CN106152348A - 一种用于地下空间的空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下空间的空调系统，包括热泵机组(2)、地埋管换热器(3)、相变水库(6)和循环水泵(9)连接于循环水管路(1)并形成水输送环路；其中，地埋管换热器(3)两端分别设有第一阀门(4)和第二阀门(5)，相变水库(6)两端分别设有第三阀门(7)和第四阀门(8)，包括两端阀门的地埋管换热器(3)和包括两端阀门的相变水库(6)相互并联。本发明水环热泵系统配置灵活，能够实现能量转移以达到同时供热制冷；本发明不仅充分利用可再生能源，而且能够满足了地下空间不同功能区域、不同使用阶段的系统负荷；本发明以地埋式换热器代替传统冷却塔系统，换热器地表温度几乎不发生变化，增强了其红外隐蔽性。

Description

一种用于地下空间的空调系统

技术领域

本发明涉及一种用于地下空间的空调系统，该空调系统能够解决因地下空间负荷特点而造成的内部热环境控制问题，兼具节能和红外伪装双重需求。

背景技术

随着城市可开发空间越来越小和节能的要求，人们对地下空间开发利用的重视程度不断提高，近年来我国出现了大量的地下工程。同时，随着国防、人防工程的迅猛发展，具有防护功能的地下工程这一特殊建筑形式越来越引起学者的关注。地下工程是处于一定厚度的岩层和土层下的建筑，相比于普通地面建筑有其热湿环境的独特性，同时也关乎掩蔽人员的生命安全，因此相关工程的技术问题更具有挑战性。

地下空间的通风空调系统是其内部人员生存和设备正常运行的重要保障。然而，从现已建和改造的大多数地下工程来看，还存在不少空气环境保障的问题，主要表现为：系统选用不合理和冷负荷分布不均匀引起的热舒适问题且能耗大。要提高地下空间资源的开发利用率，这些问题都是必须要解决的。

近年，空调技术得到迅猛发展，新技术、新设备、新的空调系统模式不断涌现，为进一步改善地下工程内部空气环境保障提供了新的思路和新的方法。因此，研究符合地下空间内部环境特点的保障技术是目前地下工程内部保障技术发展的客观要求。地下空间热湿负荷相比于地上建筑具有以下特点：

(1)冷热负荷比变化大；以人防工程、防护工程为例，在满负荷运行阶段，由于人员及设备散热，短时间内其余热量达到最高值，热湿比较大；而在平时部分负荷运行阶段，人员少，设备大部分不运行，内部余热小；

(2)内部冷热负荷分布不均；对于无设备运行和人员散热的区域，由于某些地区的地温较低，往往会导致冷负荷较小甚至出现热负荷；而其他存在大量设备运行或人员活动的区域则需要排除大量余热使得其冷负荷过大，温度过高，致使内部通信设备无法正常工作，人员热舒适度较低；

(3)湿负荷较大；因为围护结构散湿以及外界空气带湿，导致相对湿度大于地面工程，夏季引入室外高温空气若不经除湿处理就进入地下空间，温度降低将导致相对湿度大大提高；特别是夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的地下空间，相对湿度过高，不仅导致内部人员的热舒适性差，甚至还会致使工程内的通信设备、电气设备以及存放物资受潮而不能正常使用。

目前大型地下空间大多采用全空气集中式空调系统，这种空调模式在地下空间的运用中造成了大量能量浪费：通常地下工程中空调负荷是按使用时的最大负荷设计，而地下工程大多处于部分负荷运行状态，实际冷负荷远远低于设计值，热湿比大大低于设计值；此外，使用全空气集中式空调系统不能满足不同区域的湿温度要求，也不能兼顾不同阶段的空气调节要求。

目前地下工程冷凝热排除主要依靠冷却塔或者水库蓄热的处理模式，均存在需要改进的问题：在有限时间内排放冷凝热仅仅通过水池水体与围岩间的传热所散发的热量十分有限，并且由于空调水库温度在不断上升，导致大大降低了空调机组运行的效率，因此，在正常使用过程中需要频繁大量的换水；现行于新建和改造的地下工程空调系统基本采用在工程外部设置冷却塔作为冷凝热排放处理的终端设备，由于冷却塔在运行时和周围环境温差较大会造成隐蔽性的问题，相比地上建筑采用可再生能源作为冷热源而言不够节能，同时还易摧毁，防护能力差。

