建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法

摘要

建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法。太阳能来减少不可再生能源消耗的应用广泛，对开窗受限制的高层建筑，应用该资源困难很大。本发明组成包括：热水环路（1）、冷水环路（2），所述的热水环路包括太阳能热水器（3），所述的太阳能热水器置于建筑物屋顶，所述的太阳能热水器一端通过供热管道与热水泵（11）连接，所述的热水泵两端与供热管道连接，所述的供热管道另一端与末端空调控制系统（9）连接，所述的末端空调控制系统内安装盘管（10），所述的末端空调控制系统还与所述的太阳能热水器的另一端连接，所述的末端空调控制系统安装在建筑物室内靠近地面的墙体上。本发明用于建筑空心结构自然通风系统。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法。

背景技术：

目前使用太阳能来减少不可再生能源的消耗的应用很广泛，但对于开窗受限制的高层和超高层建筑来说，应用该资源困难很大。太阳能是人类赖以生存的清洁能源，应用太阳能可以减少不可再生能源的消耗，同时减少碳排放，降低温室效应的影响。国际能源署(IEA)发布《世界能源展望2013》报告称2035年，以风能和太阳能光伏为主的间歇式供电占比45%。对可再生能源减排潜力的系统研究表明，太阳能光热光伏应用和太阳能对建筑碳减排的贡献，从2010～2030年，可达到1-5TtC/a～15-30 TtC/a。

将太阳能用于建筑自然通风的研究目前正在不断地开发研究与应用，自然通风是一种节能、可改善室内热舒适性和提高室内空气品质的绿色技术措施，自然通风在实现原理上有利用风压、利用热压、风压与热压相结合等几种形式，现代人类对自然通风的利用是综合利用室内外条件来实现，如根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，来组织和诱导自然通风。同时，在建筑构造上，通过中庭、双层幕墙、门窗、屋顶等构件的优化设计，来实现良好的自然通风效果。各种自然通风技术中，双层玻璃幕墙是一种较为先进的技术，对于开窗受限制的高层和超高层建筑来说，该技术是一种量身定做的节能措施，双层玻璃幕墙的双层玻璃之间留有较大的空间，常被称为“呼吸幕墙”。在冬季，双层玻璃层间形成阳光温室，提高建筑围护结构表面温度；在夏季，可利用烟囱效应在层内通风。气流模拟结果表明，该结构可大大减少建筑冷负荷，提高自然通风效率。张慧敏对建筑中庭中和面进行分析，认为随着天窗面积的增大，中庭和中性面高度随之升高，但是避免不了在建筑中设置中庭以及天窗。Matthew Herman的团队还探索一种结合了太阳能辅助的烟囱效应和智能幕墙结构的自然通风技术。

在能源紧缺与环境恶化的双重压力下，建筑空气调节依然拥有其不可替代的重要性，然而据统计空调能耗占建筑能耗的30%，且空调能耗的比重逐年加大，常规中央空调能耗大，对环境影响大，急需寻找一种新型的空气调节方式替代常规空调，来缓解能耗与环境的压力。

在空心砖建筑的工程应用中，空心砖有着节省材料，砌筑效率高，保温隔热和透气性能好等等，作为新的墙体材料，国内外的研究人员对各种空心砖砌体做过很多试验，其中对空心砖的轴心抗压强度的实验表明空心砖砌体的轴心抗压强度等于或略高于同标号实心砖的砌体。原因是空心砖的尺寸一般比较大，比实心砖厚，在尺寸相同的抗压试件中，空心砖试件的灰缝少，灰缝对试件强度的影响比对实心砖的影响小。因此空心砖砌体抗压强度要高于实心砖；对空心砖砌体的抗剪强度的研究表明其抗剪强度等于或略高于实心砖砌体抗剪强度。这是因为空心砖的表面一般比实心砖要粗糙，和砂浆结合的更为紧密，而且空心砖砌体中的砂浆进人空心砖空洞中，形成插人空心砖的销键，使得空心砖砌体的抗剪强度提高，德国的G.SCHELLBACH认为：当孔洞率不超过35%时，空心砖墙体强度较高，但一旦孔洞率达到40%～ 55%时，空心砖墙体的强度将降低。

基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统设计研究意义重大，在光伏建筑一体化的研究基础上，结合自然通风烟囱效应热压理论，利用建筑空心结构的空气间层作为通风通道，节能、节材；选用清洁的太阳能作为驱动能源，降低常规能源CO2及其它污染物的排放量。整套系统可以替代空调机组的运行，提高室内空气品质及热舒适性，降低空调能耗及碳排放。

