一种建筑烟囱效应自然通风强化系统及方法

1.本发明属于建筑节能技术领域，涉及一种室内通风降温调控系统，尤其是一种建筑烟囱效应自然通风强化系统及方法。


背景技术：

2.在建筑围护结构遮蔽的情况下，室内环境会形成相对独立的微气候区，人们约有80％～90％的时间是在室内环境(如住房、车间或交通工具)中度过的，因此室内环境的空气品质及热舒适性与人类健康生活息息相关，建筑通风是调节室内微气候环境舒适性的有效手段，现在许多公共建筑管道通风、排风扇、中庭通风、烟囱通风、屋顶通风等方式调节室内温湿度和空气品质。
3.建筑业一直存在能源消耗量大、碳排放高的问题，建筑总能耗55％用于建筑采暖和空调通风系统。能源消耗一般以煤、石油等常规化石能源为主，产生大量污染物，影响空气质量。为了在2060年前实现“碳中和”的目标，必须在未来几十年内减少建筑业的碳排放。因此，如果在建筑运行阶段充分使用可再生清洁能源或者采用被动式方法实现建筑通风，可以有效降低建筑能耗和碳排放。现有的建筑室内通风一般采用机械通风或者自然通风的方式来调节室内温湿度和空气品质，但还面临以下问题：1)自然通风经济环保，但是受到外界风速气温等影响波动较大，而使用机械通风的方式虽然能不受外界环境影响，能快速通风调节室内温湿度，但是能耗较高；2)建筑设计局限于外观设计，忽略建筑功能性设计，反而导致建筑通风烟囱运行效果不佳，能耗增加，引起夏季通风不畅，冬季渗透过量等诸多问题。
4.如果能根据建筑烟囱的功能特点，设计一种针对建筑烟囱效应自然通风强化系统，充分利用太阳辐射能量，既可以保障室内环境满足人体热舒适要求，又可以降低建筑能耗、减少碳排放，对绿色建筑的发展具有重要意义。
5.经过对现有技术文献的检索发现，针对建筑通风强化已经申请的专利有：
6.(1)专利《一种建筑物自然通风系统》(专利申请号cn201921664238.9)公开了一种建筑自然通风系统，空气通过设于建筑物外壁的设有两个进风口的进风通道，辐射制冷装置设置在进风通道的外壁上，辐射制冷装置能够以红外辐射的方式通过大气窗口发射热量，从而实现对进风通道内气体的降温。这种方法提供的自然通风系统能够避免外部高温的空气直接进入建筑物内，并且利用了无能耗的辐射制冷技术对进入室内的气体预先进行降温，有利于降低建筑物内对空调的使用率，从而达到节能减排的作用，但关键制冷系统仍然需要使用空调进行降温，耗能较大，性价比较低。
7.(2)专利《一种热回收型相变储能新风系统及其工作方法》(专利申请号cn202111219374.9)针对空调新风系统负荷较高的问题，提出一种基于全热交换器的热回收型相变储能新风系统，在新风出风管道内设置相变储能蓄冷装置，旁通管道内设置相变储能蓄热装置，排风出风管道内设置风冷换热器，在不同季节，通过控制电动风阀启闭，回收排气中的余热对引入的新风进行预热或预冷。该方法将相变材料与建筑通风系统相结
合，能有效延长可再生能源利用时间，提高能源利用率、节省空调运行费用、促进电力资源的优化匹配。但是单纯依赖相变材料可能由于温度波动较大造成相变材料过冷、相分离。
8.(3)专利《一种强化室内自然通风效果的复合通风系统》(专利申请号cn201520492876.2)公开了一种可强化室内自然通风效果的复合通风系统，利用地下埋管冷却技术，在地表下方的恒温层埋设风管，在夏季可实现内降温。在建筑的外围设置太阳能烟囱，利用烟囱效应的抽吸作用使地下埋管中的冷空气从建筑物下部进入，吸收建筑物内的热后变成热空气从建筑物上部排出，增加了室内通风量，改善了通风效果。在建筑顶部设置太阳能通风屋顶，冬季关闭其中设有的风阀，让通风间层成为一个温室，通过太阳辐射得热来加热室内空气；夏季打开风阀，通过热压和风压作用，将室内的热空气通过空气间层带出室外，起到通风降温作用。但是整个系统依赖于气候条件，在夏热冬冷地区效果更佳，且运行时需要阳光充足。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种建筑烟囱效应自然通风强化系统及方法。
