CN107525181A - 一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统主要包括低品位自然能源采集装置、嵌管式外墙、嵌管式窗户、空气处理机组以及连接管路。低品位自然能源采集装置从自然环境采集到的低温热水或者高温冷水分别输送到空气处理机组的经济器、嵌管式外墙和嵌管式窗户中，换热之后返回到低品位自然能源采集装置中继续从自然环境中取热或者放热。室外新风先经过经济器实现预冷/预热，然后在空气处理机组中进行深度处理到送风状态点后由送风口进入空调区。该系统能够充分利用自然环境所蕴藏的低品位能量，有效处理建筑的低品位供热空调负荷，大幅度降低高品位能源制取的热量或冷量，实现建筑供热空调负荷的分级处理，具有显著的节能潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统，属于供热及空调领域。
背景技术
目前的供热空调系统，往往采用热湿联合处理的方式，对不同传热方式形成的空调冷热负荷统一进行处理，夏季主要通过高品位的电能制取低温冷水(7℃)或冷风(13～18℃)以处理室内不同温度的得热形成的冷负荷以及室外高温的新风负荷；冬季主要通过高品位的燃料或电能制取热水(45℃)或热风以处理房间热负荷和新风热负荷，用能品位较高，造成了能源利用品位上的严重浪费。
事实上，室内的热湿参数分布是不均匀的。比如，夏季工作区温度需维持在适宜范围内(26℃)，而在外墙、外窗及其遮阳设施、高大空间的上层区域，室外新风的温度往往较高甚至高于40℃，因此直接利用高于室温的自然冷源即可有效去除部分热量，自然界中如地埋管、冷却塔、或者江河湖海水换热制取高温冷却水均具有处理这种低品位负荷的能力。冬季，外墙和外窗以及室外新风的温度往往低于室内采暖温度，采用低品位的自然能源，如地埋管换热器从土壤中取热获取低于室温的热水预热新风，降低冬天室外环境通过外围护结构对室内的影响，从而减少高品位供热的需求。
中国专利文献(CN 01761998B)提出了围护结构内嵌管道式空调系统及其控制方法。虽然该技术方案也提出了采用自然能源与围护结构相结合降低建筑空调负荷的做法，但是该专利公布的是如何通过一定的控制方法将建筑墙体中的热量或冷量直接带到土壤和含水层中，以及如何在过渡季节利用自然能源蓄存能量。上述技术方案只解决了降低外墙传热形成的空调负荷的方法，不能实现空调系统的功能。
基于此，本文提出一种充分利用自然能源去除围护结构和新风负荷实现负荷分级处理的节能空调系统。
发明内容
基于上述背景，针对传统供热空调系统在建筑冷/热负荷处理方式上存在用能品位较高，造成能源利用品位严重浪费的问题，本发明提出一种充分利用自然能源去除围护结构和新风负荷，通过高品位电力驱动的热泵制冷制热或者燃料燃烧处理建筑高品位供热空调负荷，实现负荷分级处理的节能空调系统。
本发明的技术方案如下：
一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统主要包括低品位自然能源采集装置、嵌管式外墙、嵌管式窗户、空气处理机组以及设备之间的连接管网组成，其中，空气处理机组中设置有经济器、冷/热水盘管和新风口，低品位自然能源采集装置的供水管和回水管分别与分水器和集水器相连；空气处理机组的经济器、嵌管式外墙和嵌管式窗户的进水管和出水管分别与分水器和集水器相连；空气处理机组的冷/热水盘管的进水管和出水管分别与外部冷源/热源设备相连接；室外新风经新风口先进入到空气处理机组的经济器中，再进入空气处理机组中的冷/热水盘管后由送风口进入空调区。
由于室内的热湿参数分布是不均匀的，夏季工作区温度需维持在适宜范围内(26℃)，而在外墙、外窗及其遮阳设施、高大空间的上层区域，室外新风的温度往往较高甚至高于40℃，因此直接利用高于室温的自然冷源即可有效去除部分热量，自然界中如地埋管、冷却塔、或者江河湖海水换热制取高温冷却水均具有处理这种低品位负荷的能力。冬季，外墙和外窗以及室外新风的温度往往低于室内采暖温度，采用低品位的自然能源，如地埋管换热器从土壤中取热获取低于室温的热水预热新风，降低冬天室外环境通过外围护结构对室内的影响，从而减少高品位供热的需求。
该节能型空调系统，充分利用室外空气、地温、江河湖海水等自然环境所蕴藏的低品位能量，有效处理建筑低品位供热空调负荷，通过高品位电力驱动的热泵制冷制热或者燃料燃烧处理建筑高品位供热空调负荷，实现建筑供热空调负荷的分级处理，达到降低建筑空调能耗的目的。
本发明具有如下突出优点和显著的技术效果：
(1)充分利用室外空气、地温、江河湖海水等自然环境所蕴藏的低品位能量，有效处理建筑低品位供热空调负荷，降低通过高品位电力驱动的热泵制冷制热或者燃料燃烧所承担的建筑供热空调负荷量，实现负荷分级处理，达到降低建筑空调能耗的目的。
(2)采集低品位的自然能源对新风进行处理，夏季可以用低于室外新风温度的自然冷源预冷新风，冬季可以用高于室外新风的自然热源预热新风，降低新风负荷。
