集冷或降低建筑围护结构热负荷。当室外综合温度处于5-15℃时，控制系统控制并打开三通阀8的AB通道、电磁阀12-2，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自蓄能系统3的高温流体工质(经过夏季集热运行，土体温度一般维持在20-30℃，相对环境温度可称为“高温流体工质”)流经北侧重质墙体5，将北侧重质墙体冷量带走并回流至蓄能系统3，在大幅降低通过北侧重质墙体的热负荷的同时也完成冬季冷量蓄存供夏季使用。当室外综合温度小于5℃时，控制系统控制并打开三通阀8的AB通道、AC通道、电磁阀12-1和电磁阀12-2，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自蓄能系统3的高温流体工质(经过夏季集热运行，土体温度一般维持在20-30℃，相对环境温度可称为“高温流体工质”)流经南侧光伏幕墙4和北侧重质墙体5，降低通过建筑围护结构的热负荷，并回流至蓄能系统3。
补冷运行模式：在春季，若土体温度传感器11检测值显示土壤温度高于25℃，通过控制系统控制并打开三通阀8的AB通道和电磁阀12-3，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自蓄能系统3的流体工质流经所述补热/补冷装置6，通过补热/补冷装置6降低流体工质的温度并回流至蓄能系统3，完成蓄能系统3的补冷，满足夏季使用。补热运行模式：在秋季，若土体温度传感器检测值显示土壤温度低于20℃，通过控制系统控制并打开三通阀8的AB通道和电磁阀12-3，并启动水泵7。此时，水泵7驱动来自蓄能系统3的流体工质流经所述补热/补冷装置6，通过补热/补冷装置6提升流体工质的温度并回流至蓄能系统3，完成蓄能系统3的补热，满足冬季使用。
本发明的一种低能耗一体化建筑能源系统从建筑冷热负荷形成的主要原因着手，使传统的高能耗型建筑转为节能型和产能型超低能耗建筑，实现了低能耗办公建筑能源系统的一体化设计、生产和应用。本发明通过在南侧光伏幕墙围护结构中设置一体化的第一换热系统用于集热、在北侧重质墙体内设置第二换热系统用于集冷并与地埋管蓄能系统连接，利用土壤良好蓄能特性在夏季蓄热(南侧光伏幕墙太阳能电池废热和辐射得热)的同时降低建筑冷负荷、在冬季蓄冷(北墙环境冷能)的同时降低建筑的热负荷。通过集热管道的冷却，本发明大幅降低夏季南侧光伏幕墙中太阳电池的运行温度，由此提升光伏发电效率。本发明可大幅降低办公建筑全年能耗，随之减少建筑的全年运行费用；本发明可减少建筑的峰值负荷，因此供热和制冷设备容量可大幅降低，随之可减少建筑的初始投资。本发明结构简单、容易实现，适用于不同气候区的办公建筑，是一种实现办公建筑低能耗目标切实可行和较为可靠的建筑能源系统解决方案。
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 (6)

1.一种低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，包括蓄能系统、第一换热系统和第二换热系统以及位于南侧、西侧和东侧中的至少一侧的光伏幕墙和位于北侧的重质墙体，所述光伏幕墙内设置有所述第一换热系统，所述重质墙体内设置有所述第二换热系统，所述蓄能系统通过水泵分别为所述第一换热系统和第二换热系统进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存；所述光伏幕墙由室外向室内依次为光伏玻璃组件、膜层、幕墙外侧基底玻璃层、空气层、幕墙内侧基底玻璃层；所述第一换热系统安装于所述膜层与幕墙外侧基底玻璃层之间。
2.根据权利要求1所述的低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，还包括补热/补冷装置，所述补热/补冷装置通过所述水泵与所述蓄能系统进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。
3.根据权利要求1或2所述的低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，还包括控制系统和检测系统，所述检测系统用于检测太阳照度、室外温度和土壤温度，所述控制系统根据所述检测系统的检测数据控制集热隔热模式、集冷保温模式、补热模式或补冷模式的实现。
4.根据权利要求3所述的低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，所述重质墙体由室外到室内依次为外抹灰层、保温层、基础墙体层，填充材料层位于所述保温层与基础墙体层之间或基础墙体层室内一侧，所述第二换热系统安装于所述填充材料层内。
5.根据权利要求3所述的低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，所述第一换热系统包括第一流体换热管路，所述第二换热系统包括第二流体换热管路，所述蓄能系统包括地埋换热装置、回流管路和出流管路，所述出流管路的流体出口通过水泵和阀门分别与所述第一流体换热管路的第一流体进口和第二换热管路的第二流体进口连接，所述回流管路一端与所述地埋换热装置的流体进口连接，所述回流管路的另一端分别与所述第一流体换热管路的第一流体出口和第二流体换热管路的第二流体出口连接，所述出流管路的流体出口与所述水泵进口连接。
6.根据权利要求3所述的低能耗一体化建筑能源系统，其特征在于，所述检测系统包括太阳辐照度传感器、室外温度传感器和土体温度传感器。
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