CN106802005A - 一种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，包括沿竖直方向埋设于土壤中的垂直埋管，垂直埋管的两端分别连接有位于地面上的进风管路和出风管路，出风管路的终端位于住宅的室内，进风管路上连接有过滤器和除湿器，垂直埋管与出风管路连接侧的管内和管外均设置有相变材料，垂直埋管的底部设置有冷凝水收集及排出管路。通过垂直埋管与相变蓄能结构的耦合，利用地道风与地下土壤的换热为室内提供冷量，在减小占地面积的基础上实现了土壤冷源的高效利用。垂直埋管结构、冷凝水收集和排出管路的设置避免了常规水平埋管系统将夏季凝露引起的发霉和病菌滋生引入室内，可有效提高室内空气品质。

Description

一种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统
技术领域
本发明涉及建筑通风及相变蓄能领域，具体涉及一种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统。
背景技术
地道通风是一种通过地埋管将空气与土壤进行热交换进而为室内环境提供冷量的建筑节能技术。一方面，利用土壤的蓄冷特性，将其作为天然冷源为住宅供冷；另一方面，与传统空调相比，在提供室内新风的同时又可以大大降低能源消耗。基于低投入、高能效的特点，地道通风降温系统在住宅空调领域中的应用具有较高的节能潜力和经济效益，有其推广的现实意义。
在常规地道通风系统基础上，现已出现了一些创新和改进技术并形成相关专利。例如利用矿山井下地道通风的空调系统、地道通风与太阳能供热复合系统。但是现有地道通风系统在实际应用中仍然存在一系列问题亟待解决，例如：1）传统地道通风基坑占地面积较大，土地利用效率低；2）部分地区浅层土壤温度较高，且深挖难度大导致系统制冷效果不好；3）最不利工况下（如夏季中午），单独地道通风系统换热效率较低，难以实现间歇运行，导致换热效果明显降低；4）常规水平地道通风埋管坡度往往较小，从而导致管道内壁容易附着冷凝水且不易排出，长期运行时容易引起发霉或滋生微生物，从而影响室内送风品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种占地面积小、实现土壤冷源高效合理化利用的系统，解决现有技术的上述问题。
本发明提供的这种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，包括沿竖直方向埋设于土壤中的垂直埋管，垂直埋管的两端分别连接有位于地面上的进风管路和出风管路，出风管路的终端位于住宅的室内，进风管路上连接有过滤器和除湿器，垂直埋管与出风管路连接侧的管内和管外均设置有相变材料，垂直埋管的底部设置有冷凝水收集及排出管路。
所述垂直埋管通过管道井埋设于土壤中，包括多个并联的U型管，各U型管包括空气下行管、空气上行管和底部弯道，空气下行管的上端与所述进风管路连通，空气上行管的上端与所述出风管路连通；各U型管的空气下行管和空气上行管的下端分别为往下渐缩的锥形段，空气下行管和空气上行管在锥形段的上方通过连通管连通；底部弯道的上端两侧分别连接有变径接头，变径接头包括往上渐缩的圆锥段和其上方的圆柱段，圆柱段的上端口与所述锥形段的下端口对接为一体，圆柱段的上部内置承接冷凝水的漏斗；底部弯道的最低位置处连接有排水管，排水管从地下伸出地面后连接有排水泵，该结构的设置可使冷凝水顺利通过漏斗进入排水管及时排出，而空气下行管和空气上行管内的空气不易通过底部弯道，从而减少空气上行管内空气与冷凝水的接触。
所述漏斗的壁面坡度大于45º，出口直径小于10mm。
所述底部弯道的上部接近所述连通管高度处设置有水位传感器。
所述空气上行管的浅层管段外侧套有PVC的外套管，外套管和空气上行管之间由外至内依次设置有保温材料和相变材料，相变材料置于内套管中，内套管和外套管的两端分别连接有密封组件。
