CN114543233A - 一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***及方法，包括太阳能光伏/光热一体化组件、换热***和通风换气单元，所述太阳能光伏/光热一体化组件设置于屋顶，用于收集太阳能，将太阳能转换为电能和热能作为强化自然通风的能源；所述换热***包括一次换热单元和二次换热单元，所述一次换热单元用于与太阳能光伏/光热一体化组件进行换热，二次换热单元用于与通风烟囱内的空气进行换热；所述通风换气单元用于将室外空气引入房间进行换气。本发明***实现全太阳能清洁能源驱动主被动通风，达到提高建筑通风的效果，满足节能减排目标。
Description
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***及方法。
背景技术
建筑作为人们生活、学习和工作的基本场所，同时也会产生大量能耗和环境污染。暖通空调、通风***能耗占建筑能耗的一半左右。建筑通风是调节建筑物理环境不可或缺的手段，能够降低室内温度，带走余热余湿，满足人体热舒适需求，改善室内空气品质。目前，建筑的通风技术日趋成熟，合理地布置建筑群体、建筑朝向，使用合适的建筑开口尺寸和开口位置、设置中庭、垂直通风道以及一些新型通风技术，如使用双层玻璃幕墙通风***、电动开窗智能控制***等都能强化建筑通风，都能改善室内热环境。
当前，建筑通风一般采用机械通风、自然通风或者混合通风的方式，存在以下问题：(1)建筑通风设计中所在地区气候调查分析不到位，南北地区气候差异较大，以统一标准展开设计，设计通风量与设计需求不符，影响通风效果，导致建筑能耗增加，浪费自然资源；(2)在绿色建筑理念下，传统通风设计以空调为主要调控手段，能短时间内解决室内通风与温度问题，但是增加了建筑成本和环境压力，能耗较高；(3)利用自然通风能有效节约空调和机械通风能耗，但自然通风的效果跟气候、建筑类型、功能、设计、控制策略等各方面密切相关，外界环境不稳定难以保证室内空气流通率，通风质量也会受到影响。
经过对现有技术文献的检索发现，利用建筑烟囱基于自然通风烟囱效应原理在加强室内通风方面的应用，目前已经申请的专利有：(1)专利《一种基于烟囱效应的被动式外墙通风装置》(专利申请号：CN201922454078.1)公开了一种基于烟囱效应利用被动式外墙通风的方法；(2)专利《一种高大空间体育建筑太阳能烟囱通风***》(专利申请号：CN201810650295.5)公开了一种针对高大空间体育建筑在建筑的侧面墙体上设置太阳能烟囱的通风方法；(3)专利《一种客厅带竖直通风烟囱的被动式太阳房》(专利申请号：CN201910274217.4)公开了一种针对北方严寒地区农村住宅客厅带竖直通风烟囱的被动式太阳房保温、隔热、通风的方法，以上专利所公开的方法都依赖于太阳能资源，受昼夜、季节、天气等客观因素影响大，无法持久稳定地被使用。
其次，通过文献检索发现，针对利用太阳能光伏光热一体化模块在建筑领域开发利用方面，目前已经申请的申请专利主要有(1)专利《一种利用太阳能光伏/光热的炕采暖***》(专利申请号：CN202021117662.4)公开了一种收集太阳能光伏/光热利用炕采暖的***；(2)专利《一种太阳能光伏光热一体化供热***》(专利申请号：CN201911401524.0)公开了一种在不同季节对光伏电池采用水换热或者风换热的冷却方式供热的***；(3)专利《一种太阳能光伏光热互补式一体化空调房》(专利申请号：CN202120228464.3)公开了一种太阳能光伏光热互补式一体化空调房，能按需为房间提供热空气、冷空气和冷热水的***，以上专利共同点都利用了换热器收集太阳能光伏板背面的热量为建筑采暖或提供电能以降低建筑能耗。
因此，经过对现有技术文献的检索，没有发现太阳能光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***的相关专利报道。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，包括：
