专利名称：基于上游水源的城市水空调系统及其空气温度调节方法
技术领域：
本发明涉及一种城市市政工程技术，特别涉及一种利用水体作为媒介，基于上游水源的城市水空调系统及其室内空气温度调节方法，该系统和室内空气温度调节方法可应用于住宅小区、学校、医院等公共基础设施的城市市政工程中冷暖系统工程方面。
背景技术：
当今社会，由于工业等的高速发展，环境污染日益严重，电力一直比较紧张，其环保的、可持续化的发展一直是势在必行的趋势。而传统空调的臭氧层破坏、高能耗一直与环保节能的理念相悖，但却由于一直没有更好的温度控制措施一直无法被取缔。南北纬45度之内许多城市都达到了年平均气温15°C的情况，使得季节温差越发明显，伴随着极端天气的日趋频繁，生活的环境受到了严峻的挑战。以我国四川成都平原为例:成都平原的气候类型为亚热带季风气候；其土壤以紫色土为主，主要生产水稻。成都地区在都江堰以下的岷江等河流的灌溉下，这片平原水患、旱灾较少。自古就是中国经济发达，物产最为富饶的地区之一，也是整个中国西部唯一一片一直保持较高发展水平的地区，被誉为“天府之国”。2011年成都市年平均温度在18°C左右；年平均降水量在1000毫米以上，年雨天平均约270天，成都地区的多雾是中国阴雨天气最多的地区之一。但因平原邻近川西高原山地，深受山地下沉的冷空气的影响，加之平原河水大多来自西部高原山地的冰雪融水，同时，平原上地势低洼的古河道地区，地下水位高，土壤冷湿，故成都平原无论气温、水温和土温均较低，热量条件较之四川盆地其他地区稍为逊色。成都地区由于地表海拔高度差异显著，直接造成水、热等气候要素在空间上分布不均。2011年成都市年平均温度在18°C左右，比同纬度长江中下游地区高2 — 3°C。以成都平原夏季为例，在夏天，成都市平均气温在最近几年表现为持续增长的趋势，使得成都平原夏季气温持续走高，再加上室外风速小，成都广大平原、丘陵地区风速约为I一 1.5米/秒，因此使得 成都地区夏季室内温度也居高不下。2012年最高温度接近40°C，比如，2012年8月10日市区温度最高达到了 39.3°C，在六、七、八月份的平均温度也高于30°C。因此在炎热的夏天室内降温成了许多家庭面对的一大必须解决的问题，现在用于降温的方式普遍使用的是传统空调进行夏季的制冷，但是现在几乎所有传统空调均为含氟空调，排放含有氟氯烃(大多数即为氟利昂)。氟利昂的大量生产和使用，并且进入大气，由于惰性，不被雨水冲刷，寿命极长，它们可完好无损地扩散到10-50km高的平流层中，导致臭氧层的破坏。因为含有氯成份的制冷剂在释放到大气时会升到大气层的上层，在同温层被紫外线照射会分解形成氯原子自由基，成为使臭氧分解的催化剂。氯原子自由基是破坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的。据估算，一个氯原子自由基可以破坏104 —105个臭氧分子，氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用，即二者同时存在时，破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和，这样对臭氧层的破坏违背了《保护臭氧层维也纳公约》(该公约通常简称“维也纳公约”，1985年3月22日订于维也纳，并于1988年9月22日生效；中国于1989年9月11日加入该公约，同年12月10日，该公约对中国生效)；以及不符合经修正的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协议书》(原议定书于1987年9月16日订于蒙特利尔。经过了两次修正。本经修正的议定书于1992年8月20日生效。中华人民共和国政府于1991年6月13日交存加入书。本修正的议定书于1992年8月20日对我国生效)。