CN105757859A - 一种以二氧化碳为传热介质的地温空调及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地温空调技术领域，涉及一种以二氧化碳为传热介质的地温空调及其使用方法，地层内钻有井筒，井下换热器浸没在地下水中，井下换热器的一侧通过入井管线与二氧化碳循环泵连接，另一侧与第一节流阀连接，第一节流阀通过地面管线分别与第二节流阀和第三节流阀连接，第二节流阀和第三节流阀分别连接第一空调器和第二空调器，第一空调器和第二空调器并联后与二氧化碳循环泵连接；二氧化碳循环泵和第二空调器之间的管线外层、井下换热器和第一节流阀之间的管线外层均包覆有保温层，二氧化碳储罐和二氧化碳循环泵之间安装有第四节流阀，其结构简单，不需要气液转化与分离设备，传热介质易得，环境友好，成本低，有利于节能减排。

Description

一种以二氧化碳为传热介质的地温空调及其使用方法

技术领域：

本发明属于地温空调技术领域，涉及一种高效传热介质的空调设备、工艺，特别是一种以二氧化碳为传热介质的地温空调及其使用方法，以期经济、环保地提高地温空调的传热效率。

技术背景：

为了减少能源消耗和环境污染，人们使用地温作为冷热源发明了地温空调。空调机通过抽取和利用地温水实现对温度的调节，之后地下水大多被直接送入排水管道。地下水富含矿物质，容易腐蚀管路，还可造成环境污染；而且相比地温，地温水具有不可再生性；这制约了地温空调的推广应用，此外以水为传热介质也在一定程度上限制了传热效率的提高。现有技术中尝试利用氟利昂、烷烃等作为传热介质，但在安全、环保方面一直难有突破，因此，寻求一种环保高效的传热介质的地温空调及其使用方法，具有重要的经济利益和社会价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，寻求设计提供一种以二氧化碳作为传热介质的地温空调装置及方法，能有效提高地温空调传热效率，减小环境污染，拓宽使用范围。

为了实现上述目的，本发明所述以二氧化碳为传热介质的地温空调的主体结构包括二氧化碳循环泵、入井管线、地下水、井下换热器、地层、保温层、第一节流阀、地面管线、第二节流阀、第三节流阀、第一空调器、第二空调器、二氧化碳储罐和第四节流阀；地层内钻有井筒，与地层温度相同的地下水进入井筒底部，井下换热器浸没在地下水中，井下换热器的一侧通过入井管线与二氧化碳循环泵连接，另一侧与第一节流阀连接，井下换热器通过地下水将地层的温度传递给二氧化碳；第一节流阀通过地面管线分别与第二节流阀和第三节流阀连接，第二节流阀和第三节流阀分别连接第一空调器和第二空调器，第二节流阀和第三节流阀分别用于调控第一空调器和第二空调器的流量，从而实现对传热量的调控；第一空调器和第二空调器并联后与二氧化碳循环泵连接；二氧化碳循环泵和第二空调器之间的管线外层、井下换热器和第一节流阀之间的管线外层均包覆有保温层，保温层减弱管线内二氧化碳与周围环境的热交换；第一节流阀与二氧化碳循环泵配合调控循环压力和流量，实现对二氧化碳物性参数的调控(尤其是热容)；二氧化碳储罐和二氧化碳循环泵之间安装有第四节流阀，二氧化碳储罐调节二氧化碳的含量，正常使用过程中第四节流阀处于关闭状态，二氧化碳储罐为可拆卸结构。