太阳能光伏/光热一体化组件，所述太阳能光伏/光热一体化组件设置于屋顶，用于收集太阳能，将太阳能转换为电能并输出；
换热***，所述换热***包括一次换热单元和二次换热单元，所述一次换热单元用于与太阳能光伏/光热一体化组件进行换热，二次换热单元用于与通风烟囱内的空气进行换热；
通风换气单元，所述通风换气单元用于将室外空气引入房间进行换气。
本发明***的进一步改进在于：
所述太阳能光伏/光热一体化组件包括太阳能光伏板，所述太阳能光伏板通过太阳能板支架安装于屋顶上；太阳能光伏板连接光伏逆变器，光伏逆变器还连接安装于通风烟囱中的变频风机；光伏逆变器安装于太阳能板支架的安装板上；所述太阳能板支架为铝合金支架，并且倾斜布置，使太阳能光伏板能够面向太阳设置。
所述一次换热单元包括毛细管换热器，所述毛细管换热器粘贴在太阳能光伏板的背面，并覆盖保温泡沫板；毛细管换热器的进水口和出水口分别连接蓄热水箱的一次进水口和一次出水口。
所述毛细管换热器通过发泡胶粘贴在太阳能光伏板的背面。
所述毛细管换热器通过一次回水管连接至蓄热水箱的一次进水口，所述毛细管换热器通过一次供水管连接至蓄热水箱的一次出水口；一次供水管上设置有一次供水管路阀门和太阳能循环泵；一次回水管上设置有一次回水管路阀门。
所述二次换热单元包括毛细管网散热末端，所述毛细管网散热末端敷设在建筑烟囱内壁，毛细管网散热末端的进水口和出水口分别连接蓄热水箱的二次进水口和二次出水口。
所述毛细管换热器通过二次回水管连接至蓄热水箱的二次进水口，所述毛细管换热器通过二次供水管连接至蓄热水箱的二次出水口；二次供水管上设置有二次供水管路阀门；二次回水管上设置有二次回水管路阀门和烟囱辐射末端循环泵。
所述通风换气单元包括开设在通风烟囱对侧墙壁上的建筑外窗，通风烟囱的进风口设置在靠近通风烟囱一侧的墙壁上，通风烟囱的顶部开设有排风口；变频风机安装于通风烟囱内，并位于排风口的下方。
所述进风口和排风口均为为电百叶窗，进风口设置在在房间下部距地面下缘30cm处。
一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化方法，包括以下步骤：
蓄热模式：
关闭二次供水管路阀门、二次回水管路阀门，打开一次供水管路阀门、一次回水管路阀门，太阳能光伏板将电能转化储存在光伏逆变器中，同时热量传递给背面毛细管换热器中的水，加快太阳能光伏板降温，提高发电效率，被加热的水通过热水出水管送至蓄热水箱，太阳能热量被储存起来，太阳能循环泵将冷水通过一次供管送回毛细管换热器，保温泡沫板防止换热器热量散失，以此循环；
被动通风运行模式：
蓄热水箱中的热水达到预设温度时，关闭一次供水管路阀门、一次回水管路阀门，打开二次供水管路阀门、二次回水管路阀门，热水经二次供水管流动至烟囱内壁的毛细管网散热末端，加热烟囱中的空气，冷却后的水在二次回管由回烟囱辐射末端循环泵送回蓄热水箱，使室外空气从建筑外窗进入室内，与室内空气充分混合后从通风烟囱的进风口进入烟囱，并由通风烟囱的排风口排出；
当太阳能热量无法满足室内通风要求时，打开建筑烟囱排风口处安装的变频风机，其电能由光伏逆控器提供，此时，空气从通风烟囱的排风口排出，室外空气通过建筑外窗补充，满足房间内人体热舒适性要求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用自然通风的“烟囱效应”原理，夏季高温晴天，开启***蓄热模式，收集太阳能光伏板背面热量并储存在蓄热水箱；阴天或室外温度较低时，加热烟囱中的排风空气，增加其与室外空气的密度差，提高通风量，对通风要求较高时，开启烟囱排风口处的变频风机，提升通风烟囱的拔风效果，改善室内热环境。整个***实现全太阳能清洁能源驱动主被动通风，达到提高建筑通风的效果，满足节能减排目标。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的总体结构示意图。