(3)将低品位的自然能源与建筑围护结构相结合能够高效去除建筑负荷，夏季采集来的高温冷却水输送到嵌管式窗户能够有效带走太阳辐射热，输送到嵌管式建筑外墙能够阻挡通过外墙向室内的传热。冬天在外围护结构中输送低温热水能够降低室内向室外的传热。
(4)对于高大建筑空间，通过合理的气流组织营造温度分层，将采集来的低品位高温冷却水输送到顶部风机盘管，能够达到冷却回风的目的，降低空调机组的回风负荷。
总的来说，本技术方案能够充分利用低品位自然能源高效处理低品位的建筑供热空调负荷，显著降低高品位机械制冷制热的能耗，能源品位与能源利用相对应，节约空调能耗。
附图说明
图1：一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统结构原理图。
图2：一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统的一种实施例。
图3：一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统的扩展实施例。
图中标记的部件名称如下：1-低品位自然能源采集装置；1a-江河湖海水源换热器；1b-冷却塔；1c-地埋管换热器；4、6、7、12、20-环路流量控制阀门；3、8、13、23-环路循环水泵；5-嵌管式外墙；9-分水器；10-嵌管式窗户；14-集水器；15-空气处理机组；16-冷/热水盘管；17-经济器；18-新风口；19-送风口；21-换热设备；22-回风口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、工作原理和运行模式作进一步阐述：
图1为本发明公开的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统结构原理图。一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统主要包括低品位自然能源采集装置1、嵌管式外墙5、嵌管式窗户10、空气处理机组15以及相应设备之间的连接管网组成。其中，空气处理机组15中设置有经济器17、冷/热水盘管16和新风口18。由低品位自然能源采集装置1从自然环境中采集到的低温热水或者高温冷水输送到分水器9，然后再分别输送到空气处理机组15的经济器17以及嵌管式外墙5和嵌管式窗户10中，换热之后进入到集水器14中，在循环水泵13的作用下返回到低品位自然能源采集装置1中继续从自然环境中取热或者放热。通过外部冷源或者热源制取空调所需冷水或热水与空气处理机组中的冷/热水盘管16相连接。室外新风经新风口18进入到空气处理机组15中，与流经经济器17中的低温热水/高温冷水进行换热，然后在空气处理机组中与冷/热水盘管16进行深度换热到送风状态点后由送风口19进入空调区。
图2为本发明公开的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统的一种实施例。以地埋管换热器1c作为低品位自然能源采集装置为例说明利用自然能源对建筑供热空调负荷进行分级处理的系统的工作原理和过程进行说明。
过渡季节，当室外空气温度不是很高，需要从房间排出的热量不是很多时，关闭高品位的机械制冷，采用自然能源耦合嵌管式围护结构+通风的冷却模式来维持空调区的热舒适要求具体的实施方式如下：开启阀门6、7，开启循环水泵13，关闭阀门4，地埋管换热器1c换热得到的高温冷却水进入分水器9中，在循环水泵8的作用下，高温冷却水从分水器9分别进入到嵌管式外墙5和嵌管式窗户10中。冷却水通过水管壁吸收嵌管式外墙5的热量，阻挡通过外墙向室内的传热。嵌管式窗户10的遮阳百叶吸收太阳辐射热温度升高，并把热量传递给冷却水，嵌管式窗户阻挡了通过窗户进入房间的太阳辐射热量，温度升高的冷却水进入到集水器14中，在循环水泵13作用下返回到地埋管换热器1c换热，将热量排放到周围的土壤中，然后进入分水器继续带走围护结构传热。当自然通风受限时，可以开启空气处理机组15的风机，将室外温度适宜的新风送入室内，满足室内的热舒适要求。
在炎热夏季，单独采用自然能源供冷不能满足室内热舒适要求时，采用低品位自然能源供冷与高品位机械制冷联合运行的模式。具体的实施方式如下：开启阀门4、6、7，开启循环水泵13，地埋管换热器1c换热得到的高温冷却水进入分水器9中，在循环水泵8的作用下，高温冷却水从分水器9分别进入到嵌管式外墙5和嵌管式窗户10中，带走通过建筑外墙和窗户进入室内的热量，降低通过围护结构传热形成的低品位空调冷负荷，温度升高的冷却水进入到集水器14中。在循环水泵3的作用下，高温冷却水从分水器9输送到空气处理机组15的经济器17中预冷新风，温度升高后返回到集水器14中，集水器14中的高温冷却水在循环水泵13的作用下返回到地埋管换热器1c中，将热量排放到周围的土壤中，然后进入分水器14继续带走围护结构传热和新风的热量。室外温度较高的新风从新风口18进入空气处理机组15中，首先被经济器17预冷，温度降低后再被冷/热水盘管16中的高品位的空调冷冻水处理到送风状态点，然后由送风口19进入空调区，消除余热余湿。
