带有循环水室的活性玻璃,用于建筑物的能源管理



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玻璃幕墙的主要问题之一是与太阳辐射和热隔离有关。

1 介绍

如今,玻璃因其透明性和宽敞感而成为技术建筑中最常用的材料之一。

玻璃幕墙的主要问题之一是与太阳辐射和热隔离有关。为了增加双层玻璃板的隔热性,实现了带有氩气和低辐射层的气室。为了避免太阳辐射通过玻璃板进入,已经开发了红外辐射的反射层或阻挡层。

然而,玻璃幕墙没有热惯性,太阳辐射会导致建筑物内部的温室效应。结果,内部过热,舒适度下降。为了避免这些负面影响,Intelliglass 开发了一种革命性的玻璃系统:带有循环水室的双层玻璃板,用于传输吸收的太阳能。

由于水对可见光辐射是透明的,而对红外辐射是不透明的,因此只有太阳光谱中所需的可见部分才能进入建筑物。玻璃和水相结合的结果是一个有源玻璃系统,它能够将吸收的能量沿着外墙传输到能量储存水箱。后来,这种能源可用于空调目的或生产生活热水。如果不需要热量并且蓄热水箱达到其热量设定点,则多余的能量会通过外部低温或蒸发冷却消散。

该系统的主要目标是创建建筑物的等温围护结构,以在不放弃使用玻璃的优势的情况下降低 HVAC 能源成本。为此,Intelliglass 系统将产品集成到外墙或屋顶中,以在太阳热负荷进入建筑物之前消除它。太阳辐射的屏蔽可防止温室效应,从而立即节省能源。此外,它有助于改善建筑物内部的热舒适度,消除热梯度。

带有循环热水或冷水的双层玻璃窗也可用于建造建筑物的隔断。因此,可以使用这些称为 RadiaGlass 的内部隔板来补偿热负荷。另一方面,当使用 RadiaGlass 分隔系统和 iThermGlass 玻璃幕墙时,热惯性会增加。通过这种方式,内部温度振荡由这种额外的惯性控制,从而降低了建筑的峰值需求和能源消耗。

带水的双层玻璃还被用于开发一种新型太阳能集热器,称为 HeatGlass,它可以轻松、美观地集成到建筑物的外墙或屋顶中。太阳能被吸收后可用于加热建筑物内部或在需要时提供生活热水。

本文的目的是通过数值模拟展示采用 IntelliGlass 技术的零热能建筑的可行性。本文介绍了建筑和能源管理系统。还介绍和讨论了建筑模拟的结果。

2 建筑和能源管理系统描述

本研究的建筑是一个70平方米的原型住宅,涵盖了基本的生活功能:厨房带餐厅、浴室、客厅和两间卧室。客厅是一个开放的空间,iThermGlass屋顶和朝东南的玻璃滑动立面。卧室有朝北的小窗户。建筑物的基础是使用钢筋混凝土的储能水箱完成的。这个水箱是用 30 厘米厚的 EPS 面板隔离的。

该住宅的结构是由钢柱(方钢管)在混凝土罐处用高强度螺栓连接而成。层压木梁将用螺栓固定在钢制垂直结构上以形成屋顶。外墙由50mm厚的木板外侧组成,内侧为轻木板;木板之间的空腔填充了 100 毫米厚的 EPS 面板。

屋顶采用 IntelliGlass 技术解决:客厅的透明 iThermGlass 面板提供自然光,卧室上方的不透明 HeatGlass 面板吸收太阳能,用于生活热水或水箱中的能量储存。内部隔断是用于补偿内部热负荷的 RadiaGlass 面板。

该建筑系统的主要目标是:(i) 将活动玻璃板集成到建筑物的围护结构中,(ii) 作为整个建筑一部分的能源管理系统,(iii) 工业建筑,因为钢结构和其他建筑材料在车间精心设计和制造, (iv) 在外墙、内墙、地板和屋顶上使用木材和 EPS 层,具有出色的隔热和隔音性能。

该建筑的能源管理系统基于一个主环,其中连接了不同的设备(iThermGlass、HeatGlass、RadiaGlass、DHW、储水箱和游泳池)。每个人都充当能源生产者、能源储存者或能源吸收者。初级环和设备有一个循环泵,可以独立打开或关闭。每个设备都通过一个板式换热器连接到主环,该换热器允许从其提供或获取能量。

因此,能量可以通过主环从一个设备传输到另一个设备。例如,打开HeatGlass、RadiaGlass 和主环的循环泵,关闭其他循环泵。通过这种方式,HeatGlass 捕获的太阳辐射用于加热 RadiaGlass 内隔板。

循环泵由稍后解释的电子控制系统操作。

由于初级环中的水流方向是固定的,因此设备的顺序很重要。对于这个项目,订单是:iThermGlass、HeatGlass、RadiaGlass、DHW、储水箱和游泳池。

能源管理系统的操作如下。在冬季,太阳辐射通过南立面进入。为避免热振荡,热惯性由 RadiaGlass 控制。此外,iThermGlass 和 HeatGlass 吸收了太阳辐射,这些辐射通过初级环传输到其他设备。这种能量可以通过 RadiaGlass 面板直接传递给建筑内部供暖,也可以储存在储水箱中。

Radiaglass 隔板的使用可以在没有温度梯度或气流的情况下消除内部热负荷。最后,RadiaGlass 增加了建筑内部的热惯性,减少了白天的内部温度变化,从而降低了能源的峰值需求。当外部条件确实需要时,可以停止水循环,因此 iThermGlass 面板将捕获更高的太阳辐射,从而提高水温以使其接近舒适温度的最大值。

