CN110749004A - 土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法 - Google Patents

土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法，包括新风处理模块、土壤蓄能模块、相变蓄能模块与热泵模块，四个模块之间通过控制阀组相互关联构成一个完整的系统。所述控制所述系统的运行方法，包括通风模式、除湿模式、除湿降温模式和加热模式四类运行模式，通过室外空气温湿度参数判断运行模式。本发明利用双级相变技术解决相变蓄冷的冷量扩散问题，利用多级新风处理方式最大限度的实现能量的梯级利用，以减少相变材料的用量，降低投资成本。

Description

土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法
技术领域
本发明涉及一种新风处理系统及运行方法，具体为土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法，属于建筑环境与能源应用技术领域。
背景技术
我国广大中南部地区属于夏热冬冷或夏热冬暖地区，为营造舒适的室内热湿环境，需要消耗大量的能源以供空调系统的运转。目前我国建筑能耗占国民总能耗的30％左右，而空调系统的能耗则占据了建筑能耗的60％以上。随着社会经济的发展，人们对舒适环境的要求越来越高，用于空调系统的能耗将会越来越高。由此，我国在建筑环境与能源应用领域的学者致力于如何降低空调系统能耗，甚至实现“零”能耗。
跨季节蓄冷/热是一种可以降低空调系统能耗的有效手段，特别是针对夏热冬冷地区，将冬天的冷量储存用于夏季制冷，夏季热量储存用于冬季采暖，理论上可以完全避免蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷等高耗能设备的使用。目前跨季节蓄冷/热技术的研究与应用主要集中在以下两个方面：
(1)土壤跨季节蓄冷/热：利用土壤进行跨季节蓄能是一种可行的途径，15米以下的浅层土壤不受地表热环境的影响，可以常年保持在一个稳定的温度范围内(如长沙地区保持在20-21℃之间)，利用埋管换热器或者直接抽取地下水可以获得高温冷源(以长沙地区为例，夏季可获得22-25℃之间的高温冷媒)或者低温热源(以长沙地区为例，冬季可以获得16-19℃的低温热媒)。但土壤跨季节蓄冷始终受限于温度范围，无法适应常规的空调系统的冷热媒温度要求，更无法解决夏季因潜热得热形成的湿负荷。
(2)跨季节相变蓄冷/热：利用相变材料，如水、石蜡等，通过保温装置实现跨季节蓄冷/热也是一种可行的途径。相变蓄能不受温度范围的限制，可以制取低温冷媒与高温热媒。然而，相变蓄能成本高昂，且相变蓄能材料的体积庞大(以普通独立住宅跨季节冰蓄冷为例，完全实现相变蓄冷替代机械制冷，其所需的水体体积为建筑体积的2-3倍)，在经济上是不具可行性的。
为实现跨季节蓄能的实现，土壤蓄能与相变蓄能的结合使用是一种可行的技术手段。国内外学者提出利用土壤蓄能与围护结构耦合，将高温冷媒与低温热媒直接送入嵌管式围护结构内部，一方面可实现阻隔通过围护结构的得热/失热，另一方面可以消除室内的部分显热得热。利用相变蓄能消除夏季新风及室内湿负荷、部分显然负荷与冬季新风冷负荷。
这种土壤与相变蓄热耦合运行的跨季节蓄能方式，可以解决单一土壤蓄热冷媒温度范围的限制问题，又可以解决相变蓄能的成本问题。是一种有望在实践中得到应用的先进技术手段。但目前在该技术理念在技术手段上依然存在不可行因素：
(1)相变蓄冷的冷扩散问题：由于跨季节在时间上是一个大跨度，相变蓄冷材料与外界环境的温差而导致的冷量损失占比很大。有学者提出相变材料埋置于地下恒温层以减少冷量损失，但因此而造成的土壤逐年蓄冷，存在破坏地下土壤生态环境的风险，更有甚至可能导致地质结构的变化和地下水流的阻断等严重不良后果；
(2)完全利用相变蓄冷以实现新风负荷和室内湿负荷，所需要的相变材料体积也相对庞大，以长沙地区三口之家的普通住宅为例，要实现利用相变材料处理新风负荷与室内湿负荷，所需的相变材料(以水为例)体积超过 100立方米，其技术实现成本也十分高昂。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统及运行方法，利用双级相变技术解决相变蓄冷的冷量扩散问题，利用多级新风处理方式最大限度的减少相变材料的用量，降低投资成本。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，包括新风处理模块、土壤蓄能模块、相变蓄能模块与热泵模块，四个模块之间通过控制阀组相互关联构成一个完整的系统，所述土壤蓄能模块与相变蓄能模块可以彼此独立作为新风处理模块的冷热源，也可相互耦合或与热泵模块耦合作为新风处理模块的冷热源；
所述新风处理模块包括新风通道、排风通道以及沿新风路径一次排布的全热交换器、一级翅片管换热器、二级翅片管换热器与回热换热器；
所述土壤蓄能模块由地埋管换热器(组)构成；
