CN114322129A

CN114322129A - 一种超低能耗建筑供热与制冷系统及建筑系统

Info

Publication number: CN114322129A
Application number: CN202011055922.4A
Authority: CN
Inventors: 秦升益; 李决龙; 马志坤; 吴静
Original assignee: Beijing Rechsand Science and Technology Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Rechsand Science and Technology Group Co Ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种超低能耗建筑供热与制冷系统及建筑系统，该供热与制冷系统包括蓄水池和水源热泵，蓄水池设置在地下，蓄水池的出水口与所述水源热泵进水口连接，所述水源热泵回水口与所述蓄水池的回水口连接，所述蓄水池内部设置有水净化模块，所述蓄水池净化后的水作为水源热泵的热源，水源热泵为建筑物供热与制冷。建筑系统包括超低能耗建筑供热与制冷系统和建筑物。本发明利用蓄水池内的水体为媒介，充分将水体以及蓄水池周边土壤的能量通过水源热泵转换，为建筑物供热与制冷，有效地利用了自然能源，节能环保。

Description

一种超低能耗建筑供热与制冷系统及建筑系统

技术领域

本发明涉及建筑节能技术领域，更具体地说，涉及一种超低能耗建筑供热与制冷系统及建筑系统。

背景技术

建筑能耗是世界能源消耗的重要部分，根据《中国建筑能耗研究报告(2017年)》，中国房屋建筑在全生命周期中消耗的能源占全国总能源消耗的40％～50％。2017年，我国建筑能源消费总量为8.99亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.11％，公共建筑的能耗占总建筑能耗的38.33％，能源消耗指标高、总量大。目前建筑业能耗仍然处于上升趋势，全国各地都在因地制宜地推行低能耗、超低能耗建筑，以减少能源消费。与煤炭、石油等传统能源相比，热泵技术是一种可再生能源利用技术，具有经济、节能、环保等优点。其中，水源是最简单、最廉价的热源，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，制约了水源热泵技术在北方地区的应用。土壤源热泵可以提前浅层土壤热能用来供热，但单纯利用土壤源热泵技术，则需要深度布设大量地埋管，能源密度较小、占地面积较大、建造成本较高。

本发明针对以上问题，提供一种低能建筑供热系统，通过海绵城市建设与自然能源开发，充分利用地下蓄能系统收集、蓄存雨污水热能和土壤热能，及空气热能等可再生能源，采用水源热泵、空气源热泵联合供暖与制冷系统，为北京等寒冷、缺水地区的建筑供暖与制冷提供创新模式。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，该系统包括蓄水池和水源热泵，蓄水池设置在地下，蓄水池的出水口与所述水源热泵进水口连接，所述水源热泵回水口与所述蓄水池的回水口连接，所述蓄水池内部设置有水净化模块，所述蓄水池净化后的水作为水源热泵的热源，水源热泵为建筑供热与制冷。

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。透气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，所述蓄水池的进水口与砂基雨水资源化设施相连。

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，收集城镇地表雨水和市政排水管网内的雨污水。

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，所述蜂巢滤墙结构铺设在所述蓄水池内。

进一步，所述蜂巢滤墙结构根据进入蓄水池的水质情况采用满铺或部分铺设的铺设方式。

进一步，所述超低能耗建筑供热与制冷系统包括空气源热泵，建筑外的空气和建筑地下的地道风为所述空气源热泵的热源，空气源热泵为建筑物供热与制冷。

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，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，所述室外空气和建筑地道风通过阀门与所述蓄水池底部进风口连接，所述室外空气和地道风直接穿过蓄水池内的水体，到达蓄水池顶部，所述蓄水池顶部出风口与新风除湿机组连接为建筑物提供新风。通过蓄水池内的水体净化室外空气和地道风，除湿后为建筑物内各个用户提供新风。

进一步，空气源热泵通过阀门与建筑物的空调连接。

进一步，在夏季，夜晚打开空气源热泵与建筑物的空调之间的阀门，为建筑物制冷；在冬季，白天打开空气源热泵与建筑物的空调之间的阀门，为建筑物供暖。

本发明还提供一种建筑系统，包括上述超低能耗建筑供热与制冷系统和建筑物，建筑物设置有空调，超低能耗建筑供热与制冷系统的水源热泵与空调连接。空调为风机盘管式空调。

建筑物设置有热水箱和用户热水系统，超低能耗建筑供热与制冷系统的水源热泵与热水箱连接，热水箱与用户热水系统连接。

建筑物设置有进风口，超低能耗建筑供热与制冷系统的新风除湿机组与建筑物的进风口连接。

与现有技术相比，本发明的技术特征与有益效果是：

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，并利用水源热泵提取集成的能量，与此同时，利用空气源热泵提取空气的热能，形成一种水源、土壤源、空气源一体化能量集成系统。夏季，蓄水池内的水体向土壤传热，为水体降温，再利用水源热泵，以蓄水池内的水为热源，为建筑制冷；冬季，土壤向蓄水池内水体传热，为水体升温，再利用水源热泵，以蓄水池内的水为热源，为建筑供热。此外，利用水源热泵为建筑物内的各用户热水系统供热，保证用户的热水用水需求。