所述空气上行管的轴向中心线上悬挂有用圆柱管封装的相变材料，圆柱管的下端处于所述连通管处、上端低于所述内外套管的上端面，圆柱管内相变材料分为三层，各层的相变温度根据所处土壤层温度从下往上依次递增。
所述密封组件包括弹性套环、密封垫圈、弹性垫圈和密封塞铆钉，弹性套环有两个，分别套于所述空气上行管的外壁和所述外套管的外壁，密封垫圈有两个分别套于空气上行管和外套管的外壁对应于弹性套环的外端，密封垫圈的外端与外套管和内套管的外端平齐，弹性垫圈位于内套管和外套管的外端同时将两密封垫圈封闭，通过密封塞铆钉将弹性垫圈、密封垫圈和弹性套环紧固为一体将保温材料和相变材料密封。
所述进风管路分别通过风阀与U型管的空气下行管连通，所述出风管路上连接有风阀和风机及排风管。
本发明通过垂直埋管与相变蓄能的耦合，利用地道风与地下土壤的换热为室内提供冷量，在减小占地面积的基础上实现了土壤冷源的高效利用。具体来说本发明将地下埋管沿竖直方向埋设于土壤中，克服了常规水平埋管系统需占用过大的基坑面积的缺陷，还解决了部分地区浅层土壤温度偏高，导致常规水平埋管系统效率不高的问题。地下埋管内的相变材料可以储存一部分地道通风所含的土壤冷量。随着系统运行时间的延长，地道换热效率会下降，此时相变材料储存的冷量作为地道通风的冷源，进一步冷却管内空气，从而延长了系统的有效作用时间。与此同时，垂直埋管外的相变材料，同时起到保温和蓄能的双重作用，风速较小时可以储存冷量，并有效利用了浅层的保温管段，有效地延长了地道的作用长度。本垂直埋管结构充分利用了重力效应使冷凝水下滑，此外冷凝水收集及排出管路的设置避免了常规水平埋管系统将夏季凝露引起的发霉和病菌滋生引入室内，可有效提高室内空气品质。
总之，本发明高效的利用了土壤冷源和相变材料的蓄能和放热性能，实现了系统能源利用效率和室内舒适度的最大化。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1中垂直埋管之一的结构示意图。
图3为图2中的A-A剖视示意图。
图4为图2中的B部放大示意图。
图5为图2中的C部放大示意图。
具体实施方式
本实施例公开的这种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，利用地下土壤温度相对稳定的特性，以空气作为换热媒介，通过垂直埋管和管道内外相变材料的耦合，利用地道风与地下土壤的换热为住宅室内提供冷量，在大大减小占地面积的基础上实现土壤冷源的高效利用，同时还可提高室内空气的品质。
如图1所示，本实施例公开的这种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，包括沿竖直方向埋设于土壤中的垂直埋管1，垂直埋管1的两端分别连接有位于地面上的进风管路和出风管路，出风管路的终端位于住宅的室内，进风管路上连接有过滤器2和除湿器3，进风管路分别通过风阀4与垂直埋管1连通，出风管路上连接有风阀4和风机5及排风管6，排风管上连接风阀4。本实施例的过滤器2采用中效过滤器。
如图1、图2所示，本实施例的垂直埋管1管道井G埋设于土壤中，包括多个并联的U型管，U型管的数量由建筑冷负荷决定。
如图1、图2所示，每个U型管包括空气下行管11、空气上行管12和底部弯道13，空气下行管11的上端与进风管路连通，空气上行管12的上端与出风管路连通。空气下行管11和空气上行管12的下端分别为往下渐缩的锥形段，空气下行管11和空气上行管12在锥形段的上方通过连通管14连通。本实施例U型管的埋设深度约为20米，连通管14设置于底部弯道13的上方约1米处。
