CN106594932A - 一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统及方法，包括土壤源换热器、土壤源热泵机组、空调机组和主动式冷梁；主动式冷梁的空调水出口上安装有主动式冷梁循环水泵，空调机组的空调水出口安装有空调循环水泵；空调机组通过风管与主动式冷梁连接；所有的出口与入口均通过设置有阀门的管道连通。该空调系统不仅满足了正常的使用需求、实用性强、便于推广使用，并且能够有效的减少碳排放量、降低空调运行能耗，具有显著的节能效益和环保效益。

Description

一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统及方法
【技术领域】
本发明属于建筑暖通设计领域，具体涉及一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统及方法。
【背景技术】
在当今世界，节能环保已经成为时代主题，我国建筑能耗占了全社会总能耗的27.8％以上，其中空调采暖能耗列居首位。因此如何在有效合理利用清洁能源的基础上大幅降低能源消耗已经越来越为人们关注。通常情况下，现有的空调系统多需要消耗大量的电能、天然气等常规能源，以实现制冷或制热的要求。空调技术的广泛应用，不仅增加了空调系统的能源消耗，更进一步激化了能源的供求矛盾。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述现有技术不足，提供一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统及方法。该空调系统不仅满足了正常的使用需求、实用性强、便于推广使用，并且能够有效的减少碳排放量、降低空调运行能耗，具有显著的节能效益和环保效益。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施：
一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，包括：土壤源换热器、土壤源热泵机组、空调机组和主动式冷梁；所述的土壤源热泵机组包括第一土壤源热泵机和第二土壤源热泵机，所述的土壤源换热器与循环水泵串联连接；循环水泵的出水管一分二，其中一路再分开后分别连接主动式冷梁和空调机组的空调水入口，另一路再分开后分别连接第一土壤源热泵机和第二土壤源热泵机的循环水入口；第一土壤源热泵机和第二土壤源热泵机的循环水出口均连接土壤源换热器的进水口；第一土壤源热泵机和第二土壤源热泵机的空调水出口分别连接空调机组和主动式冷梁的空调水入口，第一土壤源热泵机和第二土壤源热泵机的空调水入口分别连接空调机组和主动式冷梁的空调水出口，空调机组和主动式冷梁的空调水出口均连接土壤源换热器的进水口；主动式冷梁的空调水出口上安装有主动式冷梁循环水泵，空调机组的空调水出口安装有空调循环水泵；空调机组通过风管与主动式冷梁连接；所有的出口与入口均通过设置有阀门的管道连通。
所述的主动式冷梁包括静压箱、喷嘴、混合腔、换热器和导流槽；所述的风管连接静压箱，静压箱的下部设置喷嘴，喷嘴连通混合腔，混合腔内设置有换热器，混合腔的底部设置有用于吸进室内空气的孔板；导流槽设置在换热器外周且与混合腔连通。
所述的空调机组包括风机盘管和新风机组，新风机组与风管连通。
所有的管道均为无缝钢管。
所述的循环水泵设置有多个，多个水泵并联组成水泵组。
所述的土壤源热泵机组是由多个土壤源热泵并联组成。
所述的主动式冷梁在室内设置多台，多台主动式冷梁并联后与风管连接。
所述的阀门均为电动阀门，电动阀门与空调系统控制器连接。
所有的出口与入口上均设置有温度采集器，温度采集器均与空调系统控制器连接。
一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统的控制方法，包括以下步骤：
在夏季时，开启循环水泵连接土壤源热泵机组的阀门，同时关闭循环水泵连接主动式冷梁和空调机组的阀门，使土壤源换热器从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵进入土壤源热泵机组中进行水温升降处理；第一土壤源热泵机组处理后的循环水通过循环水泵进入空调机组进行制冷，制冷后空调水回流至第一土壤源热泵机组，经过热交换后循环水流回土壤源换热器；第二土壤源热泵机组处理后的循环水通过循环水泵进入主动式冷梁进行制冷，制冷后空调水回流至第二土壤源热泵机组，经过热交换后循环水流回土壤源换热器；主动式冷梁制冷温度设置高于空调机组的制冷温度；
在过渡季节里，关闭连接土壤源热泵机组的阀门，同时开启连接空调机组和主动式冷梁的阀门，土壤源换热器从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵直接进入主动式冷梁和空调机组中作为冷媒水使用，循环完成后流回土壤源换热器。