10.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
11.一种建筑烟囱效应自然通风强化系统，包括：
12.空调通风降温调控系统，所述空调通风降温调控系统安装于房间吊顶中，用于调节房间送风温度；
13.光伏幕墙加热系统，所述光伏幕墙加热系统安装于房间外侧通风烟囱的外侧，用于在需要加强自然通风的时候，加热通风烟囱中的空气，增加排气量；
14.自然通风系统，所述自然通风系统安装于房间和通风烟囱中，用于使室外空气进入房间，调控室内空气品质。
15.本发明系统的进一步改进在于：
16.所述空调通风降温调控系统包括空调室外机，空调室外机安装于通风烟囱内，空调室外机分别与设置于房间吊顶中的空调冷却盘管和设置于通风烟囱内侧墙壁内的内墙蓄热单元相连；房间吊顶上开设有回风格栅和空调室内机出风口，空调室内机出风口内安装有循环风机，所述循环风机的进风口正对空调冷却盘管的底部，空调冷却盘管上部的空调室内机进风口位于房间吊顶中，房间吊顶通过回风格栅与房间相连通。
17.所述空调室内机出风口为方形散流器，用于将冷却后的空气通过循环风机风口送回室内
18.所述内墙蓄热单元用相变材料填充，内部铺设换热盘管，换热盘管与空调室外机相连进行换热。
19.所述内墙蓄热单元靠近房间一侧设置第一保温隔热层。
20.所述光伏幕墙加热系统包括光伏逆变器，所述光伏逆变器分别与设置在通风烟囱外侧的光伏玻璃幕墙和设置在通风烟囱外侧墙壁内的外墙蓄热单元相连。
21.所述光伏玻璃幕墙与通风烟囱之间留有间隙，用于空气流通，防止光伏玻璃幕墙背部过热。
22.所述外墙蓄热单元和光伏玻璃幕墙之间的夹层中设置有第二保温隔热层。
23.所述自然通风系统包括建筑外窗、通风烟囱进风口以及通风烟囱排风口，所述建筑外窗设置在建筑通风烟囱对侧墙壁；所述通风烟囱进风口为电动百叶风口，设置在内墙蓄热单元下方的墙壁上；所述通风烟囱排风口为电动百叶风口，设置在外墙蓄热单元上方的墙壁上。
24.一种建筑烟囱效应自然通风强化方法，包括以下步骤：
25.白天室内空调降温启动时，室内温度较高的空气通过回风格栅进入吊顶中空调室内机进风口后，与空调冷却盘管进行热量交换，温度降低的空气由循环风机通过空调室内机出风口送回空调房间，空调冷却盘管吸收热量后与空调室外机换热，换热盘管与室外空调机构成换热循环，换热盘管中的媒介吸收热量后与蓄热单元中的蓄热相变材料换热，冷却后的媒介再次通过换热盘管返回空调室外机，靠近空调房间一侧的墙壁上铺设保温材料防止热量逸散；安装在建筑通风烟囱外墙上的光伏玻璃幕墙收集太阳能，放置在烟囱底部的光伏逆变器将电能转换存储；
26.阴天或晚上需要自然通风时，打开电动百叶风口，室外新鲜空气从建筑外窗进入空调房间，充分混合后，从通风烟囱进风口进入烟囱，光伏逆控器储存的电能供给铺设在外墙蓄热单元中的低温发热电缆，产生热量加热烟囱中的空气，被加热的空气从通风烟囱排风口排出室外，外墙蓄热单元外侧同样铺设的第二保温隔热层防止烟囱内热量逸出。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.本发明系统通过烟囱效应原理，强化室内自然通风，在热压作用下，室外新鲜空气进入室内，提高空气品质，烟囱加热的热量来源一方面来自利用太阳能发电加热低温发热电缆；另一方面通过空调将室内余热收集，储存在内墙蓄热单元。整个系统既降低了室内温度，改善室内热环境，又充分利用了可再生能源，降低建筑能耗，满足绿色建筑长期运行的需要。
