CN106839207A - 一种被动式建筑的浅层地热应用技术 - Google Patents

一种被动式建筑的浅层地热应用技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提供一种被动式建筑的浅层地热应用技术，主要包括预热和冷却两方面应用方向；预热工序和冷却工序主要包括三步：第一步，将室外空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行过滤处理；第二步，将处理过的空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与空气温差进行预热或冷却处理；第三步，将处理后的空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，在所述送风管道内部设置有热水加热盘管或直接蒸发冷却器，对空气进行再次处理；本发明结构简单，提供浅层地热应用技术，不仅实现了房间换气，也调节了新风的温度，节约了能耗，在使用过程中，具有成本低，耗能量低，应用广泛等优点。

Description

一种被动式建筑的浅层地热应用技术
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，特别是被动式建筑的浅层地热应用技术。
背景技术
新疆属于严寒寒冷地区，其冬季供暖期长达6个月(10月10日至4月10日)，而夏季供冷期仅2个月。就严寒地区常规建筑而言，其冬季供暖能耗(含新风能耗)是夏季供冷能耗的7倍之多，且冬季新风能耗占总供暖能耗的60％。
被动式建筑又称为被动式低能耗建筑或被动房，是目前唯一获得官方与民间广泛公认的最先进建筑节能模式，其严格的保温及气密性要求，大幅度降低了建筑外围护结构及门窗系统的传热系数，同时采用零热桥、高性能热回收技术，使得建筑的年供暖需求不大于15kWh/(㎡·a)，是常规建筑年供暖需求的1/4。
但是目前结合各地独特的干热气候，主要依靠机械制热或冷却的方式来对建筑物内送风温度进行调整，甚至是继续利用空调及供暖能耗等方式，增加能源消耗，与现在提倡的降低建筑能耗，鼓励绿色建筑的理念相违背。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为解决被动式建筑物内供热耗能大的问题，在不采用机械制热或制冷的情况下，依靠地道通风、新风热回收及直接蒸发冷却等技术便可满足建筑物冬夏季室内25℃的要求，实现室内热舒适环境，同时能节约大量建筑供暖或供冷能耗；被动式建筑的浅层地热应用技术是在被动式建筑的基础上，利用浅层地道，将室外新风引入地道，吸收浅层土壤中的地热加热新风，并将预热过后的新风送入建筑物内。对于被动式建筑，通过浅层地热加热后的新风，能将室外新风提高5℃左右，节能率达10％，进一步降低被动式建筑的供暖需求。同时，该浅层地热应用技术亦可用于常规建筑，不仅降低建筑新风供暖能耗，也改善了室内空气质量。该技术与国家倡导的绿色、节能、环保的政策遥相呼应，积极响应绿色建筑的理念。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种被动式建筑的浅层地热应用技术，该技术包括预热和冷却两方面应用方向：
预热工序主要流程内容为：第一步，将室外冷空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行过滤处理；第二步，将处理过的冷空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与冷空气温差进行预热处理；第三步，将初步预热的冷空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，在所述送风管道内部设置有热水加热盘管，对冷空气进行二次预热。
冷却工序主要流程内容为：第一步，将室外热空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行过滤处理；第二步，将处理过的冷空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与热空气温差进行冷却处理；第三步，将初步冷却的热空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，在所述送风管道内部设置有直接蒸发冷却器，对热空气进行二次冷却。