另外众所周知，传统空调制冷制热的高功率不仅耗电耗能，而且一直为人诟病，2011年6月29日成都市用电量达到了 582.7万千瓦，当年最高超过了 700万千瓦，2012年8月10日用电量达到724.51万千瓦，超过8月9日的677.32万千瓦，也超过了成都市安全运行承载能力680万千瓦，在整个夏季，成都市空调用电负荷占整个用电负荷的1/3，因此，对成都地区环境的可持续发展、节能减排方针政策的开展以及资源的充分利用造成不良影响。2010年成都市行政辖区面积达到1.21万平方公里，包含9区4市6县。2010年末，成都市户籍总人口为1149.07万人，仅次于北京，上海以及重庆，其中市区人口为535.15万人，县(市)人口为613.92万人。全市共430.68万户，其中市区199.88万户，县(市)为230.88万户，平均每户2.6 7人，市区每户2.68人。全市人口密度为每平方公里944人，其中市区人口稠密，每平方公里2514人。稠密的人口、充足的人口数量以及城市的规模易于市政工程中冷暖系统工程的推广，进行大范围管道铺设合理可行并且经济，这也正是本发明的任务所在。
发明内容
本发明的目的正是基于上述问题，提供一种基于上游水源的城市水空调系统及其室内空气温度调节方法；本发明通过理论分析，对于成都平原而言引用都江堰紫坪铺水库库区水、以及流经成都平原江河的水来解决城市降温的问题，这是一种长期有效并且环保的系统工程。该系统工程既能对城市进行有效的夏天降温，冬天供暖的温度控制，又能以水作为能源利用，具有良好的环保效益；并且该系统工程对于城市市政工程而言具有良好的社会效益。本发明的基本思路是:在城市上游利用流经城市的河流、上游水库、湖泊等水体将水流通过所铺设管道引入城市集水处理厂房，利用水体与室内的温差作为温度控制应用原理进行处理；之后水流通过所铺设运水管道流入室内，在室内核心温度调节器亦即水空调机进行的温度调节作用下进行室内温度交换，并且将气流交换进入室内以改善室内温度。该水空调系统除了可以改善温度外，还可将分流处理后的水进入自来水管道以便进行日常生活中供水用水；即进行室内交换完成后的水经所铺设运水管道汇集流入水处理分流系统中，再经过处理后一部分水进行分流循环回到城市中进行生活供水，另外一部分的水则流入下游用水场所进行诸如化工生产、农田灌溉等供水。为实现上述目的，本发明采用由以下措施构成的技术方案来实现的。本发明一种基于上游水源的城市水空调系统，按照本发明，包括引水系统、供水用水系统和水处理分流系统三大部分；所述引水系统包括上游取水水源、上游引水管道、上游集水处理厂房；所述供水用水系统包括城市用水基础设施、居民区、所铺设运水管道和水空调机；所述水处理分流系统包括下游集水处理厂房、下游所铺设管道和下游用水设施；所述引水系统中上游取水水源的水经上游引水管道引入到上游集水处理厂房，经处理后流入供水用水系统；供水用水系统将水通过所铺设运水管道提供给城市用水基础设施以及居民区，并且流入位于城市用水基础设施以及居民区内部的水空调机，水空调机对水温进行二次控制，进而进行温度交换；经温度交换的水再通过所铺设运水管道流入水处理分流系统中的下游集水处理厂房，再通过下游所铺设管道流入下游用水设施；通过分流的水即可用于城市生活、或化工生产、或农田灌溉等供水。上述方案中，所述水空调机包括水空调机机体，水空调机箱内的水空调机进风口，水空调机风扇，水空调机进水口，水空调机连接水管，水空调机出水口和水空调机出风口 ；所述水空调机进水口与水空调机连接水管连接，水空调机连接水管与水空调机出水口连接.空气因子从水空调机进风口进入，空气因子经水空调机风扇旋转带动，与水空调机连接水管中冷水发生充分热交换，使进入水空调机的空气因子降温，降温过后的空气因子通过水空调机风扇从水空调机出风口送出，而已发生热交换的温度升高的水温则从连接的水空调机出水口流出，并由水空调机开关控制其温度。