CN211650599U

CN211650599U - 一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统

Info

Publication number: CN211650599U
Application number: CN201922257812.5U
Authority: CN
Inventors: 张卓奋; 周志华; 刘俊伟; 张德宝; 焦时飞
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2029-12-13

Abstract

本实用新型公开了一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，包括光伏组件冷却系统、辐射冷却系统、储冷罐、冷却盘管、管道、阀门和增压泵；本系统可以全天候将传递流体的温度降低至室外空气温度以下，既解决了光伏组件的高温问题，又能为建筑物提供冷量，为建筑节能和绿色建筑提供解决方案。

Description

一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统

技术领域

本实用新型涉及辐射冷却技术、光伏技术以及空调设备技术领域，更具体的说，是涉及一种包括辐射冷却系统、光伏组件冷却系统、储冷罐、冷却盘管、空调系统相结合的建筑物能源综合利用系统。

背景技术

近年来石油、煤炭、天然气三种能源日趋枯竭，建筑物总能耗占全国能耗总量的三分之一，而空调能耗和电力消耗往往占据建筑能耗的很大比例，因此充分利用可再生能源为建筑物提供能源势在必行。光伏技术是利用可再生能源发电的主要技术之一，然而光伏组件由于高温问题使得发电效率比较低，目前常用的光伏板冷却方式很难同时满足技术性和经济性。近年来辐射冷却技术在高效被动冷却方面的潜力备受关注，将辐射冷却技术、蓄冷技术和光伏技术相结合既能达到节能效果又能减少环境污染。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统及结构，该方法将辐射冷却技术、蓄冷技术和光伏技术相结合，不占用有效空间而且消耗极少不可再生能源，既能对光伏板进行冷却，提高光电转换效率，而且能够缓解常规机械制冷，为建筑物提供冷量，达到节能效果。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，包括光伏组件冷却系统、辐射冷却系统、储冷罐、冷却盘管、管道、阀门和增压泵；

所述光伏组件冷却系统包括光伏组件和光伏换热组件，所述光伏组件覆盖在光伏换热组件上方，两者之间通过导热硅胶粘接，所述光伏换热组件包括第一流体管和热管，所述热管包括冷凝段、绝热段和蒸发段，所述热管的冷凝段设置于第一流体管内，与第一流体管内的流体接触换热；

所述辐射冷却系统包括辐射冷却组件和冷却换热组件，所述辐射冷却组件覆盖在冷却换热组件上方，两者之间通过导热硅胶粘接，所述辐射冷却组件包括反射层和发射层，所述冷却换热组件包括进口歧管、出口歧管和第二流体管，所述进口歧管和出口歧管之间通过并排设置的第二流体管相连通，内部充满流体；

所述光伏换热组件和所述冷却换热组件之间、所述光伏换热组件和储冷罐之间、以及所述冷却换热组件和储冷罐之间分别通过管路相连通，在连接管路上设置有阀门和增压泵；

所述储冷罐与冷却盘管通过管路相连通，在连接管路上设置有阀门和增压泵；

所述冷却盘管设置于空调系统的蒸发器附近。

在上述技术方案中，所述流体为水、醇、油、纳米流体等换热介质。

在上述技术方案中，所述的光伏组件冷却系统呈倾斜放置，所述的辐射冷却系统在光伏组件冷却系统背阳倾斜放置。

在上述技术方案中，所述光伏板倾斜角度20°～40°，辐射冷却系统倾斜角度0°～30°。两排列光伏组件间距按《光伏发电设计规范》7.2.2条文计算，预留检修位置后，辐射冷却系统在此间距(150mm～300mm)内倾斜放置：

式中：L—阵列倾斜角长度；

D—两排列之间距离；

β--阵列倾角；

φ--当地纬度。

在上述技术方案中，在所述光伏换热组件、冷却换热组件、流体管以及管路外侧覆盖有保温材料。

在上述技术方案中，所述光伏换热组件和所述冷却换热组件之间一端通过G2G1G5G6管路连接，在G2G1管路之间设置第一阀门，在G5G6管路之间设置第三阀门；另一端通过G3G4G9G8G7管路连接，在G3G4管路之间设置第二阀门，在G7G8管路之间设置第四阀门，在G9G8管路之间设置第一增压泵。

在上述技术方案中，所述光伏换热组件和储冷罐之间一端通过G2G1G11G12管路连接，在G2G1管路之间设置第一阀门，在G11G12管路之间设置第五阀门；另一端通过G3G4G10G18G17G16G13管路连接，在G3G4管路之间设置第二阀门，在G18G17管路之间设置第七阀门，在G17G16管路之间设置第二增压泵。