本发明的有益效果在于：本发明结构简单，提供新型浅层地能地道通风系统，在不利于机械制冷或制热的情况下，实现了调节房间新风的温度，大幅降低了冬季空调供暖系统的能耗及运行成本，节约了能耗，在使用过程中，具有成本低，耗能量低，应用广泛等优点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步的，所述的预热工序或冷却工序的第三步中，在所述的送风管道空气输入端口设置有板翅式全热回收机组，对进风通道的空气可以进行热湿交换。
采用上述进一步方案的有益效果是：室外新风可率先通过地道夏季预冷或冬季预热后进入板翅式全热回收机组进行空气热量交换，成本较低，板翅式热回收器未采用金属材质，而是使用了一种可渗透水蒸气分子的膜材料。使得进排风通道之间的空气可以进行热湿交换，从而实现了全热回收的功能，并且全热回收效率≥75％；在加热空气和冷却空气方面都有很好的效果，它在当前的工矿企业，各大型建筑物的采暖通风系统中得到广泛地应用。
进一步的，所述的被动式建筑的排风系统穿过所述的板翅式全热回收机组，对排风系统中的热能进行交换。
采用上述进一步方案的有益效果是：可以对排风的热能进行收集并有效利用，充分减少能源流失，达到节能减排的效果。
进一步的，所述的通风管道采用混凝土材质，长度大于104米，覆土厚度大于4米。
采用上述进一步方案的有益效果是：混泥土材质的热传递性强，密封性好，有效的达到被动式建筑的自然转化热能的效果，并且经过试验数据，至少长度大于102米，覆土厚度＞4米的通风管道才能达到预期效果。
进一步的，所述的过滤处理包括粗效过滤和中效过滤两个环节，粗效过滤采用纤维材料，过滤大型颗粒物，中效过滤采用CHF化学过滤器，对空气中的气体污染物进行清除。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过粗效过滤和中效过滤两个环节，有效的对空气中的大型颗粒物和化学物质进行清除，特别是粗效过滤采用纤维材料，在过滤过程中，对空气的阻力降到最低；CHF化学过滤器在通风和空调领域，CHF化学过滤器使用活性炭作为主要过滤材料，成本较低，过滤效果好，对空气中的化学成分、细菌等可以进行吸附和消灭。
进一步的，所述的送风管道内设置有电动密闭阀门与送风机连锁，实现风量自动调节功能。
采用上述进一步方案的有益效果是：被动式建筑对密闭性要求很高，电动密闭阀门密闭性能强，同时与送风机连锁，可以实现风量自动调节的功能，使得室内空气流量达到智能化控制的效果。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
提供一种被动式建筑的浅层地热应用技术，该技术包括预热和冷却两方面应用方向，预热工序主要是发生在冬季，冷却工序主要是发生在夏季：
冬季室内输入空气预热工序主要流程内容为：第一步，室外冷空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行第一阶段预热，并且通过粗效过滤和中效过滤两个环节，对冷空气进行过滤处理；粗效过滤是对空气中的大型颗粒物进行过滤，采用纤维材料，在过滤过程中，对空气的阻力降到最低；中效过滤对化学物质进行清除，采用CHF化学过滤器，在通风和空调领域，CHF化学过滤器使用活性炭作为主要过滤材料，成本较低，过滤效果好，对空气中的化学成分、细菌等可以进行吸附和消灭；
第二步，将处理过的冷空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与冷空气温差进行预热处理；通风管道采用混凝土材质，混泥土材质的热传递性强，密封性好，有效的达到被动式建筑的自然转化热能的效果，通风管道全长设置为104米，埋深地下4米，经过试验数据，通风管道全长设置至少为104米，埋深地下4米；
第三步，将初步预热的冷空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，所述的送风管道空气输入端口设置有板翅式全热回收机组，对进风通道的空气可以进行热湿交换，室外新风可率先通过地道夏季预冷或冬季预热后进入板翅式全热回收机组进行空气热量交换，成本较低，板翅式热回收器未采用金属材质，而是使用了一种可渗透水蒸气分子的膜材料。使得进排风通道之间的空气可以进行热湿交换，从而实现了全热回收的功能，并且全热回收效率≥75％；在加热空气和冷却空气方面都有很好的效果，它在当前的工矿企业，各大型建筑物的采暖通风系统中得到广泛地应用；在所述送风管道内部设置有热水加热盘管，对冷空气进行再次预热，热水加热盘管应用率比较高，成本造价低，加热费用较电加热大幅下降，可以实现多种控制选择。
