耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法
耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑节能和可再生能源利用技术领域，具体涉及耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]利用太阳能提供热量供暖来降低建筑能耗，替代常规以化石能源提供供暖而带来的能耗，具有广泛的前景。但是在对太阳能的热利用中，易受阴雨、昼夜、雾霾以及季节性等因素的影响，具有不稳定性，且一般只能利用太阳直射的辐射量，吸收的太阳能热量非常有限，并不能大规模的替代常规能源。一般利用太阳能直供供暖，必须装备辅助热源系统，由于太阳能分布的非连续性和不均匀性，造成辅助热源工作时间较长，因此在很多太阳能供暖的案例中，供热成本较高，经济性较差。
[0003]相变材料潜热蓄热具有蓄热量大、体积小、蓄放热温度近似恒定等优点，已被广泛研宄应用于建筑中。但是，相变蓄能材料是一种靠自身物理形态的变化来储存/释放能量的材料，本身并不产能，被动式地应用虽然增强了建筑的热惰性，但是本身并未对可再生能源进行利用率。
[0004]申请号为201210169219.5的中国专利公开了一种用于地板辐射采暖的太阳能相变储能复合材料及其制备方法，该相变储能材料由肉豆蔻酸、软脂酸、石蜡组成，该相变储能复合材料填装于储热罐里，将储热罐安装在热水箱与太阳能热水器之间，吸收白天太阳能产生的热量，在夜晚或环境温度降低时，相变复合材料固化放热，从而持续提供40°C左右的热水来保证地板辐射采暖正常进行。其不足之处在于该专利将相变材料放置在热水箱处，不仅在一定程度上使得相变材料的用量较小，蓄能能力较低，最重要的是忽略了相变材料维持室温稳定这一作用；其次，夏季工况时完全是凝固状态，不能够实现相变材料调节室内气温的跨季节应用，只可在供暖季进行使用；再次向室内提供的热水温度过高，会造成室内过热或停止供热后室温下降较快等极端问题的出现。
[0005]专利号为ZL201320137266.1的中国专利公开了一种家用中央太阳能采暖系统，用于给房屋室内的地暖提供热量，其不足之处在于该系统只可在供暖季使用，不可实现跨季节的应用；其次该系统中相变材料仅作为蓄热单元使用，而忽略了相变材料维持室温稳定的作用。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法。该调温墙体系统将太阳能、浅层土壤地热能及相变墙体蓄能进行三级耦合，实现了可再生能源在系统中连续稳定的利用，降低建筑运行能耗，满足系统内建筑冬夏热舒适性的要求，提高了系统的全年利用率，实现了全年工况的主动式建筑围护结构供能/蓄能应用。本发明系统使用方法在加强墙体蓄热性能和热惰性的同时，将自然冷热源耦合于墙体系统，与单纯被动式利用相变材料相比，提高了自然能源的利用效率，节约常规建筑供能能源消耗。
[0007]本发明解决耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统技术问题的技术方案是:
[0008]设计一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接；
[0009]所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀；
[0010]所述太阳能装置包括可追踪型槽式太阳能集热器、水箱、辅助热源、太阳能装置水泵、太阳能装置流量计、排气阀、管路第一电磁阀、管路第二电磁阀、水箱第一电磁阀、太阳能第一电磁阀、太阳能第二电磁阀、太阳能第三电磁阀和水箱第二电磁阀；所述水箱内设有辅助热源；可追踪型槽式太阳能集热器进水处设有排气阀；
[0011 ] 所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部，小管径盘管的进水端依次通过浅层土壤换热管的换热管流量计、换热管水泵及供水管路三通换向阀与浅层土壤换热管的出水端连接；浅层土壤换热管的进水端通过水管与回水管路三通阀的一端连接；回水管路三通阀的另一端与小管径盘管的出水端连接，回水管路三通阀的第三端通过水箱第二电磁阀与水箱的左端相连，回水管路三通阀的第三端依次通过管路第二电磁阀、太阳能第一电磁阀与水箱的右端连接；管路第二电磁阀又通过太阳能装置流量计与可追踪型槽式太阳能集热器的出水端连接；
[0012]可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀与供水管路三通换向阀的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀及水箱第一电磁阀与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵及太阳能第二电磁阀与水箱的右端连接。
[0013]本发明解决耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统使用方法技术问题的技术方案是，设计一种上述耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法，其特征在于该使用方法分为三种工况模式，具体是:
[0014](I)冬季工况模式:
[0015]在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器直接与调温墙体所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器出水端、管路第一电磁阀、供水管三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管三通换向阀、管路第二电磁阀、太阳能装置流量计和太阳能集热器进水端依次形成闭合循环回路；
[0016]在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器与带有辅助热源的水箱形成闭合回路，通过辅助热源对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器出水端、太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵、太阳能第二电磁阀、水箱、太阳能第一电磁阀、太阳能装置流量计、太阳能集热器进水端依次形成闭合回路；当水箱内水的温度达到设定温度时，由换热管水泵将热水送入调温墙体所在的房间，在换热管水泵的作用下，水箱内的热水依次经过水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀及水箱第二电磁阀而循环回水箱内，使调温墙体内始终保证有指定温度的循环热水；
[0017]在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，辅助热源持续加热水箱内的水，加热后的热水在水箱与调温墙体所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱出水端、水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀、水箱第二电磁阀及水箱进水端依次形成的循环回路；
[0018]盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环；
[0019](2)夏季工况模式:
[0020]在换热管水泵的作用下，浅层土壤换热管内的冷水依次经过供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管及回水管路三通换向阀再循环进入浅层土壤换热管内，浅层土壤换热管里面的水媒直接与浅层土壤换热；
[0021 ] 当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热过程；
[0022](3)过渡季节工况模式:
[0023]关闭太阳能装置和浅层土壤换热管，开启调温墙体所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过工况模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[ 0025]1.本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统将太阳能与相变材料结合利用，提高了太阳能供暖的平均能量利用率。经过测试，冬季工况下，本发明太阳能热利用效率达到了 62.3%，比平均水平高出21.3%。