发明内容：

本发明的目的是提供一种建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，其组成包括：热水环路、冷水环路，所述的热水环路包括太阳能热水器，所述的太阳能热水器置于建筑物屋顶，所述的太阳能热水器一端通过供热管道与热水泵连接，所述的热水泵两端与供热管道连接，所述的供热管道另一端与末端空调控制系统连接，所述的末端空调控制系统内安装盘管，所述的末端空调控制系统还与所述的太阳能热水器的另一端连接，所述的末端空调控制系统安装在建筑物室内。

所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的冷水环路包括贮水箱，所述的贮水箱置于建筑物屋顶，所述的贮水箱一端通过供冷管道与冷水泵连接，所述的冷水泵两端与供冷管道连接，所述的供冷管道与所述的供热管道连接，所述的供冷管道另一端与冷水盘管一端连接，所述的冷水盘管置于蒸发冷却通道内，所述的冷水盘管表面布置肋片，所述的冷水盘管另一端与所述的末端空调控制系统连接，所述的末端空调控制系统与所述的贮水箱的另一端连接，所述的冷水盘管上方安装喷淋设备，所述的喷淋设备通过喷淋管道与喷淋水泵连接，所述的喷淋水泵与喷淋水回收器连接，所述的喷淋设备向冷水盘管上方喷淋冷却水，所述的冷却水最终回收于喷淋水回收器内。

所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的供热管道与所述的供冷管道并联，所述的供热管道与所述的供冷管道安装电子膨胀阀门，通过控制阀门来控制环路的开启，所述的供热管道与所述的供冷管道在所述的末端空调控制系统的入口处合并，在所述的末端空调控制系统的出口处分离，分别连接所述的太阳能热水器与所述的贮水箱。

所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的末端空调控制系统外部装有U型通风通道，所述的U型通风通道一侧是蒸发冷却通道，所述的U型通风通道位于建筑空心结构中，所述的建筑空心结构即由空心砖内部空心间隙组成的空心通道，所述的U型通风通道由地部分和地下部分合并组成；所述的空心结构的建筑墙体为光伏电板建筑墙体，所述的光伏电板建筑墙体表面铺设太阳能光伏电池板，所述的太阳能光伏电池板表面铺设玻璃盖板，所述的玻璃盖板与所述的太阳能光伏电池板间隙内构成太阳能光伏电板空气间层，所述的太阳能光伏电板空气间层一侧与太阳能驱动的引风机连接，所述的太阳能光伏电板空气间层另一侧与U型通风通道连接。

所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的U型通风通道一侧顶端安装辅助风机，所述的U型通风通道另一侧顶端安装余热回收翅片换热器，所述的余热回收翅片换热器一端通过循环水路与余热回收循环水泵连接，所述的余热回收循环水泵的另一端与余热回收板式换热器连接，所述的余热回收板式换热器的一端与所述的热水环路的太阳能热水器及所述的冷水环路的贮水箱连接所构成的并联环路连接，所述的余热回收板式换热器的另一端与并联环路余热回收循环水泵连接，所述的并联环路余热回收循环水泵置于并联环路中；所述的U型通风通道在建筑物室内墙体上两处留洞，所述的留洞一个位于靠近地面的墙体上，一个位于靠近顶棚的墙体上，所述的靠近地面的墙体上的留洞安装末端空调控制系统，所述的靠近顶棚的墙体上的留洞安装排风口。

一种利用所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，包括：风循环流程、蒸发冷却流程，余热回收风循环和太阳能光伏换热四大部分，其特征是：冬季运行时：阀门V1、V3、V4、V5、V18、V19、V20打开，其余阀门关闭，太阳能热水器加热的热水通过热水泵进入末端空调控制系统，吸收室内冷量后，温度降低，通过阀门V15、V18所在的管道回到所述的太阳能热水器中循环加热；夏季运行时，阀门V1、V3、V4、V5、V18、V19、V20关闭，其余阀门打开，贮水箱中的水通过冷水泵进入蒸发冷却通道内带肋片的冷水盘管中，被冷却的冷水进入末端空调控制系统吸收室内热量后，通过阀门V15、V21、V24管道回到贮水箱内循环冷却。

所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，.所述的风循环流程是，太阳光辐射至所述的光伏电板建筑墙体表面发电带动所述的太阳能驱动的引风机向所述的光伏电板建筑墙体表面送风，空气与光伏电板表面对流换热，温度升高后被送往所述的U型通风通道中，使气流受烟囱效应作用，在所述的U型通风通道中流动的空气一部分并联通过所述的末端空调控制系统进入建筑物室内，气流组织形式为下送上排的置换通风，空气在室内完成热交换后由于浮升力携带污浊的空气通过所述的排风口排至所述的U型通风通道的另一端。另一部分空气在所述的U型通风通道内做动力循环。

