CN111706945B - 一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，旨在提供一种在同一套系统内既能实现冬季保温隔冷，又能实现夏季保冷隔热的系统。包括建筑围护结构及贯穿屋顶、墙体和地下的相变换热系统。相变换热系统包括多个换热单元。每个换热单元包括屋顶散热器、位于竖向埋管孔道内贯穿上端盖与下端盖的第一流体管道和第二流体管道、地埋换热器、第一三通阀、第一旁通管、第二三通阀及第二旁通管。通过第一三通阀和第二三通阀的接口切换，每个换热单元的第一流体管道、第二流体管道与地埋换热器之间形成供热换热；每个换热单元的第一流体管道、第二流体管道与屋顶散热器形成制冷换热。该系统能满足建筑的保温隔热和供热制冷的需求。

Description

一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统

技术领域

本发明涉及建筑节能技术领域，更具体的说，是涉及一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统。

背景技术

当前，建筑能耗约占全社会总能耗的45％，而供暖制冷能耗又占建筑能耗的较大比例。随着建筑节能意识和技术的不断提升，超低能耗建筑逐渐在国内外得到重视和有序推广。但值得注意的是，当前超低能耗建筑外围护结构的保温隔热严重依赖于使用高性能的保温材料，且保温材料用量和厚度随着节能要求的提升还在不断增加。实际上，保温材料的大量使用和保温层厚度的不断增加不仅会大幅挤占建筑宝贵的使用空间，同时也对建筑防火要求更加严苛。除此之外，虽然增加保温材料使用量在部分气候区可以降低冬季建筑热负荷，但同时也降低了建筑在夏季夜间通过夜间自然通风散热减少室内冷负荷的潜力，导致部分时间段需要额外开启制冷空调设备为室内降温，建筑能耗也因此反而有所上升。传统保温隔热技术的基本原理是依靠增加室内外传热热阻，以此削弱冬季室内热量向室外散失和夏季室外热量向室内扩散的阻力，理论上仅当围护结构传热系数无限小或保温层厚度无限大才能彻底隔绝室内外之间的热量传递过程。由此可见，虽然传统保温隔热方式在建筑节能领域发挥了一定积极作用，但其固有的先天局限在发展超低能耗建筑、零能耗建筑乃至产能建筑时将暴露无遗。

近年来，热激活建筑系统因具有良好的节能效果且同时不影响建筑师建筑设计的美学表达，从而逐渐受到建筑师和工程师的共同青睐。热激活建筑系统分为主动式和被动式两种，其中主动式热激活建筑系统依靠机械泵等高能动设备驱动流体在建筑围护结构中循环流动，由于不受驱动力限制，主动式热激活建筑系统可以满足建筑保温隔热和供热制冷等各种需求，但其采用的显热热交换方式导致换热效率低、运行成本高昂；被动式热激活建筑系统则依靠温差驱动流体在建筑围护结构中循环流动，虽然其采用潜热热交换方式可以大幅提升换热效率并有效降低运行成本，但受重力作用的限制，被动式热激活建筑系统目前仅能单一的为建筑提供保温和供热或者隔热和制冷，这也严重的限制了被动式热激活建筑系统的应用范围。

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，而提供一种在同一套系统内既能实现冬季保温隔冷，又能实现夏季保冷隔热的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，包括建筑围护结构及贯穿屋顶、墙体和地下的相变换热系统；所述相变换热系统内充注有相变工质；所述相变换热系统包括多个换热单元；对应每个所述换热单元的所述建筑围护结构内分别设置有竖向埋管孔道，所述竖向埋管孔道两端分别设置有上端盖和下端盖，所述竖向埋管孔道内填充有填料；每个所述换热单元包括屋顶散热器、位于所述竖向埋管孔道内贯穿所述上端盖与下端盖的第一流体管道和第二流体管道、地埋换热器、第一三通阀、第一旁通管、第二三通阀及第二旁通管；所述填料包覆所述第一流体管道和第二流体管道；所述第一流体管道的下端与所述第一三通阀的B接口连接，所述第一三通阀的A接口与所述地埋换热器的第一接口连接，所述第一三通阀的C接口通过所述第一旁通管分别与所述地埋换热器的第二接口及所述第二流体管道的下端连接，所述第二流体管道的上端与所述第二三通阀的A接口连接，所述第二三通阀的B接口与所述屋顶散热器的进口连接，所述屋顶散热器的出口与相邻所述换热单元的所述第一流体管道上端连接；所述第二三通阀的C接口通过所述第二旁通管与相邻所述换热单元的所述第一流体管道上端连接；末端所述换热单元的所述第二三通阀的C接口通过末端所述换热单元的所述第二旁通管、制热控制单向阀与首端换热单元的所述第一流体管道上端连接；末端所述换热单元的所述第二三通阀的B接口通过制冷控制单向阀及末端换热单元的所述屋顶散热器与首端所述换热单元的所述第一流体管道连接；通过所述第一三通阀和第二三通阀的接口切换，每个所述换热单元的第一流体管道、第二流体管道与地埋换热器之间形成供热换热；每个所述换热单元的第一流体管道、第二流体管道与屋顶散热器形成制冷换热。

