一种零碳零能耗建筑一体化系统及控制方法与流程

本发明涉及建筑节能设计，更具体地讲，涉及一种零碳零能耗建筑一体化系统及控制方法。

背景技术：

1、随着全球气候变化加剧和能源危机日益严峻，建筑行业作为能耗和碳排放的主要领域之一，面临着向低碳、零能耗方向转型的迫切需求。夏热冬冷气候地区（如中国长江流域）具有夏季高温高湿、冬季寒冷潮湿的特点，传统建筑的围护结构和能源系统难以有效应对这种动态气候条件，导致能源消耗大、室内热舒适性差等问题。

2、传统的建筑围护结构通常采用单一材料层（如混凝土墙与保温板的结合），存在以下技术缺陷：

3、1.隔热性能不足：夏季太阳辐射导致围护结构表面温度升高，冷负荷激增，空调能耗大幅上升；冬季热损失严重，保温性能不足，易结露。

4、2.热惰性差：过渡季节无法自适应温度波动，依赖空调频繁启停调节，能源利用效率低。

5、3.能源传递静态化：传统围护结构无法动态响应气候变化，无法实现热量的高效储存与释放。

6、在能源供给方面，传统建筑主要依赖电网供电和化石能源供热，可再生能源利用率低，且缺乏跨季节储能手段，导致能源供需不匹配。此外，现有零能耗建筑多依赖单一能源（如仅光伏发电），难以应对阴雨、无风等极端天气，系统稳定性不足。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种零碳零能耗建筑一体化系统及控制方法，能够有效的实现零碳零能耗目标，通过动态的气候自适应围护结构、跨季节储能、多能互补和智能调控等技术，解决传统建筑的高能耗、低舒适度问题;

2、本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

3、一种零碳零能耗建筑一体化系统，包括设置在建筑结构外墙中的气候自适应围护结构、与气候自适应围护结构连接的双模式能源供给系统、与双模式能源供给系统连接且安装在室内的热惯性调控系统、分别与气候自适应围护结构、双模式能源供给系统、热惯性调控系统连接的控制系统、分别与气候自适应围护结构、双模式能源供给系统、热惯性调控系统和控制系统连接的供电系统；

4、所述双模式能源供给系统用于收集、储存环境空间的多余能量并将能量向建筑结构室内的跨季节供给。

5、在一些可能的实施方式中，所述气候自适应围护结构包括由外至内设置在建筑结构外墙内的气凝胶保温层、导热管、相变材料组件；

6、所述相变材料组件与热惯性调控系统连接；所述相变材料组件包括高温相变材料层和低温相变材料层；

7、在热量储存阶段，气凝胶保温层反射部分太阳辐射，剩余热量通过导热管导入相变材料组件，当建筑结构中外墙温度升至28℃时，高温相变材料层吸热熔化，热能转化为相变潜热储存，使外墙表面温度降低；

8、在热量释放阶段，建筑结构外墙内的低温相变材料层结晶放热，热惯性调控系统吸收热量，将热量通热惯性调控系统向建筑结构室内释放。

9、在一些可能的实施方式中，所述高温相变材料层位于建筑结构外墙中的南墙内；所述低温相变材料层位于建筑结构的外墙四周；所述低温相变材料层采用石蜡与膨胀石墨复合材料，其相变焓≥180j/g；所述高温相变材料层采用脂肪酸与纳米粘土复合材料，其相变焓≥200j/g；

10、所述气凝胶保温层采用纳米多孔sio2气凝胶复合材料制成，所述纳米多孔sio2气凝胶复合材料的孔隙率≥0.95，日光反射率≥0.85，红外发射率≥0.90。

11、在一些可能的实施方式中，所述热惯性调控系统包括与气候自适应围护结构和双模式能源供给系统分别连接的地板热辐射管网、装配至地板热辐射管网上的流量调节阀。

12、在一些可能的实施方式中，所述双模式能源供给系统包括地源热泵、空气源热泵、以及跨季节储能装置；

13、所述跨季节储能装置包括储热舱体和储冷舱体；所述储热舱体分别与空气源热泵、地源热泵通过换热管路一连接；所述储冷舱体分别与空气源热泵、地源热泵通过换热管路二连接；

