CN114322128A - 一种自然能开发集成系统及建筑系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然能开发集成系统及建筑系统，该系统包括蓄水池和换热系统，蓄水池设置在地下，蓄水池下层设置进风管道，蓄水池上层设置集气道；换热系统包括送风机和抽风机，抽风机的进风口与建筑物外空气和建筑地道风连通，出风口与蓄水池的进风管道连通，蓄水池集气道出口与送风机连接，送风机与建筑物的通气道连接为建筑物输送新风，建筑物中的空气通过蓄水池的进水通道进入水体，透过水体换热净化后到达蓄水池顶部，汇集在集气道后通过送风机进入建筑物。建筑系统包括自然能开发集成系统和建筑物。通过抽风机和送风机空气能够从下到上经过水体净化换热并循环，有效利用了蓄水池中水体及周边土壤的自然能量。

Description

一种自然能开发集成系统及建筑系统

技术领域

本发明涉及建筑节能技术领域，更具体地说，涉及一种自然能开发集成系统及建筑系统。

背景技术

进入21世纪以来，国内外关于自然能开发利用研究较多，取得了多项应用成果，如水源热泵、地源热泵、空气源热泵技术及设备，可用于建筑采暖、空调与热水供应。空气源热泵存在着能效受外部环境影响过大、运行费用较高的瓶颈。水是最简单、最廉价的储热介质，然而类似于北京等中国北方地区，地下水资源严禁开发利用，水源热泵技术难以采用，也制约了水源热泵技术在北方地区的应用。与此同时，海绵城市建设正在国内大量开展，城市雨水收集、储存、应用系统越来越多。

本发明将海绵城市建设与自然能源开发结合起来，提出一种综合利用地源、水源及空气源的供热与制冷技术，为北京等寒冷、缺水地区建筑新风净化换热提供创新模式。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自然能开发集成系统，该系统包括蓄水池和换热系统，蓄水池设置在地下，蓄水池下层设置进风管道，蓄水池上层设置集气道；换热系统包括送风机和抽风机，抽风机的进风口与建筑物外空气和建筑地道风连通，出风口与蓄水池的进风管道连通，蓄水池集气道出口与送风机连接，送风机与建筑物的通气道连接为建筑物输送新风，建筑物中的空气通过蓄水池的进水通道进入水体，透过水体换热净化后到达蓄水池顶部，汇集在集气道后通过送风机进入建筑物。通过抽风机和送风机空气能够从下到上经过水体换热并循环，有效利用了蓄水池中水体及周边土壤的自然能量。

进一步，换热系统还包括换热器，换热器设置在送风机与建筑物之间，用于对经水体换热净化后的空气进一步加热或降温送入建筑物中。

进一步，所述集气道为水面上方的空气收集管道或透气防渗板。透气防渗板为夹层，送风机与透气防渗板连接将透过该透气防渗板的气体抽出送入建筑物。空气收集管道为带孔的管道与送风机连接，送风机将空气收集管道中的气体抽出送入建筑物中。

进一步，蓄水池内部设置有水净化模块。

进一步，所述蓄水池的进水口与砂基雨水资源化设施相连。

进一步，所述蓄水池底部设置透气防渗地埋孔，所述透气防渗地埋孔埋入蓄水池底下土壤，透气防渗地埋孔中充填有透气防渗砂。透热防渗砂孔隙内气体通过热对流作用增加土壤与水体的热交换。

进一步，所述建筑物的出气口与抽风机进风口相连。地道风是建筑物地下室的风。

进一步，所述自然能开发集成系统包括除湿机，所述除湿机设置在所述集气道与所述送风机之间。

进一步，所述自然能开发集成系统包括空气源热泵，空气源热泵设置在建筑物外，建筑物外的空气作为所述空气源热泵的热源。

进一步，所述空气源热泵通过阀门与所述蓄水池相连。

进一步，所述空气源热泵通过阀门与所述换热器相连，为新风加热或制冷。

进一步，所述砂基雨水资源化设施与城镇市政排水管网连通。

进一步，所述水净化模块包括具有透水滤水作用的蜂巢滤墙结构。

进一步，所述蜂巢滤墙结构可根据进出水质要求来选择满铺或部分铺设的铺设方式。

进一步，所述空气源热泵通过阀门与所述蓄水池相连，在夏季，夜晚通过阀门控制所述空气源热泵为所述蓄水池内的水体降温，将冷量储存在蓄水池内；在冬季，白天通过阀门控制所述空气源热泵为所述蓄水池内的水体加热，将热能储存在蓄水池内。

