CN101315228A - 散热及/或蓄能的方法、热交换装置及热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的方法，其利用位于建筑物高处的若干蓄水池和底部的若干筏基水池之间设有彼此连接的进出水管，使该水池之间的水能互相流通，及使流通的水先通过热交换装置热交换后，再流向筏基水池。如此，利用该筏基水池位于地表下恒温层，水具有恒温的特性蓄冷或蓄热。本发明同时揭示一种应用这种方法进行热交换的热泵系统，可抑制环境热污染、节省能源、提高热泵总体能源效率及降低运转成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热及/或蓄能的方法，特别地指一种利用筏基水池位于地表下的恒温层，筏基水具有恒温的特性，在夏天储热、冬天取热的方法。
背景技术
随着科技的进步和工业的高度发展，随之带给环境无限的冲击，尤其是全球气候变暖日趋严重，众多国际环保协议不断产生，环保与节能已成为大众的共识。众所周知，一般传统的冷冻、空调系统的运转过程，最终将废热排放到大气环境中，对环境影响巨大，不但是能源使用效率的损失，若区域性排放量过大时，更造成环境热效应的污染。若从能量守恒的观点而言，这些热气的能量相当于输入冷气机的电能，加上从冷气房所吸取的热量，而排出的热气能量会高于输入电力的数倍之多。
公知的热泵，例如图5所示，压缩机100高压侧的高热冷媒先进入一级热交换器101中热交换后，再进入二级热交换器102内进行二次热交换。冷却水在一级热交换器101内从冷媒中吸取大量焓后，热水被导出至使用端；然而，通过二级热交换器102热交换的冷却水，通过泵103泵送到冷却水塔104中，并通过风扇105加速与空气作热交换后，降温的冷却水又被导入循环中使用。完成二次热交换后的冷媒，进入膨胀阀106进行气化，低压、低温冷媒在蒸发端热交换器107中，与来自使用端的循环水进行热交换后回到压缩机100的低压侧，该释放热能后的冷水则被导出至使用端。
虽然，在理论上不论外界气温度多低，只要可充分地降低冷媒的蒸发温度在大气温度以下，即可利用温度差吸收大气中的热。但，在夏天高温湿热、冬天则高湿阴冷的岛型气候的地区，相对湿度经常超过80％，甚至达到90％以上；因此，在夏天高压侧经常压力太高，冷却效率不佳，而冬天高压不容易建立，从外界不能吸收到足够的热，需很长暖机时间，总体能源效率不高且运转成本相对亦高。此外，传统热泵有待改善的缺点还包括：
1)公知的热泵需要建设冷却水塔的费用。
2)公知的热泵，需要一个冷却水循环泵和一个散热风扇长时间(几乎不停歇)运转散热，耗费能源。
3)公知的热泵将废热排放于大气环境中，造成环境热效应的污染。
4)公知热泵的冷却水塔须定期清洗及维护，且有滋生集团病菌的问题。
5)公知的热泵受气候温度、湿度的影响非常大，尤其是在高湿热或高湿冷的气候区域，冷却效率不佳。
在此引入中国台湾发明公开公报第200702610号、中国台湾新型专利公报第361614号、中国台湾新型专利公报第M279831号作为参考。
发明内容
依据自然法则，在大地表层下深度0.5米～1米属于日恒温层，1米～100米之间属于年恒温层，所谓恒温层是指在太阳能或地心热的交互作用下，经常保持在恒定的温度范围内。日恒温层所温度仍然会受到太阳照射的影响，夏季与冬季会产生差别变化，年恒温层则几乎与太阳照射毫无相关性，因此，夏季与冬季的温度几乎没有变化。以台湾地区而言，年恒温层的温度经常保持在约20℃～22℃之间，这可视为巨大的能源储存库。
从另一方面来说，筏式基础为现代高楼建筑的基本型式，大型建筑物为减低土层内部因基础载重产生的应力集中现象，而将最底层空间即地下楼层之下(通常约1～3米之间)设计成一个巨大水池，类似船舶浮于水中的原理，使建物的重心更低、基础更稳固。一般的高楼层建筑结构，在高处建有若干个蓄水池，例如自来水蓄水池、消防水蓄水池、中继蓄水池或其它用途的蓄水池等。然而，筏基水池属于筏式基础的一部分，一般建筑物几乎都采全面积开挖，因此在地下楼层更深的底部除了一小部份作为污水池和自来水池之外，整个筏基分隔成多个筏基水池，且彼此之间底部互相连通以形成一个巨大的蓄水池，若以蓄水量比例而言至少为高处蓄水池的十倍以上，甚至数十倍之多，将视建筑物的总重量而有所不同。
由于筏基水池位于地表恒温层，其水具有恒温的特性，例如，在台湾地区水温常年保持在20℃～22℃之间，低于夏季气温许多且又高于冬季气温许多，大约介于两者之间的平均值，相较于大气温度其稳定性非常高，鉴于能源取之于大地，用之于大地的思维，若能通过适当的手段夏天储热、冬天取热，其储存量非常巨大且再生迅速，取之不尽用之不竭。