所述相变蓄能模块自内向外依次为低温相变区和高温相变区，所述低温相变区和高温相变区之间设置保温层，所述低温相变区和高温相变区内部分别设置低温相变换热装置与高温相变换热装置；
所述热泵模块由压缩机、四通换向阀、板式换热器Ⅰ、节流装置与板式换热器Ⅱ组成；
所述控制阀组包括了a、b、c三个阀组，其中a阀组分别与地埋管换热器(组)的进出口、高温相变换热器进出口及土壤换热循环泵连接；b阀组分别与一级翅片管换热器进出口、回热换热器进出口及土壤换热循环泵连接；c阀组分别与板式换热器Ⅰ进出口、板式换热器Ⅱ进出口、二级翅片管换热器进出口、热泵循环泵及相变换热循环泵连接。
所述新风处理模块、土壤蓄能模块、相变蓄能模块与热泵模块所构成的系统包括通风模式、除湿模式、除湿降温模式和加热模式四类运行模式，运行方法包括如下步骤：
a)通过室内外空气温/湿度参数判断运行模式；
b)通过低温相变区温度与高温相变区温度判断运行工况；
C)根据运行工况，判断控制阀组的启闭状态、循环泵的启停状态以及压缩机的启停状态。
D)根据室内温湿度控制三级表冷器内的冷/热媒流量。
其中，通风模式
a、b、c阀组均处于关闭状态，土壤换热循环泵、热泵循环泵及相变换热循环泵均处于停止状态，压缩机处于停止状态。系统仅开启通风风机，向室内输送新风；
除湿模式
夏热冬冷地区，除湿模式主要运行在春季与夏季，此时采用相变直接冷却除湿；特殊情况下运行在秋季，此时采用热泵辅助冷却除湿。
所述相变直接冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵关闭；土壤换热循环泵与相变换热循环泵开启，压缩机处于停止状态。
所述热泵辅助冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵、土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态。
除湿降温模式
有三种运行状态，当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度大于等于阈值上限时，运行土壤+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度小于等于阈值下限时，运行高温相变+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度大于等于阈值时，运行土壤+热泵辅助供冷。
所述土壤+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵关闭，土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于停止状态。
所述高温相变+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a- 4开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵关闭，土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵、土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态。
加热模式
包括三种运行工况，相变材料直接供热、土壤+相变材料直接供热与土壤 +热泵辅助供热。
所述相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a-4 开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启，热泵循环泵关闭，土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于停止状态。
所述土壤+相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a- 3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、 c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启，热泵循环泵关闭，土壤换热循环泵与相变换热循环泵均开启，压缩机处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a- 4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、 c-6开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵、土壤换热循环泵连接与相变换热循环泵均开启，压缩机处于运行状态，且热泵模块处于制热状态。
作为本发明进一步的方案：所述低温相变区的低温相变材料选用相变温度较低且相变潜热较大的材料。
作为本发明进一步的方案：所述高温相变区的高温相变材料选用相变温度接近或略高于当地全年空气平均温度且相变潜热较大的材料。