所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，.所述的蒸发冷却流程是，所述的贮水箱的水通过阀门所在的所述的供冷管道进入所述的蒸发冷却通道内带有肋片的所述的冷水盘管，通过所述的喷淋设备在翅片表面喷淋水雾，所述的喷淋设备安装在所述的U型通风通道一侧，其内部有气流按照ABCD四个指示箭头进行流动，加速肋片上的水分蒸发，湿的肋片上的水分蒸发吸热，致使所述的冷水盘管内水温度降低，通过阀门V9进入所述的末端空调控制系统。

所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，.所述的余热回收风循环是，所述的U型通风通道的排风侧设置一台所述的翅片换热器做余热回收，以吸收从所述的U型通风通道排出的空气所携带的能量；余热回收水循环，所述的翅片换热器吸收所述的U型通风通道的空气余热，在所述的余热回收循环水泵的作用下，通过载热介质循环进入所述的余热回收板式换热器，在所述的并联环路循环水泵的作用下，载有余热回收能量的介质通过所述的并联环路阀门的控制进入所述的太阳能热水器或者所述的贮水箱，冬夏两季冷热源侧阀门开启控制为，夏季V27、V29、V30、V31打开，V28关闭，冬季V28、V29、V31打开，V27、 V30关闭。

所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，.所述的太阳能光伏换热是，太阳能光伏电板空气间层内空气和光伏电池板表面对流换热，温度升高后进入所述的U型通风通道，在烟囱效应的热压作用下，促使所述的U型通风通道内的空气循环；在所述的U型通风通道一端设置所述的辅助风机，以解决阴雨天及夜晚所述的U型通风通道内热压不足，烟囱效应不明显，自然通风空气调节效果差、系统无法运行的问题。

有益效果：

1.本发明将太阳能光伏光热技术用于建筑自然通风，自然通风是一种节能、可改善室内热舒适性和提高室内空气品质的绿色技术措施，自然通风在实现原理上利用风压、利用热压、风压与热压相结合的形式。

本发明采用自然通风的利用是综合利用室内外条件来实现，如根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，来组织和诱导自然通风，同时，在建筑构造上，通过建筑空心墙体结构、中庭、双层幕墙、门窗、屋顶等构件的优化设计，来实现良好的自然通风效果。

本发明在光伏建筑一体化的研究基础上，结合自然通风烟囱效应热压理论，利用建筑空心结构的空气间层作为通风通道，节能、节材；选用清洁的太阳能作为驱动能源，降低常规能源CO2及其它污染物的排放量，整套系统可以替代空调机组的运行，提高室内空气品质及热舒适性，降低空调能耗及碳排放。

本发明以建筑空心结构为自然通风通道，创造节材、节地、静音的人居环境，使建筑通风一体化。

本发明以太阳能为驱动能源产生“烟囱效应”，强化热压通风，使“烟囱效应”不受中性面的限制，提升中性面高度至建筑物顶层，避免高层建筑各楼层间出现通风效果良莠不齐，影响空气调节效果。

本发明通过风、水系统对流换热，建立空调冷、热水环路，提供新风冷热源，通过太阳能光热作用为建筑提供空调热源，通过喷淋式蒸发冷却冷水系统内的冷水盘管表面的蒸发冷却作用为建筑提供空调冷源，通过调节通风量来满足建筑的冷暖需求，设置喷淋式蒸发冷却冷水系统，为夏季提供冷量，减少空调设备的使用，并逐步替代空调设备的应用，为大中型中央空调提供高效节能措施，节省空间、节约能源、降低碳排放。

本发明明确自然通风在建筑空气调节中的重要性，设计气流组织形式为下送上排式置换通风系统，通过空气的“浮升力”携带室内负荷及污浊空气排至室外，室内空气净化效率高，空调工况均匀。

本发明在光伏电板上设置玻璃盖板，并利用光伏驱动引风机向空气间层内输送空气对流换热，一方面降低太阳能光伏电池板温度，提高发电效率，另一方面提升空气温度，制造热压差作用下的“烟囱效应”，降低机械通风的风机能耗。

本发明增设余热回收装置，通过余热回收翅片换热器及余热回收板式换热器将U型通风通道内可利热源回收至供热环路或供冷环路再利用。排风口节能效果明显，增设辅助运行设备，当U型通风通道内热压不能满足室内通风需求时保障系统在不利因素作用下的运行。

