一种降低建筑能耗的能源系统及一体化建筑结构的制作方法

本实用新型涉及建筑节能技术领域，尤其是涉及一种能够实现建筑超低能耗目标的能源系统及低能耗一体化建筑结构。

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，而这一比例在人口更为密集且经济更为发达的地区更高，因此推广超低能耗建筑对于建设生态文明社会具有重要的现实意义。事实上，墙体是影响建筑负荷的主要因素，夏季建筑冷负荷主要来自于南墙、东墙、西墙、屋面等的太阳得热、冬季建筑热负荷主要来自北墙环境冷量渗透，而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、具有火灾安全隐患等。

随着能源紧张趋势的加剧，低品位可再生能源在建筑中的应用逐渐得到重视。当前，跨季节蓄能技术作为一种逐渐兴起的建筑供热和制冷解决方案之一，较好的克服了可再生能源的间歇性、不稳定性和供需侧不匹配性，由此在建筑节能领域得到广泛认可。然而，跨季节蓄能技术本身也存在明显不足，考虑到末端用能特点，较为常见的跨季节蓄能技术其蓄热温度通常维持在30-60℃，而蓄冷温度则通常维持在0-10℃。若蓄能品味较高，蓄能温度与蓄能介质温度存在较大温度梯度，导致蓄能效率相对较低、热损失相对较大。若蓄能品味较低，耦合跨季节蓄能的能源系统通常需要配置额外的辅助系统，这将导致建筑能源系统初始投资大幅上升，将会阻碍该技术进一步推广应用。此外，跨季节蓄能系统的热源通常来自专用的太阳能集热器、工业余热/废热，而冷源通常来自专用热泵、冷却塔、大型冷库或其它专用集冷装置。因此，考虑到不同区域建筑周边的资源禀赋不同，并不是所有的建筑都适合推广传统的跨季节蓄能系统。同时，传统建筑能源系统大量存在的地表或屋面设备也严重影响着建筑的美观。以上存在问题都将是超低能耗建筑及其能源系统在当前迫切需要得到解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够根据季节特点，对冷量和热量的蓄存进行细化，从而更针对性的进行跨季节蓄能，以提高能源利用率的降低建筑能耗的能源系统。

本实用新型的再一个目的是提供一种能够针对性的进行跨季节蓄能，提供蓄能效率，将高能耗建筑转为节能型和产能型建筑的一体化建筑结构。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种降低建筑能耗的能源系统，包括蓄能系统、第一换热系统、第二换热系统，所述第一换热系统安装于建筑的南侧的围护结构内、西侧的围护结构内、东侧的围护结构内和屋面的至少一处，所述第二换热系统安装于建筑的北侧围护结构内，所述蓄能系统为地埋式蓄能结构；所述蓄能系统通过水泵分别为所述第一换热系统和第二换热系统进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存。

还包括补热/补冷装置，所述补热/补冷装置通过所述水泵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和集冷保温模式的实现，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。

所述第一换热系统包括第一流体换热管路，所述第二换热系统包括第二流体换热管路，所述蓄能系统包括地埋换热装置、回流管路和出流管路；所述第一流体换热管路的上端设置有第一流体出口，所述第一流体换热管路的下端设置有第一流体进口，所述第二流体换热管路的上端设置有第二流体进口，所述第二流体换热管路的下端设置有第二流体处口；所述出流管路的流体出口通过水泵和阀门分别与所述第一流体换热管路的第一流体进口和所述第二换热管路的第二流体进口连接，所述回流管路一端与所述地埋换热装置的流体进口连接，所述回流管路的另一端分别与所述第一流体换热管路的第一流体出口和所述第二流体换热管路的第二流体出口连接，所述地埋换热装置的流体出口与所述水泵进口连接。

一种低能耗一体化建筑结构，包括墙体，所述墙体包括外抹灰层、保温层和基础墙体层，还包括蓄能系统、第一换热系统、第二换热系统、控制系统和检测系统，位于南侧、东侧或西侧的所述墙体的外抹灰层与保温层之间设置有太阳能集热层，所述太阳能集热层内设置有所述第一换热系统；位于北侧的所述墙体的保温层与基础墙体层之间或基础墙体层靠近室内一侧设置有释热集冷层，所述释热集冷层内设置有所述第二换热系统；所述蓄能系统为地埋式蓄能结构，所述蓄能系统通过水泵分别与所述第一换热系统和第二换热系统连通，进行热量或冷量交换，并将冷量或热量蓄存在所述蓄能系统中；所述控制系统根据所述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和集冷保温模式的实现，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。

