低能耗一体化幕墙建筑能源系统及其运行方法与流程

本发明涉及建筑节能技术领域，尤其是涉及一种实现幕墙建筑低能耗目标的建筑能源系统及其运行方法。

背景技术：

众所周知，建筑行业实际上是最大的非可再生能源使用者之一，占世界主要经济体一次能源消费的百分之四十左右。光伏幕墙由于可以解决建筑的部分用电负荷，因此在办公建筑中的应用逐渐兴起。但光伏幕墙建筑因其自身属于轻质围护结构的特点，能耗一直居高不下，且光伏幕墙中太阳能电池由于无法得到有效冷却而严重制约其光电转化效率的提升。事实上，而围护结构是影响建筑能耗的主要因素，夏季建筑冷负荷主要来自于围护结构太阳得热、冬季建筑热负荷主要来自围护结构环境冷量渗透。当前，重质墙体和轻质光伏幕墙在办公建筑中均得到广泛应用。当前，对于北墙应用重质围护结构的办公建筑来说，降低建筑负荷的主要措施就是使用保温材料。虽然保温材料已成熟应用数十年之久，但保温材料在使用过程中也暴露出诸多问题，例如：占用了大量建筑空间、使用寿命低于建筑寿命、具有火灾安全隐患。而对南向大量应用光伏幕墙的办公建筑来说，保温材料的应用受到则受到限制，使用高性能玻璃则是目前较为常见的幕墙节能措施之一。但由于玻璃属于轻质围护结构，自身存在较为严重的隔热和太阳辐射得热问题，使得室内环境容易产生较为严重热不舒适问题，因此建筑能耗并未有效得到降低。事实上，从办公建筑冷热负荷形成的角度来看，夏季南侧幕墙的太阳辐射、南侧光伏幕墙的光电转化余热以及冬季北墙环境冷量渗透是造成办公建筑能耗较高的主要因素。但能源利用角度来看，它们都属于未被建筑有效利用的、就地的且广泛存在的低品位可再生能源。鉴于此，本发明针对现有典型幕墙围护结构设计的办公建筑提出了一体化能源系统解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种低能耗一体化幕墙建筑能源系统，充分利用幕墙建筑自身围护结构以及蓄能系统收集、转移并蓄存幕墙建筑中广泛存在的低品位可再生能源，能够在降低幕墙建筑全年能耗、提升办公建筑室内热舒适度的同时，大幅减少办公建筑的初投资和运行费用。

本发明的另一个目的是提供一种低能耗一体化幕墙建筑能源系统的运行方法，以充分利用幕墙建筑自身围护结构和蓄能系统收集、转移并蓄存幕墙建筑中广泛存在的低品位可再生能源，降低能耗，节约能源。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种低能耗一体化幕墙建筑能源系统，包括幕墙围护结构、第一换热系统、第二换热系统和蓄能系统，所述蓄能系统通过动力装置分别与所述第一换热系统和第二换热系统连通进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存；位于南侧的所述幕墙围护结构由室外到室内依次为光伏玻璃组件、外侧膜层、外侧幕墙基底玻璃层、空气层、固定安装玻璃层、内侧膜层和内侧幕墙基底玻璃层；所述第一换热系统包括安装于南侧的幕墙围护结构中的所述外侧膜层处的第一换热管路及安装于南侧的幕墙围护结构中所述内侧膜层处的第二换热管路；位于北侧的所述幕墙围护结构由室外到室内依次为固定安装玻璃层、外侧膜层、外侧幕墙基底玻璃层、空气层、固定安装玻璃层、内侧膜层和内侧幕墙基底玻璃层；所述第二换热系统包括安装于北侧幕墙围护结构中的所述外侧膜层处的第三换热管路以及安装于北侧幕墙围护结构中所述内侧膜层处的第四换热管路。

还包括补热/补冷装置，所述补热/补冷装置通过所述动力装置与所述蓄能系统进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。

还包括控制系统和检测系统，所述检测系统用于检测太阳照度、室外温度和蓄能介质温度；所述控制系统根据所述检测系统的检测数据控制降温集热模式、保温集冷模式、补冷模式或补热模式的实现。