本发明使用的空心砖有着节省材料，砌筑效率高，保温隔热和透气性能好等特点，作为新的墙体材料，对各种空心砖砌体做过很多试验，其中对空心砖的轴心抗压强度的实验表明空心砖砌体的轴心抗压强度等于或略高于同标号实心砖的砌体。原因是空心砖的尺寸一般比较大，比实心砖厚，在尺寸相同的抗压试件中，空心砖试件的灰缝少，灰缝对试件强度的影响比对实心砖的影响小。因此空心砖砌体抗压强度要高于实心砖；对空心砖砌体的抗剪强度的研究表明其抗剪强度等于或略高于实心砖砌体抗剪强度。这是因为空心砖的表面一般比实心砖要粗糙，和砂浆结合的更为紧密，而且空心砖砌体中的砂浆进人空心砖空洞中，形成插人空心砖的销键，使得空心砖砌体的抗剪强度提高，。

本发明对建筑空心结构进行优化设计，对建筑空心结构的固有空间充分利用，节省建筑空间的同时能够增大墙体热阻，维持建筑负荷稳定，起到一定的墙体保温作用，减少了保温材料的使用，降低了建筑能耗。

附图说明：

附图1是本发明自然通风空气调节系统水循环图。

附图2是本发明自然通风空气调节系统风循环图。

附图3是本发明自然通风空气调节系统蒸发冷却式供冷原理图。

附图4是本发明自然通风空气调节系统余热回收风循环图。

附图5是本发明自然通风空气调节系统余热回收水循环图。

附图6是本发明自然通风空气调节系统中太阳能光伏电板空气间层风循环图。

附图7是本发明带辅助设备的自然通风空气调节系统原理图

图中：相同符号线路指引具有连接关系。

具体实施方式：

实施例1：

一种基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，其组成包括：热水环路1、冷水环路2，所述的热水环路包括太阳能热水器3，所述的太阳能热水器置于建筑物屋顶，所述的太阳能热水器一端通过供热管道与热水泵11连接，所述的热水泵两端与供热管道连接，所述的供热管道另一端与末端空调控制系统9连接，所述的末端空调控制系统内安装盘管10，所述的末端空调控制系统还与所述的太阳能热水器的另一端连接，所述的末端空调控制系统安装在建筑物室内靠近地面的墙体上。如附图1所示。

实施例2：

根据实施例1所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的冷水环路包括贮水箱4，所述的贮水箱置于建筑物屋顶，所述的贮水箱一端通过供冷管道与冷水泵12连接，所述的冷水泵两端与供冷管道连接，所述的供冷管道与所述的供热管道连接，所述的供冷管道另一端与冷水盘管5一端连接，所述的冷水盘管置于蒸发冷却通道内，所述的冷水盘管表面布置肋片6，所述的冷水盘管另一端与所述的末端空调控制系统连接，所述的末端空调控制系统与所述的贮水箱的另一端连接，所述的冷水盘管上方安装喷淋设备7，所述的喷淋设备通过喷淋管道与喷淋水泵13连接，所述的喷淋水泵与喷淋水回收器8连接，所述的喷淋设备向冷水盘管上方喷淋冷却水，所述的冷却水最终回收于喷淋水回收器内。

实施例3：

根据实施例1或2所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的供热管道与所述的供冷管道并联，所述的供热管道与所述的供冷管道安装电子膨胀阀门V1-V26，通过控制阀门来控制环路的开启，所述的供热管道与所述的供冷管道在所述的末端空调控制系统的入口处合并，在所述的末端空调控制系统的出口处分离，分别连接所述的太阳能热水器与所述的贮水箱。如附图1所示。

实施例4：

根据实施例1或2所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的末端空调控制系统外部装有U型通风通道14，所述的U型通风通道一侧是蒸发冷却通道，所述的U型通风通道位于建筑空心结构24中，所述的建筑空心结构即由空心砖内部空心间隙组成的空心通道，所述的U型通风通道由地坪22和地下部分23合并组成；所述的空心结构的建筑墙体为光伏电板建筑墙体15，所述的光伏电板建筑墙体表面铺设太阳能光伏电池板25，所述的太阳能光伏电池板表面铺设玻璃盖板28，所述的玻璃盖板与所述的太阳能光伏电池板间隙内构成太阳能光伏电板空气间层27，所述的太阳能光伏电板空气间层一侧与太阳能驱动的引风机连接，所述的太阳能光伏电板空气间层另一侧与U型通风通道连接。如附图2、3、6所示。