本发明的主要目的在于提供一种利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的方法，将地表下恒温层的地恒温能量加以利用。
为了实现上述目的及其它目的，本发明提供的利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的方法，至少包括：
在建筑物底部至少设有一筏基水池并蓄有水；
在该建筑物内设至少一个热交换装置，用以制冷及/或制热，其包含进水端及出水端；
在该筏基水池至少设置一出水管连接该热交换装置的进水端，及至少设置进水管连接该热交换装置的出水端，使水能流动；
该筏基水池的水自出水管导入该热交换装置进行热交换后，从进水管回流至筏基水池等。
如此，通过该筏基水池位于地表下恒温层，其水具有恒温的特性在夏天储热、冬天取热，而且不会造成环境热效应污染。
本发明同时公开了一种应用上述方法的热泵系统，利用地表下恒温层的地能和少量的用电，即可维持建筑物的制冷、制热及热水供应等功能。
为实现上述目的及其它目的，本发明提供的利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的热泵系统，其至少包括：压缩机、凝结端热交换器、蒸发端热交换器及膨胀构件，彼此之间通过配管连接构成冷媒循环回路；在建筑物高处至少设一蓄水池并蓄有水，及在建筑物底部至少设一筏基水池并蓄有水；其中，该蓄水池和筏基水池之间至少设有一下水管及一上水管使水对流，该蓄水池的水自下水管流向筏基水池时，先通过该凝结端热交换器或蒸发端热交换器，经热交换后再流向筏基水池。
如此，该热泵系统利用筏基水池夏天储热、冬天取热，可抑制环境热污染、节省能源，提高热泵总体能源效率及降低运转成本。
附图说明
图1为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的第一种实施方法的步骤框图。
图2为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的第二种实施方法的步骤框图。
图3为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的热泵系统的示意图；其中显示为夏天模式。
图4为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的热泵系统的示意图；其中显示为冬天模式。
图5为公知的冷水机的冷冻循环示意图。
具体实施方式
以下将配合实施例对本发明技术特点作进一步地说明，该实施例仅为较佳的范例并非用来限定本发明的实施范围，谨通过参考附图结合下列详细说明而提供最好的理解。
图1为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的第一种实施方法的步骤框图。根据本实施方法，其步骤至少包括：
在建筑物底部设置至少一个筏基水池并蓄有水。
在该建筑物内至少设一热交换装置，例如，用于制冷及/或制热用的热交换装置，其包含进水端及出水端；
在该筏基水池至少设置一出水管连接该热交换装置的进水端，及至少设置一进水管连接该热交换装置的出水端，使水能循环流动；
使筏基水池的水，例如经过一扬水泵从出水管导入该热交换装置热交换后，从进水管回流至筏基水池。
图2为本发明利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的第二种实施方法的步骤框图。本实施方法不同之处在于该筏基水池的水又与设在建筑物高处的至少一个蓄水池中的水进行对流交换。其步骤至少包括：
在建筑物高处至少设有一蓄水池并蓄有水，及在建筑物底部至少设有一筏基水池并蓄有水；
在该蓄水池与筏基水池之间设有一下水管及一上水管，使两水池之间的水能对流；
在该建筑物内至少设一热交换装置，并使该蓄水池的水从下水管流向筏基水池时，先通过该热交换装置热交换后再流向筏基水池。
