新型浅层地能、太阳能、风能一体化建筑空调系统.pdf

本发明首次尝试将密封的建筑内部打通为互通的整体来进行空气管理，首次提出了一种依靠地热恒温能源直接处理空气和水，分两路来维持室内空气和墙体温度的手段，在以此为主要辅助制冷和采暖方式的基础上，结合风电和太阳能为系统动力补充，以房屋较好的保温性为平台，以高效的阳光采集为提高室温的手段，有效解决了密封房屋内温度控制和空气质量以及换气的各种问题。

1.  一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物太阳能、风能和浅层地能一体化利用方案，其特征在于：在密闭的建筑物【1】向阳面的外墙之外设置太阳能风筒【2】，该风筒与建筑物相通的有两个进风口，分别是与建筑物顶部平行的进风口【3】和与建筑物地下室平行的进风口【4】，在进风口【3】和【4】处，设置有阀门【5】和【6】；在风筒最上部的出口【7】之上，设置有风能发电机组【8】，建筑物内部各房间之间上下楼板处均有通风孔【9】，在顶层阁楼的屋顶上有太阳能集热器【10】，与集热器【10】连接的有向下的太阳能辅助加热通风管道【11】，辅助加热管道【11】的底部与地下室的进风管【13】相通，相连接处设置有阀门【14】，进风管【13】在地下室内的出口处有阀门【15】，进风口的另一端与密封的微型调速风扇【16】相通，微型风扇【16】与地热井【17】里水下约30米处的热交换器【18】相通，热交换器【18】的进风管与设置在井口上方的空气净化器【19】相通，在空气净化器【19】的外部设置有太阳房【20】或遮阳物【21】，在热交换器【18】的内部，有潜水泵【22】，其出水口与地下室内的微型水泵【23】相通，微型水泵【23】与埋设在所有外墙体内的地热水管【24】相通，地热水管【24】的另一端与地热副井【25】相通。

2.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：该方法的太阳能风筒【2】为总高度超过建筑物【1】屋顶适当高度的深色筒状物体，截面形状以利于吸收阳光为易，在其外围有透明的保护罩【26】，以利于增温和防腐，在可能的技术条件下，将保护罩内处理为真空，可提高其性能，该风筒与建筑物相通的有两个进风口，分别是与建筑物顶部平行的进风口【3】和与建筑物地下室平行的进风口【4】，在进风口【3】和【4】处，设置有阀门【5】和【6】。

3.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：在建筑物【1】内部的各房间内，均设置有上下互通的通风孔【9】，其上下位置需相互错开，在通风孔【9】之上，设置可关闭或调节的旋转阀片【28】。

4.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：屋顶上方的太阳能集热器【10】镶嵌安装于斜屋顶上，上方为出口，与阁楼内的空间相通，与阁楼内相通处有阀门【29】。

5.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：与集热器【10】相通的太阳能辅助加热管道【11】，可以与太阳能风筒【2】材质相同，可做成独管状，亦可做成数根并列，其外可用玻璃围护，最好处理为真空。

6.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷等需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：该方法利用地能的介质为空气，以太阳能风筒【2】内的烟筒效应为主要动力，以风力发电机组【8】和太阳能电池系统【31】为辅助动力，打开阀门【3】和【15】时，系统制冷，打开阀门【4】和【14】时，系统制热。

7.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：在热交换器【18】的内部，有潜水泵【22】，通过不断抽水至地热水管【24】，以新涌出的地下水，来提高热交换器【18】的热交换效率。

8.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷等需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：在热交换器【18】之前设置空气净化器【19】，在空气净化器之前设置太阳房【20】和遮阳物【21】，在空气净化器【19】的内部，预留一定的空间，可投放香水和檀香等净化空气的物品。

9.  按照权利要求书1所述的，一种能同时满足建筑物通风换气、采暖制冷等需求的建筑物浅层地能与太阳能、风能一体化利用方案，其特征在于：其太阳能风筒顶部有一个出风口【7】，出风口【7】之上可安装风力发电机组【8】和防水罩【27】。

