CN105066498A - 一种建筑用二氧化碳空调系统及含有该空调系统的建筑物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑用二氧化碳空调系统及含有该空调系统的建筑物。本发明的一种建筑用二氧化碳空调系统，包括室内换热器、二氧化碳压缩机、地源换热器和换向装置，室内换热器、二氧化碳压缩机和地源换热器通过二氧化碳循环管路连接形成循环回路，换向装置设置在二氧化碳循环管路中，室内换热器设置在建筑楼板中和/或墙体中；地源换热器设置在地下。其有益效果是：利用二氧化碳将地热或者地冷的热量循环到建筑物中，通过辐射交换热量的方式来提供热源或者冷源，成本低、低能耗、无污染、均温性好。不仅能节约建筑空间，而且室内温度分布均匀，室温波动小，无吹风感、无噪声，人体舒适性和节能效益比常规空调好。

Description

一种建筑用二氧化碳空调系统及含有该空调系统的建筑物
技术领域
本发明涉及建筑用空调系统领域，特别涉及一种建筑用二氧化碳空调系统及含有该空调系统的建筑物。
背景技术
目前，随着人们对居住品质和室内舒适要求度的提高，以及建筑节能的发展和要求的进一步提高，导致传统的楼用空调系统的弊端越来越明显。在制冷剂方面，目前国内外的空调系统都是采用氟利昂作为制冷剂，但是氟利昂会破坏大气臭氧层，从而产生较高的温室效应。由于氨(R717)的不稳定性而且成本非常高，会使制冷系统存在不安全因素，故氨(R717)也不适合作为空调制冷剂。
在结构安装方面，常规空调系统通常是水源式热泵机组或空气源式热泵机组，以水作为载冷剂输送到末端风机盘管内，给建筑物提供所需的冷量或热量，楼面存在空调管路和出风口，为了遮挡空调水管、风管，通常需要设计吊项装置，如此设置即占用了大量的建筑空间，这无疑也增加了一定的投资，还存在噪声大、单位面积能耗高、系统效率较低，温度分布不均匀等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、低能耗、无污染、均温性好的建筑用二氧化碳空调系统。
本发明一种建筑用二氧化碳空调系统，其技术方案为：
一种建筑用二氧化碳空调系统，包括室内换热器、二氧化碳压缩机、地源换热器和换向装置，室内换热器、二氧化碳压缩机和地源换热器通过二氧化碳循环管路连接形成循环回路，二氧化碳循环管路的内直径与外直径的比值为0.99∶1～0.2∶1；换向装置设置在二氧化碳循环管路中，室内换热器设置在建筑楼板中和/或墙体中；地源换热器设置在地下。
本发明一种建筑用二氧化碳空调系统，还可以包括以下附属技术方案：
其中，空调系统通过换向装置实现供冷或者供热的调换。
其中，室内换热器是预埋在建筑楼板中和/或墙体中的换热管；室内换热器和地源换热器能够承受80bar～120bar的压力。
其中，地源换热器是并排管体、U型管体或螺旋管体中的任一种或任几种，埋设在地下20m～80m。
其中，空调系统利用二氧化碳作为单一制冷剂；并包括一个或多个二氧化碳压缩机；二氧化碳压缩机压缩二氧化碳的质量流量是0.5kg/s～1.5kg/s。
其中，地源换热器埋设在冻土层，地源换热器是不锈钢管。
其中，二氧化碳循环管路中设置有用于节流降压的节流阀。
其中，换向装置是包括有a、b、c、d四个连接端的四通换向阀，四通换向阀的a端与二氧化碳压缩机的一端连接，b端与地源换热器连接，c端与二氧化碳压缩机的另一端连接，d端与室内换热器连接。
其中，换向装置是设置在二氧化碳循环管路中的多个电磁阀。
本发明还提供了一种建筑物，其技术方案为：
一种建筑物，包括上述的一种建筑用二氧化碳空调系统。建筑用二氧化碳空调系统可用于商业、工业、民用建筑，例如商场、写字楼、工厂、公寓等。
名词解释：
室内换热器：由安装在建筑物每层楼板内的管组组成，用于给房间加热或制冷的装置。
地源换热器：安装在地面冻土层下的换热器，用于与地源进行热交换的装置。
跨临界循环：系统冷凝温度高于临界温度，蒸发温度低于临界温度的制冷循环。
亚临界循环：系统的冷凝温度、蒸发温度均低于临界温度的制冷循环。