14、所述地源热泵还通过换热管路三与地板热辐射管网连接，用于冬季向室内供热或夏季向室内供冷。

15、在一些可能的实施方式中，所述储热舱体包括密封罐以及装配至其中的储热相变材料、导热翅片；所述储热相变材料为三水醋酸钠，导热翅片与储热相变材料相间分布。

16、在一些可能的实施方式中，所述储冷舱体包括防腐内胆以及装配至其中的储冷相变材料；所述防腐内胆设有绝热层；所述储冷相变材料为氯化钙溶液。

17、在一些可能的实施方式中，所述地源热泵、空气源热泵外接垂直深度为80-120m的埋管；所述空气源热泵采用喷气增焓压缩机。

18、在一些可能的实施方式中，所述供电系统包括光伏遮阳板、风力发电机以及与光伏遮阳板、风力发电机分别连接的蓄电池；所述光伏遮阳板装配于建筑结构窗户的外侧并呈阵列分布，所述风力发电机装配至建筑结构的屋顶，所述光伏遮阳板与所述风力发电机收集外界环境中的太阳能、风能并转化为电能；所述蓄电池分别与控制系统、双模式能源供给系统、热惯性调控系统连接。

19、另一方面：

20、一种零碳零能耗建筑一体化系统的控制方法，基于以上所述的一种零碳零能耗建筑一体化系统；具体包括以下步骤：

21、通过气候自适应围护结构动态调节建筑结构的热惰性：

22、在夏季，当室外温度>30℃时，利用气凝胶保温层反射太阳辐射，并通过高温相变材料层吸收剩余热量；

23、在冬季，当室内温度<18℃时，利用气凝胶保温层增强红外发射率，并通过低温相变材料层释放储存的热量；

24、在过渡季节，协同调节高温相变材料层、低温相变材料层以形成热惰性缓冲区间；

25、通过双模式能源供给系统实现跨季节储能与供能；

26、在夏季，由空气源热泵将环境热量储存至储热舱体中，并借助地源热泵将储冷舱体中的冷量通过地板辐射管网向建筑结构室内供冷；

27、在冬季，空气源热泵将室外冷空气通过储冷舱体蓄冷，储冷舱体通过地源热泵将储存的冷量向建筑结构室内传输，用于次年夏季预冷新风；同时地源热泵从储热舱体吸热并调用土壤储存的热量，由地板热辐射管网吸收并用于对建筑结构室内的供热；

28、通过风光互补系统实时调节能源供给，根据太阳高度角调整光伏遮阳板倾角以优化发电效率；在光伏发电不足时切换至风力发电补偿；

29、通过控制系统进行多参数融合决策：基于室内外温度梯度、光伏发电预测、电网电价信号及用户行为模式，动态优化设备调度策略；在电价峰时段优先使用风光互补系统供电，并利用相变材料维持热舒适度；通过实时反馈闭环调整策略。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果：

31、本发明通过气候自适应围护结构、跨季节储能装置与供电系统互补的协同设计，实现能源净零消耗；

32、本发明采用气凝胶保温层与相变材料组件（高温相变材料层、低温相变材料层）的复合结构，有效的实现夏季反射太阳辐射并蓄冷，冬季增强红外发射并释热，过渡季形成热惰性缓冲，显著降低建筑冷热负荷，从而使得夏季时，建筑结构外墙的表面温度稳定≤32℃，冬季室温维持18±2℃；

33、本发明中相变材料组件通过导热管阵列实现高效热传导，动态调节外墙热阻；

34、本发明中通过地源热泵与土壤换热，且地源热泵与空气源热泵协同运行，结合跨季节储能装置（储热舱体/储冷舱体），实现夏存冬用、冬存夏用的能量转移，解决可再生能源供需时空错配问题；

35、本发明通过地板热辐射管网与相变材料组件联动，通过流量调节阀按需分配热量，避免局部过冷/过热；通过将高温相变材料层在建筑结构外墙中的南墙集中布置与低温相变材料层在建筑结构外墙四周均匀分布的分区设计，兼顾建造成本与能量利用率。