所述相变换热系统中的相变工质为水、乙醇或R134a制冷剂。

与所述竖向埋管孔道相对应的建筑外围护结构上设置有横向检查孔，所述横向检查孔内安装有检查孔塞。

所述屋顶散热器可以采用自然/强制风冷翅片散热器、液冷散热器或辐射板散热器。

所述地埋管换热器采用竖直埋管换热器或水平埋管换热器。

所述竖向埋管孔道的横向间距为100-500毫米。

所述填料为金属颗粒与细沙的混合物，二者混合比例不小于1:20。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的被动式热激活建筑系统通过合理的结构设计，能够克服重力对系统内部工质流动和换热过程的影响，通过自身运行调控可以在同一套系统内既能实现冬季保温隔冷，又能实现夏季保冷隔热，可以应用于不同气候区并满足建筑的保温隔热和供热制冷等需求，在大幅降低超低能耗建筑保温材料使用量和火灾发生隐患的同时，可有效减少建筑围护结构的冷热负荷，并有效提升建筑室内的热舒适度。

2、本发明的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统可以与建筑外围护结构进行高度的一体化集成设计，仅需在设计和建造阶段为流体管道预留好相应的管道孔，施工方便。

3、本发明的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统可充分利用浅层地温的自我恢复能力和夏季夜间环境冷能，因而无需任何额外的集能和蓄能设备，整个系统也无需设置专用设备机房，系统的初始投资、运行和维护费用均较低。

附图说明

图1所示为本发明超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统示意图；

图2所示为本发明超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统剖面示意图。

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。

本发明超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统的示意图如图1-图2所示，包括建筑围护结构1及贯穿屋顶、墙体和地下的相变换热系统，所述相变换热系统内充注有相变工质。所述相变换热系统包括多个换热单元。对应每个所述换热单元的所述建筑围护结构1内分别设置有竖向埋管孔道2，所述竖向埋管孔道2两端分别设置有上端盖14和下端盖15，所述竖向埋管孔道2内填充有填料。每个所述换热单元包括屋顶散热器9、位于所述竖向埋管孔道内贯穿所述上端盖14与下端盖15的第一流体管道5和第二流体管道6、地埋换热器7、第一三通阀8、第一旁通管11、第二三通阀10及第二旁通管12。所述填料包覆所述第一流体管道5和第二流体管道6。所述第一流体管道5的下端与第一三通阀8的B接口连接，所述第一三通阀8的A接口与地埋换热器7的第一接口连接，所述第一三通阀8的C接口通过第一旁通管11分别与地埋换热器7的第二接口及第二流体管道6的下端连接，所述第二流体管道6的上端与第二三通阀的A接口连接，所述第二三通阀的B接口与所述屋顶散热器9的进口连接，所述屋顶散热器9的出口与相邻换热单元的第一流体管道5的上端连接。所述第二三通阀10的C接口通过第二旁通管12与相邻换热单元的第一流体管道5上端连接。末端所述换热单元的第二三通阀10的C接口通过末端换热单元的第二旁通管12、制热控制单向阀16与首端换热单元的第一流体管道上端连接；末端换热单元的第二三通阀10的B接口通过制冷控制单向阀13及末端换热单元的屋顶散热器与首端换热单元的第一流体管道5连接；通过所述第一三通阀8和第二三通阀10的接口切换，每个所述换热单元的第一流体管道5、第二流体管道6与地埋换热器7之间形成供热换热，或者，每个所述换热单元的第一流体管道5、第二流体管道6与屋顶散热器9形成制冷换热。

所述相变换热系统中的相变工质为水、乙醇或R134a制冷剂。

为了便于检修，与所述竖向埋管孔道2相对应的建筑外围护结构上设置有横向检查孔3，所述横向检查孔3内安装有检查孔塞4。所述横向检查孔3的直径不低于100毫米，所述横向检查孔3的竖向间距不低于2000毫米。