新型浅层地能、太阳能、风能一体化建筑空调系统
技术领域
一种浅层地能、太阳能、风能与建筑一体化利用设计方案。具体涉及到利用浅层地能和太阳能、风能，来实现建筑物自身的通风、采暖和制冷，进而以实现建筑物零能耗运营为设计目的一种建筑物通风、采暖和制冷空调系统。
背景技术
自然而无组织的换气在冬季必然会排出热空气，纳入冷空气，而夏季则相反，从而降低建筑内部居住的舒适性。如何能在换气的同时，不改变室温，不浪费热能，就是本系统主要想要达到的目的之一。
随着门窗技术的升级，越来越严密的密封性，在保持室温的同时，降低了室内的自然通风和换气率。然而人是需要消耗氧气的，所以在绝对密封的房间里，人无法正常居住。所以发明一种可以在密封环境下即不损耗热能，又能满足换气通风要求的方法是很有必要的。
建筑物的舒适度不仅仅是温度所决定的，风速和湿度，也起关键作用，所以健康换气问题对人体的健康和居住质量来说有着极重要的意义，是建筑物设计不可忽略的一个问题。
现有的空调系统和技术普遍存在能耗高、热交换效率低的缺点。而且在换气问题上，普遍没有完整的气流组织系统方案和实践经验。因此现代建筑中，巨大能源浪费和较差的居住环境的问题，是客观上普遍存在的。
而在浅层地能、太阳能、风能利用方面，由于没有一种以建筑物整体为设计主体的设计思想，所以局部的再生能源利用装置，存在低效和系统效果不稳定的种种弊端，难以彰显其价值，所以就没有较强的生命力，不足以普遍推广。
发明内容
该系统以相对密封的房屋为管理对象，利用太阳能风筒的烟筒效应作动力，进行有组织的室内强制通风，实现了在密封的房屋内，即不损失冷、热能，又能有全面彻底的通风。该系统利用地热的恒温做冷热源，通过空气和水作介质，在不消耗任何化学能源的基础上，实现了建筑物密封室内的采暖和制冷。
本发明在组织室内通风的设计上，依靠阳光为主能源，利用设置在建筑外部的太阳能风筒的烟筒效应中产生的抽力作主要动力，以热空气上升冷空气下沉的物理特性为气体管理的突破口，来组织空气有组织地流动，以达到在损失最小热能的基础上，进行健康强制换气的目的。
本发明首次尝试将建筑内部打通为互通的整体来进行空气管理，首次提出了一种依靠地热恒温能源直接处理空气和水，分两路来维持室内空气和墙体温度的手段，在以此为主要辅助制冷和采暖方式的基础上，结合风电和太阳能发电为系统动力补充，以房屋较好的保温性为平台，以高效的阳光采集为提高室温的手段，有效解决了密封房屋内如何保持适宜温度和较高空气质量的问题。
该发明的太阳能风筒【2】为总高度超过建筑物【1】屋顶适当高度的深色筒状物体，截面形状以利于吸收阳光为易。在其外围有透明的保护罩，以利于保温和防腐。在可能的技术条件下，将保护罩内处理为真空，可大大提高其性能。该风筒与建筑物相通的有两个进风口，分别是与建筑物顶部平行的进风口【3】和与建筑物地下室平行的进风口【4】，在进风口【3】和【4】处，设置有阀门【5】和【6】；用来调整空气流动方向。
风筒顶部有一个出风口【7】，出风口外可安装风能发电机组【8】。该风筒的高度一般为8-9米，是安装微型风力发电机的绝佳位置，一物多用成本低，既能提供一部分房屋的动力，还有利于风电的迅速普及发展。
本发明的技术方案为：
该发明在夏冬两季采用两种不同的通风方式来实现其目的。