所述第一换热系统包括第一流体换热管路，所述第二换热系统包括第二流体换热管路，所述蓄能系统包括地埋换热装置、回流管路和出流管路，所述第一流体换热管路的上端设置有第一流体出口，所述第一流体换热管路的下端设置有第一流体进口，所述第二流体换热管路的上端设置有第二流体进口，所述第二流体换热管路的下端设置有第二流体处口；所述出流管路的流体出口通过水泵和阀门分别与所述第一流体换热管路的第一流体进口和第二换热管路的第二流体进口连接，所述回流管路一端与所述地埋换热装置的流体进口连接，所述回流管路的另一端分别与所述第一流体换热管路的第一流体出口和第二流体换热管路的第二流体出口连接，所述出流管路的流体出口与所述水泵进口连接。

所述太阳能集热层和释热集冷层内分别填充有填充材料

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的系统充分利用建筑自身围护结构和地下蓄能系统收集、转移并蓄存建筑中广泛存在的低品位可再生能源，能够在降低建筑全年能耗、提升建筑室内热舒适度的同时，大幅减少建筑的初投资和运行费用。同时，有利于提高系统蓄能的效率，降低热损失，达到节能的目的。

2、本实用新型的能源系统根据季节特点，利用建筑实际负荷的冷量和热量的情况进行蓄能，蓄能效率高，热能的损失少，大大提高了能源的利用率。

3、本实用新型的一体化建筑结构通过科学合理的结构设计，在建筑结构中设置一体化的太阳能集热层和释热集冷层，并与蓄能系统连接，利用土壤蓄能特性，在夏季蓄热的同时降低了建筑的冷负荷，在冬季蓄冷的同时降低了建筑的热负荷，能够充分对低品位可再生能源进行蓄存和利用，蓄能效率高，降低了高品位能源的使用量，节约了能源。

4、本实用新型的一体化建筑结构简单，仅包含墙体集热/集冷系统、地埋蓄能系统和水泵，仅在极端工况设置辅助补热和补冷系统，整体系统相对简单，易于实现和控制。

5、本实用新型的一体化建筑结构中，墙体集热/集冷系统是通过在保温层两侧设置一体化的太阳能集热层和释热集冷层的设计实现，并通过流体管路与保温层的相对关系以及所处南墙或是北墙实现墙体的集热/集冷功能。流体管路设置在保温层的两侧而不是承重层以内，一方面可以实现墙体自身作为集热器和集冷器的这一核心功能，在集热集冷的同时能够降低建筑能耗；另一方面，可以方便的利用本实用新型的技术方案开展和实现对现有老旧建筑的节能改造工作，且设置在承重层以外也易于在不破坏建筑的主体结构的情形下实现后期维护。

附图说明

图1所示为本实用新型能源系统原理图；

图2所示为本实用新型一体化建筑结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的能源系统结构如图1所示，本实用新型的能源系统包括蓄能系统3、第一换热系统1、第二换热系统2，所述第一换热系统1安装于建筑的南侧的围护结构内、西侧的围护结构内、东侧的围护结构内和屋面的至少一处，所述第二换热系统2安装于建筑的北侧围护结构内，所述蓄能系统3为地埋式蓄能结构。所述蓄能系统通过水泵4分别为所述第一换热系统1和第二换热系统2进行流体输送，实现冷量或热量的交换和蓄存。本实施例中，还包括控制系统和检测系统。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和集冷保温模式的实现。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。本实用新型中，所述蓄能介质温度传感器可以为土壤温度传感器或水体温度传感器等。

为了实现极端情况下春季和秋季的蓄能，还包括补热/补冷装置5，所述补热/补冷装置5通过所述水泵4与所述蓄能系统3进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。本实施例中，所述补热/补冷装置采用辐射板，也可以采用热泵等现有设备。

本实施例中，所述第一换热系统1包括第一流体换热管路1-1，所述第二换热系统包括第二流体换热管路2-1，所述第一流体换热管路1-1的上端设置有第一流体出口，所述第一流体换热管路1-1的下端设置有第一流体进口，所述第二流体换热管路2-1的上端设置有第二流体进口，所述第二流体换热管路2-1的下端设置有第二流体处口。所述蓄能系统3包括地埋换热装置3-1、回流管路3-2和出流管路3-3，所述出流管路3-3的流体出口通过水泵4和阀门分别与所述第一流体换热管路1-1的第一流体进口和第二换热管路2-1的第二流体出口连接，所述回流管路3-2一端与所述地埋换热装置3-1的流体进口连接，所述回流管路3-2的另一端分别与所述第一流体换热管路1-1的第一流体出口和第二流体换热管路2-1的第二流体进口连接，所述出流管路3-3的流体出口与所述水泵4进口连接。