进一步，所述空气源热泵通过阀门与换热器相连，在夏季，打开阀门，直接为新风制冷；在冬季，打开阀门直接为新风加热。

本发明还提供一种建筑系统，包括上述自然能开发集成系统和建筑物，自然能开发集成系统的抽风机与建筑物的出风口连接，送风机与建筑物的通气道连通。

建筑物包括内墙，内墙上设置窗户，窗户与抽风机的进风口连接。

建筑物包括热水箱和热水系统，空气源热泵与热水箱连接，热水箱与热水系统连接。

进一步，所述建筑内墙中空，所述建筑外墙保持密封，所述建筑内墙与室内连通，换气时，打开所述建筑内墙的窗户，通过抽风机将排风输送至蓄水池。实现排风热回收。

技术原理/特征：

(1)发明雨水资源、自然能源一体化储存利用技术。冻土层以下的土壤常年处于热稳定状态，可作为夏季制冷的冷却源、冬季供暖的低温热源。本发明基于此，提出将基于海绵城市建设的雨水收集系统与自然能利用结合起来，将收集、储存雨水的蓄水池设置在冻土层以下，利用蓄水池内的水体与土壤进行热交换，将地下蓄水池变成换热储能池。夏季，蓄水池收集到的水温度高于土壤温度，水体向土壤传热，降低水体温度，从而将土壤的冷量储存在蓄水池内；冬季，蓄水池收集的雨水或污水温度低于土壤温度，土壤向水体传热，升高水体温度，从而将土壤的热源储存在蓄水池内。

(2)发明蓄水设施一体化透气与调温技术。在蓄水池下布设气防渗地埋孔，利用地层土壤、水体与气体之间的温差效应、扩散效应和辐射效应，推动气体流动，打通土壤与水体间的能量传输通道，通过气体对流作用来增强土壤与水体热交换，实现等效地源热泵的效果。夏季，蓄水池内水体温度高于土壤时，推动气体流向土壤，通过气体对流作用，促进水体向土壤传热；冬季，蓄水池内水体温度低于土壤时，推动流向水体，通过气体对流作用，促进土壤向水体传热。

(3)基于雨水资源、自然能源一体化储存利用技术，与蓄水设施一体化透气与调温技术，本发明将土壤源和水源进行能量集成，并利用空气源热泵提取空气能量，形成一种水源、地源、空气源一体化能量集成系统。蓄水池内的水体与通入蓄水池的空气进行热交换，夏季蓄水池内的水体对通入的空气进行降温，冬季对空气进行升温。水体对空气升温或降温的温度有限，为提高室内舒适度，借助换热器为与水体换热后的空气进一步加热或制冷，以达到舒适温度。空气中的污染物溶解或通过水体粘滞力留在水中，达到了净化目的。透气防渗地埋孔促进土壤与水体的热交换，等效于地源热泵。为了系统运行的稳定性和可靠性，本系统将空气源热泵作为辅助供热与制冷手段，当蓄水池内能量不足时，通过错峰用电降低电费，将空气热能储存在水池内，或直接利用空气源热泵为与水体换热后的新风加热或制冷。同时利用空气源热泵为建筑内的用户热水箱供热，保证用户的热水用水需求。最终形成土壤源、水源、空气源一体化能量集成系统。

有益效果：

随着海绵城市建设的推进，北京大量小区建设了地下蓄水池，但其仅作为防洪排涝的措施，收集的雨水也只作为绿化灌溉用，本系统以地下蓄水池收集储存的雨污水作为自然热源，在禁止开发地下水源的限制下，有效地将土壤热源储存在水池内，获得了比地表水更为稳定的热源；相对于现有技术土壤源热泵通过在土壤埋管的方式，本系统的前期施工及后期维护都更简单。

此外，为了系统运行的稳定性和可靠性，本系统将空气源热泵作为辅助供热与制冷手段，当蓄水池内能量不足时，通过错峰用电降低电费，将空气热能储存在水池内，在保证整个新风净化换热系统运行可靠性的基础上，有效提高了能源利用效率，降低建筑新风净化换热系统的运行成本。

附图说明

图1所示为本发明实施例1的自然能开发集成系统原理示意图。

图2所示为本发明实施例2的自然开发集成系统原理示意图。

图3所示为不发明实施例3的自然能开发集成系统原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种自然能开发集成系统，该系统包括雨水资源系统、自然能源系统，所述自然能源系统采用蓄水池2中的水体为建筑新风加热或制冷及净化，其中，蓄水池2设置在地下，所述地道风、室外空气通过阀门18与抽风机10进风口相连，所述抽风机10出风口与所述蓄水池2下层进气通道4相连，所述进气通道4内的空气进入水体，透过水体净化换热后的空气到达蓄水池2顶部，汇集在透气防渗作用的集气道5，所述集气道5与送风机8相连，所述送风机8与建筑物室内地板下通气道11相连，通过所述建筑室内地板下通气道11输送新风。