在冬季时，开启循环水泵连接土壤源热泵机组的阀门，同时关闭循环水泵连接主动式冷梁和空调机组的阀门，使土壤源换热器从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵进入土壤源热泵机组中进行水温升降处理；处理后的循环水分别进入主动式冷梁和空调机组进行制热，制热后空调水回流至土壤源热泵机组，经过热交换后循环水流回土壤源换热器。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发提供一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，采用土壤源热泵和主动式冷梁的组合模式，该空调系统不仅满足了正常的使用需求、实用性强、便于推广使用，并且能够有效的减少碳排放量、降低空调运行能耗，具有显著的节能效益和环保效益。另外本发明的系统还可以根据季节的变化选择是否需要开启土壤源热泵机组，通过阀门的远程控制，实现两种模式的切换，充分体现了节约能源、资源综合利用的理念，具有显著的节能效益和环保效益，不仅大大地降低了建筑能耗，同时还提供了健康舒适的空调系统。另外，(1)主动式冷梁热传递经过辐射换热进行，人体感觉更加舒适。在人体可以获得同样的舒适性时，室内设计温度可比其它空调系统提高2℃，这可以大幅降低整个空调系统的能耗。(2)采用高温冷水作冷媒用，提高了冷水机组的COP值。(3)在干工况下运行，新风分布均匀，没有凝结水产生，提高了室内的空调品质。(4)系统无运转部件，无过滤器，室内噪音低，维护工作量极小。
本发明的控制方法，通过简单的电子阀门的切换，实现了针对不同季节选择不同来源的空调机组冷媒水，实现两种模式(是否开启土壤源热泵机组)的切换，可以根据季节的变换进行相应的制冷制热切换，充分体现了节约能源、资源综合利用的理念，具有显著的节能效益和环保效益，不仅大大地降低了建筑能耗，同时还提供了健康舒适的空调系统。
【附图说明】
图1为本发明系统框图；
图2为本发明系统的过渡季节工作原理图；
图3为本发明系统的夏季节工作原理图；
图4为本发明系统的冬季节工作原理图；
图5为本发明系统室内安装示意图；
图6为本发明防结露单元的控制图；
其中，100为主动式冷梁；101为静压盖；102为主动式冷梁循环水泵；103为风管；104为喷嘴；105为混合腔；106为换热器；107为孔板；200为空调机组；201为风机盘管；202为新风机组；203为空调循环水泵；300为土壤源热泵机组；301为第一土壤源热泵机组；302为第二土壤源热泵机组；400为土壤源换热器；401为循环水泵；500为第一阀门；501为第二阀门；502为第三阀门；503为第四阀门；504为第五阀门；505为第六阀门；506为第七阀门；507为第八阀门；402为无缝钢管；10为冷梁控制器；11为电动阀门；12为冷吊顶；13为水温传感器；14为温度湿度传感器。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，本发明不限于以下实施例。
如图1所示，本发明一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，包括：土壤源换热器400、土壤源热泵机组300、空调机组200和主动式冷梁100；所述的土壤源热泵机组300包括第一土壤源热泵机301和第二土壤源热泵机302，所述的土壤源换热器400与循环水泵401串联连接；循环水泵401的出水管一分二，其中一路再分开后分别连接主动式冷梁100和空调机组200的空调水入口，另一路再分开后分别连接第一土壤源热泵机301和第二土壤源热泵机302的循环水入口；第一土壤源热泵机301和第二土壤源热泵机302的循环水出口均连接土壤源换热器400的进水口；第一土壤源热泵机301和第二土壤源热泵机302的空调水出口分别连接空调机组200和主动式冷梁100的空调水入口，第一土壤源热泵机301和第二土壤源热泵机302的空调水入口分别连接空调机组200和主动式冷梁100的空调水出口，空调机组200和主动式冷梁100的空调水出口均连接土壤源换热器400的进水口；主动式冷梁100的空调水出口上安装有主动式冷梁循环水泵102，空调机组200的空调水出口安装有空调循环水泵203；空调机组200通过风管103与主动式冷梁100连接；所有的出口与入口均通过设置有阀门的管道连通。所有的管道均为无缝钢管402。阀门均为电动阀门，电动阀门与空调系统控制器连接。
具体的，循环水泵401设置有多个，多个水泵并联组成水泵组。土壤源热泵机组300是由多个土壤源热泵并联组成。所述的土壤源换热器300采用并联连接方式，包括供给集管、同程回流管、回流集管、环路、U型套管。
具体的，所述的主动式冷梁100包括静压箱101、喷嘴104、混合腔105、换热器106和导流槽；所述的风管103连接静压箱101，静压箱101的下部设置喷嘴104，喷嘴104连通混合腔105，混合腔105内设置有换热器106，混合腔105的底部设置有用于吸进室内空气的孔板107；导流槽设置在换热器106外周且与混合腔105连通。主动式冷梁工作工程为：经过热湿处理后一次风，进入冷梁顶部的静压箱，并经喷嘴高速喷出，在混合腔内产生负压，从而诱导室内空气进入与一次风进行混合。混合后空气通过两个封闭的导流槽形成贴附射流，沿着吊顶向室内贴附送风。