根据本发明，上述实施例中利用一般高楼层建筑物在建筑法规的规范下即具备有的筏基水池和蓄水池等结构，不需要另外建设，只须注意的是筏基水池的水平面高度至少应低于地面以下五十公分，使其处于地表恒温层，而一般具有地下楼层的建筑物即超过五十公分以下，因此已绰绰有余。较佳地，该下水管及上水管材料选用不会对环境造成冲击、不会污染水质的材料，例如不锈钢、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)或ABS(丙烯晴-丁二烯丙烯-苯乙烯共聚物)等。该两水池的对流方式，例如让蓄水池的水在无动力驱动下从下水管流向筏基水池，该筏基水池的水则通过一扬水泵驱动从上水管回流到蓄水池。又，该蓄水池内预设有水位上限和水位下限，并分别通过公知的水位开关检测上限点和下限点，当蓄水池的水不足时则由筏基水池的水迅速补充；另外，该筏基水池亦需要准备补充水源，在水量不足时可从外界补充进来。
如此，通过该筏基水池位于地表下恒温层，其水具有恒温的特性在夏天储热、冬天取热，而且不会造成环境热效应污染。
根据本发明，上述热交换装置可由若干制冷或制热用的热交换器所构成，该热交换器可以为例如壳管式热交换器等，其包含一冷媒回路和一冷却水回路两者可热传地设置在一起。该热交换器，可以是一种热泵系统中的凝结端热交换器或蒸发端热交换器。
如图3和图4所示，显示了一种利用建筑物筏基水散热及/或蓄能的热交换装置应用在建筑物1的热能管理热泵系统2中的实施例，谨以此实施例为代表更进一步说明如下。
根据本发明的热泵系统2，用以维持建筑物1的制冷、制热及热水供应的需求等。其基本上包括：压缩机21、凝结端热交换器23、膨胀构件24及蒸发端热交换器25等，彼此之间以冷媒管R连接构成封闭循环回路；其中，该凝结端热交换器23又包含热导出单元22，来自压缩机21高压侧的高热冷媒系先经过该热导出单元22热交换后再进入凝结端热交换器23。按照本发明，该热导出单元22、凝结端热交换器23及蒸发端热交换器25等系以水为热交换媒介，其分别具有一进水管Wi将水导入，及具有一出水管Wo将水导出。并且，在该凝结端热交换器23的进水管Wi和蒸发端热交换器25的进水管Wi之间，设有多个连通管Wp1、Wp2；该进水管Wi上分别设有阀Vi介于两连通管Wp1、Wp2之间，及该连通管Wp1、Wp2上各设有阀V1、V2。及，该凝结端热交换器23的出水管Wo和蒸发端热交换器25的出水管Wo之间，设有多个连通管Wp3、Wp4；该出水管Wo上分别设有阀Vo介于两连通管Wp3、Wp4之间，及该连通管Wp3、Wp4上各设有阀V3、V4。
上述建筑物1，其顶部建有多个蓄水池11，例如自来水池、消防水池或其它用途的蓄水池等，及在底部的筏基规划成多个水池，例如筏基水池12、污水池13及自来水池等。该蓄水池11蓄有水，并通过公知的水位开关设定有水位上限和水位下限(未图示)等，及该筏基水池12蓄有水，且备有补充水源(未图示)，可在水量不足时从外界补充进来。及，该蓄水池11与筏基水池12之间至少设有下水管Wd及上水管Wu，使该蓄水池11的水在无动力驱动的情况下，能自下水管Wd流向筏基水池12；又，该筏基水池12的水则通过一扬水泵121驱动从上水管Wu回流到蓄水池11。
根据本发明，在该筏基水池12旁侧的污水池13内，又设有多个个串连一起的沉浸式热交换器131沉浸在污水中。该下水管Wd包括上段部分和下段部分Wd’，上段部分的一端连接在蓄水池11的底部上，另一端则与凝结端热交换器23的进水管Wi连接在一起。该下水管Wd的下段部分Wd’的一端与凝结端热交换器23的出水管Wo连接在一起，另一端连接在该污水池13内的沉浸式热交换器131的进水口上，及该沉浸式热交换器131的出水口通过出水管Wo连接到该筏基水池12。另外，该下水管Wd’下端通过三通阀VT分歧有旁管Wd’连接该筏基水池12。如此，上述蓄水池11的水从下水管Wd流向筏基水池12时，可选择地先通过该凝结端热交换器23或蒸发端热交换器25经热交换后再流向筏基水池12。及，通过凝结端热交换器23或蒸发端热交换器25后流向筏基水池12的水，可选择地再通过该沉浸式热交换器131热交换后，再排放到筏基水池。为了避免污染水质，该沉浸式热交换器131较佳地采用无接缝设计，且焊接处应高于污水面之上。
根据本发明，该热导出单元22介于压缩机21高压侧与凝结端热交换器23之间，高压侧的高热冷媒先进入热导出单元22与来自进水管Wi引进的水热交换后再进入凝结端热交换器23进行二次冷却；然而，从冷媒中吸取大量焓值的热水则从出水管Wo被导出，流至热水供应系统，例如先暂存在一热水储筒再供应至客户端(本发明不涉及此部分的改良，故予以省略)。