本发明所述第一空调器和第二空调器安装在同一房间内增强换热，或安装在不同的房间甚至楼宇内，空调器的数量根据实际需求确定。

本发明以二氧化碳作为地温空调循环传热介质，实现对地温的开采和利用，包括制热和制冷两种模式，其具体步骤为：

(1)二氧化碳循环泵将二氧化碳加压，加压后的二氧化碳通过入井管线注入井下换热器；

(2)井下换热器中的二氧化碳与地下水进行充分的热交换，获得地层的温度；

(3)第一节流阀调控整个地温空调的循环压力，实现对二氧化碳热容的调节，保温层减弱二氧化碳在输运过程中与周围环境的热交换；

(4)第二节流阀和第三节流阀用于控制相应管线的流量，第一空调器和第二空调机将二氧化碳携带的热量吹入室内，通过对风速和流量的调节，实现对室温的调控；

(5)换热后的二氧化碳经地面管线进入二氧化碳循环泵，实现对地温的循环开采和利用。

本发明的工作原理为：地温空调调控的温度范围为15℃～45℃，通过调控循环压力可显著增大二氧化碳热容，提高传热效率，例如在制热模式下，假设井下地层水的温度为40℃，当压力为8.5MPa～9MPa时，二氧化碳的热容为水的2.2～3.2倍，密度与液态时相近，具有很强的携热性能；同时其粘度仅为水的0.04～0.05倍，有利于减小循环压耗和整个系统的能耗，二氧化碳进入空调器换热盘管后紊流增强，同时在空调风的作用下与周围环境强化换热，完成对室温的调节作用，循环压力根据地层水的温度确定；一般情况下，最佳循环压力随温度的降低而降低，这个地温空调的循环压耗小于0.5MPa；在最佳循环压力范围内，二氧化碳在传热过程中不会出现相态转化，因而不需要冷凝器等复杂装置。

本发明与现有技术相比，以二氧化碳作为地温空调传热介质，根据地层水温度优选最佳循环压力范围，显著地提高了传热效率；避免了传统地温空调对地下水资源的浪费和对环境的不利影响；可根据地层水温度设定制冷和制热两种模式，不仅适用于民居，也可用于温室大棚和畜牧养殖场，拓展了地温空调的适用范围；循环压耗小，有利于节约能源；其结构简单，不需要气液转化与分离设备，传热介质易得，环境友好，成本低，有利于节能减排。

附图说明：

图1为本发明涉及的以二氧化碳为传热介质的地温空调主体结构原理示意图。

图2为本发明实施例的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例1：(以制冷模式为例)

本实施例所述以二氧化碳为传热介质的地温空调的主体结构包括二氧化碳循环泵1、入井管线2、地下水3、井下换热器4、地层5、保温层6、第一节流阀7、地面管线8、第二节流阀9、第三节流阀10、第一空调器11、第二空调器12、二氧化碳储罐13和第四节流阀14；地层5内钻有井筒，与地层温度相同的地下水3进入井筒底部，井下换热器4浸没在地下水3中，井下换热器4的一侧通过入井管线2与二氧化碳循环泵1连接，另一侧与第一节流阀7连接，井下换热器4通过地下水3将地层5的温度传递给二氧化碳；第一节流阀7通过地面管线8分别与第二节流阀9和第三节流阀10连接，第二节流阀9和第三节流阀10分别连接第一空调器11和第二空调器12，第二节流阀9和第三节流阀10分别用于调控第一空调器11和第二空调器12的流量，从而实现对传热量的调控；第一空调器11和第二空调器12并联后与二氧化碳循环泵1连接；二氧化碳循环泵1和第二空调器12之间的管线外层、井下换热器4和第一节流阀7之间的管线外层均包覆有保温层6，保温层6减弱管线内二氧化碳与周围环境的热交换；第一节流阀7与二氧化碳循环泵1配合调控循环压力和流量，实现对二氧化碳物性参数的调控(尤其是热容)；二氧化碳储罐13和二氧化碳循环泵1之间安装有第四节流阀14，二氧化碳储罐13调节二氧化碳的含量，正常使用过程中第四节流阀14处于关闭状态，二氧化碳储罐13为可拆卸结构。

本实施例所述第一空调器11和第二空调器12安装在同一房间内增强换热，或安装在不同的房间甚至楼宇内，空调器的数量根据实际需求确定。

本实施例以二氧化碳作为传热介质，利用浅层地温给民居制冷降温，其具体步骤为：

(1)根据地层水温度和二氧化碳状态方程，计算最佳循环压力范围；

由Span-wagner方程计算二氧化碳密度和热容，计算式分别为：

$P(\mathrm{\δ},\mathrm{\τ})=\mathrm{\ρ}RT(1+{\mathrm{\δ\Φ}}_{\mathrm{\δ}}^r)---\left(1\right)$

其中，P为流体压力，Pa；T为流体温度，K；ρ为二氧化碳密度，kg/m³；R为气体常数，R＝0.189kJ/(kg·K)；无因次残余密度δ的计算式为δ＝ρ/ρ_c，τ＝T_c/T；为赫姆霍兹自由能函数Φ(δ,τ)对δ的偏导，无因次；ρ_c为二氧化碳临界密度；T_c为二氧化碳临界温；

$\frac{M\·c_p}{R}=-{\mathrm{\τ}}^2({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\τ}\mathrm{\τ}}^o-{\mathrm{\φ}}_{rr}^r)+\frac{{(1+{\mathrm{\δ\φ}}_{\mathrm{\δ}}^r-{\mathrm{\δ\τ\φ}}_{\mathrm{\δ}\mathrm{\τ}}^r)}^2}{1+2{\mathrm{\δ\φ}}_{\mathrm{\δ}}^r+{\mathrm{\δ}}^2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^r}---\left(2\right)$