bar是压强单位，1巴(bar)＝100千帕(KPa)＝10牛顿/平方厘米＝0.1MPa。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明的一种建筑用二氧化碳空调系统，利用二氧化碳将地热(冬天)或者地冷(夏天)的热量循环到建筑物中，通过辐射交换热量的方式来提供热源或者冷源，成本低、低能耗、无污染、均温性好。不仅能节约建筑空间，而且室内温度分布均匀，室温波动小，无吹风感，无噪声，人体舒适性和节能效益比常规空调好。采用CO2作为制冷剂的空调系统，相同冷负荷(或热负荷)条件下，CO2空调系统可节能高达70％-80％。
本发明的一种建筑用二氧化碳空调系统与常规空调系统相比，具有以下优势：
常规空调系统末端采用风机盘管形式，能耗较高，占用空间大，而本发明将末端换热器预埋在每层楼板内，利用钢筋混凝土作为导体，向外散发热量或冷量，没有能量消耗，不占用建筑空间。
常规空调系统通常是水源式热泵机组或空气源式热泵机组，以水作为载冷剂输送到末端风机盘管内，给建筑物提供所需的冷量或热量，系统效率较低，能耗大。本申请是直接利用制冷剂CO2作为载体，吸收地源侧的冷量或热量，用于房间的供冷和供热，并且末端换热器预埋在每层楼板内。整个系统运行简单，便于管理；并且系统只有压缩机耗电，系统运行效率高，能耗低。由于CO2临界温度较低，只有31.06℃，系统跨临界循环时效率较低，本申请通过地源换热器和楼板内换热器形式，使得CO2制冷系统运行在亚临界循环范围内，大大提高系统循环效率。而CO2自然含量高，来源广泛，成本低，价格便宜。对环境友好(ODP＝0，GWP＝1)，具有良好的安全性，无毒，不可燃，单位容积制冷量大，是氟利昂的4～8倍。
附图说明
图1为本发明实施例一所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统示意图
图2为本发明实施例二所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统示意图
图3为本发明实施例所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统的埋设有有换热管的楼板结构示意图
1、二氧化碳压缩机；2、地源换热器；3、节流阀；4、室内换热器；5、四通换向阀；6、第一电磁阀；7、第二电磁阀；8、第三电磁阀；11、第四电磁阀；9、换热管；10、楼板。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
参见图1为本发明本实施例所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统示意图，本实施例提供的一种建筑用二氧化碳空调系统，包括室内换热器4、二氧化碳压缩机1、地源换热器2和换向装置，室内换热器4、二氧化碳压缩机1和地源换热器2通过二氧化碳循环管路连接形成循环回路，换向装置设置在二氧化碳循环管路中，室内换热器4设置在建筑楼板中和/或墙体中；地源换热器2设置在地下。本实施例中，二氧化碳循环管路的内直径与外直径的比值为0.99∶1～0.2∶1，优选0.95∶1～0.7∶1，具体数值可以选择0.99∶1，0.95∶1，0.85∶1，0.7∶1，0.2∶1，上述关于二氧化碳循环管路的内直径与外直径比值的限定，即利于二氧化碳的传输，又能够保证安全。二氧化碳循环管路中还设置有用于节流降压的节流阀3，方便调节。空调系统以地冷或者地热作为冷源或者热源，并通过换向装置实现冷源或者热源的调换。室内换热器4是预埋在建筑物楼板中和/或墙体中的换热管9。将末端换热器预埋在每层楼板10内，利用钢筋混凝土作为导体，向外散发热量或冷量，没有能量消耗，不占用建筑空间。作为优选，地源换热器2是并排管体、U型管体或螺旋管体中的任一种或任几种，根据实际需要选择；地源换热器2埋设在地下20m～80m的深度，存在冻土层的地方，埋设在冻土层即可，地源换热器2可以是不锈钢管。空调系统利用二氧化碳作为单一制冷剂；并可以包括一个或多个二氧化碳压缩机1，地下不锈钢管与楼层中换热管的数量(即换热面积)可根据实际情况选择。为了保证安全，室内换热器和地源换热器能够承受80bar～120bar的压力，优选室内换热器和地源换热器能够承受90bar～110bar的压力，具体数值可以选择80bar、90bar、95bar、100bar、110bar、120bar。为了保证制冷或者制热效果，二氧化碳压缩机压缩二氧化碳的质量流量是0.5kg/s～1.5kg/s，优选二氧化碳压缩机压缩二氧化碳的质量流量是0.7kg/s～1.2kg/s，具体数值可以选择0.5kg/s、0.7kg/s、1.0kg/s、1.1kg/s、1.2kg/s、1.3kg/s、1.5kg/s。上述数值的限定即能够保证机组运行安全，又能够保证具有良好的制冷或者制热效果。