如图2至图4所示，空气上行管12的浅层管段外套有PVC的外套管121，外套管121和空气上行管12之间依次设置有保温材料122和相变材料123，相变材料置于内套管124中，内套管124和外套管121的两端分别连接有密封组件M，以防止地下水浸入保温材料中。外套管121的设置位于空气上行管12的地下0-8米范围内，以该区域土壤层温度低于20℃的深度为准。保温材料采用3-5cm的聚氨酯。
如图2和图4所示，密封组件M包括弹性套环M1、密封垫圈M2、弹性垫圈M3和密封塞铆钉M4。弹性套环M1有两个，分别套于空气上行管12的外壁和外套管121的外壁，密封垫圈M2有两个，分别套于空气上行管12和外套管121的外壁对应于弹性套环M1的外端，密封垫圈M2的外端与外套管121和内套管124的外端平齐，弹性垫圈M3位于内套管121和外套管121的外端同时将两密封垫圈M2封闭，通过密封塞铆钉M4将弹性垫圈M3、密封垫圈M2和弹性套环M1紧固为一体将保温材料和相变材料密封。
本实施例弹性套环M1的厚度为1-2cm，大于铆钉的直径，弹性垫圈M2与密封垫圈M3结合处在施工时涂抹玻璃胶进行密封。
如图2所示，空气上行管12的轴向中心线上悬挂有用圆柱管15封装的相变材料，圆柱管15的下端处于连通管14处、上端低于内、外套管的上端面，圆柱管15内相变材料的相变温度从下往上依次递增。本实施例的相变材料均采用石蜡，在石蜡中加入5%-10%的石墨烯和碳纤维按1:1组成的混合物。圆柱管内的相变材料设置三层，从下往上的相变温度依次为16℃、18℃和20℃，以利于最大程度地蓄能。本实施例空气上行管外的相变材料的相变温度为20℃。本实施例的圆柱管采用直径5cm管。
如图5所示，底部弯道13的上端两侧分别连接有变径接头，变径接头包括往上渐缩渐缩的圆锥段16和其上方的圆柱段17，圆柱段的上端口与所述锥形段的下端口对接为一体，圆柱段的上部内置承接冷凝水的漏斗18。本实施例漏斗18的壁面坡度大于45º，其壁面坡度足以让冷凝水在重力作用下向下流动；漏斗18的出口直径不大于10mm，以使空气下行管和空气上行管中的冷凝水可顺利进入底部弯管中，而管内的空气不易从漏斗通过，从而使底部弯道内难以形成空气对流，减少冷凝水对管内空气的污染。
如图2和图5所示，底部弯道13的最低位置处连接有排水管8，排水管8从地下伸出地面后连接有排水泵9。底部弯道13的上部设置水位传感器cgq。
地下埋管沿竖直方向埋设于管道井中，克服了常规水平埋管系统需占用过大的基坑面积的缺陷，还解决了部分地区浅层土壤温度偏高，导致常规水平埋管系统效率不高的问题。地下埋管内的相变材料可以储存一部分地道通风所含的土壤冷量。随着系统运行时间的延长，地道换热效率会下降，此时相变材料储存的冷量作为地道通风的冷源，进一步冷却管内空气，从而延长了系统的有效作用时间。与此同时，垂直埋管外的相变材料，同时起到保温和蓄能的双重作用，风速较小时可以储存冷量，并有效利用了浅层的保温管段，有效地延长了地道的作用长度。
垂直埋管内外的相变蓄能管有效增加了地道通风的换热面积，从而提高其降温效果。垂直埋管底部冷凝水收集及排出管路的设置，充分利用了重力收集管内冷凝水，并通过排水管将冷凝水排至室外地面。漏斗结构的设置可以减少或避免冷凝水与管内流通空气的接触，从而避免了常规水平埋管系统将夏季凝露引起的发霉和病菌滋生引入室内，有效提高了室内空气品质。
本系统的工作原理如下：
夏季系统开始运行后，风机5开启，室外空气经过滤器2和除湿器3处理后流经空气下行管11、连通管14和空气上行管12与地下土壤进行换热，经过土壤降温后的空气经过室内风口7送入室内。系统运行时，U型管内空气可以把土壤的冷量依次与圆柱管内封装的下层相变材料、中层相变材料和上层相变材料换热，将部分冷量储存于相变材料内。
系统运行一段时间后，当地道换热效率下降时，圆柱管内相变材料储存的冷量作为冷源将冷量传递给管内空气，从而延长地道通风系统的有效作用时间，提高降温效果。当U型管内空气的流速较小时，管内空气可以把多余的冷量储存于U型管外的相变材料中，当室内所需要负荷较大即需要提高管内空气流速时，U型管外相变材料储存的冷量可对U型管内的空气进一步冷却，从而有效的延长了地道垂直埋管的作用长度。