其中：1-太阳能光伏板；2-毛细管换热器；3-保温泡沫板；4-光伏逆控器；5-蓄热水箱；6-一次供水管路阀门；7-一次回水管路阀门；8-二次供水管路阀门；9-二次回水管路阀门；10-太阳能循环泵；11-烟囱辐射末端循环泵；12-毛细管网散热末端；13-变频风机；14-一次供水管；15-一次回水管；16-二次供水管；17-二次回水管；18-太阳能板支架；19-建筑外窗；20-进风口；21-排风口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，包括太阳能光伏板1、毛细管换热器2、保温泡沫板3、光伏逆控器4、蓄热水箱5、一次供水管路阀门6、一次回水管路阀门7、二次供水管路阀门8、二次回水管路阀门9、太阳能循环泵10、烟囱辐射末端循环泵11、毛细管网散热末端12、变频风机13、一次供水管14、一次回水管15、二次供水管16、二次回水管17、太阳能板支架18、建筑外窗19、进风口20和排风口21。太阳能光伏板1背面用发泡胶粘贴毛细管换热器2覆盖保温泡沫板3，共同组成太阳能光伏/光热一体化组件，由铝合金太阳能板支架18呈一定角度架设在屋顶，太阳能光伏板1接线柱连接光伏逆控器4，将太阳能转换为电能；毛细管换热器2由间距为10mm的毛细管网栅组成，流动介质水通过一次供水管14、一次回水管15连接蓄热水箱5，由一次供水管路阀门6和一次回水管路阀门7控制启闭，用于对太阳能光伏板1强制换热，收集热能，提高太阳能光伏板1的发电效率；保温泡沫板3覆盖在毛细管换热器2上，防止收集的热量散失；光伏逆控器4放置在太阳能板支架18上，与太阳能光伏板1以及变频风机13连接，将收集的光电储存并转化为交流电供应变频风机13；蓄热水箱5放置在屋顶，太阳能光伏/光热一体化组件下方，与毛细管换热器2及毛细管网散热末端12连接，存储毛细管换热器2中流出的热水；一次供水管路阀门6安装在一次供水管14上，用于控制管路启闭，调节流量；一次回水管路阀门7安装在一次回水管15的上，用于控制管路的启闭，调节流量；二次供水管路阀门8安装在二次供水管16上，二次回水管路阀门9安装在二次回水管17上，用于控制被动通风***启闭，调节流量；太阳能循环泵10安装在毛细管换热器2的一次供水管14上，为毛细管换热器2和蓄热水箱5之间冷热水循环提供动力；烟囱辐射末端循环泵11安装在二次回水管17上，连接蓄热水箱5和毛细管网散热末端12，实现散热末端***稳定运行；毛细管网散热末端12敷设在建筑烟囱内壁，避开房间，与蓄热水箱5连接，用于加热烟囱内排风空气；变频风机13安装在烟囱排风口21处，在被动式通风无法满足的情况下强化室内通风；一次供水管14连接蓄热水箱5和毛细管换热器2，用于输送冷水到毛细管换热器2；一次回水管15连接蓄热水箱5及毛细管换热器2，用于输送加热后的水；二次供水管16连接蓄热水箱5和毛细管网散热末端12，将达到预设温度的温热水送至散热末端；二次回水管17连接蓄热水箱5及毛细管网散热末端12，将与烟囱排风热交换后的水送回蓄热水箱5；太阳能板支架18放置在屋顶，用于架设太阳能光伏/光热一体化组件，调整到能充分接受太阳辐射的最佳角度；建筑外窗19开设在烟囱对侧墙壁，引入室外新鲜空气；通风烟囱进风口20在房间下部，距地面下缘30cm，为电百叶窗，用于房间和烟囱之间换气；通风烟囱排风口21对向设在烟囱上部墙壁，为电百叶窗，能排出烟囱中的空气，维持室内外空气流通。
本发明实施例还公开了一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化方法，包括以下步骤：
在夏季高温晴天，室外温度较高，***开启蓄热模式，关闭二次供水管路阀门8、二次回水管路阀门9，打开一次供水管路阀门6、一次回水管路阀门7，***只开启蓄热模式，太阳能光伏/光热一体化组件中的太阳能光伏板1将电能转化储存在光伏逆变器4中，同时热量传递给背面毛细管换热器2中的水，加快太阳能光伏板1降温，提高发电效率，被加热的水通过热水出水管送至蓄热水箱5，太阳能热量被储存起来，太阳能循环泵10将冷水通过一次供管14送回毛细管换热器2，保温泡沫板3防止换热器2不必要的热量散失，以此循环。