夏季制冷建立在房屋的高隔热率之上，在日照渐强后，太阳能风筒【2】将内部空气加热，密度降低而上升，形成烟筒效应，从而产生动力，促使与之联接的，密封的室内上部的热空气通过进风口【3】而不断被抽走，而室外阴凉处的空气经过净化器【19】净化后，由地热井【17】进行冷却后通过地下室的进风管【13】进入室内地下室的最低部位，对室内空气进行补充，从而形成一种强制冷通风效果。
由于上方的热空气被不断抽出，而底部不断有冷空气进来补充，最终达到整个室内充满新鲜干净的冷空气。并且保持着一定的风速和湿度，给人们一个适宜的环境。另外屋顶的太阳能集热器【10】不仅提供辅助加热，加速循环，还起到遮阳降温的目的。另外，此模式的通风模式有利于发生火灾时，强制排出浓烟，降低人员发生事故的几率。并可以为人员的疏散和救治提供方便。
到了冬季，建筑的采暖依靠有效的保温方式，减少热量损失，之后由门窗等采集太阳能提高室温。与夏季不同的是，在冬季，太阳能风筒【2】抽取的不是房屋顶部阁楼内的热空气，而是房屋底部地下室的冷空气。而室外空气通过井口上方的玻璃太阳房【20】加热后，进入井水中进行二次加热，抽出的经井水加热过的空气经过太阳能辅助加热通风管道【11】进行第三次加热进入到屋顶安装的太阳能集热器【10】进行第四次加热后，进入室内。与此同时底部冷空气均匀抽走，上部热空气及时补充，最终热空气充满整个房屋。
到夜晚时，则打开微型调速风扇【16】缓慢使井水加温后的空气持续进入室内阁楼进行换气。
该方法是一种具有独立进风口的封闭式通风系统，这就为室内空气质量的控制和提高，提供了实施的可能。在作为进风口和冷热源的地热井【17】上方井口处，设置空气净化器【10】，可以降低空气中的浮尘及细菌，大大改善室内空气质量。彻底地消灭浮尘、飞虫和细菌的入侵，其次，可以通过有效的手段提高室内空气的质量和特性。比如可以在进风口外种植鲜花绿树，或在进风口定量投放居住者喜欢的香水或檀香，都可以改善空气品质，提高生活乐趣。另外在净化器上方设遮阳棚或种植鲜花树木来达到夏季降温，冬季安装太阳房即挡风又能采集热能，对进入室内的空气进行预热。
本方法所具有的又一好处是，它可以自动开启和停止工作。在阳光充足时，太阳能风筒内空气温度升高到比室内温度高过一定程度时，整个系统具有采暖能力时，才会开始通风循环，而夜晚则自动停止，不会损失白天吸取的热能。
系统的空调热交换器【18】的作用是在冬季将井水和大地中的热能传递给内部的空气，在夏季则将空气中的热能传递给井水和大地。本系统为提高井水的热利用效率，首次通过放置在空调热交换器【18】之内的潜水泵【22】不断地抽取主井水，使得新的水流涌入，来加强了空气交换器【18】的热交换效果，提高了空调系统的地能利用效率。而抽出的水，通过设置在墙壁内外的地热水管【24】或散热器，在对房屋的温度进行调节后，排入地热副井【25】内，经过土壤渗透后回到主井，以此达到使主井不断吸取大地热能的目的，进而达到提高空调系统效率的目的。而布置在具有良好保温效果的外墙体内侧孔的地热水管【24】，可以截断外墙的冷热交换，使室内墙体冬暖夏凉，极为舒适。
驱动水源流动的是微型水泵【23】，在两口井之间的管道要密封严密，促使虹吸现象的形成，从而进一步降低能源消耗。甚至可以在管路中，设置外墙太阳能加热墙，在日照强烈时，加热的水上升也可节约动力。
该供暖、制冷、通风一体化系统在采暖热量的获取、计算和使用上，是如此设计的：以利用井水地能加工后的空气所含恒温能源为基础，以太阳能加热为温度提高的手段，以墙体内恒温水管的墙温调整为减少热能损失的屏障，以屋顶太阳能集热器和太阳能热水器为补充，以太阳能电池和太阳能风筒效应和风力发电机为动力，来满足系统驱动和生活用水用电的需求，以建筑物的高效保温为舞台，来实现建筑物零能耗运营的梦想。最终实现太阳能、地能、风能与建筑的一体化设计，成为真正能实现建筑零能耗梦想的一种建筑物采暖制冷和通风系统。