本发明基于上游水源的城市室内空气温度调节方法，包括以下步骤:(I)以水体作为媒介，在引水系统中通过上游集水处理厂房进行集水调温；(2)通过引水系统中所铺设的上游引水管道将引水系统中集水调温后的水引入供水用水系统，并通过其中所铺设的运水管道进入城市用水基础设施及居民区，再通过水空调机连接水管及水空调机进水口流入其室内的水空调机；(3)所述水空调机对进入的水流进行水温二次控制，利用通过水空调机进风口流入的空气因子与流入的较冷的水流发生充分热交换；(4)通过水空调机进行二次控制的水温，再经水空调机机体内的水空调机风扇的旋转，将改善温度后的室内空气从水空调机机体内吹出，从而进行室内空气温度交换，并通过水空调机调节开关控制其温度；( 5 )最后将室内温度交换完成后的水流通过所铺设运水管道流入下游水处理分流系统之后流入下游集水处理厂房，处理后的水，再通过下游所铺设管道流入下游用水设施，进入城市用作生活供水，或化工生产，或农田灌溉供水。本发明所述供水用水系统中的水空调机实际上是一个温度调节器，当通过水空调机连接水管进入室内水空调机即温度调节器后，水空调机对水温进行二次控制，再通过水空调机调节开关的开与关来控制室内空气温度，以达到调节室内温度的目的。现对本发明的可行性进行进一步描述。一、本发明从理论上的可行性如下:以四川省都江堰紫平铺水库为例。在6-7月份紫平铺水库的水体表面层到底层的温度差将达到17度，紫坪铺水库库区长约26.5Km，最大水深达133m，库区平均坡降约0.51%，水面平均宽约618m。6月至9月为高温期，入流水温和气温达到最高，垂向出现了双温跃层分布-在表面约IOm的水体中，由于水气热交换形成了一很薄的温跃层，表面水温高达21-25°C，温跃层内温差可达4-7°C;(此数据摘自《紫坪铺水库水温预测研究》，水利水电技术第34卷，2003年第9期，邓云、李嘉、李克锋、赵文谦。)在温跃层下出水口附近的水体垂向对流剧烈，出现了温度约17度的厚约50m的均温层；而底部水温仍低于9°C，一个梯度很大的温跃层出现在底部低温层和热的均温层之间。据紫平铺水温分 布的科学研究表明在8月份时，水温差达到最大值，低于17°C的水温即可满足人们水空调的需要，其水位是800m，而库底水位为750m。两者之间即为可用水体的深度，据此则推求出可用水体体积，如
图1所示。为此，便可计算出用于引水调温的水量。即一方面由成都市夏季的月平均最高气温，人体比较舒适的气温，来求得可用于水空调系统的水库最高水温，从而知道可用水体的水温竖直分布层(即水温在竖直方向上的温度梯度)，进而根据可用水体的竖直分布层的厚度沿距离坝体的距离近似成三角形变化，推求水库中水温低于要求温度的可用水体总量V#。另一方面可由成都市人均占有室内空间和空气的比热容推求人均室内气温降低一度放出的热量，结合室内总人口进而求得室温需要降低的到人体舒适的温度(24°c)即实现城市调温实际所需水体总量Vfltl(I) V水的计算如下:由于紫平铺的地理位置便决定了它的引水主要针对于成都市(对于其他城市相邻的水库有相似的计算论证方法，将在广泛性论证中进行阐述)。成都市的夏季最高气温一般发生在7月下旬至八月中旬，七月下旬后将出现持续数日的高于35°C的“酷暑”天气8月份的气温为8月上旬平均气温为26.6 28.6°C，与国内同等级大中型城市相比偏高0.6
2.5°C ;8月中旬平均气温为26.8 28.8°C，与国内同等级大中型城市相比偏高2.2
4.(TC ；8月下旬为23.6 25.1°C。为此可取较高的七月末的气温为分析数据，如图1所
/Jn ο现取室内温度为29°C,而人体比较舒适的温度为24°C。则调温ΔΤ = 5° C。为达到此降温效果需要的最高水温将是17°C。通过计算可知可用水体总量为:
权利要求