透气防渗地埋孔进一步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。同时辅助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。

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水源热泵的热源，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的自然能开发集成系统原理示意图。

图3所示为本发明实施例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，一种低能耗建筑供热与制冷系统，该系统包括雨水资源系统和自然能源系统，所述雨水资源系统利用蓄水池2收集、净化、储存与综合利用雨污水，所述自然能源系统采用水源热泵5为建筑物内的各用户共同供热与制冷，其中，蓄水池2设置在地下，所述蓄水池2的出水口与所述水源热泵5进水口连接，所述水源热泵5回水口与所述蓄水池2的回水口连接；所述蓄水池2内部设置有水净化模块3，所述蓄水池2净化后的水作为水源热泵5的热源，如图1所示，水源热泵直接利用蓄水池2中的水体热源以及间接利用蓄水池2周围的土壤热源为建筑物供热或制冷。

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，所述蜂巢滤墙结构铺设在所述蓄水池内，所述蜂巢滤墙结构具有多种铺设方式，可根据进水来源和水质情况，选择蜂巢滤墙结构的铺设方式，如水质较差的情况下，可选择满铺的方式；如果收集的水质良好的情况下，可减少蜂巢滤墙结构的铺设面积，以降低建造成本，同时提高蓄水池的有效存储容积。

进一步的，为了增强蓄水池内部循环水的换热，在所述蓄水池2底部布设透气防渗地埋孔4，所述透气防渗地埋孔4内铺满透气防渗砂，透气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。

低能耗建筑供热与制冷系统与建筑物一起构成低能耗建筑系统，建筑物设置用户风机盘管空调11和热水箱8、用户热水系统13，水源热泵5与建筑物内的用户风机盘管空调11连接，所述水源热泵5与建筑物内的用户热水箱8连接，所述热水箱8与建筑物内的用户热水系统13连接。

实施例2

如图2所示，实施例2在实施例1的基础上在蓄水池2底部设置进风口，室外空气和建筑地道风通过阀门14与所述蓄水池2底部进风口连接，所述室外空气和地道风直接穿过蓄水池内的水体，到达蓄水池顶部，所述蓄水池2顶部出风口与新风除湿机组7连接，所述新风除湿机组7与所述建筑物内的进风口12连接，通过蓄水池内的水体净化室外空气和地道风，除湿后为建筑内各个用户提供新风。

实施例3

一种低能耗建筑供热与制冷系统，该系统包括雨水资源系统和自然能源系统，所述雨水资源系统利用砂基雨水资源化设施1和蓄水池2收集、净化、储存与综合利用雨污水，所述自然能源系统采用水源热泵5和空气源热泵6为建筑物内的各用户共同供热与制冷，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，出水口与所述水源热泵5进水口连接，所述水源热泵5回水口与所述蓄水池2的回水口连接；所述蓄水池2内部设置有水净化模块3，所述蓄水池2净化后的水作为水源热泵5的热源；所述蓄水池2底部设置透气防渗地埋孔4，所述透气防渗地埋孔4埋入蓄水池底下土壤；所述水源热泵5与建筑物内的用户风机盘管空调11连接，所述水源热泵5与建筑物内的用户热水箱8连接，所述热水箱8与建筑物内的用户热水系统13连接；所述空气源热泵6与阀门9连接，所述阀门9与蓄水池2连接，所述空气源热泵6与另一阀门10连接，所述阀门10与所述建筑物内的用户风机盘管空调11连接；所述空气源热泵6与所述热水箱8连接。

在本实施例中，所述砂基雨水资源化设施1与城镇市政排水管网连通，以收集城镇地表雨水和市政排水管网内的雨污水。

进一步，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，所述蜂巢滤墙结构铺设在所述蓄水池内，所述蜂巢滤墙结构具有多种铺设方式，可根据进水来源和水质情况，选择蜂巢滤墙结构的铺设方式，如水质较差的情况下，可选择满铺的方式；如果收集的水质良好的情况下，可减少蜂巢滤墙结构的铺设面积，以降低建造成本，同时提高蓄水池的有效存储容积。

进一步的，为了增强蓄水池内部循环水的换热，在所述蓄水池2底部布设透气防渗地埋孔4，所述透气防渗地埋孔4内铺满透气防渗砂，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，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℃。

地下水池内的水体自然温度为15～20℃，取值15℃。按北京超低能耗建筑标准，其能耗指标为20～30W/m²，以30W/m²计算，其总负荷为360kW。

采用水源热泵时，冬季，将温度从15℃降到5℃，按以上计算方式，蓄水池内水体可放出热量Q_放为：

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

按北京超低能耗建筑标准，其能耗指标为每小时20～30W/m²，以30W/m²计算，其总负荷为360kW，蓄水池供热时间为(由于采用水源热泵，以每天10小时供热计算)：