[0026]2.本发明中采用在墙体内设置相变储能板材，能使相变储能板材在白天蓄存太阳能热量，在太阳能辐射小的雨雪日和无太阳能的夜间释放其储存的热量，有效的解决了太阳能热利用的非连续性及分布不均的缺陷。相比于普通无蓄能环节的太阳能供暖系统，本发明通过蓄能使太阳能热利用的时间得到了延续，使辅助热源的工作时间降低甚至在白日辐射量较大的工况下为零，因此，提高了整个系统的运营经济性。相比于有蓄能环节的太阳能供暖系统，本发明采用供热末端与墙体结合的方式，即相变储能板材内设置小管径盘管，一方面扩大了散热面积，有利于实现低温供暖，另一方面，增强了墙体的蓄热能力及热惰性，降低了建筑围护结构的热耗散。相比于普通被动式相变蓄能墙体的蓄存直射太阳能辐射以及空调、供暖系统的余热，本发明将集热式太阳能热源、土壤冷源和热量的管状热媒输送连接成一个整体，使相变材料蓄存的可再生能源量更多，提高对可再生资源的循环利用。
[0027]3.整套系统在运行过程中只有两个水泵使用少量的电能，在过渡季节耗电量更少，辅助能源用能减少显著。很大程度上节约了常规能源，降低了二氧化碳的排放量。
[0028]4.从热舒适角度来说，再无其他供能设备的条件下，经测试:冬季，装有本发明系统的测试房间平均温度比无本发明系统的普通房间温度增高了 5.2°C左右。夏季，房间平均温度比无本发明系统的普通房间温度低:TC左右。将温差换算成房屋冷热负荷差，可见本发明系统的应用可产生巨大的节能效益。
[0029]本发明使用方法在冬季工况下，按照太阳辐射照度，将辐射照度分为1、I1、III三个等级，依据太阳能辐射照度三个等级的变化，通过墙体中相变材料蓄放热以及惰性延迟，达到不用辅助热源或少用辅助热源的目的；在夏季工况下，系统通过与浅层土壤冷量换热，循环水作为载冷媒将冷量储存于墙体相变材料中，在室内温度超过舒适温度时，通过相变材料的蓄放热过程，将冷量释放于室内，使室内维持舒适温度范围，再结合开窗自然通风，室内热舒适效果更佳；在过渡季节工况:当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0030]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法将太阳能、相变材料与建筑围护结构结合，一方面增加了围护结构单位质量的蓄热能力及热惰性，取得更好的热舒适及节能效果，另一方面，使太阳能热利用技术可以全天甚至全气候应用，随着辅助热源的少用或者不用，太阳能热利用技术的运营经济性也随之提高。此外，为了使本发明的系统能够实现跨季节运行，还利用了土壤冷源作为夏季的供冷/蓄冷能源，形成冬季太阳能热源供热、夏季土壤源供冷和相变墙体蓄能的三级耦合式利用。
【附图说明】
[0031]图1是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的整体构造平面结构示意图；
[0032]图2是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的整体构造立体结构示意图；
[0033]图3是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的调温墙体I的结构示意图；
[0034]图4是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的相变材料的DSC测试图；
[0035]图中，I调温墙体、2太阳能装置、3浅层土壤换热管、1-1内墙抹灰层、1-2相变蓄能板材、1-3粘结砂楽、1-4内部墙体、1-5外墙抹灰层、1-6小管径盘管、2-1太阳能集热器、2-2水箱、2-3辅助热源、2-4太阳能装置水泵、2-5太阳能装置流量计、2_6排气阀、2_7管路第一电磁阀、2-8管路第二电磁阀、2-9水箱第一电磁阀、2-10太阳能第一电磁阀、2-11太阳能第二电磁阀、2-12太阳能第三电磁阀、2-13水箱第二电磁阀、2-14外接生活用热水管阀门、2-15外接补水管阀门、3-1供水管路三通换向阀、3-2回水管路三通换向阀、3-3换热管水泵、3-4换热管流量计。
【具体实施方式】
[0036]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统(简称调温墙体系统或系统，参见图
1-3)包括调温墙体1、太阳能装置2和浅层土壤换热管3 ;太阳能装置2安装在调温墙体I的房间屋顶上，浅层土壤换热管3埋在地下；调温墙体I同时与太阳能装置2和浅层土壤换热管3连接；
[0037]所述浅层土壤换热管3 —端连接有供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3和换热管流量计3-4，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀3-2 ；
[0038]所述太阳能装置2包括可追踪型槽式太阳能集热器2-1 (或太阳能集热器)、水箱2-2、辅助热源2-3、太阳能装置水泵2-4、太阳能装置流量计2-5、排气阀2_6、管路第一电磁阀2-7、管路第二电磁阀2-8、水箱第一电磁阀2-9、太阳能第一电磁阀2-10、太阳能第二电磁阀2-11、太阳能第三电磁阀2-12和水箱第二电磁阀2-13 ;所述水箱2_2内设有辅助热源2-3，可追踪型槽式太阳能集热器2-1进水处设有排气阀2-6 ；
[0039]所述调温墙体I (参见图3)沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层1-1、相变蓄能板材1-2、粘结砂浆1-3、内部墙体1-4和外墙抹灰层1-5，所述相变储能板材1-2沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管1-6 ;所述小管径盘管1-6的进水端和出水端均位于调温墙体I的底部，小管径盘管1-6的进水端依次通过浅层土壤换热管3的换热管流量计3-4、换热管水泵3-3及供水管路三通换向阀3-1与浅层土壤换热管3的出水端连接；浅层土壤换热管3的进水端通过水管与回水管路三通阀3-2的一端连接；回水管路三通阀3-2的另一端与小管径盘管1-6的出水端连接，回水管路三通阀3-2的第三端通过水箱第二电磁阀2-13与水箱2-2的左端相连，回水管路三通阀3-2的第三端依次通过管路第二电磁阀2-8、太阳能第一电磁阀2-10与水箱的右端连接；管路第二电磁阀2-8又通过太阳能装置流量计
2-5与可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端连接；可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端通过管路第一电磁阀2-7与供水管路三通换向阀3-1的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端通过管路第一电磁阀2-7及水箱第一电磁阀2-9与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4及太阳能第二电磁阀2-11与水箱2-2的右端连接。
[0040]本发明的进一步特征在于所述小管径盘管1-6采用双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材1-2内，由相变储能板材的底端向顶端盘旋。小管径盘管1-6的盘旋方式也可以采用蛇形方式或其他方式，但相对来说采用双平行盘旋方式的热量分布比较均匀，能量利用率更高。
[0041]本发明调温墙体系统的进一步特征在于所述小管径盘管1-6的直径为5_15mm。
[0042]本发明调温墙体系统的进一步特征在于所述浅层土壤换热管3埋在地下的深度为 5-20m。
[0043]本发明的进一步特征在于所述相变蓄能板材1-2所采用的相变材料的相变温度为18-30°C，相变焓为大于等于50J/g。相变材料可以采用石蜡、脂肪酸及其低共熔混合物以及其他无机相变材料。相变焓较小，可以适当增加相变材料的比重，相变焓较大，适当减少相变材料的用量，以保证室内温度处在一个满足热舒适性条件下的动态变化的一个温度范围内。
[0044]本发明的进一步特征在于所述辅助热源2-3采用电加热或锅炉加热等辅助加热方式，其中锅炉可以采用燃煤锅炉、燃气锅炉或生物质锅炉等锅炉进行加热。
[0045]本发明的进一步特征在于所述水箱2-2的右侧下部设有外接生活用热水管阀门
2-14，水箱右侧上部设 有外接补水管阀门2-15。