1.一种基于上游水源的城市水空调系统，其特征在于包括引水系统(I)、供水用水系统(5)和水处理分流系统(10)三大部分；所述引水系统包括上游取水水源(2)、上游引水管道(3)、上游集水处理厂房(4);所述供水用水系统包括城市用水基础设施(6)、居民区(7)、所铺设运水管道(8)和水空调机(9);所述水处理分流系统包括下游集水处理厂房(11)、下游所铺设管道(12)和下游用水设施(13);所述引水系统(I)中上游取水水源(2)的水经上游引水管道(3)引入到上游集水处理厂房(4)，经处理后流入供水用水系统(5);供水用水系统(5 )将水通过所铺设运水管道(8 )提供给城市用水基础设施(6 )及居民区(7 )，且流入位于城市用水基础设施(6)及居民区(7)内部的水空调机(9)，水空调机(9)对水温进行二次控制，进而进行温度交换；经温度交换的水再通过所铺设运水管道(8)流入水处理分流系统(10)中的下游集水处理厂房(11)，再通过下游所铺设管道(12)流入下游用水设施(13)。
2.根据权利要求1所述的基于上游水源的城市水空调系统，其特征在于所述水空调机(9)包括水空调机机体(14)，水空调机机体内的水空调机进风口( 15)，水空调机风扇(16)，水空调机进水口(17)，水空调机连接水管(18)，水空调机出水口(19)，水空调机出风口(20)和水空调机调节开关(21);所述水空调机进水口( 17)与水空调机连接水管(18)连接，水空调机连接水管(18)与水空调机出水口(19)连接，空气因子从水空调机进风口(15)进入其内，空气因子经水空调机风扇(16)旋转带动，其与水空调机连接水管(18)中冷水发生充分热交换，使进入水空调机(9)的空气因子降温，降温过后的空气因子通过水空调机风扇(16 )从水空调机出风口( 20 )送出，而已发生热交换的升温的水则从连接的水空调机出水口(19)流出，并由水空调机开关(21)控制其温度。
3.一种基于上游水源的城市室内空气温度调节方法，包括以下步骤: (1)以水体作为 媒介，在引水系统(I)中通过上游集水处理厂房(4)进行集水调温； (2)通过引水系统(I)中所铺设的上游引水管道(3)将引水系统(I)中集水调温后的水引入供水用水系统(5)，并通过其中所铺设的运水管道(8)进入城市用水基础设施(6)及居民区(7)，再通过水空调机连接水管(18)及水空调机进水口( 17)流入其室内的水空调机(9)； (3)所述水空调机(9)对进入的水流进行水温二次控制，利用通过水空调机进风口(15)流入的空气因子与流入的较冷的水流发生充分热交换； (4)通过水空调机(9)进行二次控制的水温，再经水空调机机体(14)内的水空调机风扇(16)的旋转，将改善温度后的室内空气从水空调机机体(14)内吹出，从而进行室内空气温度交换，并通过水空调机调节开关(21)控制其温度； (5)最后将室内温度交换完成后的水流通过所铺设运水管道(8)流入下游水处理分流系统(10)，之后再流入下游集水处理厂房(11)，处理后的水，再通过下游所铺设管道(12)流入下游用水设施(13)，进入城市用作其他供水。
全文摘要
本发明涉及一种基于上游水源的城市水空调系统及其空气温度调节方法。该系统包括引水系统中上游取水水源、上游引水管道、上游集水处理厂房；供水用水系统中城市用水基础设施、居民区、所设运水管道和水空调机；水处理分流系统中下游集水处理厂房、下游所设管道和下游用水设施。该方法以水体为媒介，在引水系统中上游集水处理厂房进行集水调温；供水用水系统中水空调机实际上是一个温度调节器，当通过水空调机连接水管进入室内水空调机即温度调节器后，水空调机对水温进行二次控制，再通过水空调机调节开关来控制室内空气温度，以达到调节室内温度的目的；经水处理分流系统分流的水可用于城市生活、或化工生产、或农田灌溉等供水。
文档编号F24F5/00GK103234249SQ20131015027
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者黄丹青, 李洪涛, 赵惟扬, 张博翀, 段炎冲, 李婷, 魏翔 申请人:四川大学