CN110779131A - 基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房 - Google Patents

基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于蓄能的Trombe墙与土壤‑空气换热***能源互补被动房，其包括土壤‑空气换热***、Trombe墙空腔、相变蓄能外墙热水***、相变蓄能内墙体和建筑本体。该发明把Trombe墙空腔与土壤‑空气换热***首次耦合应用，夏季时在不利用风机的情况下为室内提供新鲜高品质的冷却空气，真正的实现建筑的零能耗，冬季可以为室内提供更为舒适的送风温度。不同的相变蓄能单元应用到***中，不但可以提高***换热效率、减少室内温度的波动，并且还可以实现土壤‑空气换热***间歇运行的目的，避免***长时间连续运行而导致其效率明显下降。此外，该***在夏季时可以作为产热端制备生活热水，并在冬季太阳辐射不足为室内提供合适的送风温度。

Description

基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房
技术领域
本发明涉及一种基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，属于可再生能源技术在建筑节能领域的应用。
背景技术
目前，建筑能耗已经与交通能耗、工业能耗并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”，建筑能耗随着新建建筑面积的增加和人们居住舒适度的提升，其增加趋势越来越明显。在建筑能耗中，供冷和供暖能耗是其最主要的能源消耗形式。随着人们生活水平的提高，对居住环境的要求也越来越高，因此人们开始普遍使用空调从而保证室内环境的热舒适性。空调的大量使用，不但加剧了建筑能耗的增加，且制冷剂的使用也会对造成一定的环境污染和温室效应。此外，人们长期待在空调的环境中不能及时的开窗通风，势必会造成室内空气质量下降，造成头晕等“空调综合征”现象，而开窗通风会急剧增加建筑能耗。为了减少建筑能耗，我们需要使用清洁环保的可再生能源，低碳节能潮流之下，地热能和太阳能作为最常见的新能源利用技术已经受到越来越多人的青睐。
土壤-空气换热***作为最常见的地热能利用方式之一，已经广泛应用到建筑节能技术中，相比于其他的地热能利用技术，土壤-空气换热***具有设备简单、运行费用较低的优点，且该***可以在一定的程度上为室内提供新风。然而传统的土壤-空气换热***往往采用水平埋管形式，水平埋管存在占地面积较大、浅层土壤温度高和冷凝水难以集中排出的缺点，虽然一些研究者提出在施工过程中对埋管设置一定的坡度，但仍然存在凝结到管壁的冷凝水很难快速集中排出，若冷凝水长期粘附在管壁上势必会出现发霉和病变，从而影响到***的送风空气品质。此外，土壤的蓄热能力有限，传统的***在长时间连续运行时，***的换热效率下降较快，即运行一段时间后埋管周围的土壤温度出现明显的上升/下降(夏季/冬季)。专利(授权号：CN 206670100 U)虽然提出了一种垂直埋管地道通风***，但该专利存在以下三个问题：1)***采用PE管材料，PE管抗压能力较小，埋管到一定的深度后，存在严重的被压扁现象，且PE管的换热能力较低；2)冷凝水处理不够合理，其主要采用两个变径对接来减少空气与冷凝水的接触，在底部设置排水管并通过吸水泵来集中排出冷凝水，采用变径在埋管施工过程中很容易损坏，另外传统吸水泵的扬程较小，当深度超过10.5m时很难吸出水。3)下部有效换热的埋管直接与土壤接触，没有设置相变蓄能结构，但土壤的蓄热能力有限，从而***运行时效率下降较快。