本实用新型的能源系统可以根据建筑结构不同安装于不同的围护结构中。以下以南墙和北墙设置换热系统为例进行详细说明。

本实用新型的低能耗一体化建筑结构的示意图如图2所示，包括墙体，所述墙体包括外抹灰层6、保温层7和基础墙体层8。还包括蓄能系统3、第一换热系统1、第二换热系统2、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。位于南侧的所述墙体的外抹灰层6与保温层7之间设置有太阳能集热层9，所述太阳能集热层9内设置有所述第一换热系统1。位于北侧的所述墙体的保温层7与基础墙体层8之间设置有释热集冷层10，所述释热集冷层10也可以设置于所述基础墙体层8靠近室内的一侧。所述释热集冷层10内设置有所述第二换热系统2。在地下设置有蓄能系统10，所述蓄能系统3通过水泵4分别与所述第一换热系统1和第二换热系统2连通，进行热量或冷量交换，并将冷量或热量蓄存在所述蓄能系统3中。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和集冷保温模式的实现。本实施例中，所述检测系统包括安装于南墙的太阳辐照度传感器11、室外温度传感器12和安装于土壤中的蓄能介质温度传感器13。所述控制系统分别与蓄能介质温度传感器13、太阳辐照度传感器11和室外温度传感器12、水泵4及各处的电控阀门连接。本实施例中，所述太阳能集热层9和释热集冷层10内分别填充有填充材料。

为了实现极端天气下春季和秋季的蓄能，还包括补热/补冷装置5，所述补热/补冷装置5通过所述水泵4与所述蓄能系统3进行流体输送，实现冷量或热量的补充蓄存。具体结构为：补热/补冷装置5的流体出口通过单向阀14-1与蓄能系统的回流管路3-2连接，补热/补冷装置5的流体进口通过电磁阀15-1与水泵4出口连接。

本实施例中，所述第一换热系统包括第一流体换热管路1-1，所述第二换热系统包括第二流体换热管路2-1。所述蓄能系统3包括地埋换热装置3-1、回流管路3-2和出流管路3-2，所述第一流体换热管路1-1的上端设置有第一流体出口，所述第一流体换热管路1-1的下端设置有第一流体进口，所述第二流体换热管路2-1的上端设置有第二流体进口，所述第二流体换热管路2-1的下端设置有第二流体处口。所述出流管路3-3的流体出口通过水泵4和阀门分别与所述第一流体换热管路1-1的第一流体进口和第二换热管路2-1的第二流体进口连接，所述回流管路3-2一端与所述地埋换热装置3-1的流体进口连接，所述回流管路3-3的另一端分别与所述第一流体换热管路1-1的第一流体出口和第二流体换热管路2-1的第二流体出口连接，所述地埋换热装置3-1的流体出口与所述水泵4的进口连接。

为了便于实现控制系统中设置单向阀及电控阀门，本实施例中的单向阀及电控阀门的设置为：在第一换热系统1与所述回流管路3-2连接的管路上安装有单向阀14-2，在第二换热系统2与回流管路3-2连接的管路上安装有单向阀14-3，在出流管路3-3与第一换热系统1连接的管路上安装有电磁阀15-2，在出流管路3-3与第二换热系统2连接的管路上安装有电磁阀15-3。水泵4的出口处设置三通阀16，三通阀16的A口与水泵4的出口连接，三通阀16的B口一路通过电磁阀14与第二流体换热管路的第二流体进口连接，另一路通过电磁阀15-1与补热/补冷装置5的流体进口连接，三通阀16的C口通过电磁阀15-2与第一流体换热管路1-1的第一流体进口连接。

本实施例中，所述释热集冷层10和所述太阳能集热层9的厚度为10-60mm。

所述墙体外抹灰层6的太阳辐射热吸收系数优选范围为0.5-1.0。

所述基础墙体层8的材料优选为砖块，也可为砌块、黏土、混凝土或水泥砂浆。

所述第一流体换热管路1-1和第二流体换热管路2-1类型优选为毛细管网，可减少建筑围护结构的厚度，同时提升太阳能集热层9以及释热集冷层10的传热效率。所述第一流体换热管路1-1和第二流体换热管路2-1的布置方式也可为蛇形、螺旋形以及平行布置的铜管或聚乙烯管道。其中，流体工质优选为添加防冻液的循环水。

所述太阳能集热层9和释热集冷层10内的填充材料为水泥砂浆、细石混凝土、相变材料、黏土和石膏中的任一种。为强化太阳能集热层9的集热效率和释热集冷层10的集冷效率，所述填充材料也可以为水泥砂浆、细石混凝土、相变材料、黏土和石膏中的任一种与金属丝网、粉末以及石墨等的掺混物。