T＝35000÷360＝97.2(h)≈10(天)

采用水源热泵时，夏季将温度从15℃升到30℃，蓄水池内水体可为超低能耗建筑制冷约15天，计算方式如下：

O_放＝cmΔT＝4.2×3×10⁶×15＝1.89×10⁸(kJ)≈52500(kW·h)

T＝52500÷360＝145.8(h)≈15(天)

单位时间内水池与土壤的导热可根据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)，浅层土壤热导率取值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，将水源热泵回流的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气防渗地埋孔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。

冬季，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)

不计算透气防渗地埋孔对池底导热的影响，水体从土壤吸收35000KW·h热量的时间为(每天按24小时计算)：

T_吸＝35000÷300.8＝116.3(h)≈4.85(天)

由于水池是24h一直存在热传递过程，水体从土壤吸收35000kW·h热量约4.42或4.85天，小于水池水体为建筑供热的10天。

可以理解的，冬季，本申请的蓄水池可为水源热泵提供稳定的热源，来为建筑供热。

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′＝83.5kW；按透气防渗地埋孔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′＝50.9kW，单位时间土壤从蓄水池总热量为Q_总′＝134.4kW。

水源热泵回流水从30℃降至15℃，释放热量Q_放＝52500kW·h，所需时间为：

T_放＝52500÷134.4＝390(h)≈16(天)＞15(天)

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，建筑物外的空气和建筑物地下的地道风为所述空气源热泵6的热源，在夏季，当蓄水池2储存的冷量不足以为建筑制冷时，夜晚通过阀门9控制所述空气源热泵6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10为建筑物内各个用户制冷，提高能源利用率的同时，低峰用电，降低电费；在冬季，当室外空气温度较低时，利用所述水源热泵5为建筑内各个用户供暖，当室外空气温度较高时，白天通过阀门9控制所述空气源热泵5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10直接为建筑内各个用户供暖，提高能源综合利用率。

进一步，所述室外空气和建筑物地道风通过阀门14与所述蓄水池2底部进风口连接，所述室外空气和地道风直接穿过蓄水池内的水体，到达蓄水池顶部，所述蓄水池2顶部出风口与新风除湿机组7连接，所述新风除湿机组7与所述建筑物内的进风口12连接，通过蓄水池内的水体净化室外空气和地道风，除湿后为建筑内各个用户提供新风。

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

1.一种超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，该系统包括蓄水池和水源热泵，蓄水池设置在地下，蓄水池的出水口与所述水源热泵进水口连接，所述水源热泵回水口与所述蓄水池的回水口连接，所述蓄水池内部设置有水净化模块，所述蓄水池净化后的水作为水源热泵的热源，水源热泵为建筑供热与制冷。

2.根据权利要求1所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，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，透气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。

3.根据权利要求1所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，所述超低能耗建筑供热与制冷系统包括空气源热泵，建筑物外的空气和建筑物地道风为所述空气源热泵的热源，空气源热泵为建筑物供热与制冷。

4.根据权利要求3所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，所述空气源热泵通过阀门与所述蓄水池相连。

5.根据权利要求4所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，在夏季，夜晚打开所述阀门使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，白天打开所述阀门使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。

6.根据权利要求1所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，所述室外空气和建筑地道风通过阀门与所述蓄水池底部进风口连接，所述室外空气和地道风直接穿过蓄水池内的水体，到达蓄水池顶部，所述蓄水池顶部出风口与新风除湿机组连接为建筑物提供新风。

7.根据权利要求3所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，空气源热泵通过阀门与建筑物的空调连接。

8.根据权利要求7所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，在夏季，夜晚打开空气源热泵与建筑物的空调之间的阀门，为建筑物制冷；在冬季，白天打开空气源热泵与建筑物的空调之间的阀门，为建筑物供暖。

9.根据权利要求1所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，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。

10.根据权利要求9所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，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，收集城镇地表雨水和市政排水管网内的雨污水。

11.根据权利要求1所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，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，所述蜂巢滤墙结构铺设在所述蓄水池内。

12.根据权利要求11所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，其特征在于，所述蜂巢滤墙结构根据进入蓄水池的水质情况采用满铺或部分铺设的铺设方式。

13.一种建筑系统，其特征在于，包括超低能耗建筑供热与制冷系统和建筑物，超低能耗建筑供热与制冷系统为权利要求1-12任一项所述的超低能耗建筑供热与制冷系统，建筑物设置有空调，超低能耗建筑供热与制冷系统的水源热泵与空调连接。

14.根据权利要求13所述的建筑系统，其特征在于，建筑物设置有热水箱和用户热水系统，超低能耗建筑供热与制冷系统的水源热泵与热水箱连接，热水箱与用户热水系统连接。

15.根据权利要求13所述的建筑系统，其特征在于，建筑物设置有进风口，超低能耗建筑供热与制冷系统的新风除湿机组与建筑物的进风口连接。