作为本发明进一步的方案：所述低温相变区阈值设置为一个温度值，低于阈值的温度可以满足冷却除湿所需的温度要求；所述高温相变区阈值设置为一个温度范围，大于等于该阈值上限表明高温相变材料处于液态，小于等于该阈值下限表面高温相变材料处于固态。
作为本发明进一步的方案：所述新风处理模块、土壤蓄能模块、相变蓄能模块与热泵模块所构成系统的不同运行模式以及同一模式下的不同运行工况，依季节变化时间顺序有不同优先等级。
作为本发明进一步的方案：所述土壤蓄能模块的热平衡，可以通过a 阀组的启闭组合进行调节，也可以通过与外部冷热源耦合进行调节。
作为本发明进一步的方案：所述土壤蓄能模块的蓄冷/热体，可以采用地下土壤或直接采用地下水，也可以采用经过保温的地下土壤或水体。
本发明的有益效果是：该土壤与双级相变材料耦合跨季节蓄能的新风多级处理系统及运行方法设计合理，1)可以极大地减少制冷热泵机组的运行，显著降低新风系统的处理能耗；2)可以最大限度的减少相变跨季节蓄冷材料的使用量，显著降低初投资成本；3)可以避免埋地相变材料对地下土壤的持续冷扩散影响，保护地下温度环境与生态系统；4)自动化程度高可以省去繁多的人工控制节点；5)土壤热平衡调控灵活；6)运行模式的控制逻辑清晰，可实现程度高；7)对各类建筑均有良好的适用性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明除湿模式下运行相变直接冷却除湿工况时的系统框图；
图3为本发明除湿模式下运行热泵辅助冷却除湿工况时的系统框图；
图4为本发明除湿降温模式下运行土壤+低温相变供冷工况时的系统框图；
图5为本发明除湿降温模式下运行高温相变+低温相变供冷工况时的系统框图；
图6为本发明除湿降温模式下运行土壤+热泵辅助供冷工况时的系统框图；
图7为本发明加热模式下运行相变材料直接供热工况时的系统框图；
图8为本发明加热模式下运行土壤+相变材料直接供热工况时的系统框图；
图9为本发明加热模式下运行土壤+热泵辅助供热工况时的系统框图。
图中：1、新风处理模块，2、土壤蓄能模块，3、相变蓄能模块，4、热泵模块，5、全热交换器，6、一级翅片管换热器，7、二级翅片管换热器， 8、回热换热器，9、地埋管换热器(组)，10、低温相变区，11、低温相变换热装置，12、保温层，13、高温相变区，14、高温相变换热装置，15、压缩机，16、四通换向阀，17、板式换热器Ⅰ，18、节流装置，19、板式换热器Ⅱ，20、土壤换热循环泵，21、热泵循环泵和22、相变换热循环泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～9，土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，包括新风处理模块1、土壤蓄能模块2、相变蓄能模块3与热泵模块4，四个模块之间通过控制阀组相互关联构成一个完整的系统，所述土壤蓄能模块2与相变蓄能模块3可以彼此独立作为新风处理模块1的冷热源，也可相互耦合或与热泵模块4耦合作为新风处理模块1的冷热源；
所述新风处理模块1包括新风通道、排风通道以及沿新风路径一次排布的全热交换器5、一级翅片管换热器6、二级翅片管换热器7与回热换热器 8；
所述土壤蓄能模块由地埋管换热器组9构成；
所述相变蓄能模块自内向外依次为低温相变区10和高温相变区13，所述低温相变区10和高温相变区13之间设置保温层12，所述低温相变区10 和高温相变区13内部分别设置低温相变换热装置11与高温相变换热装置 14；
所述热泵模块由压缩机15、四通换向阀16、板式换热器Ⅰ17、节流装置18与板式换热器Ⅱ19组成；
所述控制阀组包括了a、b、c三个阀组，其中a阀组分别与地埋管换热器组9的进出口、高温相变换热器14进出口及土壤换热循环泵20连接；b 阀组分别与一级翅片管换热器6进出口、回热换热器8进出口及土壤换热循环泵20连接；c阀组分别与板式换热器Ⅰ17进出口、板式换热器Ⅱ19进出口、二级翅片管换热器7进出口、热泵循环泵21及相变换热循环泵22连接。
所述新风处理模块1、土壤蓄能模块2、相变蓄能模块3与热泵模块4所构成的系统包括通风模式、除湿模式、除湿降温模式和加热模式四类运行模式，运行方法包括如下步骤：
a)通过室内外空气温/湿度参数判断运行模式；
b)通过低温相变区温度与高温相变区温度判断运行工况；
c)根据运行工况，判断控制阀组的启闭状态、循环泵的启停状态以及压缩机的启停状态；
d)根据室内温湿度控制三级表冷器内的冷/热媒流量。
其中，通风模式
a、b、c阀组均处于关闭状态，土壤换热循环泵20、热泵循环泵21及相变换热循环泵22均处于停止状态，压缩机15处于停止状态。系统仅开启通风风机，向室内输送新风；
除湿模式
夏热冬冷地区，除湿模式主要运行在春季与夏季，此时采用相变直接冷却除湿；特殊情况下运行在秋季，此时采用热泵辅助冷却除湿。
所述相变直接冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵21关闭；土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22开启，压缩机15处于停止状态。