[0046]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法分为三种工况模式，具体是:
[0047](I)冬季工况模式:
[0048]在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器2-1直接与调温墙体I所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器2-1出水端、管路第一电磁阀2-7、供水管三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管三通换向阀3-2、管路第二电磁阀2-8、太阳能装置流量计2-5和太阳能集热器2-1进水端依次形成闭合循环回路；
[0049]在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器2-1与带有辅助热源的水箱2-2形成闭合回路，通过辅助热源2-3对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器2-1出水端、太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4、太阳能第二电磁阀2-11、水箱2-2、太阳能第一电磁阀2-10、太阳能装置流量计2-5、太阳能集热器2_1进水端依次形成闭合回路；当水箱2-2内水的温度达到设定温度时(温度由水箱热电偶测得)，由换热管水泵3-3将热水送入调温墙体I所在的房间，在换热管水泵3-3的作用下，水箱2-2内的热水依次经过水箱第一电磁阀2-9、供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管路三通换向阀3-2及水箱第二电磁阀2-13而循环回水箱2-2内，使调温墙体I内始终保证有指定温度的循环热水，进而保证房间内的有足够的热量；
[0050]在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，如连续的阴雨天气或者是寒冷的夜晚，辅助热源2-3持续加热水箱2-2内的水，加热后的热水在水箱2-2与调温墙体I所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱2-2出水端、水箱第一电磁阀2-9、供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管路三通换向阀
3-2、水箱第二电磁阀2-13及水箱2-2进水端依次形成的循环回路，通过辅助热源2-3持续加热水箱2-2内的水，在该循环回路中通过循环热水为房间提供热量；
[0051]盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管1-6进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材1-2中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管1-6中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环，从而来保证房间的温度处在一个满足热舒适性条件下的动态变化的一个温度范围内；
[0052](2)夏季工况模式:
[0053]在换热管水泵3-3的作用下，浅层土壤换热管3内的冷水依次经过供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6及回水管路三通换向阀
3-2再循环进入浅层土壤换热管3内，浅层土壤换热管3里面的水媒直接与浅层土壤换热，使调温墙体I内始终保证有循环冷水，进而保证房间内夏季蓄冷；
[0054]夏季，当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管3里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸放热过程，保证夏季房间内始终处于舒适的温度状态；
[0055](3)过渡季节工况模式:
[0056]关闭太阳能装置2和浅层土壤换热管，开启调温墙体I所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0057]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的工作过程如下:
[0058]在调温墙体I内，相变材料板材1-2内的小管径盘管1-6为沿着墙面竖直方向均匀分布，且小管径盘管1-6为双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材1-2中，小管径盘管的出水端和进水端均位于调温墙体底部，水媒介从墙体的底部的小管径盘管1-6进水端流进小管径盘管1-6，顺着蛇形的盘管最后再由调温墙体底端的小管径盘管1-6出水端流出，完成水媒介在调温墙体内的循环过程。
[0059]冬季供暖过程(冬季工况模式):太阳能充足时，开启管路第一电磁阀2-7，换热管水泵3-3，管路第二电磁阀2-8，供水管路三通换向阀3-1、回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门，使从太阳能集热器2-1出来的热水依次经过管路第一电磁阀2-7、供水管三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管三通换向阀3-2、管路第二电磁阀2-8、太阳能装置流量计2-5再进入太阳能集热器2-1，保证为调温墙体I提供持续的热量，进而保证调温墙体I所在房间内的温度始终处于舒适状态；
[0060]太阳能不充足时，开启太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4、太阳能第二电磁阀2-11、水箱第一电磁阀2-9、换热管水泵3-3、水箱第二电磁阀2-13、太阳能第一电磁阀2-10、供水管路三通换向阀3-1、回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门，通过水箱2-2内的辅助热源2-3对整个循环过程中的水进行加热，保证在太阳能不足的情况下，房间内仍有足够的热量；
[0061]当连续阴雨天气时，开启水箱第一电磁阀2-9、换热管水泵3-3、水箱第二电磁阀2-13、供水管路三通换向阀3-1和回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门；通过持续加热的水箱2-2内的热水为整个房间供热；
[0062]在冬季，相变蓄能板材1-2中的相变材料白天熔化吸热，吸收墙体中与太阳能装置2连接的小管径盘管1-6里的热水的热量；待夜晚无太阳能的时候，相变材料凝固放热，将白天吸收的热量释放到房间中，保证房间的温度处在一个舒适的温度范围之内，完成吸放热循环。
[0063]夏季蓄冷过程(夏季工况模式):开启换热管水泵3-3、供水管路三通换向阀3-1和回水管路三通换向阀3-2，关闭其它阀门；浅层土壤换热管3内的冷水依次经过供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6及回水管路三通换向阀3-2再循环进入浅层土壤换热管3内，浅层土壤换热管3埋在地下5-20m，主要用于夏季蓄冷，整个系统内的低温回水通过浅层土壤换热管3与地下低温土壤换热，能有效的降低整个系统内管道里的循环水的温度，使调温墙体I内始终保证有循环冷水，进而保证房间内夏季蓄冷。
[0064]在夏季，相变蓄能板材1-2中的相变材料白天熔化吸热，吸收房间中多余的热量；夜间，凝固放热，放出热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热循环。
[0065]过渡季节工况模式:太阳能装置2和浅层土壤换热管3不运行，可开启房间的门窗来控制室内气流流动。当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0066]此外，太阳能集热器2-1和水箱2-2里面的热水可通过外接生活用热水管阀门
2-14引出供生活热水使用，可从水箱生活用热水管中引出当做生活热水使用。若使用了水箱里的热水，应通过水箱右侧上部的外接补水管阀门2-15向水箱2-2里面补充等量的冷水，进而保证水循环能够正常的进行。
[0067]实施例1