所述的空调机组200包括风机盘管201和新风机组202，新风机组202与风管103连通。
如图5所示，主动式冷梁100在室内设置多台，多台主动式冷梁并联后与风管103连接。
一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统的控制方法，包括以下步骤：
如图2所示，在过渡季节里，自动关闭连接土壤源热泵机组300的电动阀门，同时开启连接空调机组200的电动阀门，让土壤源换热器400从地下完成热量交换后的高温水(略大于14℃)通过循环循环水泵401直接进入主动式冷梁100和空调机组200中作为冷媒水使用。不需要开启土壤源热泵机组300。在空调机组中经过热湿处理后的一次风再进入冷梁顶部的静压箱101，并经喷嘴104高速喷出，在混合腔内产生负压，从而诱导室内空气进入与一次风进行混合。混合后空气通过两个封闭的导流槽形成贴附射流，沿着吊顶向室内贴附送风。其原理图如下图2所示。
如图3所示，在夏季时，开启循环水泵401连接土壤源热泵机组300的阀门，同时关闭循环水泵401连接主动式冷梁100和空调机组200的阀门，使土壤源换热器400从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵401进入土壤源热泵机组300中进行水温升降处理；第一土壤源热泵机组301处理后的循环水通过循环水泵203进入空调机组200进行制冷，制冷后空调水回流至第一土壤源热泵机组301，经过热交换后循环水流回土壤源换热器400；第二土壤源热泵机组302处理后的循环水通过循环水泵102进入主动式冷梁100进行制冷，制冷后空调水回流至第二土壤源热泵机组302，经过热交换后循环水流回土壤源换热器400；主动式冷梁100制冷温度设置高于空调机组200的制冷温度；空调机组200中经过热湿处理后的一次风再进入冷梁顶部的静压箱101，并经喷嘴104高速喷出，在混合腔105内产生负压，从而诱导室内空气进入与一次风进行混合。混合后空气通过两个封闭的导流槽形成贴附射流，沿着吊顶向室内贴附送风。
如图4所示，在冬季时，开启循环水泵401连接土壤源热泵机组300的阀门，同时关闭循环水泵401连接主动式冷梁100和空调机组200的阀门，使土壤源换热器400从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵401进入土壤源热泵机组300中进行水温升降处理；处理后的循环水分别进入主动式冷梁100和空调机组200进行制热，制热后空调水回流至土壤源热泵机组300，经过热交换后循环水流回土壤源换热器400。
本发明热泵机组的夏季制冷功率为338.5KW，冬季制热功率为466.3KW；循环泵夏季的功率为82KW，冬季的功率为67KW。由此可知，循环泵的功率在整个机房中所占的比重不到20％。因此在过渡季节，主动式冷梁和土壤源热泵的结合应用，与常规空调相比较，能耗可以降低75％以上。
本发明根据初始室内设计参数(室内设计温度为26℃，相对湿度为50％，露点温度为14.8℃)，确定冷梁的供水温度为16℃。另外根据系统的流量和温差的配比，来确定热泵机组的供回水温度为16/19℃。据研究表明，冷水机组的蒸发温度提高1℃，机组能耗降低约3％～5％。与7℃的常规冷水机组相比，本项目提供16℃的高温冷水的热泵机组，运行时可以节省30％以上的制冷耗功。
如图6所示，要求房间内同时也安装结露预防控制系统，系统的供水温度大于房间的露点温度；结露预防控制系统包括冷梁控制器10、进水温度感应器13和温湿度传感器14；进水温度感应器13设置在主动式冷梁100的进水管上，温湿度传感器14设置在室内墙体上，进水温度感应器13和温湿度传感器14均与冷梁控制器10电连接。
进水温度感应器13测出进入冷梁的温度，温湿度传感器14测出室内空气温度和相对湿度，然后计算出对应的露点温度，在冷梁控制器10内进行比较，如果进水温度偏低，则电动阀门11关闭，主动式冷梁100的诱导器停止工作，室内温度升高，冷梁处便不会结露。冷梁控制原理图见图6。
通过建筑模拟软件进行综合分析，可以得到本发明相对公共建筑节能规范模型的综合节能率为42.7％，其中土壤源热泵的节能率为29.78％，为分项最大；主动式冷梁其次，节能率为16.88％。由此可知，合理的空调系统能够极大限度降低建筑的能耗。