所述热泵辅助冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵21、土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态。
除湿降温模式
有三种运行状态，当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度大于等于阈值上限时，运行土壤+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度小于等于阈值下限时，运行高温相变+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度大于等于阈值时，运行土壤+热泵辅助供冷。
所述土壤+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵21关闭，土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于停止状态。
所述高温相变+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a- 4开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、 c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵21关闭，土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵21、土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态。
加热模式
包括三种运行工况，相变材料直接供热、土壤+相变材料直接供热与土壤 +热泵辅助供热。
所述相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a-4 开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6 关闭，阀门c-3、c-4开启，热泵循环泵21关闭，土壤换热循环泵20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于停止状态。
所述土壤+相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a- 3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、 c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵21关闭，土壤换热循环泵 20与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a- 4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、 c-6开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵21、土壤换热循环泵20连接与相变换热循环泵22均开启，压缩机15处于运行状态，且热泵模块处于制热状态
进一步的，在本发明实施例中，所述低温相变区10的低温相变材料选用相变温度较低且相变潜热较大的材料，如水等。
进一步的，在本发明实施例中，所述高温相变区13的高温相变材料选用相变温度接近或略高于当地全年空气平均温度且相变潜热较大的材料，如无机相变材料及其复合材料、有机相变材料及其复合材料以及有机材料与无机材料的复合相变材料等。
进一步的，在本发明实施例中，所述低温相变区10阈值设置为一个温度值，低于阈值的温度可以满足冷却除湿所需的温度要求；所述高温相变区13阈值设置为一个温度范围，大于等于该阈值上限表明高温相变材料处于液态，小于等于该阈值下限表面高温相变材料处于固态。
进一步的，在本发明实施例中，所述新风处理模块1、土壤蓄能模块 2、相变蓄能模块3与热泵模块4所构成系统的不同运行模式以及同一模式下的不同运行工况，依季节变化时间顺序有不同优先等级。
进一步的，在本发明实施例中，所述土壤蓄能模块2的热平衡，可以通过a阀组的启闭组合进行调节，也可以通过与外部冷热源耦合进行调节，如太阳能集热器、电辅助加热器、蒸发冷却装置、地表水等。
进一步的，在本发明实施例中，所述土壤蓄能模块2的蓄冷/热体，可以采用地下土壤或直接采用地下水，也可以采用经过保温的地下土壤或水体。
工作原理：在使用该土壤与双级相变材料耦合跨季节蓄能的新风多级处理系统及运行方法时，除湿模式下的相变直接冷却除湿工况与除湿降温模式下的土壤+低温相变供冷工况和高温相变+低温相变供冷工况，相变蓄能模块处于“释冷”阶段，土壤蓄能模块处于“释冷蓄热”阶段；除湿模式下的热泵辅助冷却除湿工况与除湿降温模式下的土壤+热泵辅助供冷工况，相变蓄能模块处于“蓄热”阶段，土壤蓄能模块处于“释冷蓄热”阶段；加热模式下的相变材料直接供热工况与土壤+相变材料直接供热工况，相变材料处于“释热”阶段，土壤蓄能模块处于“释热蓄冷”阶段；加热模式下的土壤 +热泵辅助供热工况，相变蓄能模块处于“蓄冷”阶段，土壤蓄能模块处于“释热蓄冷”阶段。