采暖季节，采用低品位自然能源供热与高品位机械制热联合运行的模式。具体的实施方式如下：开启阀门4、6、7，开启循环水泵13，地埋管换热器1c换热得到的低温热水进入分水器9中，在循环水泵8的作用下，低温热水从分水器9分别进入到嵌管式外墙5和嵌管式窗户10中，降低通过围护结构向室外的传热形成的低品位供热热负荷，温度降低的低温热水进入到集水器14中。在循环水泵3的作用下，低温热水从分水器9输送到空气处理机组15的经济器17中预热新风，温度降低后返回到集水器14中，集水器14中的低温热水在循环水泵13的作用下返回到地埋管换热器1c中，从周围的土壤中取热，温度升高后进入分水器14继续输送到围护结构和经济器17中。室外温度较低的新风从新风口18进入空气处理机组15中，首先被经济器17预热，温度升高后再被冷/热水盘管16中的高品位的空调热水处理到送风状态点，然后由送风口19送入空调区供热。
图3为本发明公开的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统的一种扩展实施例。管路系统可以采用二级泵系统。低品位自然能源采集装置可以是一种或多种自然能源相结合的采集方式。例如，根据当地的自然能源分布以及建筑供暖空调的需要，可以单独采用冷却塔1b/江河湖海水源换热器1a/地埋管换热器1c采集自然环境中的低品位能量。也可以采用其中的两种或者多种换热器相结合的方法采集自然环境中的低品位能量。采用江河湖海水源换热器1a/冷却塔1b等自然能源采集装置消除低品位建筑供热空调负荷的实施方法与采用地埋管换热器1c相似。
对于发热量较大的高大空间，可以在空调区上部安装换热设备21，通过合理的气流组织营造温度分层，夏季供冷时，将采集来的低品位高温冷却水输送到顶部的换热设备21，能够达到冷却回风的目的，降低空调机组的回风负荷，也是本专利的一种实施例，其具体实施方法如下：开启阀门4、6、7、20，开启循环水泵3、8、13、23，低品位自然能源采集装置1换热得到的高温冷却水进入分水器9中，在循环水泵8的作用下，高温冷却水从分水器9分别进入到嵌管式外墙5和嵌管式窗户10中，带走通过建筑外墙和窗户进入室内的热量，降低通过围护结构传热形成的低品位空调冷负荷，温度升高的冷却水进入到集水器14中。在循环水泵3的作用下，高温冷却水从分水器9输送到空气处理机组15的经济器17中预冷新风，温度升高后返回到集水器14中。在循环水泵23的作用下，高温冷却水从分水器9输送到顶部的换热设备21中，与顶部温度较高的空气进行换热，降低进入到空调机组15的回风温度，冷却水温度升高后返回到集水器14中。集水器14中的高温冷却水在循环水泵13的作用下返回到低品位自然能源采集装置1中，温度降低后，进入分水器14继续带走围护结构传热和新风、回风的热量。室外温度较高的新风从新风口18进入空气处理机组15中，首先被经济器17预冷，温度降低后与从回风口22进入空气处理机组15的回风混合，混合空气再被冷/热水盘管16中的高品位的空调冷冻水处理到送风状态点，然后由送风口19进入空调区，消除余热余湿。
Claims (4)
1.一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统，其特征在于：该空调系统主要包括低品位自然能源采集装置(1)、嵌管式外墙(5)、嵌管式窗户(10)、空气处理机组(15)以及设备之间的连接管网组成，其中，空气处理机组(15)中设置有经济器(17)、冷/热水盘管(16)和新风口(18)，低品位自然能源采集装置(1)的供水管和回水管分别与分水器(9)和集水器(14)相连；空气处理机组(15)的经济器(17)、嵌管式外墙(5)和嵌管式窗户(10)的进水管和出水管分别与分水器(9)和集水器(14)相连；空气处理机组(15)的冷/热水盘管(16)的进水管和出水管分别与外部冷源/热源设备相连接；室外新风经新风口(18)先进入到空气处理机组(15)的经济器(17)中，再进入空气处理机组(15)中的冷/热水盘管(16)后由送风口(19)进入空调区。
2.根据权利要求1所述的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统，其特征在于，所述空气处理机组(15)为带回风的空气处理机组；室内回风经回风口(22)进入经济器(17)与冷/热水盘管(16)之间的回风腔内。
3.根据权利要求1所述的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统，其特征在于，在高发热量热源的上部设置换热设备(21)，换热设备(21)的进、出水管分别与低品位自然能源采集装置(1)的出水管和进水管相连；换热设备(21)为对流换热器、辐射换热器以及这些换热器的组合。
4.根据权利要求1所述的一种利用自然能源进行负荷分级处理的空调系统，其特征在于，低品位自然能源采集装置(1)采集的自然能源为冷却塔出水，从江河湖海、地下水、与土壤换热获得的高温冷水/低温热水，以及这些水体的组合。
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