[0068]本实施例系统采用的连接及位置关系，其中小管径盘管1-6的直径为10mm，浅层土壤换热管3埋在地下的深度为5m，辅助热源2-3采用电加热，所述相变蓄能板材1-2采用高碳醇与脂肪酸混合物宏观封装制成，本实施例中太阳能能量利用率达到了 62.3%。图4所示为本发明所采用相变材料为高碳醇与脂肪酸混合物的的DSC实测图，该图表明，选用的石蜡相变材料的吸热峰熔化起始点温度为24.0°C，熔化终止温度为26.9°C，相变潜热值为126.2J/g ;石蜡 相变材料的放热峰凝固起始点温度为26.7°C，终止温度为30.6°C，相变潜热值为125.7J/g。可以看出吸热区间为24.0-26.9°C，放热区间为26.7-30.6°C，该吸热区间和放热区间正好在室内舒适度的温度范围内，将其用在相变墙体中，能够很好的起到调节室内温度维持动态平衡的作用。同时该相变材料的相变潜热值在100J/g以上，也能很好的起到蓄热蓄冷的效果。
[0069]实施例2
[0070]本实施例搭建了两个尺寸大小和建筑围护结构相同的房间，第一房间不做任何处理(以下简称参比房)，第二房间按本发明所述系统位置连接关系相连，在内部墙体安装盘有小管径盘管1-6的相变蓄能板材1-2，其中小管径盘管1-6的直径为10mm，浅层土壤换热管3埋在地下的深度为10m，所述相变蓄能板材1-2采用石蜡-膨胀珍珠岩真空吸附制成(以下简称标准房)，并按本发明所述使用方法运行标准房，在相同的室外环境下，对比分析参比房和标准房室内平均温度，实测显示，在严寒的冬季，参比房的日平均温度为13.1 °C，标准房的日平均温度为18.3°C，较之参比房，标准房的平均温度比参比房高5.2 0C左右，因此可以看出标准房可以明显的提高房间温度，取得良好的经济效应。
[0071]本发明未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接； 所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀； 所述太阳能装置包括可追踪型槽式太阳能集热器、水箱、辅助热源、太阳能装置水泵、太阳能装置流量计、排气阀、管路第一电磁阀、管路第二电磁阀、水箱第一电磁阀、太阳能第一电磁阀、太阳能第二电磁阀、太阳能第三电磁阀和水箱第二电磁阀；所述水箱内设有辅助热源；可追踪型槽式太阳能集热器进水处设有排气阀； 所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部，小管径盘管的进水端依次通过浅层土壤换热管的换热管流量计、换热管水泵及供水管路三通换向阀与浅层土壤换热管的出水端连接；浅层土壤换热管的进水端通过水管与回水管路三通阀的一端连接；回水管路三通阀的另一端与小管径盘管的出水端连接，回水管路三通阀的第三端通过水箱第二电磁阀与水箱的左端相连，回水管路三通阀的第三端依次通过管路第二电磁阀、太阳能第一电磁阀与水箱的右端连接；管路第二电磁阀又通过太阳能装置流量计与可追踪型槽式太阳能集热器的出水端连接； 可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀与供水管路三通换向阀的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀及水箱第一电磁阀与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵及太阳能第二电磁阀与水箱的右端连接。2.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述小管径盘管采用双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材内，由相变储能板材的底端向顶端盘旋。3.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述小管径盘管的直径为5_15mm。4.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述浅层土壤换热管埋在地下的深度为5-20m。5.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述相变蓄能板材所采用的相变材料的相变温度为18_30°C，相变焓大于等于50J/g。6.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述辅助热源采用电加热。7.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述水箱的右侧下部设有外接生活用热水管阀门，水箱右侧上部设有外接补水管阀门。8.—种应用权利要求1-7任一所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法，其特征在于该使用方法分为三种工况模式，具体是: (I)冬季工况模式: 在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器直接与调温墙体所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器出水端、管路第一电磁阀、供水管三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管三通换向阀、管路第二电磁阀、太阳能装置流量计和太阳能集热器进水端依次形成闭合循环回路； 在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器与带有辅助热源的水箱形成闭合回路，通过辅助热源对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器出水端、太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵、太阳能第二电磁阀、水箱、太阳能第一电磁阀、太阳能装置流量计、太阳能集热器进水端依次形成闭合回路；当水箱内水的温度达到设定温度时，由换热管水泵将热水送入调温墙体所在的房间，在换热管水泵的作用下，水箱内的热水依次经过水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀及水箱第二电磁阀而循环回水箱内，使调温墙体内始终保证有指定温度的循环热水； 在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，辅助热源持续加热水箱内的水，加热后的热水在水箱与调温墙体所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱出水端、水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀、水箱第二电磁阀及水箱进水端依次形成的循环回路； 盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环； (2)夏季工况模式: 在换热管水泵的作用下，浅层土壤换热管内的冷水依次经过供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管及回水管路三通换向阀再循环进入浅层土壤换热管内，浅层土壤换热管里面的水媒直接与浅层土壤换热； 当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热过程； (3)过渡季节工况模式: 关闭太阳能装置和浅层土壤换热管，开启调温墙体所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过工况模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
【专利摘要】本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接；所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀；所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部。该使用方法分为三种工况模式，即冬季工况模式；夏季工况模式；过渡季节工况模式。
【IPC分类】E04D13/18, F24J2/04, F24D12/02, F28D20/02, E04B1/74, F24J2/00, F24J3/08, E04B2/00
【公开号】CN104895218
【申请号】CN201510346625
【发明人】孔祥飞, 钟俞良, 刘少宁