发明内容

本发明提供一种用于地下空间的空调系统，以解决因地下空间负荷特点而造成的内部热环境控制问题；本发明中水环热泵系统能够实现能量转移以达到同时供热制冷，继而采用复合型冷热源，能够充分利用可再生能源——土壤热，并利用相变材料的特殊性能满足地下空间不同功能区域、不同使用阶段系统负荷；本发明以地埋式换热器代替传统冷却塔系统，换热器地表温度几乎不发生变化，增强了其红外隐蔽性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于地下空间的空调系统，如图1所示，包括循环水管路1，所述循环水管路1中连接有多个热泵机组2、地埋管换热器3、相变水库6和循环水泵9并形成水输送环路；其中：多个热泵机组2相互并联；地埋管换热器3两端分别设置有第一阀门4和第二阀门5，相变水库6两端分别设置有第三阀门7和第四阀门8，包括两端阀门的地埋管换热器3和包括两端阀门的相变水库6相互并联并形成土壤源系统。

进一步地，如图2所示，所述相变水库6内分层放置有换热盘管61并填充有相变材料62，所述换热盘管61的两端分别通过第三阀门7和第四阀门8连接于循环水管路1中。

本发明中，相变水库是利用相变材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热以调控周围温度，从而达到减少电力资源的使用；本发明中优选实施例中相变水库内分层放置有换热盘管，并填充有相变材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用水环热泵系统，其包含多个相互并联的热泵机组，并通过循环水管连接在一起组成水环路，从而实现热量传递，上述水环热泵系统配置灵活，能够针对不同空调区域的需求灵活调节，上述水环热泵系统将制冷区产生的冷凝热转移并作为热泵的低温热源,在制冷的同时对另一区供热，充分利用余热，实现了能量的有效利用，而且不需要设置机房，结构简单，易于实现。

2.本发明对于目前地下工程冷凝热排除方式进行改进，通过将相变水库和地埋管换热器并联于循环水管路这一技术手段，能够满足地下空间不同功能区域、不同使用阶段热环境要求，并且具有节能环保的经济效益；在实际应用中根据工况选择性地采用冷热源，当系统负荷较小时，水环热泵系统中循环水流经地埋换热管，采用土壤作为单一冷热源，当系统负荷较大时，水环热泵系统中循环水分别流经地埋换热管和相变水库中换热盘管，采用土壤和相变材料作为复合冷热源，从而调节水环热泵循环水温度。

3.本发明中用地埋换热器代替传统冷却塔系统，因换热器都深埋于地下，换热器周围地表温度几乎不发生变化，增强了整个人防工程的红外伪装效果，同时相比于冷却塔，其防护性能增强。

附图说明

图1是本发明用于地下空间的空调系统的示意图；其中，1为循环水管路，2为热泵机组，3为地埋管换热器，4为第一阀门，5为第二阀门，6为相变水库，61为相变材料，62为换热盘管，7为第三阀门，8为第四阀门，9为循环水泵。

图2是本发明相变水库的结构示意图；其中，1为循环水管路，6为相变水库，61为换热盘管，62为相变材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明进行详细的描述：

如图1所示为本发明用于地下空间的空调系统示意图，循环水管路1将各空调区的热泵机2组并联后进而连接有土壤源系统和循环水泵9形成闭式水输送环路；所述土壤源系统包括地埋管换热器3及位于其两端的第一阀门4和第二阀门5，其中地埋管换热器3两端并联有辅助设备，所述辅助设备包括相变水库6及位于其两端的第三阀门7和第四阀门8；如图2所示，相变水库6内分层放置有换热盘管61，并填充有相变材料62，循环水在换热盘管61内流动，与相变水库6中的相变材料62通过盘管壁进行换热。