实施例5：

根据实施例1或2所述的基于建筑空心结构的太阳能驱动多功能自然通风空调系统，所述的U型通风通道一侧顶端安装辅助风机，所述的U型通风通道另一侧顶端安装余热回收翅片换热器16，所述的余热回收翅片换热器一端通过循环水路与余热回收循环水泵19连接，所述的余热回收循环水泵的另一端与余热回收板式换热器18连接，所述的余热回收板式换热器的一端与所述的热水环路的太阳能热水器及所述的冷水环路的贮水箱连接所构成的并联环路连接，所述的余热回收板式换热器的另一端与并联环路余热回收循环水泵20连接，所述的并联环路余热回收循环水泵置于并联环路中；所述的U型通风通道在建筑物室内墙体上两处留洞，所述的留洞一个位于靠近地面的墙体上，一个位于靠近顶棚的墙体上，所述的靠近地面的墙体上的留洞安装末端空调控制系统，所述的靠近顶棚的墙体上的留洞安装排风口21。如附图4、5所示。

实施例6：

根据实施例1-5所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，包括：风循环流程、蒸发冷却流程，余热回收风循环和太阳能光伏换热，冬季运行时：阀门V1、V3、V4、V5、V18、V19、V20打开，其余阀门关闭，所述的太阳能热水器加热的热水通过所述的热水泵进入所述的末端空调控制系统，吸收室内冷量后，温度降低，通过阀门V15、V18所在的管道回到所述的太阳能热水器中循环加热；夏季运行时，阀门V1、V3、V4、V5、V18、V19、V20关闭，其余阀门打开，所述的贮水箱中的水通过所述的冷水泵进入所述的蒸发冷却通道内带肋片的所述的冷水盘管中，被冷却的冷水进入所述的末端空调控制系统吸收室内热量后，通过阀门V15、V21、V24所在的管道回到所述的贮水箱内循环冷却。

实施例7：

根据实施例6利用所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，所述的风循环流程是，太阳光辐射至所述的光伏电板建筑墙体表面发电带动所述的太阳能驱动的引风机向所述的光伏电板建筑墙体表面送风，空气与光伏电板表面对流换热，温度升高后被送往所述的U型通风通道中，使气流受烟囱效应作用，在所述的U型通风通道中流动的空气一部分并联通过所述的末端空调控制系统进入建筑物室内，气流组织形式为下送上排的置换通风，空气在室内完成热交换后由于浮升力携带污浊的空气通过所述的排风口排至所述的U型通风通道的另一端。另一部分空气在所述的U型通风通道内做动力循环。

实施例8：

根据实施例6或7利用所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，所述的蒸发冷却流程是，所述的贮水箱的水通过阀门所在的所述的供冷管道进入所述的蒸发冷却通道内带有肋片的所述的冷水盘管，通过所述的喷淋设备在翅片表面喷淋水雾，所述的喷淋设备安装在所述的U型通风通道一侧，其内部有气流按照ABCD四个指示箭头进行流动，加速肋片上的水分蒸发，湿的肋片上的水分蒸发吸热，致使所述的冷水盘管内水温度降低，通过阀门V9进入所述的末端空调控制系统。

实施例9：

根据实施例6或7或8利用所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，所述的余热回收风循环是，所述的U型通风通道的排风侧设置一台所述的翅片换热器做余热回收，以吸收从所述的U型通风通道排出的空气所携带的能量；余热回收水循环，所述的翅片换热器吸收所述的U型通风通道的空气余热，在所述的余热回收循环水泵的作用下，通过载热介质循环进入所述的余热回收板式换热器，在所述的并联环路循环水泵的作用下，载有余热回收能量的介质通过所述的并联环路阀门的控制进入所述的太阳能热水器或者所述的贮水箱，冬夏两季冷热源侧阀门开启控制为，夏季V27、V29、V30、V31打开，V28关闭，冬季V28、V29、V31打开，V27、 V30关闭。

实施例10：

根据实施例6或7或8或9利用所述的建筑空心结构的太阳能驱动自然通风空调系统通风的方法，所述的太阳能光伏换热是，太阳能光伏电板空气间层内空气和光伏电池板表面对流换热，温度升高后进入所述的U型通风通道，在烟囱效应的热压作用下，促使所述的U型通风通道内的空气循环；在所述的U型通风通道一端设置所述的辅助风机，以解决阴雨天及夜晚所述的U型通风通道内热压不足，烟囱效应不明显，自然通风空气调节效果差、系统无法运行的问题。如附图7所示。