图3显示为一种夏天的操作模式，按照本发明的热泵系统2，包括一公知的控制单元(未图标)，在夏天的操作模式下，控制该凝结端热交换器23的进水管Wi、出水管Wo的阀Vi、Vo，及蒸发端热交换器25的进水管Wi、出水管Wo上的阀Vi、Vo为打开(ON)状态；且控制连通管Wp1、Wp2、Wp3、Wp4上的阀V1、V2、V3、V4为关闭(OFF)状态。上述蓄水池11的水，在无动力驱动的情况下，从下水管Wd流向凝结端热交换器23，从进水管Wi进入与饱和态冷媒进行二次热交换，冷却水从出水管Wo被导出经下水管Wd’流向三通阀VT；此时，控制单元视负载端需求量而控制三通阀VT流向，若需求量不高时直接排放到筏基水池12；若需求量很高时，则选择流经该沉浸式热交换器131与污水池13的污水热交换后，再排放到筏基水池12中。
另一方面，通过凝结端热交换器23完成二次热交换后的冷媒，进入膨胀构件24使饱和液态冷媒进行气化，低压、低温冷媒在蒸发端热交换器25内与来自客户端的循环冷水进行热交换，吸取液气相变化需求的潜热后回到压缩机21的低压侧。该循环冷水自进水管Wi进入蒸发端热交换器25释出大量热能后，从出水管Wo被导出至冷气供应系统(本发明不涉及此部分的改良，故予以省略)。
反之，图4显示为一种冬天的操作模式，按照本发明，该控制单元在冬天的操作模式下，控制该凝结端热交换器23的进水管Wi、出水管Wo的阀Vi、Vo，及蒸发端热交换器25的进水管Wi、出水管Wo上的阀Vi、Vo成OFF状态；且控制连通管Wp1、Wp2、Wp3、Wp4上的阀V1、V2、V3、V4成ON状态。该蓄水池11的水，从下水管Wd流经连通管Wp3从进水管Wi进入蒸发端热交换器25内释出量热能后，从出水管Wo被导出流经连通管Wp4至下水管Wd’并流向三通阀VT；此时，控制单元视负载端需求量而控制三通阀VT流向，若需求量不高时直接排放到筏基水池12；若需求量很高时，则选择流经该沉浸式热交换器131与污水池13的污水热交换后，再排放到筏基水池12中。另外，来自暖气客户端的循环水，从进水管Wi流经连通管Wp1进入凝结端热交换器23吸取冷媒凝结潜热后，从出水管Wo被导出流经连通管Wp2，回到暖气供应系统(本发明不涉及此部分的改良，故予以省略)。
或许，有人会怀疑长时间排热会使整个筏基和周围的地壳产生温升；熟悉此项技术的人可以理解的是，地壳(土壤及岩石)的比热非常大且加热不易，再加上地面下的湿气会流动，自然产生平衡，其恒温性非常地稳定优异。举例而言，在发明人的测试范例中，筏基水池的蓄水量约630吨，若以最高负载量70％计，足以提供200冷冻吨的主机约12小时一次循环，在主机高压侧的热导出单元可撷取约60℃以上的热水至热水供应系统，通过凝结端热交换器排放到筏基水池的水约35℃左右，该冷却水只要停留在筏基水池的时间约4～6个小时即可从35℃的恢复到20℃～22℃左右。无论是夏天或冬天都能与外界大气维持至少10℃以上的温差梯度，因此使热泵系统的整体的能源利用效率达到极致。
综上所述，为了比较本发明技术与传统技术的差别，归纳出下列的优缺点：
1)本发明的技术，除了不会增加额外工程费用之外，更可节省冷却水塔的建设费用。相对地，传统技术需要建设冷却水塔的费用。
2)本发明的技术，筏基水池与蓄水池之间只要一个扬水泵短时间运转使水对流即可，在相同的条件下比传统技术节能。相对地，传统技术需要一个冷却水循环泵和一个散热风扇长时间(几乎不停歇)运转散热，耗费能源。
3)本发明的技术，将废热储存于地表下，不会造成环境热效应污染。相对地，传统技术将废热排放于大气环境中，造成环境热效应污染。
4)本发明的技术，没有冷却水塔清洗及维护的问题。相对地，传统技术的冷却水塔须定期清洗及维护，且有滋生集团病菌的问题。
5)本发明的技术，冷却效率不受气候的温度、湿度的影响，整体能源利用效率可达到极致。相对地，传统技术受气候温度、湿度的影响甚大，尤其是在高湿热或高湿冷的气候地区，冷却效率不佳。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不局限本发明的实施范围，熟悉此项技术的人员可以理解的是，该热泵对于诸如单效型热泵、双效型热泵、多效型热泵或冷水机等都能够适用，凡不偏离本保护范围所作的均等变化与修饰，应仍属本发明的涵盖范围。
Claims (17)
1.一种散热及/或蓄能的调节热能方法，其特征至少包括：
在建筑物底部至少设有一筏基水池并蓄有水；
在该建筑物内至少设一热交换装置，其包含进水端及出水端；
在该筏基水池至少设一出水管连接该热交换装置的进水端，及至少设一进水管连接该热交换装置的出水端，使水能流动；