Trombe墙是一种无机械动力，仅依靠被动式收集太阳能为建筑供暖的集热墙体，它是由法国太阳能实验室的FelixTrombe教授提出的，该结构可有效减少建筑全年供暖能耗，并可以提高室内的热舒适性。但在夏季，Trombe墙可能引起室内过热。现有的技术中Trombe墙一般用于冬季供暖，夏季常通过传统的外遮阳方式减少热负荷。周艳等人提出了一种带有Trombe墙结构的双层建筑试验台(授权号：CN 206531652 U)，该专利阐述了传统Trombe墙的运行原理，并验证了其具有提升室内热舒适性的特点，但该专利并没有考虑到Trombe墙实际运行中存在的诸多问题，如过于依赖太阳辐射和热不稳定性等。朱娜等人提出了一种自调节相变Trombe墙体(授权号：CN 106836522 A)，与现有技术相比能够有效解决传统Trombe墙体冬季无太阳时供热不足和夏季过热的问题，但该专利没有考虑到夏季时如何利用Trombe墙体产生的热量，也没有考虑到Trombe墙体由于热压而产生的拔风效应作为其他节能技术的动力源，它仅仅通过相变蓄能结构把太阳能产生的热量峰值降低而减少其外墙体温度的影响。同样的，授权号为CN 104314196 A、CN 103790244 A和CN 208154693U等专利也仅仅考虑了Trombe墙体在冬季时改善室内环境的作用效果，而并不能很好的利用其在夏季时的拔风效应作为其他技术的动力源，并且没有考虑到利用Trombe墙体在夏季时产生多余的热量作为其他介质的热源，从而造成了Trombe墙体在夏季时很难得到充分利用的情况。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，相对于传统的Trombe墙与土壤-空气换热***存在以下5个优势：1)把Trombe墙与土壤-空气换热***耦合应用，夏季时Trombe墙空腔内空气加热产生热压形成拔风效应，从而为土壤-空气换热***提供动力，室外空气通过与地下土壤换热降温后送到室内，可以达到室内降温和提供新鲜空气的目的，由于该***夏季时不需要风机提供动力，真正的实现建筑的零能耗；冬季时，室外空气先经过土壤-空气换热***对其进行预热，预热后的空气被Trombe墙空腔再次加热，从而送到室内供暖。2)垂直埋管土壤-空气换热***由于其坡度为90°，相比于水平埋管***可以使产生的冷凝水快速的集中到底部而排出，埋管底部由上部的通风管道和下部的集排水管道组成，为了避免冷凝水对管道内流动空气的影响，两者被隔开设置，从而为室内提供新鲜高品质的冷却空气。3)土壤-空气换热***埋管周围设置相变蓄能结构，由于相变蓄能材料的潜热远大于土壤，避免土壤温度升高/下降过快而降低其运行效率，该结构可以为管内空气提供足够的能量，从而提高***的运行效率。4)相变蓄能外墙热水***结构可以延长Trombe墙空腔的作用时间，即太阳辐射不足时相变材料释放能量从而保持空腔内一定的温度；当太阳辐射充足时，Trombe墙空腔产生的热量可以通过相变材料传递到热水管内，从而产生一定温度的热水供室内供暖和生活热水使用，实现最大限度的利用太阳能的目的；冬季时该***可以在太阳辐射不足为Trombe墙空腔提供热量，从而满足冬季室内送风的要求。5)土壤-空气换热***与相变蓄能内墙体结合，在保持室内温度波动范围的情况下，还可以实现土壤-空气换热***间歇运行的目的，避免土壤-空气换热***连续长时间运行而导致其运行效率明显下降。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其主要包括土壤-空气换热***、Trombe墙空腔、相变蓄能外墙热水***、相变蓄能内墙体和建筑本体；所述的土壤-空气换热***是由垂直U型埋管构成，该结构由于管道倾角是90°，可以使***在夏季运行时管壁产生的冷凝水由重力作用迅速集中到U型埋管底部，其中U型埋管的下部设置了集排水旁通，U型埋管5m深度以下设置了环状相变蓄能结构包裹管道，U型埋管5m以上的出风支管设置了保温层；所述Trombe墙空腔与土壤-空气换热***耦合，夏季时，Trombe墙空腔通过加热空气引起的拔风效应可以为土壤-空气换热***提供动力，从而减少了风机的使用；冬季时，Trombe墙空腔可以对土壤-空气换热***预热后室外空气进行再次加热而满足室内送风要求。