所述竖向埋管孔道2的直径为600毫米，竖向埋管孔道2的横向间距为100-500毫米。

所述屋顶散热器9优选为自然/强制风冷翅片散热器，也可为液冷散热器或辐射板散热器，屋顶散热器9置于屋顶侧背阴位置处，同时具有良好通风散热条件。所述填料为金属颗粒与细沙的混合物，二者混合比例不小于1:20。

所述地埋管换热器7为竖直埋管换热器，也可为水平埋管换热器，换热器深度或长度为5-120米。

所述第二旁通管12外侧包裹有保温材料。

本发明根据季节需求不同具有两种不同的运行模式：夏季运行模式和冬季运行模式。

夏季运行模式可有效切断室外热量向室内传播的途径，降低建筑围护结构的冷负荷和内表面平均辐射温度：首先开启第一三通阀8的BC通道和第二三通阀10的AB通道。夏季，建筑外围护结构表面在太阳辐射和空气对流等作用下吸收热量逐渐增多，建筑外围护结构温度也随之上升并逐渐高于环境温度。与此同时，建筑外围护结构中竖向埋管孔道2内的填料受热升温，加热墙体侧第一流体管道及第二流体管道中的相变工质。随着墙体侧第一流体管道5及第二流体管道6内的相变工质温度与屋顶散热器9所处环境温度的差值逐渐增大，第一流体管道及第二流体管道内的部分相变工质受热相变蒸发产生气泡，自身体积迅速发生膨胀，墙体侧第一流体管道及第二流体管道的内部压力随之上升。在制冷控制单向阀13的限制下，来自墙体侧第一流体管道及第二流体管道内的气液混合物流入屋顶散热器中，在屋顶散热器9中持续受到来自环境冷源或其他冷源的冷却，其中气泡发生相变冷凝，使得自身体积发生收缩，而屋顶散热器9内部压力也随之下降。最终，在墙体侧第一流体管道及第二流体管道和屋顶散热器9中压差作驱动下以及制冷控制单向阀13的限制下，相变工质经当前换热单元的第一流体管道5、第一旁通管11、第二流体管道6、第二三通阀的A接口及B接口进入当前换热单元的屋顶散热器9，经屋顶散热器降温后的相变工质进入下一换热单元的第一流体管道内，以此类推，流经末端换热单元第二流体管道的相变工质经第二三通阀10的AB通道进入制冷控制单向阀13，再经末端换热单元的屋顶散热器后回到首端换热单元的第一流体管道内，完成一个完整的循环，不断重复上述循环，可以在墙体侧第一流体管道及第二流体管道与屋顶散热器中产生持续的单向循环流动，建筑外围护结构得热也随之被持续散失到室外环境中，可有效减少建筑外围护结构的冷负荷，并有效提升建筑室内的舒适度。

冬季运行模式可有效切断室内热量向室外泄露的途径，降低建筑围护结构热负荷并提升内表面平均辐射温度：首先开启第一三通阀8的AB通道和第二三通阀10的AC通道。冬季，建筑外围护结构表面在辐射和对流等作用下不断向室外环境散失热量，建筑外围护结构的温度也随之下降并逐渐向环境温度靠近，此时，地下浅层土壤仍维持在当地年平均温度左右。与此同时，建筑外围护结构中竖向埋管孔道2内的填料温度降低，冷却墙体侧第一流体管道及第二流体管道中的相变工质。随着墙体侧第一流体管道及第二流体管道周边温度与地埋管换热器7所处土壤温度的差值逐渐增大，地埋管换热器7中部分相变工质受热相变蒸发产生气泡，自身体积发生膨胀，地埋管换热器7内部压力也随之上升。在制热控制单向阀16的限制下，来自地埋管换热器7的气液混合物在墙体侧第一流体管道及第二流体管道中受到来自建筑外围护结构及填料的冷却，其中气泡发生相变冷凝，自身体积发生收缩，墙体侧第一流体管道及第二流体管道内部压力也随之下降。最终，在墙体侧第一流体管道及第二流体管道和地埋管换热器7中压差作驱动下以及制热控制单向阀16的限制下，相变工质经当前换热单元的第一流体管道5、第一三通阀8的AB通道进入地埋换热器7内交换热量，之后，相变工质经当前换热单元的第二流体管道6、第二旁通管12进入下一换热单元的第一流体管道，以此类推，流经末端换热单元的第二流体管道、第二旁通管的相变工质经制热控制单向阀16进入首端换热单元的第一流体管道，完成一个循环。不断重复上述过程，可以在墙体侧第一流体管道及第二流体管道和地下侧地埋换热器中产生持续的单向循环流动，浅层土壤中的低品位可再生能源也随之被持续输送至外围护结构中弥补室内热损失，可以有效减少建筑外围护结构的热负荷，并有效提升建筑室内的舒适度。

