專利名稱：一種空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑節(jié)能領(lǐng)域，具體涉及一種空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
由于機(jī)械制冷技術(shù)的發(fā)展和生活標(biāo)準(zhǔn)的提高，以消耗高品位能源如電，燃?xì)獾鹊臋C(jī)械式舒適性空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。我國(guó)建筑運(yùn)行能耗不斷攀升，建筑運(yùn)行能耗占社會(huì)總能耗的約20%。而隨著對(duì)室內(nèi)生活品質(zhì)的要求，人們對(duì)室內(nèi)采光度的要求也越來(lái)越高，這就致使人們?cè)谠O(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，將窗戶設(shè)計(jì)的越來(lái)越大，使得由于窗戶而產(chǎn)生的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總冷負(fù)荷或熱負(fù)荷的比重也越來(lái)越大，進(jìn)一步使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗加大。在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，全球氣候變暖、臭氧層的破壞以及礦物燃料的消耗量的增加等這些問(wèn)題迫使社會(huì)和專家以及業(yè)界等認(rèn)真思考如何有效地降低建筑能耗而繼續(xù)滿足人們對(duì)室內(nèi)舒適性的要求并同時(shí)營(yíng)造低碳的和諧社會(huì)。另一方面，雖然采用機(jī)械式空調(diào)系統(tǒng)可以維持室內(nèi)的溫度來(lái)滿足室內(nèi)人員的舒適性要求，但由于室外環(huán)境對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，尤其是對(duì)窗戶的影響，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度很高或很低，窗戶的內(nèi)表面溫度基本與室外溫度相同，造成對(duì)室內(nèi)人員明顯的熱輻射或冷輻射，從而大大降低人體舒適性。在最近的幾年內(nèi)，很多研究者們把目光投向了低品位能源及可再生能源的應(yīng)用以降低高品位能源的消耗、削減高峰電需求并減低能源成本。在建筑空調(diào)領(lǐng)域，可用的低品位能源技術(shù)包括夜間的通風(fēng)冷卻、蒸發(fā)冷卻、冷凝冷卻、以及利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和地源能等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一旨在提供一種基于地源耦合的空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)，將可再生低品位能源的利用和建筑窗體結(jié)構(gòu)形式集成在一起，不但可以大大減少高品位能源的消耗，還可以提高室內(nèi)的舒適性。本發(fā)明的節(jié)能系統(tǒng)包括窗體熱交換部分，即空腔內(nèi)水流式窗體，兩層玻璃之間的循環(huán)水流與窗體玻璃內(nèi)表面進(jìn)行熱交換，循環(huán)水流在夏季吸收太陽(yáng)輻射熱；蓄能部分，即地源部分，可以是土壤或含水層，用于蓄冷或蓄熱；動(dòng)力輸送部分，即水泵，提供循環(huán)水流的輸運(yùn)動(dòng)力，水泵可采用普通電力驅(qū)動(dòng)或者是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)提供的電力驅(qū)動(dòng)，或采用其它動(dòng)力等驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的窗體熱交換部分通過(guò)其窗體兩層玻璃之間的循環(huán)水流與窗體玻璃內(nèi)表面進(jìn)行熱交換；循環(huán)水流在夏季吸收太陽(yáng)輻射熱，在冬季晚上可以向室外散熱，減少室內(nèi)向室外的散熱。本發(fā)明的蓄能部分用于蓄冷或蓄熱，在供冷季，循環(huán)水流將從窗體吸收的對(duì)流熱及太陽(yáng)輻射熱帶到土壤或含水層，升高土壤或含水層的溫度，達(dá)到蓄熱的作用，而循環(huán)水流的溫度降低，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)吸熱；在供熱季，循環(huán)水流向窗體散熱，循環(huán)水流將冷量帶到土壤或含水層，降低土壤或含水層的溫度，達(dá)到蓄冷的作用，而循環(huán)水流的溫度升高， 進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)放熱。本發(fā)明的動(dòng)力輸送部分提供循環(huán)水流在管道及窗體內(nèi)流動(dòng)的輸運(yùn)動(dòng)力。本發(fā)明所述的蓄能部分為土壤或含水層。本發(fā)明所述的動(dòng)力輸送部分為水泵。本發(fā)明所述的窗體熱交換部分為空腔內(nèi)水流式窗體，窗體下部和上部封裝的供回水干管為均勻開(kāi)小孔的圓管。本發(fā)明的目的之二在于提出一種上述節(jié)能系統(tǒng)的控制方法，其通過(guò)控制器控制水泵的開(kāi)啟/停止來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的控制，具體包括在供冷季室外溫度高于設(shè)定值的白天，開(kāi)啟水泵，循環(huán)水流吸收太陽(yáng)輻射熱及對(duì)流熱，減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量，同樣也可能吸收部分室內(nèi)多余熱量；在室外溫度低于設(shè)定值時(shí)，水泵停止運(yùn)行，以減少能耗；在供熱季室外溫度低于設(shè)定值的晚上或陰雨天，開(kāi)啟水泵，循環(huán)水流向窗體散熱， 減少室內(nèi)的熱損失；在其它時(shí)間水泵停止運(yùn)行，讓更多太陽(yáng)輻射熱直接進(jìn)入室內(nèi)。