所述的相变蓄能外墙热水***位于Trombe墙空腔靠墙侧，其主要是由热水管和相变蓄能层构成，夏季时Trombe墙空腔内空气被加热，多余的热量会传递给相变蓄能外墙从而加热热水管产生热水，同时相变蓄能外墙在太阳辐射不足时释放热量从而可以延长Trombe墙空腔拔风效应时间，即为土壤-空气换热***提供更持久的动力；所述的相变蓄能内墙体采用模块化拼接安装，相变蓄能内墙体不但可以减少室内温度的波动，且可以实现土壤-空气换热***间歇运行工况，从而提高***的运行效率。
所述的土壤-空气换热***U型埋管的材料为不锈钢，厚度为2mm，管径为200-250mm；所述的U型埋管底部是由上部的通风管道和下部的集排水槽组成，所述的通风管道与集排水槽之间被圆形挡板和水泵上部焊接的盖板隔开，从而避免管道内流动空气与冷凝水接触影响到空气品质；所述的圆形挡板中间设置5mm的压力孔，水泵盖板直径与U型管的直径相差5mm；通风管道和集排水槽的坡度均为5°；所述的集排水槽右支管设置有排水泵，并设置两个水位传感器从而及时排出产生的冷凝水。
所述的U型埋管外部的环状相变材料结构的厚度为5cm，所述的相变材料为石蜡和膨胀石墨的复合材料，其中膨胀石墨占20％，石蜡占80％；所述的相变材料布置在埋管周围可以把土壤中的能量储存起来，***运行时把能量释放到管内的空气，从而增加***的运行效率；所述的相变材料结构通过PVC管封装，接口处严格密封，避免其泄露在土壤中。
所述的Trombe墙空腔是由双层的真空玻璃罩围绕相变蓄能外墙热水***而构成，所述的空腔厚度为400-500mm，所述的Trombe墙空腔顶部设置出风口和对应的风阀，其下部与土壤-空气换热***连接；所述的Trombe墙空腔通过上下两个风口和对应的风阀与室内环境连接。
所述的相变蓄能外墙热水***的热水管被相变蓄能板包裹，相变蓄能板的向阳侧涂有吸热材料，相变蓄能板的内部设置有翅片，所述的热水管与储热水箱或其他供热***连接。所述的相变蓄能外墙热水***在夏季时可以作为产热端，冬季时可以在太阳辐射不足为Trombe墙空腔提供热量。
所述的相变蓄能内墙体为模块化拼装，其粘附于建筑本体内墙之上，该相变蓄能墙体不但能够调节室内温度的波动，并且与土壤-空气换热***相耦合实现***的间歇运行，从而让土壤温度能够及时恢复。
***中所采用的管道保温层均为聚氨酯，聚氨酯的厚度为5cm，聚氨酯的外层均用PVC包裹，避免因土壤中含水分而影响到其保温性能；***中位于相变蓄能板和建筑本体之间的保温材料为挤塑板，厚度为5cm。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，相对于传统的Trombe墙与土壤-空气换热***存在以下5个优势：1)Trombe墙与土壤-空气换热***耦合应用，夏季时Trombe墙空腔内空气加热产生热压形成拔风效应，从而为土壤-空气换热***提供动力，室外空气通过与地下土壤换热降温后送到室内，可以达到室内降温和提供新鲜空气的目的，由于该***夏季时不需要风机提供动力，真正的实现建筑的零能耗；冬季时，室外空气先经过土壤-空气换热***对其进行预热，预热后的空气被Trombe墙空腔再次加热，从而送到室内供暖。2)垂直埋管土壤-空气换热***由于其坡度为90°，相比于水平埋管***可以使产生的冷凝水快速的集中到底部而排出，埋管底部由上部的通风管道和下部的集排水管道组成，为了避免冷凝水对管道内流动空气的影响，两者被隔开设置，从而为室内提供新鲜高品质的冷却空气。