结合图1、2，进一步阐述除湿模式下的相变直接冷却除湿工况的系统运行。夏热冬冷地区进入春季后，气温回升，室外空气湿度增大，室外新风进入室内与冷表面接触极易形成结露现象。此时室外温度处于舒适区间，而室内空气湿度高于舒适区间，系统判断并运行除湿模式；同时系统判断低温相变区温度小于阈值，选择运行相变直接冷却除湿工况。该工况下，室外新风先经过全热回收装置，与排风发生热湿交换，新风被初步降温，此过程可将新风温度降低2-4℃；而后经过二级表冷器与三级表冷器，并与三级表冷器内的低温冷媒发生热交换，新风被降温除湿，此过程二级表冷器停止运行，三级表冷器内的低温冷媒直接从低温相变材料中取冷，新风温度将被降低到 8-10℃；最后新风再经过回热表冷器，与回热表冷器内的中温热媒发生热交换，被加热到送风状态，此过程，中温热媒直接从土壤中取热，新风通过再热可升温3-5℃。图2所示工况下系统将能实现新风除湿与再热过程，保证室内热舒适和卫生条件。
结合图1、3，进一步阐述除湿模式下的热泵辅助冷却除湿工况的系统运行。夏热冬冷地区进入夏末秋初，特殊天气如阴雨天，室外气温处于舒适区间，而室内空气湿度高于舒适区间，系统判断并运行除湿模式；同时由于经历了夏季的“释冷”阶段，低温相变材料全部变为液态并升温，系统判断低温相变区温度大于等于阈值，选择运行热泵辅助冷却除湿工况。该工况下，室外新风先经过全热回收装置，与排风发生热湿交换，新风被初步降温，此过程可将新风温度降低2-4℃；而后经过二级表冷器与三级表冷器，并与三级表冷器内的低温冷媒发生热交换，新风被降温除湿，此过程二级表冷器停止运行，三级表冷器内的低温冷媒通过热泵循环制冷获取冷量(具体而言：低温冷媒在蒸发器内与低温低压制冷剂发生热交换，低温低压制冷剂液体吸热蒸发后变为气体，通过压缩机转变为高温高压制冷剂气体，在冷凝器内与低温相变换热装置内的不冻液发生热交换，制冷剂气体冷凝放热，而低温相变换热装置内的不冻液被加热后通过循环泵送入低温相变区，使低温相变材料温度进一步提升，实现对低温相变材料的蓄热过程)，新风温度将被降低到8-10℃；最后新风再经过回热表冷器，与回热表冷器内的中温热媒发生热交换，被加热到送风状态，此过程中温热媒直接从土壤中取热，而土壤经过夏季蓄热温度升高，使得新风通过再热可升温5-7℃。图3所示工况下系统将能实现新风除湿与再热过程，保证室内热舒适和卫生条件，同时实现对相变蓄能材料的蓄热。
结合图1、4，进一步阐述除湿降温模式下的土壤+低温相变供冷工况的系统运行。夏热冬冷地区进入夏季，室外空气温度升高，此时室外空气温度高于舒适区间，同时新风含湿量增大且由于室内散湿源的存在使室内空气湿度高于舒适区间，系统判断并运行除湿降温模式；同时系统判断低温相变区温度小于阈值且高温相变区温度大于等于阈值上限，选择运行土壤+低温相变供冷工况。该工况下，室外新风先经过全热回收装置，与排风发生热湿交换，新风被初步降温除湿；而后经过二级表冷器与二级表冷器内的中温冷媒发生热交换，新风温度被进一步降低，此过程二级表冷器内的中温冷媒通过土壤换热装置直接从土壤中获取冷量；而后新风再经过三级表冷器，并与三级表冷器内的低温冷媒发生热交换，新风被降温除湿，此过程三级表冷器内的低温冷媒直接从低温相变材料中取冷，新风被处理到送风状态。图4所示工况下系统将能实现新风除湿与冷却过程，通过调节三级表冷器内的冷媒流量可以控制新风送风状态点参数。
结合图1、5，进一步阐述除湿降温模式下的高温相变+低温相变供冷工况的系统运行。夏季室外空气温度高于舒适区间，同时室内空气湿度高于舒适区间，系统判断并运行除湿降温模式；同时系统判断低温相变区温度小于阈值且高温相变区温度小于等于阈值上限，选择运行高温相变+低温相变供冷工况。该工况下，新风处理过程与图4所示的过程类似，唯一区别在于经过二级表冷器的中温冷媒是通过高温相变换热装置从高温相变材料中获取冷量。图5所示工况下系统将能实现新风除湿与冷却过程，通过调节三级表冷器内的冷媒流量可以控制新风送风状态点参数。同时可以收集低温相变区扩散至高温相变区的冷量，保证高温相变材料维持在相变温度范围上下，而高温相变材料的相变温度接近恒温层土壤温度，因此进一步避免了冷量向土壤层的传递，保护地下土壤的生态环境。
结合图1、6，进一步阐述除湿降温模式下的土壤+热泵辅助供冷工况的系统运行。夏热冬冷地区进入夏末秋初，当室外空气温度高于舒适区间，同时室内空气湿度高于舒适区间，系统判断并运行除湿降温模式；同时系统判断低温相变区温度大于等于阈值，选择运行土壤+热泵辅助供冷工况。该工况下，新风处理过程与图4所示的过程类似，唯一区别在于经过三级表冷器的低温冷媒是通过热泵循环制冷获取冷量。图6所示工况下系统将能实现新风除湿与冷却过程，同时该过程可以实现对低温/高温相变材料的蓄热。