【申请人】河北工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑节能和可再生能源利用技术领域，具体涉及耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]利用太阳能提供热量供暖来降低建筑能耗，替代常规以化石能源提供供暖而带来的能耗，具有广泛的前景。但是在对太阳能的热利用中，易受阴雨、昼夜、雾霾以及季节性等因素的影响，具有不稳定性，且一般只能利用太阳直射的辐射量，吸收的太阳能热量非常有限，并不能大规模的替代常规能源。一般利用太阳能直供供暖，必须装备辅助热源系统，由于太阳能分布的非连续性和不均匀性，造成辅助热源工作时间较长，因此在很多太阳能供暖的案例中，供热成本较高，经济性较差。
[0003]相变材料潜热蓄热具有蓄热量大、体积小、蓄放热温度近似恒定等优点，已被广泛研宄应用于建筑中。但是，相变蓄能材料是一种靠自身物理形态的变化来储存/释放能量的材料，本身并不产能，被动式地应用虽然增强了建筑的热惰性，但是本身并未对可再生能源进行利用率。
[0004]申请号为201210169219.5的中国专利公开了一种用于地板辐射采暖的太阳能相变储能复合材料及其制备方法，该相变储能材料由肉豆蔻酸、软脂酸、石蜡组成，该相变储能复合材料填装于储热罐里，将储热罐安装在热水箱与太阳能热水器之间，吸收白天太阳能产生的热量，在夜晚或环境温度降低时，相变复合材料固化放热，从而持续提供40°C左右的热水来保证地板辐射采暖正常进行。其不足之处在于该专利将相变材料放置在热水箱处，不仅在一定程度上使得相变材料的用量较小，蓄能能力较低，最重要的是忽略了相变材料维持室温稳定这一作用；其次，夏季工况时完全是凝固状态，不能够实现相变材料调节室内气温的跨季节应用，只可在供暖季进行使用；再次向室内提供的热水温度过高，会造成室内过热或停止供热后室温下降较快等极端问题的出现。
[0005]专利号为ZL201320137266.1的中国专利公开了一种家用中央太阳能采暖系统，用于给房屋室内的地暖提供热量，其不足之处在于该系统只可在供暖季使用，不可实现跨季节的应用；其次该系统中相变材料仅作为蓄热单元使用，而忽略了相变材料维持室温稳定的作用。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法。该调温墙体系统将太阳能、浅层土壤地热能及相变墙体蓄能进行三级耦合，实现了可再生能源在系统中连续稳定的利用，降低建筑运行能耗，满足系统内建筑冬夏热舒适性的要求，提高了系统的全年利用率，实现了全年工况的主动式建筑围护结构供能/蓄能应用。本发明系统使用方法在加强墙体蓄热性能和热惰性的同时，将自然冷热源耦合于墙体系统，与单纯被动式利用相变材料相比，提高了自然能源的利用效率，节约常规建筑供能能源消耗。
[0007]本发明解决耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统技术问题的技术方案是:
[0008]设计一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接；
[0009]所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀；
[0010]所述太阳能装置包括可追踪型槽式太阳能集热器、水箱、辅助热源、太阳能装置水泵、太阳能装置流量计、排气阀、管路第一电磁阀、管路第二电磁阀、水箱第一电磁阀、太阳能第一电磁阀、太阳能第二电磁阀、太阳能第三电磁阀和水箱第二电磁阀；所述水箱内设有辅助热源；可追踪型槽式太阳能集热器进水处设有排气阀；
[0011 ] 所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部，小管径盘管的进水端依次通过浅层土壤换热管的换热管流量计、换热管水泵及供水管路三通换向阀与浅层土壤换热管的出水端连接；浅层土壤换热管的进水端通过水管与回水管路三通阀的一端连接；回水管路三通阀的另一端与小管径盘管的出水端连接，回水管路三通阀的第三端通过水箱第二电磁阀与水箱的左端相连，回水管路三通阀的第三端依次通过管路第二电磁阀、太阳能第一电磁阀与水箱的右端连接；管路第二电磁阀又通过太阳能装置流量计与可追踪型槽式太阳能集热器的出水端连接；
[0012]可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀与供水管路三通换向阀的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀及水箱第一电磁阀与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵及太阳能第二电磁阀与水箱的右端连接。
[0013]本发明解决耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统使用方法技术问题的技术方案是，设计一种上述耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法，其特征在于该使用方法分为三种工况模式，具体是:
[0014](I)冬季工况模式:
[0015]在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器直接与调温墙体所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器出水端、管路第一电磁阀、供水管三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管三通换向阀、管路第二电磁阀、太阳能装置流量计和太阳能集热器进水端依次形成闭合循环回路；
[0016]在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器与带有辅助热源的水箱形成闭合回路，通过辅助热源对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器出水端、太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵、太阳能第二电磁阀、水箱、太阳能第一电磁阀、太阳能装置流量计、太阳能集热器进水端依次形成闭合回路；当水箱内水的温度达到设定温度时，由换热管水泵将热水送入调温墙体所在的房间，在换热管水泵的作用下，水箱内的热水依次经过水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀及水箱第二电磁阀而循环回水箱内，使调温墙体内始终保证有指定温度的循环热水；
[0017]在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，辅助热源持续加热水箱内的水，加热后的热水在水箱与调温墙体所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱出水端、水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀、水箱第二电磁阀及水箱进水端依次形成的循环回路；
[0018]盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环；
[0019](2)夏季工况模式:
[0020]在换热管水泵的作用下，浅层土壤换热管内的冷水依次经过供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管及回水管路三通换向阀再循环进入浅层土壤换热管内，浅层土壤换热管里面的水媒直接与浅层土壤换热；
[0021 ] 当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热过程；
[0022](3)过渡季节工况模式:
[0023]关闭太阳能装置和浅层土壤换热管，开启调温墙体所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过工况模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[ 0025]1.本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统将太阳能与相变材料结合利用，提高了太阳能供暖的平均能量利用率。经过测试，冬季工况下，本发明太阳能热利用效率达到了 62.3%，比平均水平高出21.3%。