29.室内空气通过布置在天花板上的回风格栅进入空调室内机进风口，与空调冷却盘管热量交换，温度降低的空气通过循环风机送回室内，冷却盘管中的冷却介质通过空调室外机热量交换，铺设在内墙蓄热单元的换热盘管中冷却介质与空调室外机进行热量交换，以此循环。另外，需要开窗通风时，利用光伏玻璃幕墙收集的电量，通过光伏逆控器供给敷设在烟囱外墙蓄热单元内的低温发热电缆，为烟囱排风提供热量。打开建筑外窗，室外新鲜空气进入房间通风换气后通过通风烟囱进风口进入烟囱内，被加热的空气进过通风烟囱排风口送至大气。室内温湿度调控结合建筑烟囱自然通风强化，实现系统长期高效运行，满足室内人体对热舒适环境的需求。
附图说明
30.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。
31.图1是本发明的总体结构示意图。
32.其中：1-回风格栅；2-空调室内机进风口；3-空调冷却盘管；4-循环风机；5-空调室外机；6-内墙蓄热单元；7-换热盘管；8-光伏玻璃幕墙；9-光伏逆控器；10-外墙蓄热单元；
11-低温发热电缆；12-建筑外窗；13-通风烟囱进风口；14-通风烟囱排风口；15-第一保温隔热层；16-空调室内机出风口；17-第二保温隔热层。
具体实施方式
33.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。
34.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。
35.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。
36.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。
37.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。
38.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。
39.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
40.参见图1，本发明实施例公开了一种建筑烟囱效应自然通风强化系统，包括回风格栅1、空调室内机进风口2、空调冷却盘管3、循环风机4、空调室内机出风口16、空调室外机5、内墙蓄热单元6、换热盘管7、光伏玻璃幕墙8、光伏逆变器、外墙蓄热单元10、低温发热电缆11、建筑外窗12、通风烟囱进风口13、通风烟囱排风口14、第一保温隔热层15。
41.空调通风降温调控系统包括，置于吊顶内的回风格栅1、空调室内机进风口2、空调冷却盘管3、循环风机4、空调室外机5、内墙蓄热单元6、换热盘管7、第一保温隔热层15和空调室内机出风口16。所述回风格栅1安装在天花板吊顶上，风量可调节，用于将循环风送至空调室内机进风口2；所述空调室内机进风口2安装在空调机箱上部，空气通过空调室内机进风口2与空调冷却盘管3热量交换；所述空调冷却盘管3布置在室内空调机箱内，内有冷却介质，用于和空调室内机进风口2的回风热量交换，实现对空气温度调节；所述循环风机4安装在空调室内机出风口16，用于将降温后的空气匀速送回房间，实现室内空气循环降温；所
述空调室外机5安装在建筑烟囱壁内，与空调冷却盘管3相连，用于将室内机排出的高温高压冷却介质降温散热，冷凝之后的制冷剂液体再送回空调冷却盘管3吸收室内热量，如此循环；所述内墙蓄热单元6设置在通风烟囱和空调房间相邻墙壁，用相变材料填充，与铺设在内墙蓄热单元6中的换热盘管7进行热量交换，用于存储室内余热；所述换热盘管7敷设在内墙蓄热单元6中，与空调室外机5相连，用于和空调室外机5中的冷却介质进行热量交换，获取的热量存储在蓄热墙内，冷却后的介质返回空调室外机5，以此循环；所述第一保温隔热层15设置在内墙蓄热单元6靠近空调房间一侧；所述空调室内机出风口16安装在吊顶上，连接循环风机4，为方形散流器，用于将冷却后的空气通过循环风机4风口送回室内。