在夏季,iThermGlass 屋顶有一个玻璃屋檐,可以保护南立面免受红外线辐射。因此,太阳辐射被 iThermGlass 和 HeatGlass 屋顶阻挡。这些热量被传递到管理环,管理环决定哪些能量必须传递到储罐或游泳池。在夜间,游泳池可以排出屋顶捕获的多余热量。以这种方式制作的系统可以执行考虑到日期和建筑物占用的最佳策略。

3 控制系统

能源管理系统最重要的特征之一是它的控制系统。如前文所述,该建筑有多种不同的设备,它们必须协调运行才能在舒适度和能源效率方面获得最佳结果。在本节中,将描述控制系统背后的逻辑。控制系统操作打开或关闭不同设备和主环的水泵以传输和管理建筑物的能量。

控制系统的两个目标是:提供舒适的内部环境和达到高能效。为了同时实现这两个目标,需要分配优先级。首要任务是将内部条件保持在热舒适范围内。一旦达到舒适温度的设定点,就会使用多余的能量来加热储水箱或游泳池。

控制系统的另一个重要特征是两种不同的模式。根据一年中的季节,系统以“夏季”或“冬季”模式运行。这两种不同的模式对于使系统行为适应环境条件是必要的。

夏季模式在 5 月和 9 月之间起作用。为了冷却建筑物的内部,使用了自然对流。控制系统试图在夜间冷却建筑物的热惯性。这种称为“夜间冷却”的策略极大地提高了建筑物的能源效率,减少或消除了白天对冷却能源的需求。HeatGlass 收集的太阳能用于加热游泳池,试图将其保持在 35ºC。

冬季模式在一年中的其余时间起作用,他的逻辑稍微复杂一些。当建筑物的内部条件需要加热内部时,控制系统会验证 HeatGlass 或水箱是否可以提供它。HeatGlass 的可用性通过恒温器进行验证,该恒温器将太阳能集热器温度与内部温度进行比较。如果差值高于 7ºC,则假定 HeatGlass 可以加热内部。进行了类似的比较以验证水箱的可用性。

如果它们中的任何一个可用,系统就会打开 RadiaGlass 内部隔板,它用来自 HeatGlass 或来自水箱的能量加热,水泵也被打开(优先考虑 HeatGlass)。如果建筑物内部不需要供暖,而 iThermGlass 或 HeatGlass 正在收集太阳能,则这些能量会储存在水箱中以在需要时使用。如果需要冷却,控制系统会像夏季一样使用自然通风。在这种情况下,不需要“夜间冷却”。

4 数值结果和讨论

为了使用主动玻璃分析建筑物的热行为,开发了专有的建筑物理软件。该软件能够模拟有源玻璃的热和光谱响应 [2]。

为了验证该软件,每年都会运行一个示例测试用例的模拟。我们的结果与使用众所周知的经过验证的建筑物理软件 EnergyPlus 在同一测试案例中获得的结果进行了比较。

使用两个程序获得四个星期的内部温度。结果如图 3 所示。结果表明我们的模拟与 EnergyPlus 模拟之间具有良好的一致性。考虑到物理模型和数学模型在使用的气象数据方面存在一些差异,可以得出结论,专有软件能够为我们的目的提供足够准确的结果。

在对软件进行验证后,实施所研究建筑物的模型和逻辑控制系统以运行仿真。

安装了IntelliGlass能源管理系统的建筑物的内部温度几乎全年都在20ºC至26ºC之间。该温度范围可视为热舒适范围,因此无需任何额外的空调系统即可实现热舒适,且能耗低。

将此结果与没有该系统的建筑物的结果进行比较,可以看出内部温度长时间处于热舒适范围之外。这座建筑需要空调和供暖系统,大大增加了建筑的能耗。

IntelliGlass 系统的另一个优点是增加了游泳池的使用期。游泳池加热还可以防止太阳能集热器在夏季过热。

5 结论

通过 EnergyPlus 模拟开发和验证了新的模拟软件。该模拟器允许研究配备 IntelliGlass 技术和逻辑控制系统的建筑物的热行为。

初级能量环允许使用大量策略将能量从一个设备传输到另一个设备。控制逻辑的设计对于获得高能效非常重要。数值结果表明,在能源消耗和热舒适性方面,糟糕的策略可能表现不佳。对于这里研究的建筑物,模拟结果表明,即使在如此极端的气候下,也有可能在 HVAC 中实现零能耗。

最后可以说,在外墙使用 iThermGlass 主动玻璃技术,结合主动 RadiaGlass 内隔板和 HeatGlass 太阳能集热器,可以在大大降低能耗的情况下保持建筑物内部的热舒适性,获得一座零能耗建筑。

6 参考文献

[1] 美国能源信息署,“2010 年国际能源展望”,http:
//www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/index.html,2010 年。[2] W. Kays,“对流热传质”,McGraw-Hill Education,2004。
[3] A. Bejan,“对流热传递”。Wiley, Hoboken NJ,2004 年。
[4] R. Siegel,“热辐射传热”,Taylor & Francis,2002 年。
[5] A. Alonso González,“Ahorro energético en edificios climatizados mediumte sistema IntelliGlass”,马德里大学, 2010.
[6] I. Pontijas Fuentes,“Estudio del comporamiento espectral y termico de acristalamientos activos RadiaGlass”,马德里理工大学,2009 年。

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