使用时开启系统水泵9，使得水输送环路中水流动起来，根据地下空间冷热负荷量的不同，本发明主要有以下三种模式：

模式一：自给模式。此时地下空间余热可以满足需求；由于地下工程内部不同的空调区域冷热负荷相差较大，例如：冬季寒冷地区人员所在的空调区需要制热，而机房、电源室及配电室等有大量设备散热的区域需要制冷，此时将制冷区产生的冷凝热转移并作为热泵的低温热源，可实现在制冷的同时对另一区供热，充分利用余热。

模式二：土壤源换热模式。此时自给模式不能满足需求且系统负荷较小时，启动土壤源换热模式；

在制冷工况下，各用户制冷时产生的废热均通过相应的用户热泵排至水输送环路中，当系统负荷较小时，开启地埋管换热器3两侧的第一阀门1和第二阀门2，水输送环路将废热转移至地埋管换热器3，利用地埋管换热器3内循环水和土壤进行热交换，将废热排出；

在制热工况下，土壤热作为热源通过地埋管换热器3调节循环水温度，当系统负荷较小时，开启地埋管换热器3两侧的第一阀门1和第二阀门2，地埋管换热器3将土壤热量转移至水输送环路，各用户制热时所需的热量可以从循环水中获得。

模式三：复合型换热模式。此时土壤源换热模式不能满足需求时，启动复合型换热模式；系统负荷较大时，土壤热作为单一冷源不能满足需求，在开启地埋管换热器3两侧的第一阀门1和第二阀门2的基础上，再开启相变水库6两侧的第三阀门7和第四阀门8，循环水分别流经地埋管换热器3和相变水库6，本发明优选实施例中相变水库6内分层放置有换热盘管61，并填充有相变材料62，由于相变材料62具有随着温度改变而变化自身形态并散发或储存潜热的性质，因此，相变水库能够存储循环水中大量废热，进而提高换热量；

在制热工况下，系统冷负荷较大，土壤热作为单一热源不能满足需求，在开启地埋管换热器3两侧的第一阀门1和第二阀门2的基础上，再开启相变水库6两侧的第三阀门7和第四阀门8，循环水分别流经地埋管换热器3和相变水库6，本发明优选实施例中相变水库6内分层放置有换热盘管61，并填充有相变材料62，相变材料62中储存的热量释放可通过换热盘管壁将热量转移至水输送环路内的循环水，各用户制热时所需的热量可以从循环水中获得。

本发明中控制阀门开启和关闭的方式可以为自动控制，也可以为手动控制，或者两者兼有。

本发明为用于地下空间的空调系统，能够解决因地下空间负荷特点而造成的内部热环境控制问题，兼顾节能和红外伪装的双重需求。本发明在发挥水环热泵系统能够同时供热制冷的优势的基础上改进了水环热泵系统中存在的问题，即系统需设置冷却塔、锅炉等辅助加热制冷装置，本发明采用土壤热和相变水库作为复合冷热源，能够充分利用建筑内余热以及低品位土壤能以达到节能环保的效益，本发明中空调系统的三种运行模式符合能量分级利用，能够满足地下空间不同功能区域、不同使用阶段热环境要求，具有灵活性、广泛适用性，并且具有设备简单，可行性强的优势。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用与限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于地下空间的空调系统，其特征在于，包括循环水管路(1)，所述循环水管路(1)中连接有多个热泵机组(2)、地埋管换热器(3)、相变水库(6)和循环水泵(9)并形成水输送环路；

其中：多个热泵机组(2)相互并联；地埋管换热器(3)两端分别设置有第一阀门(4)和第二阀门(5)，相变水库(6)两端分别设置有第三阀门(7)和第四阀门(8)，包括两端阀门的地埋管换热器(3)和包括两端阀门的相变水库(6)相互并联并形成土壤源系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于地下空间的空调系统，其特征在于，所述相变水库(6)内分层放置有换热盘管(61)并填充有相变材料(62)，所述换热盘管(61)的两端分别通过第三阀门(7)和第四阀门(8)连接于循环水管路(1)中。