本实用新型的低能耗一体化建筑结构主要有四种运行控制模式：夏季运行模式(集热隔热模式)和冬季运行模式(集冷保温模式)、补热运行模式和补冷运行模式。

夏季运行模式即集热隔热模式：夏季，控制系统通过太阳辐照度传感器11和室外温度传感器12检测的结果，按照常规计算方法计算得出室外综合温度，从而判断位于南侧的墙体是否需要进行集热或降低建筑围护结构冷负荷。当控制系统根据检测结果得出室外综合温度处于25-35℃范围时，控制系统控制并打开三通阀16的AC通道和电磁阀15-2，并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3中地埋换热装置3-1的低温流体工质(经过冬季集冷运行，蓄能介质温度一般维持在10-25℃，相对环境温度可称为“低温流体工质”)流经南侧墙体中的第一换热系统1中的第一流体换热管路1-1，将南侧墙体吸收的太阳辐射得热带走，经回流管路3-2进入地埋换热装置3-1，蓄存至蓄能系统3中，在大幅降低南侧墙体冷负荷的同时也完成夏季低品位可再生能源的蓄存以便供冬季使用。当控制系统根据太阳辐照度传感器11和室外温度传感器12检测的结果判断得出室外综合温度大于35℃时，所述控制系统控制并打开三通阀16的AC通道、AB通道、电磁阀15-2和电磁阀15-3，并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3中地埋换热装置3-1的低温流体工质分别流经南侧墙体和北侧墙体，带走南侧墙体的太阳辐射得热并降低北墙温度，大幅降低通过南、北墙体的冷负荷，并回流至蓄能系统10的地埋换热装置3-1。

冬季运行控制模式即集冷保温模式：冬季，所述控制系统通过室外温度传感器12和太阳辐照度传感器11的检测结果，按照常规计算方法计算室外综合温度，从而判断北侧墙体是否需要进行集冷或降低建筑围护结构热负荷。当室外综合温度处于5-15℃时，所述控制系统控制并打开三通阀16的AB通道、电磁阀15-3，并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3的地埋换热装置3-1的高温流体工质(经过夏季集热运行，土体温度一般维持在20-30℃，相对环境温度可称为“高温流体工质”)流经北侧墙体，将北侧墙体冷量带走并回流至蓄能系统3的地埋换热装置3-1中，在大幅降低通过北墙的热负荷的同时也完成冬季冷量蓄存供夏季使用。当室外综合温度小于5℃时，所述控制系统控制并打开三通阀16的AB通道、AC通道、电磁阀15-2和电磁阀15-3，并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3地埋换热装置3-1的高温流体工质(经过夏季集热运行，土体温度一般维持在20-30℃，相对环境温度可称为“高温流体工质”)流经南侧墙体和北侧墙体，降低通过建筑围护结构的热负荷，并回流至蓄能系统3的地埋换热装置3-1。

补冷运行模式：在春季，若蓄能介质温度传感器13检测值显示蓄能介质温度高于25℃，通过控制系统控制并打开三通阀16的AB通道、电磁阀15-1，并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3的地埋换热装置3-1的流体工质流经所述补热/补冷装置5，通过补热/补冷装置5降低流体工质的温度并回流至地埋换热装置3-1，完成蓄能系统3的补冷，满足夏季使用。补热运行模式：在秋季，若蓄能介质温度传感器13检测值显示蓄能介质温度低于20℃，通过控制系统控制并打开三通阀16的AB通道、电磁阀15-1,并启动水泵4。此时，水泵4驱动来自蓄能系统3的流体工质流经所述补热/补冷装置5，通过补热/补冷装置5提升流体工质的温度并回流至地埋换热装置3-1，完成蓄能系统3的补热，满足冬季使用。

本实用新型的一种超低能耗建筑一体化能源系统从建筑冷热负荷形成的主要原因(夏季冷负荷主要来自于南墙太阳得热、冬季热负荷主要来自北墙环境冷量渗透)着手，使传统的高能耗型建筑转为节能型和产能型超低能耗建筑，实现了超低能耗建筑能源系统的一体化设计、生产和应用。本实用新型通过在建筑围护结构中设置一体化的太阳能集热层和释热集冷层并与地埋管蓄能系统连接，利用蓄能介质良好蓄能特性在夏季蓄热(南侧墙体太阳辐射得热)的同时降低建筑冷负荷、在冬季蓄冷(北侧墙体环境冷能)的同时降低建筑的热负荷。本实用新型大幅降低了建筑全年能耗，随之减少建筑的全年运行费用；本实用新型可减少建筑的峰值负荷，因此供热和制冷设备容量可大幅降低，随之可减少建筑的初始投资。本实用新型结构简单、容易实现，适用于不同气候区的新建建筑和老旧建筑节能改造，是一种实现超低能耗建筑目标切实可行和较为可靠的建筑能源系统解决方案。

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