阴天或室外气温相对较低时候，启动***被动通风运行模式，蓄热水箱5中的热水达到预设温度时，关闭一次供水管路阀门6、一次回水管路阀门7，打开二次供水管路阀门8、二次回水管路阀门9，热水经二次供水管16流动至烟囱内壁的毛细管网散热末端12，加热烟囱中的空气，冷却后的水在二次回管17由回烟囱辐射末端循环泵11送回蓄热水箱5，烟囱中被加热的空气与室外空气形成较大密度差，加快了室外空气从建筑外窗19进入室内，与室内空气充分混合后从通风烟囱进风口20进入烟囱，并由通风烟囱排风口21排出。
当室内通风要求较高而太阳能热量无法满足时，打开建筑烟囱排风口处安装的变频风机13，其电能由光伏逆控器4提供，此时，空气快速从通风烟囱排风口21排出，室外空气通过建筑外窗19源源不断补充，满足房间内人体热舒适性要求。
本发明的原理：
本发明针对利用建筑烟囱强化通风以改善室内热环境的需求，提出一种在建筑屋顶放置太阳能光伏板1，光伏板背面铺设毛细管网，在夏季高温晴天，室外温度较高，在降低太阳能电池温度的同时，将毛细管网内流体带走的热量储存在蓄热水箱5中。采用毛细管网作为建筑烟囱内壁散热末端，阴天或室外气温相对较低的时候，蓄热水箱5中的热水达到预设温度，通过循环泵供给烟囱内壁敷设的毛细管网以加热烟囱中的排风空气，增加室内外空气之间密度差，从而加强烟囱效应。当室内通风要求较高而太阳能热量无法满足时，利用太阳能光伏所产生的电力来驱动布置在通风烟囱排风口21位置的变频风机13，实现通风烟囱主动运行，进一步拓展通风烟囱的运行工况，实现最大化有效利用太阳能清洁能源满足建筑通风需求的目标，同时该方法具有良好的运行经济性，具备大规模推广的前景。
本发明的目的是针对强化建筑烟囱通风带走室内余热余湿，维持室内热环境舒适性，该***利用太阳能光伏/光热一体化组件在夏季高温晴天收集太阳能光热和光电，太阳能光伏板1背面粘贴毛细管网，并覆盖保温泡沫板3，由毛细管网组成的换热器所收集的光热被介质水带入蓄热水箱5。基于自然通风的“烟囱效应”原理，在阴天或室外气温相对较低的时候，将水箱中达到预设温度的热水供给铺设在烟囱内壁的散热末端毛细管网***，以提高建筑烟囱中的排风温度，增加室内通风量。太阳能光伏板1所收集的电能由光伏逆变器4储存转化为交流电，当室内通风要求较高而太阳能热量无法满足时，利用产生的电能驱动安装在烟囱排风口的变频风机13，实现建筑烟囱通风***主动运行。不同工况交替运行，调节室内热环境，使得满足室内人体热舒适性需求，实现最大限度利用太阳能清洁能源满足建筑通风需求的目标。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，包括：
太阳能光伏/光热一体化组件，所述太阳能光伏/光热一体化组件设置于屋顶，用于收集太阳能，将太阳能转换为电能并输出；
换热***，所述换热***包括一次换热单元和二次换热单元，所述一次换热单元用于与太阳能光伏/光热一体化组件进行换热，二次换热单元用于与通风烟囱内的空气进行换热；
通风换气单元，所述通风换气单元用于将室外空气引入房间进行换气。
2.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述太阳能光伏/光热一体化组件包括太阳能光伏板(1)，所述太阳能光伏板(1)通过太阳能板支架(18)安装于屋顶上；太阳能光伏板(1)连接光伏逆变器(4)，光伏逆变器(4)还连接安装于通风烟囱中的变频风机(13)；光伏逆变器(4)安装于太阳能板支架(18)的安装板上；所述太阳能板支架(18)为铝合金支架，并且倾斜布置，使太阳能光伏板(1)能够面向太阳设置。
3.根据权利要求2所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述一次换热单元包括毛细管换热器(2)，所述毛细管换热器(2)粘贴在太阳能光伏板(1)的背面，并覆盖保温泡沫板(3)；毛细管换热器(2)的进水口和出水口分别连接蓄热水箱(5)的一次进水口和一次出水口。