[0026]2.本发明中采用在墙体内设置相变储能板材，能使相变储能板材在白天蓄存太阳能热量，在太阳能辐射小的雨雪日和无太阳能的夜间释放其储存的热量，有效的解决了太阳能热利用的非连续性及分布不均的缺陷。相比于普通无蓄能环节的太阳能供暖系统，本发明通过蓄能使太阳能热利用的时间得到了延续，使辅助热源的工作时间降低甚至在白日辐射量较大的工况下为零，因此，提高了整个系统的运营经济性。相比于有蓄能环节的太阳能供暖系统，本发明采用供热末端与墙体结合的方式，即相变储能板材内设置小管径盘管，一方面扩大了散热面积，有利于实现低温供暖，另一方面，增强了墙体的蓄热能力及热惰性，降低了建筑围护结构的热耗散。相比于普通被动式相变蓄能墙体的蓄存直射太阳能辐射以及空调、供暖系统的余热，本发明将集热式太阳能热源、土壤冷源和热量的管状热媒输送连接成一个整体，使相变材料蓄存的可再生能源量更多，提高对可再生资源的循环利用。
[0027]3.整套系统在运行过程中只有两个水泵使用少量的电能，在过渡季节耗电量更少，辅助能源用能减少显著。很大程度上节约了常规能源，降低了二氧化碳的排放量。
[0028]4.从热舒适角度来说，再无其他供能设备的条件下，经测试:冬季，装有本发明系统的测试房间平均温度比无本发明系统的普通房间温度增高了 5.2°C左右。夏季，房间平均温度比无本发明系统的普通房间温度低:TC左右。将温差换算成房屋冷热负荷差，可见本发明系统的应用可产生巨大的节能效益。
[0029]本发明使用方法在冬季工况下，按照太阳辐射照度，将辐射照度分为1、I1、III三个等级，依据太阳能辐射照度三个等级的变化，通过墙体中相变材料蓄放热以及惰性延迟，达到不用辅助热源或少用辅助热源的目的；在夏季工况下，系统通过与浅层土壤冷量换热，循环水作为载冷媒将冷量储存于墙体相变材料中，在室内温度超过舒适温度时，通过相变材料的蓄放热过程，将冷量释放于室内，使室内维持舒适温度范围，再结合开窗自然通风，室内热舒适效果更佳；在过渡季节工况:当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0030]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法将太阳能、相变材料与建筑围护结构结合，一方面增加了围护结构单位质量的蓄热能力及热惰性，取得更好的热舒适及节能效果，另一方面，使太阳能热利用技术可以全天甚至全气候应用，随着辅助热源的少用或者不用，太阳能热利用技术的运营经济性也随之提高。此外，为了使本发明的系统能够实现跨季节运行，还利用了土壤冷源作为夏季的供冷/蓄冷能源，形成冬季太阳能热源供热、夏季土壤源供冷和相变墙体蓄能的三级耦合式利用。
【附图说明】
[0031]图1是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的整体构造平面结构示意图；
[0032]图2是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的整体构造立体结构示意图；
[0033]图3是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的调温墙体I的结构示意图；
[0034]图4是本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统一种实施例的相变材料的DSC测试图；
[0035]图中，I调温墙体、2太阳能装置、3浅层土壤换热管、1-1内墙抹灰层、1-2相变蓄能板材、1-3粘结砂楽、1-4内部墙体、1-5外墙抹灰层、1-6小管径盘管、2-1太阳能集热器、2-2水箱、2-3辅助热源、2-4太阳能装置水泵、2-5太阳能装置流量计、2_6排气阀、2_7管路第一电磁阀、2-8管路第二电磁阀、2-9水箱第一电磁阀、2-10太阳能第一电磁阀、2-11太阳能第二电磁阀、2-12太阳能第三电磁阀、2-13水箱第二电磁阀、2-14外接生活用热水管阀门、2-15外接补水管阀门、3-1供水管路三通换向阀、3-2回水管路三通换向阀、3-3换热管水泵、3-4换热管流量计。
【具体实施方式】
[0036]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统(简称调温墙体系统或系统，参见图
1-3)包括调温墙体1、太阳能装置2和浅层土壤换热管3 ;太阳能装置2安装在调温墙体I的房间屋顶上，浅层土壤换热管3埋在地下；调温墙体I同时与太阳能装置2和浅层土壤换热管3连接；
[0037]所述浅层土壤换热管3 —端连接有供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3和换热管流量计3-4，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀3-2 ；
[0038]所述太阳能装置2包括可追踪型槽式太阳能集热器2-1 (或太阳能集热器)、水箱2-2、辅助热源2-3、太阳能装置水泵2-4、太阳能装置流量计2-5、排气阀2_6、管路第一电磁阀2-7、管路第二电磁阀2-8、水箱第一电磁阀2-9、太阳能第一电磁阀2-10、太阳能第二电磁阀2-11、太阳能第三电磁阀2-12和水箱第二电磁阀2-13 ;所述水箱2_2内设有辅助热源2-3，可追踪型槽式太阳能集热器2-1进水处设有排气阀2-6 ；
[0039]所述调温墙体I (参见图3)沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层1-1、相变蓄能板材1-2、粘结砂浆1-3、内部墙体1-4和外墙抹灰层1-5，所述相变储能板材1-2沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管1-6 ;所述小管径盘管1-6的进水端和出水端均位于调温墙体I的底部，小管径盘管1-6的进水端依次通过浅层土壤换热管3的换热管流量计3-4、换热管水泵3-3及供水管路三通换向阀3-1与浅层土壤换热管3的出水端连接；浅层土壤换热管3的进水端通过水管与回水管路三通阀3-2的一端连接；回水管路三通阀3-2的另一端与小管径盘管1-6的出水端连接，回水管路三通阀3-2的第三端通过水箱第二电磁阀2-13与水箱2-2的左端相连，回水管路三通阀3-2的第三端依次通过管路第二电磁阀2-8、太阳能第一电磁阀2-10与水箱的右端连接；管路第二电磁阀2-8又通过太阳能装置流量计
2-5与可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端连接；可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端通过管路第一电磁阀2-7与供水管路三通换向阀3-1的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端通过管路第一电磁阀2-7及水箱第一电磁阀2-9与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器2-1的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4及太阳能第二电磁阀2-11与水箱2-2的右端连接。
[0040]本发明的进一步特征在于所述小管径盘管1-6采用双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材1-2内，由相变储能板材的底端向顶端盘旋。小管径盘管1-6的盘旋方式也可以采用蛇形方式或其他方式，但相对来说采用双平行盘旋方式的热量分布比较均匀，能量利用率更高。
[0041]本发明调温墙体系统的进一步特征在于所述小管径盘管1-6的直径为5_15mm。
[0042]本发明调温墙体系统的进一步特征在于所述浅层土壤换热管3埋在地下的深度为 5-20m。
[0043]本发明的进一步特征在于所述相变蓄能板材1-2所采用的相变材料的相变温度为18-30°C，相变焓为大于等于50J/g。相变材料可以采用石蜡、脂肪酸及其低共熔混合物以及其他无机相变材料。相变焓较小，可以适当增加相变材料的比重，相变焓较大，适当减少相变材料的用量，以保证室内温度处在一个满足热舒适性条件下的动态变化的一个温度范围内。
[0044]本发明的进一步特征在于所述辅助热源2-3采用电加热或锅炉加热等辅助加热方式，其中锅炉可以采用燃煤锅炉、燃气锅炉或生物质锅炉等锅炉进行加热。
[0045]本发明的进一步特征在于所述水箱2-2的右侧下部设有外接生活用热水管阀门
2-14，水箱右侧上部设 有外接补水管阀门2-15。