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 (5)

1.一种超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，其特征在于，包括建筑围护结构及贯穿屋顶、墙体和地下的相变换热系统；所述相变换热系统内充注有相变工质；所述相变换热系统包括多个换热单元；对应每个所述换热单元的所述建筑围护结构内分别设置有竖向埋管孔道，所述竖向埋管孔道两端分别设置有上端盖和下端盖，所述竖向埋管孔道内填充有填料；每个所述换热单元包括屋顶散热器、位于所述竖向埋管孔道内贯穿所述上端盖与下端盖的第一流体管道和第二流体管道、地埋换热器、第一三通阀、第一旁通管、第二三通阀及第二旁通管；所述填料包覆所述第一流体管道和第二流体管道；所述第一流体管道的下端与所述第一三通阀的B接口连接，所述第一三通阀的A接口与所述地埋换热器的第一接口连接，所述第一三通阀的C接口通过所述第一旁通管分别与所述地埋换热器的第二接口及所述第二流体管道的下端连接，所述第二流体管道的上端与所述第二三通阀的A接口连接，所述第二三通阀的B接口与所述屋顶散热器的进口连接，所述屋顶散热器的出口与相邻所述换热单元的所述第一流体管道上端连接；所述第二三通阀的C接口通过所述第二旁通管与相邻所述换热单元的所述第一流体管道上端连接；末端所述换热单元的所述第二三通阀的C接口通过末端所述换热单元的所述第二旁通管、制热控制单向阀与首端换热单元的所述第一流体管道上端连接；末端所述换热单元的所述第二三通阀的B接口通过制冷控制单向阀及末端换热单元的所述屋顶散热器与首端所述换热单元的所述第一流体管道连接；通过所述第一三通阀和第二三通阀的接口切换，每个所述换热单元的第一流体管道、第二流体管道与地埋换热器之间形成供热换热；每个所述换热单元的第一流体管道、第二流体管道与屋顶散热器形成制冷换热；与所述竖向埋管孔道相对应的建筑外围护结构上设置有横向检查孔，所述横向检查孔内安装有检查孔塞；所述填料为金属颗粒与细沙的混合物，二者混合比例不小于1:20；夏季运行模式：首先开启第一三通阀的BC通道和第二三通阀的AB通道，最终，在墙体侧第一流体管道及第二流体管道和屋顶散热器中压差作驱动下以及制冷控制单向阀的限制下，相变工质经当前换热单元的第一流体管道、第一旁通管、第二流体管道、第二三通阀的A接口及B接口进入当前换热单元的屋顶散热器，经屋顶散热器降温后的相变工质进入下一换热单元的第一流体管道内，以此类推，流经末端换热单元第二流体管道的相变工质经第二三通阀的AB通道进入制冷控制单向阀，再经末端换热单元的屋顶散热器后回到首端换热单元的第一流体管道内，完成一个完整的循环，不断重复上述循环；冬季运行模式：首先开启第一三通阀的AB通道和第二三通阀的AC通道，最终，在墙体侧第一流体管道及第二流体管道和地埋管换热器中压差作驱动下以及制热控制单向阀的限制下，相变工质经当前换热单元的第一流体管道、第一三通阀的AB通道进入地埋换热器内交换热量，之后，相变工质经当前换热单元的第二流体管道、第二旁通管进入下一换热单元的第一流体管道，以此类推，流经末端换热单元的第二流体管道、第二旁通管的相变工质经制热控制单向阀进入首端换热单元的第一流体管道，完成一个循环，不断重复上述过程。

2.根据权利要求1所述的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，其特征在于，所述相变换热系统中的相变工质为水、乙醇或R134a制冷剂。

3.根据权利要求1或2所述的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，其特征在于，所述屋顶散热器采用自然/强制风冷翅片散热器、液冷散热器或辐射板散热器。

4.根据权利要求3所述的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，其特征在于，所述地埋管换热器采用竖直埋管换热器或水平埋管换热器。

5.根据权利要求1所述的超低能耗建筑用被动式热激活建筑系统，其特征在于，所述竖向埋管孔道的横向间距为100-500毫米。