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)用也越來越廣泛。我國建筑運(yùn)行能耗不斷攀升，建筑運(yùn)行能耗占社會總能耗的約20%。而隨著對室內(nèi)生活品質(zhì)的要求，人們對室內(nèi)采光度的要求也越來越高，這就致使人們在設(shè)計建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，將窗戶設(shè)計的越來越大，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)荷的比重也越來越大，進(jìn)一步使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗加大。在過去的一段時間內(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題迫使社會和專家以及業(yè)界等認(rèn)真思考如何有效地降低建筑能耗而繼續(xù)滿足人們對室內(nèi)舒適性的要求并同時營造低碳的和諧社會。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)的溫度來滿足室內(nèi)人員的舒適性要求，但由于室外環(huán)境對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，尤其是對窗戶的影響，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；動力輸送部分，即水泵，提供循環(huán)水流的輸運(yùn)動力，水泵可采用普通電力驅(qū)動或者是太陽能發(fā)電系統(tǒng)提供的電力驅(qū)動，或采用其它動力等驅(qū)動。本發(fā)明的窗體熱交換部分通過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流熱及太陽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)入下一個循環(huán)繼續(xù)放熱。本發(fā)明的動力輸送部分提供循環(huán)水流在管道及窗體內(nèi)流動的輸運(yùn)動力。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，其通過控制器控制水泵的開啟/停止來實現(xiàn)對水流的控制，具體包括在供冷季室外溫度高于設(shè)定值的白天，開啟水泵，循環(huán)水流吸收太陽輻射熱及對流熱，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，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；在其它時間水泵停止運(yùn)行，讓更多太陽輻射熱直接進(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輻射計，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)測量的供回水干管的溫差與相應(yīng)的設(shè)定值相比較來確定水泵運(yùn)行是否有意義；如果供回水干管的溫差太小說明換熱量太少，這時可以停止水泵的運(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可以在流體與玻璃之間低溫差傳熱的條件下實現(xiàn)大的傳熱量， 及在供冷季直接利用窗體內(nèi)循環(huán)水流吸收太陽輻射熱。這為直接利用低品位能源的實現(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，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，市場上很容易獲得，地埋管技術(shù)由于近年來地源熱泵技術(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)的特點還在于充分利用地源這一無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)水流流動實現(xiàn)冷熱量的轉(zhuǎn)移，大大減少室外氣候的變化對室內(nèi)環(huán)境的影響。采用這種設(shè)計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)明包括的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，結(jié)合在本申請中并構(gòu)成本申請的一部分。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太陽輻射強(qiáng)度；14室外溫度。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。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及動力輸送部分10。在供熱季時間里，當(dāng)測量的室外溫度14低于設(shè)定溫度值或太陽輻射強(qiáng)度低于設(shè)定強(qiáng)度值時，動力輸送部分10 ( 一般為水泵)開啟，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)水流通過地源熱交換器9后溫度升高，同時降低土壤或含水層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。在供冷季時間里，當(dāng)測量的室外溫度14高于設(shè)定溫度值或太陽輻射強(qiáng)度高于設(shè)定強(qiáng)度值時，動力輸送部分10開啟，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)水流通過地源熱交換器9后溫度降低，同時提高土壤或含水層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)水流通過供水管道進(jìn)入并在空腔內(nèi)流動，與窗體玻璃表面進(jìn)行熱交換，之后通過所述回水管道流出；蓄能部分，通過所述供水管道和回水管道與所述窗體熱交換部分連通，用于對所述循環(huán)水流進(jìn)行蓄冷或蓄熱；動力輸送部分，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)流動的輸運(yùn)動力；所述蓄能部分中經(jīng)蓄冷或蓄熱的水流通過供水管道進(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,其通過控制動力輸送部分的開啟/停止來實現(xiàn)對節(jié)能窗體的控制，具體為在供冷季，當(dāng)測量的室外溫度高于第一設(shè)定溫度值或太陽輻射強(qiáng)度高于第一設(shè)定強(qiáng)度值時，開啟動力輸送部分，使循環(huán)流體吸收窗體熱量或太陽輻射熱，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，使動力輸送部分停止運(yùn)行；在供熱季，當(dāng)測量的室外溫度低于第二設(shè)定溫度值或太陽輻射強(qiáng)度低于第二設(shè)定強(qiáng)度值時，開啟動力輸送部分，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，使動力輸送部分停止運(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，水流通過供水管道進(jìn)入并在空腔內(nèi)流動；蓄能部分，通過供水管道和回水管道與窗體熱交換部分連通，用于對環(huán)水流進(jìn)行蓄冷或蓄熱；動力輸送部分，設(shè)置在供水管道上，提供循環(huán)水流在管道和窗體內(nèi)流動的輸運(yùn)動力。本發(fā)明還公開了一種上述節(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，減少了為對高品位能源的消耗。
文檔編號F24J2/40GK102607185SQ201210045658
公開日2012年7月25日 申請日期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 申請人:華中科技大學(xué)