[0046]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法分为三种工况模式，具体是:
[0047](I)冬季工况模式:
[0048]在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器2-1直接与调温墙体I所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器2-1出水端、管路第一电磁阀2-7、供水管三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管三通换向阀3-2、管路第二电磁阀2-8、太阳能装置流量计2-5和太阳能集热器2-1进水端依次形成闭合循环回路；
[0049]在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器2-1与带有辅助热源的水箱2-2形成闭合回路，通过辅助热源2-3对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器2-1出水端、太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4、太阳能第二电磁阀2-11、水箱2-2、太阳能第一电磁阀2-10、太阳能装置流量计2-5、太阳能集热器2_1进水端依次形成闭合回路；当水箱2-2内水的温度达到设定温度时(温度由水箱热电偶测得)，由换热管水泵3-3将热水送入调温墙体I所在的房间，在换热管水泵3-3的作用下，水箱2-2内的热水依次经过水箱第一电磁阀2-9、供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管路三通换向阀3-2及水箱第二电磁阀2-13而循环回水箱2-2内，使调温墙体I内始终保证有指定温度的循环热水，进而保证房间内的有足够的热量；
[0050]在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，如连续的阴雨天气或者是寒冷的夜晚，辅助热源2-3持续加热水箱2-2内的水，加热后的热水在水箱2-2与调温墙体I所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱2-2出水端、水箱第一电磁阀2-9、供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管路三通换向阀
3-2、水箱第二电磁阀2-13及水箱2-2进水端依次形成的循环回路，通过辅助热源2-3持续加热水箱2-2内的水，在该循环回路中通过循环热水为房间提供热量；
[0051]盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管1-6进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材1-2中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管1-6中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环，从而来保证房间的温度处在一个满足热舒适性条件下的动态变化的一个温度范围内；
[0052](2)夏季工况模式:
[0053]在换热管水泵3-3的作用下，浅层土壤换热管3内的冷水依次经过供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6及回水管路三通换向阀
3-2再循环进入浅层土壤换热管3内，浅层土壤换热管3里面的水媒直接与浅层土壤换热，使调温墙体I内始终保证有循环冷水，进而保证房间内夏季蓄冷；
[0054]夏季，当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管3里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸放热过程，保证夏季房间内始终处于舒适的温度状态；
[0055](3)过渡季节工况模式:
[0056]关闭太阳能装置2和浅层土壤换热管，开启调温墙体I所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0057]本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的工作过程如下:
[0058]在调温墙体I内，相变材料板材1-2内的小管径盘管1-6为沿着墙面竖直方向均匀分布，且小管径盘管1-6为双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材1-2中，小管径盘管的出水端和进水端均位于调温墙体底部，水媒介从墙体的底部的小管径盘管1-6进水端流进小管径盘管1-6，顺着蛇形的盘管最后再由调温墙体底端的小管径盘管1-6出水端流出，完成水媒介在调温墙体内的循环过程。
[0059]冬季供暖过程(冬季工况模式):太阳能充足时，开启管路第一电磁阀2-7，换热管水泵3-3，管路第二电磁阀2-8，供水管路三通换向阀3-1、回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门，使从太阳能集热器2-1出来的热水依次经过管路第一电磁阀2-7、供水管三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6、回水管三通换向阀3-2、管路第二电磁阀2-8、太阳能装置流量计2-5再进入太阳能集热器2-1，保证为调温墙体I提供持续的热量，进而保证调温墙体I所在房间内的温度始终处于舒适状态；
[0060]太阳能不充足时，开启太阳能第三电磁阀2-12、太阳能装置水泵2-4、太阳能第二电磁阀2-11、水箱第一电磁阀2-9、换热管水泵3-3、水箱第二电磁阀2-13、太阳能第一电磁阀2-10、供水管路三通换向阀3-1、回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门，通过水箱2-2内的辅助热源2-3对整个循环过程中的水进行加热，保证在太阳能不足的情况下，房间内仍有足够的热量；
[0061]当连续阴雨天气时，开启水箱第一电磁阀2-9、换热管水泵3-3、水箱第二电磁阀2-13、供水管路三通换向阀3-1和回水管路三通换向阀3-2，关闭其他阀门；通过持续加热的水箱2-2内的热水为整个房间供热；
[0062]在冬季，相变蓄能板材1-2中的相变材料白天熔化吸热，吸收墙体中与太阳能装置2连接的小管径盘管1-6里的热水的热量；待夜晚无太阳能的时候，相变材料凝固放热，将白天吸收的热量释放到房间中，保证房间的温度处在一个舒适的温度范围之内，完成吸放热循环。
[0063]夏季蓄冷过程(夏季工况模式):开启换热管水泵3-3、供水管路三通换向阀3-1和回水管路三通换向阀3-2，关闭其它阀门；浅层土壤换热管3内的冷水依次经过供水管路三通换向阀3-1、换热管水泵3-3、换热管流量计3-4、小管径盘管1-6及回水管路三通换向阀3-2再循环进入浅层土壤换热管3内，浅层土壤换热管3埋在地下5-20m，主要用于夏季蓄冷，整个系统内的低温回水通过浅层土壤换热管3与地下低温土壤换热，能有效的降低整个系统内管道里的循环水的温度，使调温墙体I内始终保证有循环冷水，进而保证房间内夏季蓄冷。
[0064]在夏季，相变蓄能板材1-2中的相变材料白天熔化吸热，吸收房间中多余的热量；夜间，凝固放热，放出热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热循环。
[0065]过渡季节工况模式:太阳能装置2和浅层土壤换热管3不运行，可开启房间的门窗来控制室内气流流动。当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
[0066]此外，太阳能集热器2-1和水箱2-2里面的热水可通过外接生活用热水管阀门
2-14引出供生活热水使用，可从水箱生活用热水管中引出当做生活热水使用。若使用了水箱里的热水，应通过水箱右侧上部的外接补水管阀门2-15向水箱2-2里面补充等量的冷水，进而保证水循环能够正常的进行。
[0067]实施例1