3)土壤-空气换热***埋管周围设置相变蓄能结构，由于相变蓄能材料的潜热远大于土壤，避免土壤温度升高/下降过快而降低其运行效率，该结构可以为管内空气提供足够的能量，从而提高***的运行效率。4)相变蓄能外墙热水***结构可以延长Trombe墙空腔的作用时间，即太阳辐射不足时相变材料释放能量从而保持空腔内一定的温度；当太阳辐射充足时，Trombe墙空腔产生的热量可以通过相变材料传递到热水管内，从而产生一定温度的热水供室内供暖和生活热水使用，实现最大限度的利用太阳能的目的；冬季时该***可以在太阳辐射不足为Trombe墙空腔提供热量，从而满足冬季室内送风的要求。5)土壤-空气换热***与相变蓄能内墙体结合，在保持室内温度波动范围的情况下，还可以实现土壤-空气换热***间歇运行的目的，避免土壤-空气换热***连续长时间运行而导致其运行效率明显下降。
附图说明
图1***整体示意图。
图2***Trombe墙空腔及相变蓄能外墙热水***示意图。
图3土壤-空气换热***底部旁通示意图。
图4***夏季运行原理图。
图5***冬季运行原理图。
图中各附图标记的含义如下：
I-Trombe墙空腔截面放大示意图；II-土壤-空气换热***底部旁通截面放大示意图；
1-进风口；2-排水管；3-U型埋管；4-环状相变材料结构；5-管道保温；6-管道送风支管；7-室内进风口；8-风阀1；9-Trombe墙空腔进风口；10-风阀2；11-Trombe墙空腔室内下风口；12-风阀3；13-Trombe墙空腔室内上风口；14-风阀4；15-Trombe墙空腔上出风口；16-风阀5；17-建筑本体；18-相变内墙体；19-静音风机；20-风阀6；21-室内排风口；22-墙体保温层；23-外墙热水管；24-相变蓄能模块；25-Trombe墙空腔；26-双层真空玻璃幕墙；27-吸热涂层；28-旁通风管；29-电源线；30-水泵盖板；31-水位传感器1；32-冷凝水；33-抽水泵；34-水位传感器2；35-底部旁通坡度；36-圆形挡板；37-压力孔；38-排水槽。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行进一步描绘。然而，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，包括土壤-空气换热***、Trombe墙空腔、相变蓄能外墙热水***、相变蓄能内墙体和建筑本体；所述的土壤-空气换热***是由垂直U型埋管3构成，该结构可以使管壁产生的冷凝水由重力作用迅速集中到U型埋管底部，其中U型埋管底部设置了通气旁通28和集排水槽38，U型埋管5m深度以下设置了环状相变蓄能结构4包裹管道，U型埋管5m以上的出风支管设置了保温层5；所述Trombe墙空腔与土壤-空气换热***耦合，夏季时Trombe墙空腔25通过加热空气的拔风效应为土壤-空气换热***提供动力而避免了风机的使用，冬季时Trombe墙空腔可以对土壤-空气换热***预热后室外空气进行再次加热而满足室内送风要求；所述的相变蓄能外墙热水***位于Trombe墙空腔内，其主要是由热水管23和相变蓄能模块24构成，夏季时Trombe墙空腔内空气被加热，多余的热量会传递给相变蓄能模块24从而加热热水管23产生热水，同时相变蓄能模块24在太阳辐射不足时释放热量从而可以延长Trombe墙空腔25拔风效应时间；所述的相变蓄能内墙体18采用模块化拼接安装，相变蓄能内墙体18不但可以减少室内温度的波动，且可以实现土壤-空气换热***间歇运行工况，从而提高***的运行效率。