夏季室内输入空气冷却工序主要流程内容为：第一步，将室外热空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行第一阶段冷却，并且通过粗效过滤和中效过滤两个环节，对热空气进行过滤处理；粗效过滤是对空气中的大型颗粒物进行过滤，采用纤维材料，在过滤过程中，对空气的阻力降到最低；中效过滤对化学物质进行清除，采用CHF化学过滤器，在通风和空调领域，CHF化学过滤器使用活性炭作为主要过滤材料，成本较低，过滤效果好，对空气中的化学成分、细菌等可以进行吸附和消灭；
第二步，将处理过的热空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与冷空气温差进行预热处理；通风管道采用混凝土材质，混泥土材质的热传递性强，密封性好，有效的达到被动式建筑的自然转化热能的效果，通风管道全长设置为104米，埋深地下4米，经过试验数据，通风管道全长设置至少为104米，埋深地下4米；
第三步，将初步冷却的热空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，所述的送风管道空气输入端口设置有板翅式全热回收机组，对进风通道的空气可以进行热湿交换，室外新风可率先通过地道夏季预冷或冬季预热后进入板翅式全热回收机组进行空气热量交换，成本较低，板翅式热回收器未采用金属材质，而是使用了一种可渗透水蒸气分子的膜材料。使得进排风通道之间的空气可以进行热湿交换，从而实现了全热回收的功能，并且全热回收效率≥75％；在加热空气和冷却空气方面都有很好的效果，它在当前的工矿企业，各大型建筑物的采暖通风系统中得到广泛地应用；在所述送风管道内部设置有直接蒸发冷却器，对热空气进行再次冷却，直接蒸发冷却器多采用填料式直接蒸发冷却器，对热空气不仅起到降温的作用还进行了加湿，适应空气含湿量和湿球温度低的新疆等地区，在不使用机械制冷就能达到舒适性空调的效果。
为了达到风量自动调节的功能，在以上两种处理工序中，送风管道内设置有电动密闭阀门与送风机连锁，实现风量自动调节功能，使得室内空气流量达到智能化控制的效果，并且被动式建筑对密闭性要求很高，电动密闭阀门密闭性能强，比较适合被动式建筑使用。
在被动式建筑的排风系统中，也设置有板翅式全热回收机组，对排风系统中的热能进行交换，对排风系统的热能进行交换，减少能源流失，避免送风与排风的交叉感染。
本实施例通风管道采用混凝土材质，采用全长104m和134m两种设置，全长104m的通风管道截面尺寸为1000*800mm，通风量为4900m3/h；全长134m的通风管道截面尺寸也为1000*800mm，通风量为7500m3/h；都埋设深度4米；风道风速1.75m/s，土壤表面年平均温度为6.6℃，地面温度波幅为19.6℃，对通风管道风的出风温度按下式计算：
式中，top为地层y深度原始温度，单位：℃；tw为室外气温，单位：℃；B为间歇运行修正系数；K为通风管道壁体传热系数，单位：W/(m2·K)；F为通风管道冷却面积，单位为：m2；c为通风管道壁体比热容，单位：J/(kg·℃)；G为空气流量，单位为：kg/s。
top的计算公式如下：
top＝td+Adexp(-0.334y)cos(0.334y)+△td (2)
式中td为土壤表面年平均温度，单位为：℃；Ad为地表温度波幅，单位为：℃；△td为考虑地道透气性的附加温升，一般为1～2℃。
通风管道壁体可视为半无限大物体，通风管道壁体传热系数K值计算如下：
式(3)～(5)中，α为表面传热系数，单位为：W/(m2·℃)；a为通风管道壁体导温系数，单位为：m2/s，τ为时间，单位为：s；λ为通风管道壁体导热系数，单位为：W/(m·℃)；λa为空气导热系数，单位为：W/(m·℃)；U为通风管道周长，单位为：m；de为通风管道当量直径，单位为：mm，de＝4f/U，其中f为通风管道橫截面积，单位为：m2；Re为雷诺数。
104m冬季通风管道通风计算结果如下：
工况 1 2 3 4 5 6
进风温度/℃ -20 -18 -16 -14 -12 -10
地道通风出口温度/℃ -13.6 -12.2 -10.7 -9.2 -7.7 -6.2
134m冬季通风管道通风计算结果如下：