在上述技术方案中，所述冷却换热组件和储冷罐之间一端通过G6G5G11G12管路连接，在G5G6管路之间设置第三阀门，在G11G12管路之间设置第五阀门；另一端通过G7G8G9G14G15G13管路连接，在G7G8管路之间设置第四阀门，在G9G8管路之间设置第一增压泵，在G14G15管路之间设置第六阀门。

在上述技术方案中，所述储冷罐与冷却盘管之间一端通过G19G20管路连接，在G19G20管路之间设置第八阀门，另一端通过G23G22G21管路连接，在G21G22管路之间设置第九阀门，在G22G23管路之间设置第三增压泵。

上述一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统包括蓄冷模式、光伏冷却+空调模式、光伏冷却模式及空调模式四种控制方式：

蓄冷模式：夜晚空调系统蒸发器和光伏组件均停止工作，开启第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第一增压泵，关闭其余阀门和增压泵，辐射冷却组件产生的冷量被储冷罐吸收储存。

光伏冷却+空调模式：当日间辐射冷却系统产生的冷量足以提供光伏组件冷却系统所需冷量时，开启第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第八阀门、第九阀门、第一增压泵和第三增压泵，关闭其余增压泵和阀门，来自于辐射冷却系统的冷却流体在第一增压泵的作用下流动至光伏组件背面的光伏换热组件，光伏换热组件中热管的设计通过相变快速将光伏组件的热量传递到冷却流体，使光伏换热组件的热提取率提高，冷却流体被加热后重新流动至辐射冷却系统，如此循环；夏季储冷罐储存的冷流体在第三增压泵的驱动下流动至冷却盘管，预冷室外空气送入空调系统蒸发器，提高空调系统效率。

光伏冷却模式：当辐射冷却系统产生的冷量不足以提供光伏组件冷却系统所需冷量时，开启第一阀门、第二阀门、第五阀门、第七阀门和第二增压泵，关闭其余阀门和增压泵，储冷罐的冷量在第二增压泵的驱动下直接冷却光伏组件。

空调模式：当空调系统蒸发器工作且光伏组件停止工作时，关闭第一阀门、第二阀门、第七阀门和第二增压泵，辐射冷却组件冷却储冷罐中的流体，冷流体在第三增压泵的作用下流动至冷却盘管，预冷室外空气。

本实用新型的优点和有益效果为：

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)利用辐射冷却技术和热管技术取代了传统的水冷散热器的设计，将流体温度降低至室外空气温度以下，能在消耗少量能源的基础上大量带走光伏背板热量，提高光伏组件光电转换效率。

(2)在光伏板间距之间安装辐射冷却系统，能够不占用有效空间且不受时间限制的获取天然冷量，节能环保。

(3)储冷罐可以将辐射冷却系统夜间及阳光强度低时产生的大量多余冷量吸收储存，用于建筑物空调系统以及阳光强度高时光伏板冷却，达到综合利用效果。

本实用新型所述一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，可以全天候将传递流体的温度降低至室外空气温度以下，既解决了光伏组件的高温问题，又能为建筑物提供冷量，为建筑节能和绿色建筑提供解决方案。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是光伏组件冷却系统的结构示意图。

图3是图2中光伏换热组件结构示意图。

图4是辐射冷却系统的结构示意图。

图5是图4中冷却换热组件示意图。

其中，1光伏组件冷却系统；2辐射冷却系统；3储冷罐；4-1第一增压泵；4-2第二增压泵；5-1为第一阀门；5-2为第二阀门；5-3为第三阀门；5-4为第四阀门；5-5为第五阀门；5-6为第六阀门；5-7为第七阀门；5-8为第八阀门；5-9为第九阀门；6辐射冷却组件；7冷却换热组件；8导热硅胶；9保温材料；10光伏组件；11发射层；12反射层；13光伏换热组件；14进口歧管；15出口歧管；16第二流体管；17冷却盘管；18蒸发器；19流体；20热管；21冷凝段；22绝热段；23蒸发段；24第一流体管；24-1流体入口；24-2流体入口；G管道。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1所示，本实用新型基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统及结构由光伏组件冷却系统1、辐射冷却系统2、储冷罐3、冷却盘管17、蒸发器18、增压泵4和阀门5组成，包括蓄冷模式、光伏冷却+空调模式、光伏冷却模式以及空调模式四种控制方式。所述的光伏组件冷却系统1呈倾斜放置，所述的辐射冷却系统2在光伏组件冷却系统1要求的间距内背阳倾斜放置。