進(jìn)一步地，在供冷季的白天，循環(huán)水流在吸收窗體熱量及太陽(yáng)輻射熱后將吸收的熱量帶到土壤或含水層，使蓄能部分不斷地蓄熱；在供熱季的晚上或陰雨天，循環(huán)水流向窗體散熱后溫度降低(相當(dāng)于吸收冷量)，將吸收的冷量帶到土壤或含水層，使蓄能部分不斷地蓄冷。本發(fā)明的窗體節(jié)能系統(tǒng)的控制方法包括室外溫度傳感器及太陽(yáng)輻射計(jì)，在進(jìn)入地源熱交換器的供回水干管上裝設(shè)溫度傳感器，控制預(yù)設(shè)值及控制邏輯。在供冷/供熱季，根據(jù)測(cè)量的供回水干管的溫差與相應(yīng)的設(shè)定值相比較來(lái)確定水泵運(yùn)行是否有意義；如果供回水干管的溫差太小說(shuō)明換熱量太少，這時(shí)可以停止水泵的運(yùn)行，避免不必要的高品位能的消耗。本發(fā)明的空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于直接利用窗體內(nèi)水流與窗體玻璃內(nèi)表面接觸面積大的特點(diǎn)可以在流體與玻璃之間低溫差傳熱的條件下實(shí)現(xiàn)大的傳熱量， 及在供冷季直接利用窗體內(nèi)循環(huán)水流吸收太陽(yáng)輻射熱。這為直接利用低品位能源的實(shí)現(xiàn)提供了重要的條件?？涨粌?nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還在于當(dāng)室外環(huán)境作用于窗體尚未形成室內(nèi)冷或熱負(fù)荷時(shí)，就將窗體內(nèi)的熱量或冷量直接帶到土壤或含水層中。本發(fā)明的窗體中涉及的空腔為雙層玻璃相夾的空間；窗體玻璃是常規(guī)的玻璃，市場(chǎng)上很容易獲得，地埋管技術(shù)由于近年來(lái)地源熱泵技術(shù)的發(fā)展及推廣也得到很大的發(fā)展。 在窗體結(jié)構(gòu)中對(duì)供回水干管封裝及整體密封是常規(guī)的做法，比雙層真空玻璃窗體的工藝簡(jiǎn)單。因此本發(fā)明提出的窗體節(jié)能系統(tǒng)在技術(shù)上是完全可行的。本發(fā)明的空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)的特點(diǎn)還在于充分利用地源這一無(wú)窮大的蓄冷蓄熱體充當(dāng)建筑房間與室外氣候的緩沖帶，使用較少的水泵能耗使循環(huán)水流流動(dòng)實(shí)現(xiàn)冷熱量的轉(zhuǎn)移，大大減少室外氣候的變化對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。采用這種設(shè)計(jì)的建筑可以充分利用可再生低品位能源，低的(夏季)或高的(冬季)窗體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度還可以大大提高室內(nèi)人員的舒適性。


本發(fā)明包括的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，結(jié)合在本申請(qǐng)中并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分。圖I為本發(fā)明的基于地源耦合的空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明的水流式窗體剖面圖，水流為下進(jìn)上回的布置方式；圖3為本發(fā)明的水流式窗體集水管(回水干管)剖面圖；圖4為本發(fā)明的水流式窗體分水管(供水干管)剖面圖；圖1-4中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的部件或元件，其中I建筑房間；2蓄能部分(土壤或含水層)；3空腔內(nèi)水流式窗體；4分水管(供水干管)；5集水管(回水干管)；6窗體玻璃；7窗體空腔內(nèi)水流；8窗體封裝部分；9地源熱交換器；10動(dòng)力運(yùn)輸部分(水泵)；11供水干管的溫度；12回水干管的溫度；13太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；14室外溫度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明的利用可再生能源的空腔內(nèi)夾流式窗體節(jié)能系統(tǒng)包括空腔內(nèi)水流式窗體3，蓄能部2及動(dòng)力輸送部分10。在供熱季時(shí)間里，當(dāng)測(cè)量的室外溫度14低于設(shè)定溫度值或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低于設(shè)定強(qiáng)度值時(shí)，動(dòng)力輸送部分10 ( 一般為水泵)開(kāi)啟，循環(huán)水流7向窗體3提供高于室外環(huán)境溫度的水，減少室內(nèi)向室外的散熱，起到抵御寒冷的作用，散熱降了溫的循環(huán)水流通過(guò)地源熱交換器9后溫度升高，同時(shí)降低土壤或含水層2的溫度(即蓄冷)，并為夏季供冷做準(zhǔn)備。 如果測(cè)量的供水干管的溫度11與回水干管的溫度12的差值比設(shè)定值(比如I. 5°C )低，則循環(huán)水流的散熱小，減少室內(nèi)向室外的散熱能力很弱，動(dòng)力輸送部分停止運(yùn)行。該設(shè)定值應(yīng)盡可能地減少室內(nèi)向室外的傳熱，比如設(shè)定溫度值取10°C，設(shè)定強(qiáng)度值取 50w/m2。