将该筏基水池的水从出水管导入该热交换装置热交换后，从进水管回流至筏基水池。
2.一种散热及/或蓄能的方法，其特征至少包括：
在建筑物高处至少设有一蓄水池并蓄有水，及底部至少设有一筏基水池并蓄有水；
于该蓄水池与筏基水池之间设有下水管及上水管，使两水池之间的水能对流；
在该建筑物内至少设一热交换装置，并使该蓄水池的水从下水管流向筏基水池时，先通过该热交换装置热交换后再流向筏基水池。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该筏基水池的水平面至少低于地面下五十公分。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该热交换装置为一种应用在热泵系统中的凝结端热交换器或蒸发端热交换器。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该下水管和上水管的材料选用无污染水质的材料。
6.一种散热及/或蓄能的热交换装置，其具有冷媒回路和冷却水回路，两者可热传地设置，设置在建筑物内用以调节热能；该建筑物高处至少设有一蓄水池并蓄有水，及底部至少设有一筏基水池并蓄有水；其特征在于：
该蓄水池和筏基水池之间至少设有一下水管及一上水管使水能对流，该蓄水池的水从下水管流向筏基水池时，先通过该热交换装置的冷却水回路与冷媒回路热交换后再流向筏基水池。
7.如权利要求6所述的热交换装置，其特征在于，该蓄水池的水在无动力驱动下从下水管流向筏基水池。
8.如权利要求7所述的热交换装置，其特征在于，该筏基水池的水通过扬水泵驱动从上水管回流到蓄水池。
9.如权利要求8所述的热交换装置，其特征在于，该热交换装置为一种应用在热泵系统中的凝结端热交换器。
10.如权利要求8所述的热交换装置，其特征在于，该热交换器为一种应用在热泵系统中的蒸发端热交换器。
11.一种散热及/或蓄能的热泵系统，用于建筑物的热能管理，其至少包括：压缩机、凝结端热交换器、蒸发端热交换器及膨胀构件，彼此之间通过配管连接构成冷媒循环回路；该建筑物顶部至少设有一蓄水池并蓄有水，及底部至少设有一筏基水池并蓄有水；其特征在于：
该蓄水池和筏基水池之间至少设有一下水管及一上水管使水对流，该蓄水池的水从下水管流向筏基水池时，可选择地先通过该凝结端热交换器或蒸发端热交换器进行热交换后再流向筏基水池。
12.如权利要求11所述的热泵系统，其特征在于，该凝结端热交换器还包含热导出单元。
13.如权利要求12所述的热泵系统，其特征在于，压缩机高压侧的冷媒先经过该热导出单元后，再进入凝结端热交换器。
14.如权利要求13所述的热泵系统，其特征在于，该蓄水池的水在无动力驱动下从下水管流向筏基水池。
15.如权利要求14所述的热泵系统，其特征在于，该筏基水池的水通过扬水泵驱动从上水管回流到蓄水池。
16.如权利要求15所述的热泵系统，其特征在于，该筏基水池的旁侧还包含污水池蓄有污水，及该污水池内至少设有一热交换器；该蓄水池的水通过凝结端热交换器或蒸发端热交换器后可选择地再通过此热交换器，然后再排放到筏基水池。
17.如权利要求16所述的热泵系统，其特征在于，该热泵选自单效型热泵、双效型热泵、多效型热泵、热回收冷水机或冷水机中的一种。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102338433A (zh) * | 2010-07-26 | 2012-02-01 | 浙江耀能科技有限公司 | 一种利用低谷电储能的蓄水池结构 |
| CN103161324A (zh) * | 2011-12-08 | 2013-06-19 | 孙家宏 | 蒸发式调温建筑 |
| CN111794560A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-10-20 | 北京工业大学 | 一种控温装配式板房 |
| CN114293625A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-04-08 | 中国核工业华兴建设有限公司 | 一种民用住宅施工阶段的水循环收集系统及使用方法 |
-
2007
- 2007-06-01 CN CNA2007101107133A patent/CN101315228A/zh active Pending
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