所述蓄能系统包括第一蓄能装置、第一循环水泵、第二蓄能装置和第二循环水泵。

所述检测系统包括太阳辐照度传感器、室外温度传感器和蓄能介质温度传感器。

所述南侧幕墙围护结构和北墙幕墙围护结构中的所述内侧膜层与外侧膜层的材料为pvb或eva膜。

一种低能耗一体化幕墙建筑能源系统的运行方法，包括降温集热模式和保温集冷模式：

在降温集热模式下，当25°≤室外综合温度≤35°时，所述第一蓄能装置、第一循环水泵与所述第一换热管路组成封闭循环，所述第一循环水泵驱动来自第一蓄能装置的流体工质流经南侧幕墙围护结构中的第一换热管路，将南侧幕墙围护结构中未被光伏玻璃组件电池有效转化的太阳能及自身吸收的太阳辐射得热带走，并将热量蓄存在所述第一蓄能装置中供冬季使用；同时，所述第二蓄能装置、第二循环水泵与所述第二换热管路组成封闭循环，第二循环水泵驱动来自所述第二蓄能装置的低温流体工质流经南侧幕墙围护结构中的第二换热管路，流体工质吸收穿透至此并被南侧幕墙围护结构吸收的太阳辐射，并将热量蓄存至所述第二蓄能装置中供冬季使用；当室外综合温度大于35℃时，在上述两个封闭循环的基础上，所述第二蓄能装置、第二循环水泵分别与所述第三换热管路和第四换热管路组成封闭循环，所述第二循环水泵驱动来自第二蓄能装置的低温流体工质流经所述第三换热管路和第四换热管路，吸收北侧幕墙围护结构吸收的环境热量，并将热量蓄存至所述第二蓄能装置中供冬季使用；

在保温集冷模式下，当5°≤室外综合温度≤15°时，所述第二蓄能装置、第二循环水泵与所述第三换热管路组成封闭循环，所述第二循环水泵驱动来自所述第二蓄能装置的流体工质流经北侧幕墙围护结构中的第三换热管路，将北侧幕墙中渗透的环境冷能带走，并将冷量蓄存在所述第二蓄能装置中供夏季使用；同时，第一蓄能装置、第一循环水泵与所述第四换热管路组成封闭循环，第一循环水泵驱动来自所述第一蓄能装置的高温流体工质流经北侧幕墙围护结构中的第四换热管路，吸收渗透至此的环境冷能，并将冷量蓄存在所述第二蓄能装置中供夏季使用；当室外综合温度小于5°时，在上述封闭循环的基础上，所述第一蓄能装置、第一循环水泵分别与所述第一换热管路和第二换热管路组成封闭循环，所述第一循环水泵驱动来自所述第一蓄能装置的高温流体工质流经所述第一换热管路和第二换热管路，吸收南侧幕墙围护结构中渗透的环境冷量，并将冷量蓄存在所述第一蓄能装置中供夏季使用。

该运行方法还包括补冷模式和补热模式；当蓄能介质温度高于25℃时，采用所述补冷模式，所述第二蓄能装置、第二循环水泵与所述补热/补冷装置组成封闭循环，所述第二循环水泵驱动所述第二蓄能装置的流体工质流经所述补热/补冷装置，通过所述补热/补冷装置降低流体工质的温度并回流至所述第二蓄能装置，完成补冷，满足夏季使用；当蓄能介质温度低于20℃时，所述第一蓄能装置、第一循环水泵与所述补热/补冷装置组成封闭循环，所述第一循环水泵驱动来自所述第一蓄能装置的流体工质流经所述补热/补冷装置，通过所述补热/补冷装置提升流体工质的温度并回流至所述第一蓄能装置，完成补热，满足冬季使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的一体化幕墙建筑能源系统充分利用幕墙建筑自身围护结构和蓄能系统收集、转移并蓄存幕墙建筑中广泛存在的低品位可再生能源，能够在降低幕墙建筑全年能耗、提升办公建筑室内热舒适度的同时，大幅减少办公建筑的初投资和运行费用。

2、本发明的系统通过对幕墙结构的合理设计，能够有效吸收南侧幕墙的太阳辐射、南侧光伏幕墙的光电转化余热以及冬季北墙环境冷量渗透，达到节能的目的。

3、本发明的系统针对建筑用能特点进行一体化设计和运行，最大化的利用能源，达到节能的目的。

4、本发明的系统本发明的系统通过一体化设计收集、利用能源，可减少幕墙建筑的峰值负荷，因此供热和制冷设备容量可大幅降低。

5、本发明的运行方法通过幕墙围护结构与不同换热管路相结合，能够充分利用幕墙建筑自身围护结构和蓄能系统收集、转移并蓄存幕墙建筑中广泛存在的低品位可再生能源，降低能耗，节约能源。同时，能够大幅降低夏季南侧光伏幕墙中太阳能光伏电池的运行温度，由此提升光伏发电效率。