结合图1、7，进一步阐述加热模式下相变材料直接供热工况的系统运行。夏热冬冷地区进入秋末冬初，当室外空气温度低于舒适区间，系统判断并运行加热模式；同时系统判断低温相变区及高温相变区温度均大于等于土壤温度，选择运行相变材料直接供热工况。该工况下，室外新风先经过全热回收装置，与排风发生热湿交换，新风被初步加热加湿；而后经过二级表冷器与二级表冷器内的高温冷媒发生热交换，新风温度被进一步提升，此过程二级表冷器内的高温热媒通过高温相变换热装置从高温相变材料中取热；而后新风再经过三级表冷器，并与三级表冷器内的低高温热媒发生热交换，新风被加热至送风状态，此过程三级表冷器内的高温热媒通过低温相变换热器直接从低温相变材料中取热。图7所示工况下系统将能实现新风加热过程，通过调节三级表冷器内的热媒流量可以控制新风送风温度。
结合图1、8，进一步阐述加热模式下土壤+相变材料直接供热工况的系统运行。冬季，当室外空气温度低于舒适区间，系统判断并运行加热模式；同时系统判断低温相变区温度大于等于土壤温度且高温相变区温度小于等于阈值上限，选择土壤+相变材料直接供热工况。该工况下，室外新风处理过程与图7所示的过程类似，唯一区别在于经过二级表冷器内的高温热媒通过土壤换热装置从土壤中取热。图8所示工况下系统将能实现新风加热过程，同时该工况下高温相变区开始发生相变。
结合图1、9，进一步阐述加热模式下土壤+热泵辅助供热工况的系统运行。冬末春初，当室外空气温度低于舒适区间，系统判断并运行加热模式；同时系统判断低温相变区温度小于土壤温度且高温相变区温度小于等于阈值上限，选择土壤+热泵辅助供热工况。该工况下，室外新风处理过程与图8 所示的过程类似，唯一区别在于经过三级表冷器内的高温热媒通过热泵循环制热获取冷量(具体而言：高温冷媒在蒸发器内与高温高压制冷剂气体发生热交换，高温高压制冷剂冷凝为高温液体，通过节流装置减压后进入蒸发器，在蒸发器内与低温相变换热装置内的不冻液发生热交换，制冷剂气体吸热蒸发，而低温相变换热装置内的不冻液被冷却后通过循环泵送入低温相变区，使低温相变材料温度降低，实现对低温相变材料的蓄冷过程)。图9所示工况下系统将能实现新风加热过程，同时该工况下低温相变区开始蓄冷过程，高温相变区完成相变并温度逐步降低，这一过程高温相变材料向周围土壤的吸热可以抵消蓄热过程向周围土壤的放热量，以维持土壤热平衡。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：包括新风处理模块(1)、土壤蓄能模块(2)、相变蓄能模块(3)与热泵模块(4)，四个模块之间通过控制阀组相互关联构成一个完整的系统，所述土壤蓄能模块(2)与相变蓄能模块(3)可以彼此独立作为新风处理模块(1)的冷热源，也可相互耦合或与热泵模块(4)耦合作为新风处理模块(1)的冷热源；
所述新风处理模块(1)包括新风通道、排风通道以及沿新风路径一次排布的全热交换器(5)、一级翅片管换热器(6)、二级翅片管换热器(7)与回热换热器(8)；
所述土壤蓄能模块由地埋管换热器(组)(9)构成；
所述相变蓄能模块自内向外依次为低温相变区(10)和高温相变区(13)，所述低温相变区(10)和高温相变区(13)之间设置保温层(12)，所述低温相变区(10)和高温相变区(13)内部分别设置低温相变换热装置(11)与高温相变换热装置(14)；
所述热泵模块由压缩机(15)、四通换向阀(16)、板式换热器Ⅰ(17)、节流装置(18)与板式换热器Ⅱ(19)组成；
所述控制阀组包括了a、b、c三个阀组，其中a阀组分别与地埋管换热器(组)(9)的进出口、高温相变换热器(14)进出口及土壤换热循环泵(20)连接；b阀组分别与一级翅片管换热器(6)进出口、回热换热器(8)进出口及土壤换热循环泵(20)连接；c阀组分别与板式换热器Ⅰ(17)进出口、板式换热器Ⅱ(19)进出口、二级翅片管换热器(7)进出口、热泵循环泵(21)及相变换热循环泵(22)连接。
2.一种土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统的运行方法，其特征在于：所述新风处理模块(1)、土壤蓄能模块(2)、相变蓄能模块(3)与热泵模块(4)所构成的系统包括通风模式、除湿模式、除湿降温模式和加热模式四类运行模式，运行方法包括如下步骤：
a)通过室内外空气温/湿度参数判断运行模式；
b)通过低温相变区温度与高温相变区温度判断运行工况；
c)根据运行工况，判断控制阀组的启闭状态、循环泵的启停状态以及压缩机的启停状态；
d)根据室内温湿度控制三级表冷器内的冷/热媒流量；
其中，通风模式
a、b、c阀组均处于关闭状态，土壤换热循环泵(20)、热泵循环泵(21)及相变换热循环泵(22)均处于停止状态，压缩机(15)处于停止状态。系统仅开启通风风机，向室内输送新风；
除湿模式
夏热冬冷地区，除湿模式主要运行在春季与夏季，此时采用相变直接冷却除湿；特殊情况下运行在秋季，此时采用热泵辅助冷却除湿；
所述相变直接冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵(21)关闭；土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)开启，压缩机(15)处于停止状态；