本实施例中，换向装置是包括有a、b、c、d四个连接端的四通换向阀5，四通换向阀的a端与二氧化碳压缩机1的一端连接，b端与地源换热器2连接，c端与二氧化碳压缩机1的另一端连接，d端与室内换热器4连接。
本实施例应用于空调系统，其原理如图1所示。夏季房间供冷时，室内换热器作为蒸发器，地源换热器作为冷凝器，四通换向阀a、b连通，c、d连通；其循环流程如下：压缩机吸入来自蒸发器(室内换热器)的低压气体，经压缩机压缩成高温高压的制冷剂气体，排入到冷凝器(地源换热器)被冷凝成低温制冷剂液体，被冷凝的制冷剂液体流经节流阀被节流降压后进入蒸发器(室内换热器)，在蒸发器(室内换热器)内吸收周围环境热量蒸发成高温制冷剂气体，被压缩机吸入，从而完成一个制冷循环。
冬季房间供热时，室内换热器作为冷凝器，地源换热器作为蒸发器，四通换向阀a、d连通，b、c连通。其循环流程如下：压缩机吸入来自蒸发器(地源换热器)的低压气体，经压缩机压缩成高温高压的制冷剂气体，排入到冷凝器(室内换热器)被冷凝成低温制冷剂液体，被冷凝的制冷剂液体流经节流阀被节流降压后进入蒸发器(地源换热器)，在蒸发器(地源换热器)内吸收周围环境热量蒸发成高温制冷剂气体，被压缩机吸入，从而完成一个制热循环。
实施例2
参见图2为本发明本实施例所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统示意图，本实施例提供给了另一种结构的换向装置，换向装置包括第一电磁阀6、第二电磁阀7、第三电磁阀8和第四电磁阀11，连接方式如图2所示。本实施例应用于空调系统，其原理如图2所示。夏季制冷时，室内换热器为蒸发器，地源换热器为冷凝器，第一电磁阀6、第三电磁阀8关闭，第二电磁阀7和第四电磁阀11通电打开，实现制冷循环。冬季制热时，室内换热器为冷凝器，地源换热器为蒸发器，第一电磁阀6、第三电磁阀8通电打开，第二电磁阀7和第四电磁阀11关闭，实现制热循环。本实施例所提供的一种建筑用二氧化碳空调系统的其它结构和实施例1相同，此处不再赘述。
采用CO2作为制冷剂的空调系统，相同冷负荷(或热负荷)条件下，CO2空调系统可节能高达70％-80％。
以夏季冷负荷为500KW和冬季热负荷为500KW分别进行计算。
采用CO2制冷剂，夏季运行时，根据压缩机选型软件计算示意，计算的系统运行工况为：电源选择：50HZ-400V，选用的压缩机型号为HGX46/345-4SHCO2T，电机：380-420VY/YY-3-50HZPW，吸过热15K，制冷剂R744，蒸发温度15℃，蒸发压力50.87bar，冷凝温度25℃，冷凝压力64.34bar。运行参数为：单台压缩机制冷量(蒸发器制冷量)Q＝184KW，单台压缩机消耗功率为17.1，电流消耗为45.20A(400V)，制冷效率(制冷系数)COP＝10.8，冷凝器放热量201KW，质量流量1.049kg/s，排气末端温度51℃。由于该系统压缩机效率即为系统效率，经换算500KW冷负荷所需耗电量为46.3KW(2.7台压缩机*17.1消耗功率)。
采用CO2制冷剂，冬季运行时，根据压缩机选型软件计算示意：计算的系统运行工况为：电源选择：50HZ-400V，电机：380-420VY/YY-3-50HZPW，吸过热15K，制冷剂R744，蒸发温度10℃，蒸发压力45.02bar，冷凝温度28℃，冷凝压力68.92bar。运行参数为：单台压缩机制热量Q＝169KW(即为冷凝器放热量)，制热效率(制热系数)COP＝7.19，压缩机制冷量(蒸发器制冷量)145KW，消耗功率23.5KW，电流消耗为51.30A(400V)，质量流量0.892kg/s，排气末端温度62.1℃。由于该系统压缩机效率即为系统效率，经换算500KW热负荷所需耗电量为69.5KW(2.96台压缩机*23.5消耗功率)。