如图1所示，蓄冷模式：夜晚空调系统蒸发器18和光伏组件10均停止工作，开启第三阀门5-3、第四阀门5-4、第五阀门5-5、第六阀门5-5和第一增压泵4-1，关闭其余阀门和增压泵，辐射冷却系统2产生的冷量通过管道G7、G8、G9、G14、G15、G13流动至储冷罐3吸收储存，储冷罐3中高温流体19通过管道G12、G11、G5、G6流动至辐射冷却系统2被冷却。

如图1所示，光伏冷却+空调模式：当日间辐射冷却系统2产生的冷量足以提供光伏组件冷却系统1所需冷量时，开启第一阀门5-1、第二阀门5-2、第三阀门5-3、第四阀门5-4、第八阀门5-8、第九阀门5-9、第一增压泵4-1和第三增压泵4-3，关闭其余增压泵和阀门，来自于辐射冷却系统2的冷却流体在第一增压泵4-1的作用下通过管道G7、G8、G9、G4、G3流动至光伏组件10背面的光伏换热组件13，光伏换热组件13中热管的设计通过相变特性快速将光伏组件10的热量传递到冷却流体，使光伏换热组件13的热提取率提高，冷却流体被加热后通过管道G2、G1、G5、G6重新流动至辐射冷却系统2，如此循环；夏季储冷罐3储存的冷流体在第三增压泵4的驱动下通过管道G23、G22、G21流动至冷却盘管17，预冷室外空气送入空调系统蒸发器18，提高空调系统效率，换热后的流体19通过管道G20、G19回流至储冷罐3。

如图1所示，光伏冷却模式：当辐射冷却系统2产生的冷量不足以提供光伏组件冷却系统1所需冷量时，开启第一阀门5-1、第二阀门5-2、第五阀门5-5、第七阀门5-7和第二增压泵4-2，关闭其余阀门和增压泵，储冷罐3的冷量在第二增压泵4-2的驱动下经过管道G13、G16、G17、G18、G10、G4、G3直接冷却光伏组件10，被光伏组件10加热后的流体19经过管道G2、G1、G11、G12回到储冷罐3。

如图1所示，空调模式：当空调系统蒸发器18工作且光伏组件10停止工作时，关闭第一阀门5-1、第二阀门5-2、第七阀门5-7和第二增压泵4-2，辐射冷却组件6的出口冷流体19经过管道G7、G8、G9、G14、G15、G13进入储冷罐3，储冷罐3出口高温流体19经过管道G12、G11、G5、G6流动至辐射冷却系统2继续被冷却；储冷罐3中储存的冷量在第三增压泵4的作用下经过管道G23、G22、G21流动至冷却盘管17入口，预冷室外空气，冷却盘管17出口处高温流体经过管道G20、G19流动至储冷罐3。

如图2所示的辐射冷却系统2由上至下依次是发射层11、反射层12、导热硅胶8、冷却换热组件7和保温材料9。所述发射层11可采用任何具有辐射冷却作用的单一材料或复合材料，包括但不限于由微米级球体和高分子基材组成，其中微米级球体为SiS2、SO2、石墨烯、硅藻土的一种或多种，高分子基材为PE、PP、PET、PVC、PVA、PET、TPX中的一种或者多种。所述反射层12可以镀银或者镀铝加介质膜，要求太阳光反射率达到95％以上。如图4所示的冷却换热组件7由进口歧管14、出口歧管15和流体管16组成，管内充满流体19，流体19可以采用水、醇、油、纳米流体等换热介质，要求换热性能好，管材可以采用铝板、钢板、铜板等，要求传热性能好。保温材料9可以采用挤塑聚苯板、岩棉板、聚氨酯等，要求保温性能好。辐射冷却组件6(包括发射层11和反射层12)吸收冷却换热组件7中流体19的热量，使流体温度冷却至环境温度以下，起到被动式冷却的作用。上述发射层11、反射层12、导热硅胶8、冷却换热组件7和保温材料9的尺寸、厚度大致是多少。

发射层11厚度为10μm～100μm，反射层12厚度为200nm～100μm,冷却换热组件7厚度为2mm～15mm,导热硅胶8厚度为50μm～100μm，四者宽度与光伏板宽度相同，长度为光伏板间距内0°～30°倾斜放置时除去检修位置后满足发射不受遮挡的长度，保温材料9厚度为1cm～7cm，尺寸为能完整覆盖辐射冷却系统底部及四周的最小面积。