蓄水池2可以为普通的透气混凝土池，或者如图1所示的所述蓄水池2底部设置透气防渗地埋孔6，所述透气防渗地埋孔6埋入蓄水池2底下土壤，透气防渗地埋孔6中装填有透气防渗砂。

如图1所示，自然能开发集成系统与建筑物一起构成了一种建筑结构，自然能开发集成系统中的抽风机10和送风机8与建筑物构成了热循环系统，利用蓄水池2中水体和土壤的热量为建筑物提供新风和热量。

所述建筑物的出气口可以与抽风机11的进风口连通或不连通，如果连通，则可以回收建筑物内的余热。

实施例2

如图2所示，实施例2在实施例1的基础上增加了换热器9，送风机8与换热器9相连，换热器9为换热后的空气进一步加热或降温，以提高建筑物室内舒适度。换热器9与建筑物室内地板下通气道11相连，通过所述建筑物室内地板下通气道11输送新风。

建筑物设置有热水箱15和热水系统，热水箱15与热水系统13连通。

实施例3

如图3所示，本发明提供了一种自然能开发集成系统，该系统包括雨水资源系统、自然能源系统。自然能开发集成系统与建筑物一起构成自然能开发的建筑系统。所述雨水资源系统通过砂基雨水资源化设施1收集、净化、储存与综合利用雨污水，所述自然能源系统采用蓄水池2中的水体作为热源二为建筑物新风加热或制冷及净化，并利用地面空气和地下空气作为热源一的空气源热泵为建筑物的热水箱加热，为用户提供热水，其中，蓄水池2设置在地下，所述蓄水池2的进水口与砂基雨水资源化设施1相连，所述蓄水池2内部设置有水净化模块3，所述蓄水池2底部设置透气防渗地埋孔6，所述透气防渗地埋孔6埋入蓄水池2底下土壤，透气防渗地埋孔6中装填有透气防渗砂，使土壤作为热源三；所述地道风、室外空气通过阀门18与抽风机10进风口相连，所述抽风机10出风口与所述蓄水池2下层进气通道4相连，所述进气通道4内的空气进入水体，透过水体净化换热后的空气到达蓄水池2顶部，汇集在透气防渗作用的集气道5，所述集气道5与除湿机7相连，所述除湿机7与送风机8相连，所述送风机8与换热器9相连，进一步为除湿后的空气加热或降温，以提高室内舒适度，所述换热器9与建筑室内地板下通气道11相连，通过所述建筑物室内地板下通气道11输送新风，建筑内墙12与所述抽风机10相连；空气源热泵14与建筑用户的热水箱15连接，所述热水箱15与建筑物内的用户热水系统13连接。

进一步，所述砂基雨水资源化设施1与城镇市政排水管网连通。

进一步，所述蓄水池2内部铺设水净化模块3，所述水净化模块3包括具有透水滤水作用的蜂巢滤墙结构，所述蜂巢滤墙结构可根据进出水质要求来选择满铺或部分铺设。

进一步的，为了增强蓄水池2内部循环水的换热，在所述蓄水池2底部布设透气防渗地埋孔6，所述透气防渗地埋孔6内铺满透热防渗砂，透热防渗砂孔隙内气体通过热对流作用增加土壤与水体的热交换。

以办公建筑面积12000m²，地下蓄水池水体有效容积3000m³，水池占地面积1500m²，水池表面积(不含池顶部)4700m²为例，水体吸收热量和释放热量可参考以下公式进行计算：

Q＝cmΔT

式中，Q——水体吸收或释放热量，单位kJ；

c——水的比热容，取值4.2kJ/(kg·℃)；

m——水体质量，单位kg；

ΔT——水体换热前后的温差，单位℃。

从蓄水池水体中提取10℃的能量(从水体中提取10℃能量的依据见后续说明)：

Q_w＝cmΔT＝4.2×3×10⁶×10＝1.26×10⁸(kJ)≈35000(kW·h)。

以建筑占地面积2000m²，层高24m计算，换气0.5次/h，则建筑新风量24000m³/h，平均每天需要运行8h，每天新风量为：

V＝24000×8＝192000(m³)

空气与水体通过对流换热，可参考以下公式进行计算：

Q_对流＝αF(T₁-T₂)