所述的土壤-空气换热***U型埋管3的材料为不锈钢，厚度为2mm，管径为200-250mm；所述的U型埋管底部是由上部的通风管道28和下部的集排水槽38组成，所述的通风管道28与集排水槽38之间被圆形挡板36和水泵上部焊接的盖板30隔开，从而避免管道内流动空气与冷凝水接触影响到空气品质；所述的圆形挡板中间设置5mm的压力孔37，水泵盖板30直径与U型埋管3的直径相差5mm；通风管道28和集排水槽38的坡度均为5°；所述的集排水槽38右支管设置有排水泵33，并设置水位传感器31和34，当冷凝水的水位达到传感器31时，排水泵33控制***开启从而及时排出产生的冷凝水，当水位不足传感器34时，排水泵33控制***关闭。
所述的U型埋管3外部的环状相变材料结构4的厚度为5cm，所述的相变材料为石蜡和膨胀石墨的复合材料，其中膨胀石墨占20％，石蜡占80％；所述的相变材料布置在埋管周围可以把土壤中的能量储存起来，***运行时把能量释放到管内的空气，从而增加***的运行效率。
所述的Trombe墙空腔25是由双层的真空玻璃罩26围绕相变蓄能外墙热水***而构成，所述的空腔25厚度为400-500mm，所述的Trombe墙空腔25上部设置出风口15和对应的风阀16，其下部通过风阀10与土壤-空气换热***连接；所述的Trombe墙空腔25通过上下两个风口13、11和对应的风阀14、12与室内环境连接。
所述的相变蓄能外墙热水***的热水管23被相变蓄能板24包裹，相变蓄能板24的向阳侧涂有吸热材料27，相变蓄能板24的内部设置有翅片，所述的热水管23与储热水箱或其他供热***连接。所述的相变蓄能外墙热水***在夏季时可以作为产热端，冬季时可以在太阳辐射不足为Trombe墙空腔25提供热量，从而满足冬季室内送风要求。
***中所采用的管道保温层5均为聚氨酯，聚氨酯的厚度为5cm，聚氨酯的外层均用PVC包裹，避免因土壤中含水分而影响到其保温性能；***中位于相变蓄能板24和建筑本体17之间的保温层22材料为挤塑板，厚度为5cm。
下面结合附图4和5，通过对***冬夏季的运行工况实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1，夏季：
参见图4，风阀8、12和16打开，风阀10、14和20关闭。Trombe墙空腔25经过太阳辐射的照射而升高温度，空腔内25空气温度升高而从出风口15排出，造成空腔底部空气压力变小，形成了从室内到空腔内的空气驱动力，室内空气压力变小进一步促进埋管3内的空气流动，室外热空气通过与土壤进行换热而温度降低接着被送入到室内为其提供冷量，由于该***夏季时不需要风机提供动力，真正的实现建筑的零能耗。Trombe墙空腔25在***运行时也会把热量传递到相变蓄能模块24，接着传递到热水管23的介质中，通过循环而产生一定量的热水。此外，当太阳辐射不足时，相变蓄能模块24释放热量，从而阻止Trombe墙空腔内25温度的降低，延长***的运行时间。进入到室内的冷空气通过与相变蓄能内墙体18换热来维持室内空气温度的恒定，当室内温度维持在一定22-26℃，可关闭风阀8，从而实现土壤-空气换热***间歇运行工况，当室内温度大于26℃时，打开风阀8，***开始重新运行。
实施例2，冬季：
参见图5，风阀10、14和20打开，风阀8、12和16关闭。室外冷空气首先通过埋管3被土壤-空气换热***进行预热，预热后的空气通过风口9进入到Trombe墙空腔25内再次加热，再次加热后的空气通过风机19送入到室内，从而满足室内的热舒适性，经过室内换热后的空气通过出风口21排出室外。当室外太阳辐射不能满足空腔25对空气的加热要求时，启动相变蓄能外墙热水***，即通过辅助热源对相变蓄能模块24进行加热，并进一步加热空腔内预热后的空气，从而满足冬季室内送风温度的要求。