42.光伏幕墙加热系统包括，光伏玻璃幕墙8、光伏逆控器9、外墙蓄热单元10、低温发热电缆11和第二保温隔热层17。所述光伏玻璃幕墙8安装在太阳光照充足的建筑烟囱外壁面，与墙壁有一定间隙，有空气流通，防止背部过热，所发电能传递给光伏逆控器9，用于低温发热电缆11产生热量；所述光伏逆控器9放置在烟囱底部，与光伏玻璃幕墙8，低温发热电缆11相连，用于控制太阳能电池对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电；所述外墙蓄热单元10设置在安装了光伏玻璃幕墙8背面的墙壁中，高度低于烟囱排风口，蓄热墙内填充相变材料，用于存储低温发热电缆11的热量；所述低温发热电缆11敷设在外墙蓄热单元10，与光伏逆控器9相连，利用碳纤维发热体远红外进行通电发热，以加热烟囱排风温度；第二保温隔热层17设置在外墙蓄热单元10和光伏玻璃幕墙8之间的夹层中，与光伏玻璃幕墙8有一定间隔。
43.所述自然通风系统包括，建筑外窗12、通风烟囱进风口13和通风烟囱排风口14。所述建筑外窗12设置在建筑通风烟囱对侧墙壁，用于使室外新鲜空气进入室内，形成室内外空气流动交换，保持室内空间的空气质量；所述通风烟囱进风口13设置在通风烟囱和空调房间相邻壁面的内墙蓄热单元6下方，为电动百叶风口，风量可调，用于引导室内污浊空气快速排出空调房间；所述通风烟囱排风口14设置在安装有光伏玻璃幕墙8的建筑通风烟囱壁面，在外墙蓄热单元10上方，为电动百叶风口，用于排出经过加热的空气。
44.第一保温隔热层15和第二保温隔热层17为导热系数小的轻质保温材料，用于防止内墙蓄热单元6的热量向空调房间散失、影响室内温度以及防止外墙蓄热单元10的热量向外散失。
45.基于所述的内墙蓄热单元6室内空调通风降温系统，空调房间回风进入房间吊顶层后，通过空调室内机进风口2与空调冷却盘管3进行换热，温度降低到一定程度的空气通过循环风机4从空调室内机出风口16再次回到空调房间，空调冷却盘管3中的冷却介质吸收热量后，与空调室外机5中的冷却媒介换热，低温的冷却介质通过盘管继续冷却空气，空调室外机5中的吸收了热量的冷却媒介变成高温高压的气体，进入内墙蓄热单元6的换热盘管7，与蓄热墙的相变蓄热材料接触后，冷却媒介再次回到空调室外机5，继续循环冷却空气，内墙蓄热单元6靠近空调房间一侧有第一保温隔热层15，实现空调房间送风温度调节。
46.基于所述的光伏幕墙加热系统，光伏玻璃幕墙8收集太阳能，背面设有空气冷却通道，降低太阳能电池板的温度，防止因为温度上升导致的发电效率下降，所发电能在光伏逆控器9中储存转化，供给敷设在外墙蓄热单元10的低温发热电缆11，外墙蓄热单元10中填充相变材储存热量，在阴天或晚上需要加强自然通风的时候，加热通风烟囱中的空气，增加排气量，外墙蓄热单元10外侧设有第二保温隔热层17，防止热量逸散。
47.基于所述的建筑烟囱自然通风系统，需要自然通风时，打开建筑外窗12和电动百叶风口，通风烟囱中对排风进行加热，加强了烟囱拔风，新鲜空气由于热压作用源源不断进入房间并在房间充分混合，由底部的通风烟囱进风口13进入烟囱内，经由通风烟囱排风口14排出，提高了室内空气品质，实现室内环境热舒适调控。
48.实施例：