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于，包括：土壤源换热器(400)、土壤源热泵机组(300)、空调机组(200)和主动式冷梁(100)；所述的土壤源热泵机组(300)包括第一土壤源热泵机(301)和第二土壤源热泵机(302)，所述的土壤源换热器(400)与循环水泵(401)串联连接；循环水泵(401)的出水管一分二，其中一路再分开后分别连接主动式冷梁(100)和空调机组(200)的空调水入口，另一路再分开后分别连接第一土壤源热泵机(301)和第二土壤源热泵机(302)的循环水入口；第一土壤源热泵机(301)和第二土壤源热泵机(302)的循环水出口均连接土壤源换热器(400)的进水口；第一土壤源热泵机(301)和第二土壤源热泵机(302)的空调水出口分别连接空调机组(200)和主动式冷梁(100)的空调水入口，第一土壤源热泵机(301)和第二土壤源热泵机(302)的空调水入口分别连接空调机组(200)和主动式冷梁(100)的空调水出口，空调机组(200)和主动式冷梁(100)的空调水出口均连接土壤源换热器(400)的进水口；主动式冷梁(100)的空调水出口上安装有主动式冷梁循环水泵(102)，空调机组(200)的空调水出口安装有空调循环水泵(203)；空调机组(200)通过风管(103)与主动式冷梁(100)连接；所有的出口与入口均通过设置有阀门的管道连通。
2.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的主动式冷梁(100)包括静压箱(101)、喷嘴(104)、混合腔(105)、换热器(106)和导流槽；所述的风管(103)连接静压箱(101)，静压箱(101)的下部设置喷嘴(104)，喷嘴(104)连通混合腔(105)，混合腔(105)内设置有换热器(106)，混合腔(105)的底部设置有用于吸进室内空气的孔板(107)；导流槽设置在换热器(106)外周且与混合腔(105)连通。
3.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的空调机组(200)包括风机盘管(201)和新风机组(202)，新风机组(202)与风管(103)连通。
4.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所有的管道均为无缝钢管(402)。
5.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的循环水泵(401)设置有多个，多个水泵并联组成水泵组。
6.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的土壤源热泵机组(300)是由多个土壤源热泵并联组成。
7.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的主动式冷梁(100)在室内设置多台，多台主动式冷梁并联后与风管(103)连接。
8.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所述的阀门均为电动阀门，电动阀门与空调系统控制器连接。
9.根据权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统，其特征在于：所有的出口与入口上均设置有温度采集器，温度采集器均与空调系统控制器连接。
10.一种基于权利要求1所述的土壤源热泵与主动式冷梁结合的空调系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
在夏季时，开启循环水泵(401)连接土壤源热泵机组(300)的阀门，同时关闭循环水泵(401)连接主动式冷梁(100)和空调机组(200)的阀门，使土壤源换热器(400)从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵(401)进入土壤源热泵机组(300)中进行水温升降处理；第一土壤源热泵机组(301)处理后的循环水通过循环水泵(203)进入空调机组(200)进行制冷，制冷后空调水回流至第一土壤源热泵机组(301)，经过热交换后循环水流回土壤源换热器(400)；第二土壤源热泵机组(302)处理后的循环水通过循环水泵(102)进入主动式冷梁(100)进行制冷，制冷后空调水回流至第二土壤源热泵机组(302)，经过热交换后循环水流回土壤源换热器(400)；主动式冷梁(100)制冷温度设置高于空调机组(200)的制冷温度；
在过渡季节里，关闭连接土壤源热泵机组(300)的阀门，同时开启连接空调机组(200)和主动式冷梁(100)的阀门，土壤源换热器(400)从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵(401)直接进入主动式冷梁(100)和空调机组(200)中作为冷媒水使用，循环完成后流回土壤源换热器(400)；
在冬季时，开启循环水泵(401)连接土壤源热泵机组(300)的阀门，同时关闭循环水泵(401)连接主动式冷梁(100)和空调机组(200)的阀门，使土壤源换热器(400)从地下完成热量交换后的循环水通过循环水泵(401)进入土壤源热泵机组(300)中进行水温升降处理；处理后的循环水分别进入主动式冷梁(100)和空调机组(200)进行制热，制热后空调水回流至土壤源热泵机组(300)，经过热交换后循环水流回土壤源换热器(400)。
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