工况 1 2 3 4 5 6
进风温度/℃ -20 -18 -16 -14 -12 -10
通风管道风出口温度/℃ -14.9 -13.3 -11.7 -10.1 -8.6 -6.9
除去极寒天气，白天室外温度一般在-15℃以上。从上表可以看出此刻通过地道预热的新风出风温度基本处于-11℃以上，此时对应热回收机组排风的露点温度为-12℃。可见采用浅层地热应用技术后，基本不会再发生热回收器结冰的现象，保证了冬季空调系统的正常运行，再加上热水加热盘管的加热后，可以满足室内供暖温度的要求。
冬季制热工序各功能段节能率
室外空气 通风管道送风 新风热回收 热水加热盘管
温度/℃ -19.7 -14.6 11.4 30
加热量/kW - 12.9 65 47
占比 - 10％ 52％ -
夏季通风管道通风计算结果如下：
104m长度夏季不同进风温度通风管道通风计算结果
工况 1 2 3 4 5 6
进风温度/℃ 28 30 32 34 36 38
通风管道出口温度/℃ 23.0 24.5 26.0 27.4 28.9 30.4
134m长度夏季不同进风温度通风管道通风计算结果
工况 1 2 3 4 5 6
进风温度/℃ 28 30 32 34 36 38
通风管道出口温度/℃ 23.9 25.6 27.1 28.7 30.3 31.9
夏季，通风管道风出口温度比室外进风温度明显低5-6℃左右，达到自然降温的效果，再加入直接蒸发式空气冷却器，可以满足室内进风温度冷却的效果。
夏季冷却工序各功能段节能率
室外空气 通风管道风 新风热回 直接蒸发式空气冷却
温度/℃ 33.5 28.3 26.6 17.5
制冷量/kW - 13.1 4.3 23
占比 - 32％ 11％ 57％
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术原理和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于：所述的被动式建筑的浅层地热应用技术包括预热和冷却两方面应用方向；
所述的预热工序主要包括：第一步，将室外冷空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行过滤处理；第二步，将处理过的冷空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与冷空气温差进行预热处理；第三步，将初步预热的冷空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，在所述送风管道内部设置有热水加热盘管，对冷空气进行二次预热。
所述的冷却工序主要包括：第一步，将室外热空气收集到所述的被动式建筑中的进风管道，进行过滤处理；第二步，将处理过的冷空气送入被动式建筑内部深埋于地下的通风管道，利用地层深处与热空气温差进行冷却处理；第三步，将初步冷却的热空气送入分布在被动式建筑内部的送风管道，在所述送风管道内部设置有直接蒸发冷却器，对热空气进行二次冷却。
2.根据权利要求1所述的被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于所述的预热工序或冷却工序的第三步中，在所述的送风管道空气输入端口设置有板翅式全热回收机组，对进风通道的空气可以进行热湿交换。
3.根据权利要求2所述的被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于所述的被动式建筑的排风系统穿过所述的板翅式全热回收机组，对排风系统中的热能进行交换。
4.根据权利要求1所述的被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于所述的通风管道采用混凝土材质，长度大于104米，覆土厚度＞4米。
5.根据权利要求1所述的被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于所述过滤处理包括粗效过滤和中效过滤两个环节，粗效过滤采用纤维材料，过滤大型颗粒物，中效过滤采用CHF化学过滤器，对空气中的气体污染物进行清除。
6.根据权利要求1所述的被动式建筑的浅层地热应用技术，其特征在于为所述的送风管道内设置有电动密闭阀门与送风机连锁，实现风量自动调节功能。
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