附图说明

图1所示为本发明低能耗一体化幕墙建筑能源系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明低能耗一体化幕墙建筑能源系统的结构示意图如图1所示，包括幕墙围护结构、第一换热系统、第二换热系统和蓄能系统。所述蓄能系统通过动力装置分别与所述第一换热系统和第二换热系统连通进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存。位于南侧的所述幕墙围护结构5由室外到室内依次为光伏玻璃组件5-1、外侧膜层5-2、外侧幕墙基底玻璃层5-3、空气层5-4、固定安装玻璃层5-5、内侧膜层5-6和内侧幕墙基底玻璃层5-7。所述第一换热系统包括安装于所述南侧的幕墙围护结构的外侧膜层5-2处的第一换热管路1-1及安装于南侧的幕墙围护结构中所述内侧膜层5-6处的第二换热管路1-2。位于北侧的所述幕墙围护结构6由室外到室内依次为固定安装玻璃层6-1、外侧膜层6-2、外侧幕墙基底玻璃层6-3、空气层6-4、固定安装玻璃层6-5、内侧膜层6-6和内侧幕墙基底玻璃层6-7。所述第二换热系统包括安装于北侧幕墙围护结构中的所述外侧膜层6-2处的第三换热管路2-1和安装于北侧幕墙围护结构中的所述内侧膜层6-6处的第四换热管路2-2。

所述第一换热管路1-1、第二换热管路1-2、第三换热管路2-1和第四换热管路2-2可以根据实际安装施工方式设置，所述第一换热管路1-1可以安装于南侧幕墙围护结构中所述外侧膜层5-2与所述外侧幕墙基底玻璃层5-3之间，也可以安装于南侧幕墙围护结构中所述外侧膜层5-2与所述光伏玻璃组件5-1之间。所述第二换热管路1-2可以安装于南墙幕墙围护结构中所述内侧膜层5-6与所述固定安装玻璃层5-5之间，也可以安装于所述内侧膜层5-6与内侧幕墙基底玻璃层5-7之间。所述第三换热管路2-1可以安装于北侧幕墙围护结构中所述外侧膜层6-2与外侧幕墙基底玻璃层6-3之间，也可以安装于北侧幕墙围护结构中所述外侧膜层6-2与固定安装玻璃层6-1之间。所述第四换热管路2-2可以安装于北侧幕墙围护结构中所述内侧膜层6-6与所述固定安装玻璃层6-5之间，也可以安装于北侧幕墙围护结构中所述内侧膜层6-6与内侧幕墙基底玻璃层6-7之间。

为了在春季和秋季进行补充蓄能，还包括补热/补冷装置8，所述补热/补冷装置8通过所述动力装置与所述蓄能系统进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。其中，所述补热/补冷装置8采用辐射板，也可以采用热泵等常规设备。

为了便于自动控制，还包括控制系统和检测系统，所述检测系统用于检测太阳照度、室外温度和蓄能介质温度。本实施例中，所述检测系统包括太阳辐照度传感器、室外温度传感器和蓄能介质温度传感器。所述控制系统根据所述检测系统的检测数据控制集热隔热模式、集冷保温模式、补冷模式和补热模式的实现。本实施例中，所述太阳辐照度传感器、室外温度传感器安装于南墙位置，所述蓄能介质温度传感器安装于蓄能介质中。

本实施例中南墙幕墙围护结构和北墙幕墙围护结构中的所述内侧膜层与外侧膜层的材料均为pvb或eva膜。

蓄能系统可以采用蓄冷、蓄热一体式的开放式地埋式蓄能系统，也可以采用分体式的井群蓄能系统或水箱蓄能系统。当采用一体式的地埋式蓄能系统时，动力装置采用一个水泵。本实施例中，蓄能系统采用蓄热装置与蓄冷装置单独设置的结构，所述蓄能系统包括第一蓄能装置3、第一循环水泵7-1、第二蓄能装置4和第二循环水泵7-2。所述第一蓄能装置和第二蓄能装置可以采用多组蓄能井群或蓄能水箱。