4.根据权利要求3所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述毛细管换热器(2)通过发泡胶粘贴在太阳能光伏板(1)的背面。
5.根据权利要求4所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述毛细管换热器(2)通过一次回水管(15)连接至蓄热水箱(5)的一次进水口，所述毛细管换热器(2)通过一次供水管(14)连接至蓄热水箱(5)的一次出水口；一次供水管(14)上设置有一次供水管路阀门(6)和太阳能循环泵(10)；一次回水管(15)上设置有一次回水管路阀门(7)。
6.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述二次换热单元包括毛细管网散热末端(12)，所述毛细管网散热末端(12)敷设在建筑烟囱内壁，毛细管网散热末端(12)的进水口和出水口分别连接蓄热水箱(5)的二次进水口和二次出水口。
7.根据权利要求6所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述毛细管换热器(2)通过二次回水管(17)连接至蓄热水箱(5)的二次进水口，所述毛细管换热器(2)通过二次供水管(16)连接至蓄热水箱(5)的二次出水口；二次供水管(16)上设置有二次供水管路阀门(8)；二次回水管(15)上设置有二次回水管路阀门(9)和烟囱辐射末端循环泵(11)。
8.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述通风换气单元包括开设在通风烟囱对侧墙壁上的建筑外窗(19)，通风烟囱的进风口(20)设置在靠近通风烟囱一侧的墙壁上，通风烟囱的顶部开设有排风口(21)；变频风机(13)安装于通风烟囱内，并位于排风口(21)的下方。
9.根据权利要求8所述的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化***，其特征在于，所述进风口(20)和排风口(21)均为为电百叶窗，进风口(20)设置在在房间下部距地面下缘30cm处。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述***的光伏/光热耦合驱动建筑烟囱通风强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
蓄热模式：
关闭二次供水管路阀门(8)、二次回水管路阀门(9)，打开一次供水管路阀门(6)、一次回水管路阀门(7)，太阳能光伏板(1)将电能转化储存在光伏逆变器(4)中，同时热量传递给背面毛细管换热器(2)中的水，加快太阳能光伏板(1)降温，提高发电效率，被加热的水通过热水出水管送至蓄热水箱(5)，太阳能热量被储存起来，太阳能循环泵(10)将冷水通过一次供管(14)送回毛细管换热器(2)，保温泡沫板(3)防止换热器(2)热量散失，以此循环；
被动通风运行模式：
蓄热水箱(5)中的热水达到预设温度时，关闭一次供水管路阀门(6)、一次回水管路阀门(7)，打开二次供水管路阀门(8)、二次回水管路阀门(9)，热水经二次供水管(16)流动至烟囱内壁的毛细管网散热末端(12)，加热烟囱中的空气，冷却后的水在二次回管(17)由回烟囱辐射末端循环泵(11)送回蓄热水箱(5)，使室外空气从建筑外窗(19)进入室内，与室内空气充分混合后从通风烟囱的进风口(20)进入烟囱，并由通风烟囱的排风口(21)排出；
当太阳能热量无法满足室内通风要求时，打开建筑烟囱排风口处安装的变频风机(13)，其电能由光伏逆控器(4)提供，此时，空气从通风烟囱的排风口(21)排出，室外空气通过建筑外窗(19)补充，满足房间内人体热舒适性要求。
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