如图3所示的光伏组件冷却系统1由上至下依次是光伏组件10、导热硅胶8、光伏换热组件13、和保温材料9。所述光伏组件10可采用由高效晶体硅太阳能电池片、钢化玻璃、EVA、背板及铝合金边框组成的任何结构形式。所述光伏换热组件13如图5所示，由热管20和流体管16组成，流体管16内充满来自于辐射冷却系统2的冷流体19，热管蒸发段23的工作液体受热蒸发并带走光伏组件10热量，蒸汽从中心流道流向热管冷凝段21，凝结成液体同时放出潜热至冷流体19，在毛细力的作用下液体回流到蒸发段23。上述光伏组件10、导热硅胶8、光伏换热组件13、和保温材料9的尺寸、厚度大致是多少。

光伏组件10厚度为20mm～50mm；光伏换热组件13中热管直径为2mm～15mm,长度与光伏组件相同，两根热管间距与热管直径比值为2～4，流体管16长度与光伏组件宽度相同，宽度与热管冷凝段21长度相同，高度为30mm～60mm；导热硅胶8厚度为50μm～100μm,尺寸与光伏换热组件尺寸相同；保温材料9厚度为1cm～7cm，尺寸为能完整覆盖光伏组件冷却系统底部及四周的最小面积。

在实施例1中，辐射冷却系统的制冷功率一般为50～120W/m²,24小时连续运行，例如：当建筑物屋顶面积为200m²时，光伏系统面积为70m²，辐射冷却系统80m²，平均制冷功率90W/m²,每小时制冷量7.2kW。假设提供8个小时的冷量冷却光伏板，光伏板原有效率15％，使光伏板降温10～30度，光伏板电效率增加4.5％～18％，每小时增加发电量为0.3kW～0.876kW；其余16个小时的冷量提供给空调系统，除去一部分冷量损失，总制冷量为90kW，相当于4匹空调连续运行9.6小时产生的冷量。相较于传统建筑物，大部分时间仅消耗一些阀门等电子元器件的电能，大约可节能20％～60％，平均节省电费在40％～65％之间。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：包括光伏组件冷却系统、辐射冷却系统、储冷罐、冷却盘管、管道、阀门和增压泵；

所述冷却盘管设置于空调系统的蒸发器附近。

2.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述流体为水、醇、油、纳米流体等换热介质。

3.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述的光伏组件冷却系统呈倾斜放置，所述的辐射冷却系统在光伏组件冷却系统背阳倾斜放置。

4.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述光伏组件冷却系统与所述辐射冷却系统之间的间距为150mm～300mm，光伏板倾斜角度20°～40°，辐射冷却系统倾斜角度0°～30°。

5.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：在所述光伏换热组件、冷却换热组件、流体管以及管路外侧覆盖有保温材料。

6.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述光伏换热组件和所述冷却换热组件之间一端通过G2G1G5G6管路连接，在G2G1管路之间设置第一阀门，在G5G6管路之间设置第三阀门；另一端通过G3G4G9G8G7管路连接，在G3G4管路之间设置第二阀门，在G7G8管路之间设置第四阀门，在G9G8管路之间设置第一增压泵。

7.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述光伏换热组件和储冷罐之间一端通过G2G1G11G12管路连接，在G2G1管路之间设置第一阀门，在G11G12管路之间设置第五阀门；另一端通过G3G4G10G18G17G16G13管路连接，在G3G4管路之间设置第二阀门，在G18G17管路之间设置第七阀门，在G17G16管路之间设置第二增压泵。

8.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述冷却换热组件和储冷罐之间一端通过G6G5G11G12管路连接，在G5G6管路之间设置第三阀门，在G11G12管路之间设置第五阀门；另一端通过G7G8G9G14G15G13管路连接，在G7G8管路之间设置第四阀门，在G9G8管路之间设置第一增压泵，在G14G15管路之间设置第六阀门。

9.根据权利要求1所述的一种基于全天候辐射冷却的建筑物能源综合利用系统，其特征在于：所述储冷罐与冷却盘管之间一端通过G19G20管路连接，在G19G20管路之间设置第八阀门，另一端通过G23G22G21管路连接，在G21G22管路之间设置第九阀门，在G22G23管路之间设置第三增压泵。