空气强迫流动时的对流换热系数为10～100W/(m²·K)，

1kg空气加热吸热量或冷却放热量可参考以下公式计算：

Q_A＝C_pa(T₂-T₁)+C_pw(T₂-T₁)d₁

式中，Q_A——空气吸收或释放热量，单位kJ；

C_pa——干空气的定压比热容，取值1.0kJ/(kg·K)；

C_pw——水蒸气的定压比热容，取值1.9kJ/(kg·K)；

T₁——空气初始状态的温度，单位K；

T₂——空气吸热后的终状态温度，单位K；

d₁——空气含湿量。

根据设计院提供资料，北京夏季室外空气调节室外计算温度33.5℃，相对湿度61％；冬季室外空气调节室外计算温度-9.9℃，相对湿度44％。

冬季，室内空气从-9.9℃升到15℃，相对湿度44％，1kg空气每天吸收热量为：Q_AH＝1.0×24.9+1.9×24.9×44％＝45.7(kJ)；

建筑新风每天所吸热量Q_吸＝45.7×1.3×192000＝1.14×10⁷(kJ)≈3169(kW·h)；

蓄水池水体温度变化为10℃时可在冬季提供热风天数T＝35000÷3169≈11(天)。

以土壤温度15℃为例，因为热平衡，且蓄水池设置在地下，则蓄水池水池内水体温度与土壤温度一致，常年也保持在15℃左右。当建筑物中的空气进入蓄水池使15℃水降温到5℃(即提取10℃能量)，水体释放的10℃热量被空气吸收，空气温度升高后通过送风机8进入到建筑物中。

单位时间内水池与土壤的导热可参考平板导热计算公式来进行计算：

式中，Q——导热由高温侧传递到低温侧的热流量，W；

λ——平板的热导率，W/(m·K)，混凝土热导率为1.28W/(m·K)，土壤热导率取值1.74W/(m·K)；

F——平板的面积，m²；

δ——平板厚度，m。

按池壁总面积3200m²，池底1500m²，壁厚0.2m计算，冬季土壤将热量传导至池壁，进而传递给池内水体，将与建筑物中空气进行换热而降低的水体温度从5℃重新加热至15℃，单位时间内土壤导向池壁的热流量Q₁＝204.8KW；由于透气防渗地埋孔的热导率高于混凝土热导率(包括透气防渗砂以及透气防渗地埋孔与土壤接触的面积等)，基本对池底导热是普通池底的1.3倍左右，单位时间内土壤导向池底的热流量Q₂＝124.8KW；单位时间内土壤导向水池的总热流量Q_总＝329.6KW。即使不考虑蓄水池池底透热防渗柱对池底导热效率的提升，按池底都为混凝土计算，单位时间内土壤导向水池的总热流量Q_总1＝300.8KW。

水池的水处于流动状态，按对流换热计算公式进行计算：

Q_对流＝αF(T₁-T₂)

式中，α——壁面与流体的换热系数，W/(m²·K)。水层流时对流换热系数为500～2500W/(m²·K)，水紊流时对流换热系数可达3500～10000W/(m²·K)，蓄水池内的水包含层流和紊流，单位时间内水流动换热量远大于池壁从土壤吸收的热量，因此，土壤的热量可及时传递并储存在水体中。

水从5℃升温至15℃，水体需要从土壤吸收热量Q_吸＝35000KW·h，所需时间为：

T_吸＝35000÷329.6＝106.2(h)≈4.42(天)＜11(天)

不计算透热防渗柱对池底导热的影响，水体从土壤吸收35000KW·h热量的时间为：

T_吸＝35000÷300.8＝116.3(h)≈4.85(天)＜11(天)

可以理解的，本申请的蓄水池可为建筑提供稳定的热风。

夏季时，室外空气从33.5℃降到15℃，相对湿度61％，空气被冷却时的放热量Q_AC＝1.0×18.5+1.9×18.5×66％＝41.7(kJ)；

建筑新风每天所释放热量为：

Q_放＝41.7×1.3×192000＝1.04×10⁷(kJ)≈2891(kW·h)；

蓄水池水体可在夏季提供冷量天数T＝35000÷2891≈12(天)。

夏季时，以蓄水池周围1m内的土壤吸收热量计算，单位时间土壤从池壁吸收热量Q1′＝55.7KW；按透热防渗柱对池底导热是普通池底的1.3倍来计算，单位时间土壤从池底吸收热量Q2′＝33.9KW，单位时间土壤从蓄水池总热量为：

Q总′＝89.6KW。

蓄水池内水体从25℃降到15℃，释放热量Q放＝35000KW·h，所需时间为：

T放＝35000÷89.6＝391(h)≈16(天)＞12(天)