附图说明
图1：空调系统夏季白天制冷工作原理图。
图2：空调系统冬季白天采暖工作原理图。
图3：空调系统冬季夜晚换气工作原理图。
图4：地泵系统恒温控制原理图。
图中：建筑物【1】、太阳能风筒【2】、与建筑物顶部平行的进风口【3】、与建筑物地下室平行的进风口【4】、阀门【5】和【6】、出风口【7】、风能发电机组【8】、通风孔【9】、太阳能集热器【10】、太阳能辅助加热通风管道【11】，地下室的进风管【13】、阀门【14】、阀门【15】、微型调速风扇【16】、地热井【17】、热交换器【18】、空气净化器【19】、太阳房【20】、遮阳物【21】、潜水泵【22】、微型水泵【23】、地热水管【24】、地热副井【25】、保护罩【26】、防水罩【27】、旋转阀片【28】阀门【29】、太阳能电池系统【30】。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明：
如附图1所示：夏季关闭风筒底部阀门【5】，关闭辅助加热通风管道【11】底部的阀门【14】，则在太阳能风筒【2】加热内部空气后上升通过出风口【7】排出，而室内热空气通过阀门【4】进入主风筒，被持续加热后上升排出，从而使密封的室内产生气压负差，而室外空气通过净化器【19】净化和热交换器【18】制冷后，通过阀门【15】进入建筑物地下室内，对抽走的热空气进行补充。上方的热空气被不断抽出，而底部不断有冷空气进来补充，最终达到整个室内充满新鲜干净的冷空气。
如附图2所示：冬季关闭风筒上部阀门【4】，打开风筒底部阀门【5】，打开辅助加热通风管道【11】底部的阀门【14】，关闭地下室的进风管【13】处的阀门【15】，则在太阳能风筒【2】加热内部空气后上升通过出风口【7】排出，而室内热空气通过阀门【5】进入主风筒，被持续加热后上升排出，从而使密封的室内产生气压负差，而室外空气通过太阳房【20】一级预热、净化器【19】净化和热交换器【18】二级加热后，通过阀门【14】进入辅助加热通风管道【11】内进行三级加热，然后上升进入太阳能集热器【10】进行四级加热后，进入室内，对底部抽走的冷空气进行补充。底部的冷空气被不断抽出，而顶部不断有热空气进来补充，最终达到整个室内充满新鲜干净的热空气。
如附图3所示：冬季夜晚关闭风筒上部阀门【4】，打开风筒底部阀门【5】，打开辅助加热通风管道【11】底部的阀门【14】，关闭地下室的进风管【13】处的阀门【15】，打开微型调速风扇【16】，使室外空气通过太阳房【20】、净化器【19】净化和热交换器【18】一级加热后，通过阀门【14】进入辅助加热通风管道【11】内，然后上升进入太阳能集热器【10】后，进入室内，对室内进行补氧。当产生负差后，迫使底部的冷空气被不断顶出，而顶部不断有新鲜空气进来补充，最终达到夜晚必要的换气效果。
如附图4所示：在热交换器【18】内部放置的潜水泵【22】，将恒温在10-15摄氏度的井水通过微型水泵【23】后，压进布置在建筑物墙体内的地热水管【24】，使其在墙体内散热或制冷，然后排进地热副井【25】，经过土壤渗透后，水流回到主井，完成水的循环。当管道内空气排尽后，潜水泵【22】停止工作，微型水泵【23】在虹吸作用辅助下开始工作，继续水流的循环。