夏季地下5m以下的土壤温度一般低于U型管内空气的露点，因此垂直埋管内的部分管段易出现凝露。在重力作用下，冷凝水沿垂直埋管的管壁向下流动，进入U型管的底部弯道中。当底部弯道上部的水位传感器cgq显示底部弯道管内冷凝水的水位接近连通管时，控制排水泵开启将冷凝水经由排水管排出收集。
冬季时本垂直埋管系统可作为室内供暖的辅助加热系统，该系统与常规的供暖系统相结合，在提供室内新风的同时，可以大大的降低常规供暖系统的能耗，从而实现最大限度的节能。

Claims (8)

1.一种垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：该系统包括沿竖直方向埋设于土壤中的垂直埋管，垂直埋管的两端分别连接有位于地面上的进风管路和出风管路，出风管路的终端位于住宅的室内，进风管路上连接有过滤器和除湿器，垂直埋管与出风管路连接侧的管内和管外均设置有相变材料，垂直埋管的底部设置有冷凝水收集及排出管路。
2.如权利要求1所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述垂直埋管通过管道井埋设于土壤中，包括多个并联的U型管，各U型管包括空气下行管、空气上行管和底部弯道，空气下行管的上端与所述进风管路连通，空气上行管的上端与所述出风管路连通；各U型管的空气下行管和空气上行管的下端分别为往下渐缩的锥形段，空气下行管和空气上行管在锥形段的上方通过连通管连通；底部弯道的上端两侧分别连接有变径接头，变径接头包括往上渐缩的圆锥段和其上方的圆柱段，圆柱段的上端口与所述锥形段的下端口对接为一体，圆柱段的上部内置承接冷凝水的漏斗；底部弯道的最低位置处连接有排水管，排水管从地下伸出地面后连接有排水泵。
3.如权利要求2所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述漏斗的壁面坡度大于45º，出口直径小于10mm。
4.如权利要求2所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述底部弯道的上部接近所述连通管高度处设置有水位传感器。
5.如权利要求2所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述空气上行管的上部外套有PVC的外套管，外套管和空气上行管之间依次设置有保温材料和相变材料，相变材料置于内套管中，内套管和外套管的两端分别连接有密封组件。
6.如权利要求2所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述空气上行管的轴向中心线上悬挂有用圆柱管封装的相变材料，圆柱管的下端处于所述连通管处、上端低于所述内外套管的上端面，圆柱管内相变材料的相变温度根据所处土壤层温度从下往上依次递增。
7.如权利要求5所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述密封组件包括弹性套环、密封垫圈、弹性垫圈和密封塞铆钉，弹性套环有两个，分别套于所述空气上行管的外壁和所述外套管的外壁，密封垫圈有两个分别套于空气上行管和外套管的外壁对应于弹性套环的外端，密封垫圈的外端与外套管和内套管的外端平齐，弹性垫圈位于内套管和外套管的外端同时将两密封垫圈封闭，通过密封塞铆钉将弹性垫圈、密封垫圈和弹性套环紧固为一体将保温材料和相变材料密封。
8.如权利要求2所述的垂直埋管地道通风与相变蓄能耦合系统，其特征在于：所述进风管路分别通过风阀与U型管的空气下行管连通，所述出风管路上连接有风阀和风机及排风管。
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