所述热泵辅助冷却除湿工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2关闭，阀门b-3、b-4开启；阀门c-1、c-2、c-5、c-6开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵(21)、土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态；
除湿降温模式
有三种运行状态，当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度大于等于阈值上限时，运行土壤+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度低于阈值且高温相变蓄冷区温度小于等于阈值下限时，运行高温相变+低温相变供冷；当低温相变蓄冷区温度大于等于阈值时，运行土壤+热泵辅助供冷。
所述土壤+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵(21)关闭，土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于停止状态。
所述高温相变+低温相变供冷工况下，阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a-4开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵(21)关闭，土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供冷工况下，阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵(21)、土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于运行状态，且热泵模块处于制冷状态；
加热模式
包括三种运行工况，相变材料直接供热、土壤+相变材料直接供热与土壤+热泵辅助供热；
所述相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2关闭，阀门a-3、a-4开启；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启，热泵循环泵(21)关闭，土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于停止状态。
所述土壤+相变材料直接供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a-4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6关闭，阀门c-3、c-4开启；热泵循环泵(21)关闭，土壤换热循环泵(20)与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于停止状态。
所述土壤+热泵辅助供热工况下，此时阀门a-1、a-2开启，阀门a-3、a- 4关闭；阀门b-1、b-2开启，阀门b-3、b-4关闭；阀门c-1、c-2、c-5、c-6开启，阀门c-3、c-4关闭；热泵循环泵(21)、土壤换热循环泵(20)连接与相变换热循环泵(22)均开启，压缩机(15)处于运行状态，且热泵模块处于制热状态。
3.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述低温相变区(10)的低温相变材料选用相变温度较低且相变潜热较大的材料。
4.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述高温相变区(13)的高温相变材料选用相变温度接近或略高于当地全年空气平均温度且相变潜热较大的材料。
5.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述低温相变区(10)阈值设置为一个温度值，低于阈值的温度可以满足冷却除湿所需的温度要求；所述高温相变区(13)阈值设置为一个温度范围，大于等于该阈值上限表明高温相变材料处于液态，小于等于该阈值下限表面高温相变材料处于固态。
6.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述新风处理模块(1)、土壤蓄能模块(2)、相变蓄能模块(3)与热泵模块(4)所构成系统的不同运行模式以及同一模式下的不同运行工况，依季节变化时间顺序有不同优先等级。
7.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述土壤蓄能模块(2)的热平衡，可以通过a阀组的启闭组合进行调节，也可以通过与外部冷热源耦合进行调节。
8.根据权利要求1所述的土壤与相变材料耦合蓄能的新风多级处理系统，其特征在于：所述土壤蓄能模块(2)的蓄冷/热体，可以采用地下土壤或直接采用地下水，也可以采用经过保温的地下土壤或水体。
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