可以理解的，本申请的蓄水池从土壤吸收的冷量可满足建筑物大部分的制冷需求，建筑物已基本达到节能要求。如果需要进一步保证建筑物的制冷需求，还可以以空气源热泵辅助能源为建筑制冷，同时利用空气源热泵将空气能源储存在蓄水池，提高其能量。

进一步，所述空气源热泵14通过阀门16与所述蓄水池2相连，为所述蓄水池2内的水体补充能量，在夏季，当蓄水池2储存的冷量不足以为新风降温时，夜晚通过阀门16控制所述空气源热泵14为所述蓄水池2内的水体降温，将冷量储存在蓄水池内，同时打开阀门17，直接为新风制冷，提高室内舒适度和能源利用率的同时，低峰用电，降低电费；在冬季，当所述蓄水池2内的水体不足以为空气加热升温时，白天通过阀门16控制所述空气源热泵14为所述蓄水池2内的水体加热，将热能储存在蓄水池内，同时打开阀门17直接为新风加热，提高室内舒适度和能源综合利用率。

进一步，建筑物的建筑内墙12中空，所述建筑外墙保持密封，所述建筑内墙与室内连通，换气时，打开所述建筑内墙12的窗户，通过抽风机将排风输送至蓄水池，实现排风热回收。

需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种自然能开发集成系统，其特征在于，该系统包括蓄水池和换热系统，蓄水池设置在地下，蓄水池下层设置进风管道，蓄水池上层设置集气道；换热系统包括送风机和抽风机，抽风机的进风口与建筑物外空气和建筑地道风连通，出风口与蓄水池的进风管道连通，蓄水池集气道出口与送风机连接，送风机与建筑物的通气道连接为建筑物输送新风，建筑物中的空气通过蓄水池的进水通道进入水体，透过水体换热净化后到达蓄水池顶部，汇集在集气道后通过送风机进入建筑物。

2.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述自然能开发集成系统包括空气源热泵，空气源热泵设置在建筑物外，建筑物外的空气作为所述空气源热泵的热源。

3.根据权利要求2所述的自然能开发集成系统，其特征在于，换热系统还包括换热器，换热器设置在送风机与建筑物之间，用于对经水体换热净化后的空气进一步加热或降温送入建筑物中。

4.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述集气道为水面上方的空气收集管道或透气防渗板。

5.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，蓄水池内部设置有水净化模块。

6.根据权利要求5所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述水净化模块包括具有透水滤水作用的蜂巢滤墙结构。

7.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述蓄水池的进水口与砂基雨水资源化设施相连。

8.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述蓄水池底部设置透气防渗地埋孔，所述透气防渗地埋孔埋入蓄水池底下土壤，透气防渗地埋孔中充填有透气防渗砂，透热防渗砂孔隙内气体通过热对流作用增加土壤与水体的热交换。

9.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述建筑物的出气口与抽风机进风口相连。

10.根据权利要求1所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述自然能开发集成系统包括除湿机，所述除湿机设置在所述集气道与所述送风机之间。

11.根据权利要求2所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述空气源热泵通过阀门与所述蓄水池相连。

12.根据权利要求3所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述空气源热泵通过阀门与所述换热器相连，为新风加热或制冷。

13.根据权利要求5所述的自然能开发集成系统，其特征在于，所述砂基雨水资源化设施与城镇市政排水管网连通。

14.根据权利要求11所述的自然能开发集成系统，其特征在于，在夏季，夜晚通过阀门控制所述空气源热泵为所述蓄水池内的水体降温，将冷量储存在蓄水池内；在冬季，白天通过阀门控制所述空气源热泵为所述蓄水池内的水体加热，将热能储存在蓄水池内。

15.根据权利要求12所述的自然能开发集成系统，其特征在于，在夏季，打开阀门，直接为新风制冷；在冬季，打开阀门直接为新风加热。

16.一种建筑系统，其特征在于，包括自然能开发集成系统和建筑物，所述自然能开发集成系统为权利要求1-15任一项所述的自然能开发集成系统，所述自然能开发集成系统的抽风机与建筑物的出风口连接，送风机与建筑物的通气道连通。

17.根据权利要求16所述的建筑系统，其特征在于，建筑物包括热水箱和热水系统，空气源热泵与热水箱连接，热水箱与热水系统连接。

18.根据权利要求16所述的建筑系统，其特征在于，所述建筑物的建筑内墙中空，建筑外墙保持密封，所述建筑内墙与室内连通，换气时，打开所述建筑内墙的窗户，通过抽风机将排风输送至蓄水池。

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