[0068]本实施例系统采用的连接及位置关系，其中小管径盘管1-6的直径为10mm，浅层土壤换热管3埋在地下的深度为5m，辅助热源2-3采用电加热，所述相变蓄能板材1-2采用高碳醇与脂肪酸混合物宏观封装制成，本实施例中太阳能能量利用率达到了 62.3%。图4所示为本发明所采用相变材料为高碳醇与脂肪酸混合物的的DSC实测图，该图表明，选用的石蜡相变材料的吸热峰熔化起始点温度为24.0°C，熔化终止温度为26.9°C，相变潜热值为126.2J/g ;石蜡 相变材料的放热峰凝固起始点温度为26.7°C，终止温度为30.6°C，相变潜热值为125.7J/g。可以看出吸热区间为24.0-26.9°C，放热区间为26.7-30.6°C，该吸热区间和放热区间正好在室内舒适度的温度范围内，将其用在相变墙体中，能够很好的起到调节室内温度维持动态平衡的作用。同时该相变材料的相变潜热值在100J/g以上，也能很好的起到蓄热蓄冷的效果。
[0069]实施例2
[0070]本实施例搭建了两个尺寸大小和建筑围护结构相同的房间，第一房间不做任何处理(以下简称参比房)，第二房间按本发明所述系统位置连接关系相连，在内部墙体安装盘有小管径盘管1-6的相变蓄能板材1-2，其中小管径盘管1-6的直径为10mm，浅层土壤换热管3埋在地下的深度为10m，所述相变蓄能板材1-2采用石蜡-膨胀珍珠岩真空吸附制成(以下简称标准房)，并按本发明所述使用方法运行标准房，在相同的室外环境下，对比分析参比房和标准房室内平均温度，实测显示，在严寒的冬季，参比房的日平均温度为13.1 °C，标准房的日平均温度为18.3°C，较之参比房，标准房的平均温度比参比房高5.2 0C左右，因此可以看出标准房可以明显的提高房间温度，取得良好的经济效应。
[0071]本发明未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接； 所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀； 所述太阳能装置包括可追踪型槽式太阳能集热器、水箱、辅助热源、太阳能装置水泵、太阳能装置流量计、排气阀、管路第一电磁阀、管路第二电磁阀、水箱第一电磁阀、太阳能第一电磁阀、太阳能第二电磁阀、太阳能第三电磁阀和水箱第二电磁阀；所述水箱内设有辅助热源；可追踪型槽式太阳能集热器进水处设有排气阀； 所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部，小管径盘管的进水端依次通过浅层土壤换热管的换热管流量计、换热管水泵及供水管路三通换向阀与浅层土壤换热管的出水端连接；浅层土壤换热管的进水端通过水管与回水管路三通阀的一端连接；回水管路三通阀的另一端与小管径盘管的出水端连接，回水管路三通阀的第三端通过水箱第二电磁阀与水箱的左端相连，回水管路三通阀的第三端依次通过管路第二电磁阀、太阳能第一电磁阀与水箱的右端连接；管路第二电磁阀又通过太阳能装置流量计与可追踪型槽式太阳能集热器的出水端连接； 可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀与供水管路三通换向阀的第三端相连，同时可追踪型槽式太阳能集热器的出水端通过管路第一电磁阀及水箱第一电磁阀与水箱左端连接；可追踪型槽式太阳能集热器的出水端又依次通过太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵及太阳能第二电磁阀与水箱的右端连接。2.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述小管径盘管采用双平行型盘旋方式嵌在相变蓄能板材内，由相变储能板材的底端向顶端盘旋。3.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述小管径盘管的直径为5_15mm。4.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述浅层土壤换热管埋在地下的深度为5-20m。5.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述相变蓄能板材所采用的相变材料的相变温度为18_30°C，相变焓大于等于50J/g。6.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述辅助热源采用电加热。7.根据权利要求1所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统，其特征在于所述水箱的右侧下部设有外接生活用热水管阀门，水箱右侧上部设有外接补水管阀门。8.—种应用权利要求1-7任一所述的耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统的使用方法，其特征在于该使用方法分为三种工况模式，具体是: (I)冬季工况模式: 在太阳能充足的时候，即辐射照度为I等级的时候，太阳能集热器直接与调温墙体所在的房间形成闭合循环回路，即太阳能集热器出水端、管路第一电磁阀、供水管三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管三通换向阀、管路第二电磁阀、太阳能装置流量计和太阳能集热器进水端依次形成闭合循环回路； 在太阳能不充足的时候，即辐射照度为II等级的时候，太阳能集热器与带有辅助热源的水箱形成闭合回路，通过辅助热源对该闭合回路里的水进行循环加热，即太阳能集热器出水端、太阳能第三电磁阀、太阳能装置水泵、太阳能第二电磁阀、水箱、太阳能第一电磁阀、太阳能装置流量计、太阳能集热器进水端依次形成闭合回路；当水箱内水的温度达到设定温度时，由换热管水泵将热水送入调温墙体所在的房间，在换热管水泵的作用下，水箱内的热水依次经过水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀及水箱第二电磁阀而循环回水箱内，使调温墙体内始终保证有指定温度的循环热水； 在没有太阳能的时候，即辐射照度为III等级的时候，辅助热源持续加热水箱内的水，加热后的热水在水箱与调温墙体所在房间内直接形成闭合的循环回路，即水箱出水端、水箱第一电磁阀、供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管、回水管路三通换向阀、水箱第二电磁阀及水箱进水端依次形成的循环回路； 盘管中水媒介的温度要比房间温度高的多，所以房间白天供暖主要是靠小管径盘管进行热辐射供暖，与此同时，相变蓄能板材中的相变材料熔化吸热，吸收小管径盘管中热水的热量，并将热量储存在相变材料中，夜晚低温的时候相变材料再凝固放热，将储存在相变材料中的热量释放到房间中，完成吸热放热循环； (2)夏季工况模式: 在换热管水泵的作用下，浅层土壤换热管内的冷水依次经过供水管路三通换向阀、换热管水泵、换热管流量计、小管径盘管及回水管路三通换向阀再循环进入浅层土壤换热管内，浅层土壤换热管里面的水媒直接与浅层土壤换热； 当房间温度高于相变材料熔化温度时，相变材料熔化，吸收热量，将房间内多余的热量储存在相变材料中，相变材料里面吸收的热量通过浅层土壤换热管里面的低温水或者是夜晚开启门窗带走，完成吸热放热过程； (3)过渡季节工况模式: 关闭太阳能装置和浅层土壤换热管，开启调温墙体所在房间的门窗，控制房间内的空气流动；当室温过冷时，系统将开启冬季工况模式；当室温过热时，系统将开启夏季工况模式，通过工况模式转化来维持过渡季节室内热环境的舒适和稳定。
【专利摘要】本发明耦合可再生能源的蓄能调温墙体系统及其使用方法，其特征在于该系统包括调温墙体、太阳能装置和浅层土壤换热管；太阳能装置安装在房间的屋顶上，浅层土壤换热管埋在地下；调温墙体同时与太阳能装置和浅层土壤换热管连接；所述浅层土壤换热管一端连接有供水管路三通换向阀、换热管水泵和换热管流量计，另一端通过管路连接有回水管路三通换向阀；所述调温墙体沿室内到室外的方向依次包括内墙抹灰层、相变蓄能板材、粘结砂浆、内部墙体和外墙抹灰层，所述相变储能板材沿墙体高度方向上均匀嵌有小管径盘管；所述小管径盘管的进水端和出水端均位于调温墙体的底部。该使用方法分为三种工况模式，即冬季工况模式；夏季工况模式；过渡季节工况模式。
【IPC分类】E04D13/18, F24J2/04, F24D12/02, F28D20/02, E04B1/74, F24J2/00, F24J3/08, E04B2/00
【公开号】CN104895218
【申请号】CN201510346625
【发明人】孔祥飞, 钟俞良, 刘少宁
【申请人】河北工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
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