49.本发明建筑烟囱效应自然通风强化系统，包括该装置由内墙蓄热单元6室内空调通风降温系统、光伏幕墙加热系统、建筑烟囱室内自然通风系统三部分组成。具体布置方式如下：用于对室内空气降温的空调冷却盘管3、室内空调机进风口布置在房间吊顶内，空调出风口连接循环风机4，吊顶另一侧安装回风口，空调室外机5镶嵌安装在空调房间与建筑烟囱相邻的墙上，与空调冷却盘管3相连，空调房间与建筑通风烟囱相邻的内墙蓄热单元6内填充相变蓄热材料，铺设换热盘管7，换热盘管7与空调室外机5相连，内墙蓄热单元6靠近空调房间一侧铺有第一保温隔热层15；光伏玻璃幕墙8安装在建筑通风烟囱外侧壁面，与壁面有一定空隙，紧贴壁面铺有第二保温隔热层17，烟囱底部放置光伏逆控器9，与光伏玻璃幕墙8相连，电能输出供给铺设在烟囱外墙的低温发热电缆11，烟囱外墙蓄热单元10填充相变材料；建筑外窗12设置在烟囱对侧，内墙蓄热单元6下方开孔设置通风烟囱进风口13，外墙蓄热单元10上方设置通风烟囱排风口14。
50.本发明的工作过程如下：
51.白天室内空调降温启动时，室内温度较高的空气通过回风格栅1进入吊顶中空调室内机进风口2后，与空调冷却盘管3进行热量交换，温度降低的空气由循环风机4通过空调室内机出风口16送回空调房间，空调冷却盘管3吸收热量后与空调室外机5换热，换热盘管7与室外空调机5构成换热循环，换热盘管7中的媒介吸收热量后与蓄热单元6中的蓄热相变材料换热，冷却后的媒介再次通过换热盘管7返回空调室外机5，靠近空调房间一侧的墙壁上铺设保温材料15防止热量逸散；安装在建筑通风烟囱外墙上的光伏玻璃幕墙8收集太阳能，放置在烟囱底部的光伏逆变器9将电能转换存储；阴天或晚上需要自然通风时，打开电动百叶风口，室外新鲜空气从建筑外窗12进入空调房间，充分混合后，从通风烟囱进风口13进入烟囱，光伏逆控器9储存的电能供给铺设在外墙蓄热单元10中的低温发热电缆11，产生热量加热烟囱中的空气，被加热的空气从通风烟囱排风口14排出室外，外墙蓄热单元10外侧同样铺设的第二保温隔热层17防止烟囱内热量逸出。
52.本发明的原理：
53.针对建筑通风烟囱这一类特殊通风系统在建筑热环境调控中的需求，本发明提出一种利用烟囱效应自然通风辅助蓄热墙换热机械通风降低建筑能耗的方式。利用光伏玻璃幕墙8收集光电，阴天或者晚上需要通风的时候，打开房间窗户，利用收集的电量通给低温发热电缆11来加热烟囱内的空气，以提高烟囱的排风温度，由
△
p＝(ρ
t1
－ρ
t2
)gh可得，通过提高建筑排风温度以降低排风空气的密度ρ
t2
，室外新鲜空气从窗户进入，通过烟囱和房间相通的窗口排入烟囱，经过低温发热电缆11模块，排出空气被加热，提高了建筑自然通风的通风量。通过换热盘管7热交换将白天室内余热储存在内墙蓄热单元6，换热盘管7内的制冷剂通过空调室外机5在空调冷却盘管3内与由回风格栅1进入空调室内机进风口2的空气进行热量交换，冷却后的空气通过循环风机4再次回到室内。此外，内墙蓄热单元6靠近空调房间一侧和外墙蓄热单元10室外一侧分别设置第一保温隔热层15和第二保温隔热层17，以免
不必要的热量扩散。两个过程结合实现对建筑空气品质及室内热湿环境调控，减少建筑能耗，具有良好的运行经济性，具备大规模推广的前景。
54.本发明从建筑通风烟囱强化系统出发，提出一种利用光伏玻璃幕墙8发电，在烟囱壁面敷设低温发热电缆11加热烟囱内的空气。在房间吊顶上布置出风口，将通过和空调冷却盘管3热交换后温湿度适宜的空气由循环风机4通过出风口送回房间，并且在天花板另一侧布置回风口，进行回风处理，回收的室内余热通过空调室外机5与内墙蓄热单元6进行热量交换，并将热量存储在内墙以供烟囱排风加热，增加排风量，从而加强烟囱效应，实现室内降温调控，解决现有建筑通风烟囱运行效果不佳的问题，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。
55.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。