传统的空调系统耗能更高，以开利公司的螺杆式风冷热泵机组30XQ500为例，名义制冷量500KW时，压缩机能耗134.3KW；名义制热量500KW时，压缩机能耗139.1KW。考虑水泵、风机及末端风机盘管能耗约为50KW。
比较传统空调和本实施例的CO2空调系统节能效果如下：
夏季制冷时，名义制冷量500KW时，传统空调需耗电184.3KW，CO2空调耗电为46.3KW，故采用CO2空调系统可节约能耗138KW；
冬季制热时，名义制热量500KW时，传统空调需耗电189.1KW，CO2空调耗电为69.5KW，采用CO2空调系统可节约能耗119.6KW。
申请人试制的CO2空调系统达到了比传统空调节能70％～80％的效果。
本发明还提供一种包括上述实施例所述的一种建筑用二氧化碳空调系统的建筑物，建筑物的结构及工作原理为本领域公知的技术，且本发明提供的建筑物的改进仅涉及上述的建筑用二氧化碳空调系统，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对建筑用二氧化碳空调系统进行详述，对建筑物的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明的建筑物。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种建筑用二氧化碳空调系统，包括室内换热器、二氧化碳压缩机、地源换热器和换向装置，其特征在于：所述室内换热器、所述二氧化碳压缩机和所述地源换热器通过二氧化碳循环管路连接形成循环回路，所述二氧化碳循环管路的内直径与外直径的比值为0.99∶1～0.2∶1；所述换向装置设置在所述二氧化碳循环管路中，所述室内换热器设置在建筑楼板中和/或墙体中；所述地源换热器设置在地下。
2.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述空调系统通过所述换向装置实现供冷或者供热的调换。
3.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述室内换热器是预埋在建筑楼板中和/或墙体中的换热管；所述室内换热器和所述地源换热器能够承受80bar～120bar的压力。
4.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述地源换热器是并排管体、U型管体或螺旋管体中的任一种或任几种。
5.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述空调系统利用二氧化碳作为单一制冷剂，并包括一个或多个二氧化碳压缩机；所述二氧化碳压缩机压缩二氧化碳的质量流量是0.5kg/s～1.5kg/s。
6.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述地源换热器埋设在地下20m～80m的深度，所述地源换热器是不锈钢管。
7.根据权利要求1所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述二氧化碳循环管路中设置有用于节流降压的节流阀。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述换向装置是包括有a、b、c、d四个连接端的四通换向阀，所述四通换向阀的a端与所述二氧化碳压缩机的一端连接，b端与所述地源换热器连接，c端与所述二氧化碳压缩机的另一端连接，d端与所述室内换热器连接。
9.根据权利要求1～7任一所述的一种建筑用二氧化碳空调系统，其特征在于：所述换向装置是设置在二氧化碳循环管路中的多个电磁阀。
10.一种建筑物，其特征在于：包括权利要求1～9任一所述的一种建筑用二氧化碳空调系统。
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