以上实施方式仅用于说明本发明技术方案，相关领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下还可以做出各种变更或改型，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于：该被动房主要由土壤-空气换热***、Trombe墙空腔、相变蓄能外墙热水***、相变蓄能内墙体和建筑本体构成；所述的土壤-空气换热***是由垂直U型埋管构成，该结构可以使管壁产生的冷凝水因重力作用迅速集中到U型埋管底部，其中U型埋管的下部设置了集排水旁通，U型埋管5m深度以下设置了环状相变蓄能结构包裹管道，U型埋管5m以上的出风支管设置了保温层；所述Trombe墙空腔与土壤-空气换热***耦合，夏季时Trombe墙空腔通过加热空气而引起的拔风效应为土壤-空气换热***提供动力从而避免了风机的使用，冬季时Trombe墙空腔可以对土壤-空气换热***预热后的室外空气进行再次加热而满足室内送风要求；所述的相变蓄能外墙热水***位于Trombe墙空腔内，其主要是由热水管和相变蓄能外墙构成，夏季时Trombe墙空腔内空气被加热，多余的热量会传递给相变蓄能外墙从而加热热水管产生热水，所述的相变蓄能外墙热水***在夏季时可以作为产热端，冬季时可以在太阳辐射不足为Trombe墙空腔提供热量，同时相变蓄能外墙在太阳辐射不足时释放热量从而可以延长Trombe墙空腔拔风效应时间；所述的相变蓄能内墙体采用模块化拼接安装，相变蓄能内墙体不但可以减少室内温度的波动，且可以实现土壤-空气换热***间歇运行工况，从而提高***的运行效率。
2.根据权利要求1所述的基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于，所述的U型埋管的材料为不锈钢，厚度为2mm，管径为200-250mm；所述的U型埋管底部是由上部的通风管道和下部的集排水槽组成，所述的通风管道与集排水槽之间被圆形挡板和水泵上部焊接的盖板隔开，从而避免管道内流动空气与冷凝水接触影响到空气品质；所述的圆形挡板中间设置5mm的压力孔，水泵盖板直径与U型管的直径相差5mm；通风管道和集排水管道的坡度均为5°；所述的集排水管道右支管设置有排水泵，并设置两个水位传感器从而及时排出产生的冷凝水。
3.根据权利要求1所述的基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于，所述的U型埋管外部的环状相变材料结构的厚度为5cm，相变温度为18-20℃；所述的相变材料为石蜡和膨胀石墨的复合材料，其中膨胀石墨占20％，石蜡占80％；所述的相变材料布置在埋管周围可以把土壤中的能量储存起来，***运行时把能量释放到管内的空气，从而增加***的运行效率。
4.根据权利要求1所述的基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于，***中所采用的管道保温层均为聚氨酯，聚氨酯的厚度为5cm，聚氨酯的外层均用PVC包裹，避免因土壤中含有的水分影响到其保温性能。
5.根据权利要求1所述的基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于，所述的Trombe墙空腔是由双层的真空玻璃罩围绕相变蓄能外墙热水***而构成，所述的空腔厚度为400-500mm，所述的Trombe墙空腔顶部设置出风口和对应的风阀，其下部与土壤-空气换热***连接；所述的Trombe墙空腔通过上下两个风口和对应的风阀与室内环境连接。
6.根据权利要求1所述的基于蓄能的Trombe墙与土壤-空气换热***能源互补被动房，其特征在于，所述的相变蓄能外墙热水***的热水管被相变蓄能板包裹，相变蓄能板的向阳侧涂有吸热材料，相变蓄能板的内部设置有翅片，所述的热水管与储热水箱或其他供热***连接。
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