第一换热管路、第二换热管路、第三换热管路和第四换热管路优选为毛细管网，也可为蛇形、螺旋形以及平行布置的铜管或聚乙烯管道。

本发明的一种低能耗办公建筑能源系统主要有四种运行控制模式：夏季运行控制模式(降温集热模式)和冬季运行控制模式(保温集冷模式)和补热模式、补冷模式。

在降温集热模式下，当25°≤室外综合温度≤35°时，所述第一蓄能装置3、第一循环水泵7-1与所述第一换热管路1-1组成封闭循环，所述第一循环水泵7-1驱动来自第一蓄能装置3的流体工质流经南侧幕墙围护结构中的第一换热管路1-1，将南侧幕墙围护结构中未被光伏玻璃组件电池有效转化的太阳能以及光伏玻璃组件和安装固定玻璃层等幕墙围护结构自身吸收的太阳辐射得热带走，使得光伏电池组件的温度降低，并将热量蓄存在所述第一蓄能装置3中供冬季使用。同时，所述第二蓄能装置4、第二循环水泵7-2与所述第二换热管路1-2组成封闭循环，第二循环水泵7-2驱动来自所述第二蓄能装置4的低温流体工质流经南侧幕墙围护结构中的第二换热管路1-2，流体工质吸收穿透至此并被南侧幕墙围护结构中的固定安装玻璃层6-1以及内侧幕墙基底玻璃层6-7、外侧幕墙基底玻璃层6-3吸收的太阳辐射以及渗透至此的环境热量，并将热量蓄存至所述第二蓄能装置4中供冬季使用。当室外综合温度大于35℃时，在上述两个封闭循环的基础上，所述第二蓄能装置4、第二循环水泵7-2分别与所述第三换热管路2-1和第四换热管路2-2组成封闭循环，所述第二循环水泵7-2驱动来自第二蓄能装置4的低温流体工质流经所述第三换热管路2-1和第四换热管路4-1，吸收北侧幕墙围护结构吸收的环境热量，并将热量蓄存至所述第二蓄能装置4中供冬季使用。

在保温集冷模式下，当5°≤室外综合温度≤15°时，所述第二蓄能装置4、第二循环水泵7-2与所述第三换热管路2-1组成封闭循环，所述第二循环水泵7-2驱动来自所述第二蓄能装置4的流体工质流经北侧幕墙围护结构中的第三换热管路2-1，将北侧幕墙围护结构中渗透的环境冷能带走，并将冷量蓄存在所述第二蓄能装置4中供夏季使用；同时，第一蓄能装置3、第一循环水泵7-1与所述第四换热管路2-2组成封闭循环，第一循环水泵7-1驱动来自所述第一蓄能装置3的高温流体工质流经北侧幕墙围护结构中的第四换热管路2-2，吸收渗透至北侧幕墙围护结构中的环境冷能，并将冷量蓄存在所述第一蓄能装置3中供夏季使用。当室外综合温度小于5°时，在上述封闭循环的基础上，所述第一蓄能装置3、第一循环水泵7-1分别与所述第一换热管路1-1和第二换热管路1-2组成封闭循环，所述第一循环水泵7-1驱动来自所述第一蓄能装置3的高温流体工质流经所述第一换热管路1-1和第二换热管路1-2，吸收南侧幕墙围护结构中渗透的环境冷量，并将冷量蓄存在所述第一蓄能装置3中供夏季使用。

当蓄能介质温度高于25℃时，采用所述补冷模式，所述第二蓄能装置4、第二循环水泵7-2与所述补热/补冷装置8组成封闭循环，所述第二循环水泵7-2驱动所述第二蓄能装置4中的流体工质流经所述补热/补冷装置8，通过所述补热/补冷装置8降低流体工质的温度并回流至所述第二蓄能装置4，完成补冷，满足夏季使用；当蓄能介质温度低于20℃时，所述第一蓄能装置3、第一循环水泵7-1与所述补热/补冷装置8组成封闭循环，所述第一循环水泵7-1驱动来自所述第一蓄能装置3的流体工质流经所述补热/补冷装置8，通过所述补热/补冷装置8提升流体工质的温度并回流至所述第一蓄能装置3，完成补热，满足冬季使用。

本发明的一种低能耗一体化幕墙建筑能源系统从幕墙建筑冷热负荷形成的主要原因着手，可解决夏季南侧幕墙太阳辐射、南侧光伏幕墙光电转化余热以及冬季北墙环境冷量渗透造成幕墙建筑能耗过高的问题，同时实现了低能耗办公建筑能源系统的一体化设计、生产和应用。本发明通过在南侧幕墙围护结构中设置一体化的集热管道、在北侧幕墙设置集冷管道并与蓄能系统连接，利用土壤良好蓄能特性在夏季蓄热的同时降低建筑冷负荷、在冬季蓄冷的同时降低建筑的热负荷。通过第一换热系统的冷却，本发明可大幅降低夏季南侧光伏幕墙中太阳能光伏电池的运行温度，由此提升光伏发电效率。本发明可大幅降低幕墙建筑全年能耗，随之减少幕墙建筑的全年运行费用；本发明可减少幕墙建筑的峰值负荷，因此供热和制冷设备容量可大幅降低，随之可减少幕墙建筑的初始投资。本发明结构简单、容易实现，适用于不同气候区的幕墙建筑，是一种实现幕墙建筑低能耗目标切实可行和较为可靠的建筑能源系统解决方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。