其中，M为相对分子质量，M＝44.010kg/mol；c_p为定压热容，J/(kg·K)；和为赫姆霍兹自由能函数的不同形式；

(2)利用二氧化碳循环泵1将二氧化碳加压至最佳循环压力范围的上限，加压后的二氧化碳沿入井管线2到达井筒底部的井下换热器4，井下换热器4浸没在地层水3中，利于二氧化碳快速降温至地层温度；

(3)获得地温的二氧化碳上返至地面，保温层6减弱二氧化碳在输运过程中的吸热和升温，通过调节第二节流阀9和第三节流阀10的开度调控第一空调器11和第二空调器12的流量；

(4)在空调风的作用下，二氧化碳在第一空调器11和第二空调器12内吸收环境热量，起到制冷作用；在流量和风速的配合作用下，实现对室温的快速调节；为保证制冷效果，可在第一空调器11和第二空调器12上安装压力计，通过配合使用二氧化碳循环泵1和第一节流阀7、第二节流阀9、第三节流阀10，使第一空调器11和第二空调器12内的二氧化碳压力仍在最佳范围之内；

(5)被加热的二氧化碳再次进入二氧化碳循环泵1，实现对地温的循环开采和利用。

实施例2：(以制热模式为例)

本实施例利用与实施例1相同的原理开发利用地温给民居、温室大棚等加温，其装置结构如图2所示，在实施例的基础上增加一套水循环回路，实现较长距离的传热，其中15为换热器，16为循环泵，在地温资源较为丰富的地区，结合长距离传热的需求，考虑整套系统的经济性和安全性，可以增加一套水循环回路，携带地层温度的二氧化碳返至井口附件的换热器15，将热量传递给水，再通过水循环回路将热量输运至远处的民居、温室大棚和养殖场，为了提高传热效率，可在循环管线上安装保温层；整套工艺不消耗地下水资源，可经济、环保地利用地温资源。

Claims (3)

1.一种以二氧化碳为传热介质的地温空调，其特征在于主体结构包括二氧化碳循环泵、入井管线、地下水、井下换热器、地层、保温层、第一节流阀、地面管线、第二节流阀、第三节流阀、第一空调器、第二空调器、二氧化碳储罐和第四节流阀；地层内钻有井筒，与地层温度相同的地下水进入井筒底部，井下换热器浸没在地下水中，井下换热器的一侧通过入井管线与二氧化碳循环泵连接，另一侧与第一节流阀连接，井下换热器通过地下水将地层的温度传递给二氧化碳；第一节流阀通过地面管线分别与第二节流阀和第三节流阀连接，第二节流阀和第三节流阀分别连接第一空调器和第二空调器，第二节流阀和第三节流阀分别用于调控第一空调器和第二空调器的流量，从而实现对传热量的调控；第一空调器和第二空调器并联后与二氧化碳循环泵连接；二氧化碳循环泵和第二空调器之间的管线外层、井下换热器和第一节流阀之间的管线外层均包覆有保温层，保温层减弱管线内二氧化碳与周围环境的热交换；第一节流阀与二氧化碳循环泵配合调控循环压力和流量，实现对二氧化碳物性参数的调控；二氧化碳储罐和二氧化碳循环泵之间安装有第四节流阀，二氧化碳储罐调节二氧化碳的含量，正常使用过程中第四节流阀处于关闭状态，二氧化碳储罐为可拆卸结构。

2.根据权利要求1所述以二氧化碳为传热介质的地温空调，其特征在于所述第一空调器和第二空调器安装在同一房间内增强换热，或安装在不同的房间/楼宇内，空调器的数量根据实际需求确定。

3.一种如权利要求2所述以二氧化碳为传热介质的地温空调的使用方法，其特征在于以二氧化碳作为地温空调循环传热介质，实现对地温的开采和利用，具体步骤为：

(1)二氧化碳循环泵将二氧化碳加压，加压后的二氧化碳通过入井管线注入井下换热器；

(2)井下换热器中的二氧化碳与地下水进行充分的热交换，获得地层的温度；

(3)第一节流阀调控整个地温空调的循环压力，实现对二氧化碳热容的调节，保温层减弱二氧化碳在输运过程中与周围环境的热交换；

(4)第二节流阀和第三节流阀用于控制相应管线的流量，第一空调器和第二空调机将二氧化碳携带的热量吹入室内，通过对风速和流量的调节，实现对室温的调控；

(5)换热后的二氧化碳经地面管线进入二氧化碳循环泵，实现对地温的循环开采和利用。