在供冷季時(shí)間里，當(dāng)測(cè)量的室外溫度14高于設(shè)定溫度值或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于設(shè)定強(qiáng)度值時(shí)，動(dòng)力輸送部分10開(kāi)啟，循環(huán)水流7向窗體3提供低于室外環(huán)境溫度的水，吸收窗體內(nèi)的熱量或太陽(yáng)輻射熱，起到抵御室外炎熱的作用，吸熱升了溫的循環(huán)水流通過(guò)地源熱交換器9后溫度降低，同時(shí)提高土壤或含水層2的溫度(即蓄熱)，并為冬季散熱做準(zhǔn)備。 如果測(cè)量的回水干管的溫度12與供水干管的溫度11的差值比設(shè)定值(比如I. 5°C )低，說(shuō)明循環(huán)水流從窗體中吸收的熱量很小，水泵停止運(yùn)行。該設(shè)定值應(yīng)盡可能地減少室內(nèi)向室外的傳熱，比如30°C，設(shè)定強(qiáng)度值lOOw/m2。
權(quán)利要求
1.一種空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)，包括窗體熱交換部分，其包括設(shè)置在建筑物墻體上的窗體，該窗體具有雙層玻璃，該雙層玻璃之間具有空腔，供水管道和回水管道分別設(shè)置在空腔上下兩端，循環(huán)水流通過(guò)供水管道進(jìn)入并在空腔內(nèi)流動(dòng)，與窗體玻璃表面進(jìn)行熱交換，之后通過(guò)所述回水管道流出；蓄能部分，通過(guò)所述供水管道和回水管道與所述窗體熱交換部分連通，用于對(duì)所述循環(huán)水流進(jìn)行蓄冷或蓄熱；動(dòng)力輸送部分，設(shè)置在所述供水管道上，用于提供所述循環(huán)水流在管道和窗體內(nèi)流動(dòng)的輸運(yùn)動(dòng)力；所述蓄能部分中經(jīng)蓄冷或蓄熱的水流通過(guò)供水管道進(jìn)入所述窗體熱交換部分的空腔內(nèi)，與窗體玻璃表面進(jìn)行熱交換，之后通過(guò)所述回水管道排出，再進(jìn)入所述蓄能部分進(jìn)行蓄冷或蓄熱；
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的蓄能部分為土壤或含水層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的蓄能部分具有地源熱交換器，水流經(jīng)其進(jìn)行熱量交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的動(dòng)力輸送部分為水泵。
5.—種權(quán)利要求1-4之一所述的窗體節(jié)能系統(tǒng)的控制方法,其通過(guò)控制動(dòng)力輸送部分的開(kāi)啟/停止來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)能窗體的控制，具體為在供冷季，當(dāng)測(cè)量的室外溫度高于第一設(shè)定溫度值或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于第一設(shè)定強(qiáng)度值時(shí)，開(kāi)啟動(dòng)力輸送部分，使循環(huán)流體吸收窗體熱量或太陽(yáng)輻射熱，并在供水管道和回水管道中的流水溫差小于最小設(shè)定值時(shí)，使動(dòng)力輸送部分停止運(yùn)行；在供熱季，當(dāng)測(cè)量的室外溫度低于第二設(shè)定溫度值或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低于第二設(shè)定強(qiáng)度值時(shí)，開(kāi)啟動(dòng)力輸送部分，使循環(huán)流體向窗體散熱，并在供水管道和回水管道中的流水溫差小于最小設(shè)定值時(shí)，使動(dòng)力輸送部分停止運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述第一設(shè)定溫度值取30°C，第一設(shè)定強(qiáng)度值取100w/m2。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述第二溫度值取10°C，第二設(shè)定強(qiáng)度值取50w/m2。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種空腔內(nèi)水流式窗體節(jié)能系統(tǒng)，包括窗體熱交換部分，其具有在墻體上的窗體，窗體上具有空腔的雙層玻璃，供水管道和回水管道分別設(shè)置在空腔兩端，水流通過(guò)供水管道進(jìn)入并在空腔內(nèi)流動(dòng)；蓄能部分，通過(guò)供水管道和回水管道與窗體熱交換部分連通，用于對(duì)環(huán)水流進(jìn)行蓄冷或蓄熱；動(dòng)力輸送部分，設(shè)置在供水管道上，提供循環(huán)水流在管道和窗體內(nèi)流動(dòng)的輸運(yùn)動(dòng)力。本發(fā)明還公開(kāi)了一種上述節(jié)能系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明在夏季減少室外向室內(nèi)的溫差傳熱，在冬季通過(guò)水流的散熱減少室內(nèi)向室外的溫差傳熱，水流吸收的冷和熱可以存儲(chǔ)在地源中以供夏冬輪流使用，本發(fā)明充分利用可再生能源減小室外氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的影響，減少了為對(duì)高品位能源的消耗。
文檔編號(hào)F24J2/40GK102607185SQ201210045658
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者徐新華, 高佳佳 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)