专利名称：基于太阳能-地热能直接利用的空调方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于低品位可再生能源应用与建筑节能领域，具体涉及一种基于太阳能-地热能直接利用的温湿独立处理空调技术。
背景技术：
随着经济发展，人民生活水平提高，原本不追求舒适性的建筑也逐渐开始采用各种调节房间舒适性手段。夏季制冷建筑数量呈指数方式增长，而制冷主要采用传统电驱动空调系统。数量增加为国家电力系统又增加不少负担。由于要同时处理热湿负荷，制冷剂(或载冷剂)必须达到预期处理空气温度的露点温度，才能使空气中水蒸气析出部分，使空气可以承担湿负荷。这一方面限制了制冷机组蒸发温度，进而限制制冷机组COP提高；另一方面，由于处理空气温度低，某些时候仍然需要配备再热系统，这又导致部分能源的浪费。一般热湿独立处理空调系统则采用电驱动制冷机组承担热负荷，但机组COP有所提高。采用转轮除湿机承担湿负荷，用电加热或蒸汽热量等再生。热驱动空调系统的出现使得空调系统与太阳能的结合成为可能。空气热湿独立处理进一步使得天然冷源的利用成为可能。研究出一套空调系统，利用可再生能源驱动，减少空调系统对电力系统的依靠，缓解每年越来越明显的夏季高峰电负荷，响应国家节能减排及可持续发展战略，是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能-地热能直接利用的温湿独立处理的空调方法及系统以突破传统电驱动空调系统概念，摒弃采用有害制冷剂的做法，将空调系统与环境系统融合，实现节能环保的目标。为达到上述目的，本发明的解决方案是—种空调方法，独立处理室内热负荷与湿负荷，热负荷通过与土壤进行热交换带走；而湿负荷另行处理，利用太阳能提供必要的再生热量。进一步，所述热负荷通过与土壤进行热交换带走是指热负荷由土壤换热器出水带走。所述湿负荷另行处理是指用溶液除湿机处理。通过地埋管换热器与浅层土壤进行热交换获得冷却水，该冷却水一部分通入室内干式风机盘管用于降低室内温度，另外一部分进入溶液除湿机充当冷源，用于降低溶液温度，之后被加热的水回到土壤换热器内再次被土壤冷却；被冷却后的盐溶液与由室内回风跟室外新风组成的混合风在除湿机的除湿芯中发生热质交换，混合风在此被冷却除湿后送入室内承担室内湿负荷，而盐溶液吸收空气中的水蒸气后变稀回到除湿溶液槽中。用于除湿的盐溶液包括三甘醇、溴化锂、氯化锂和氯化钙等金属卤盐溶液，目前较为主流的即为氯化锂、氯化钙或两者混合溶液。
所述通过地埋管换热器与浅层土壤进行热交换获得的冷却水的温度为18 23°C; 所述被冷却后的盐溶液的温度为22 25°C。使用以太阳能为热源的溶液再生系统，以太阳能集热装置出水来加热再生溶液槽内溶液，室外风与再生溶液于再生芯中发生热质交换，再生溶液被冷却浓缩，将水蒸气释放到空气中后回到再生溶液槽中；溶液除湿机内，部分浓溶液与稀溶液混合，而被冷却的水再次进入太阳能集热器被加热。所述太阳能集热装置出水温度不低于60°C ；溶液除湿机内，保持溶液浓度变化不超过1%。实现上述方法的空调系统，包括土壤换热环路，太阳能集热环路，除湿与再生环路。土壤换热环路主设备位于室外，除湿与再生环路主设备位于设备间，太阳能集热环路主设备位于屋面；各主设备之间用管道连接；模块化的除湿机外置水管接口，一侧的接口分别连接土壤换热器供回冷水接口，另一侧的接口分别连接太阳能集热器供回热水接所述土壤换热环路包括除湿板式换热器、土壤热交换器、室内热交换器、冷水循环泵、第一电动阀、第二电动阀、电动流量调节阀；土壤热交换器以水作为载冷剂，采用两支D25单U管并联形式，竖直埋入，其出口连接冷水循环泵，泵出口分两支一支通过第一电动阀进入溶液除湿机部件除湿板式换热器冷流体入口端，冷却溶液后回到土壤热交换器入口 ；另一支通过第二电动阀进入室内热交换器，该交换器优选干式风机盘管，经换热后水流回土壤热交换器入口，两支管路流量由电动流量调节阀控制。所述太阳能集热环路包括太阳能集热器，热水循环泵、溶液除湿机部件再生板式换热器；太阳能集热器获得热水流入热水循环泵，泵出口连接溶液除湿机部件再生板式换热器热流体入口端，加热溶液后回到太阳能集热器。所述除湿环路与再生环路对称设置于除湿机内两侧，两边溶液通过溶液热交换器与平衡管贯通；两侧溶液槽中溶液分别由两侧泵供入喷淋段，除湿机中间开设风口，吸入需要处理的空气，使其经过分别经过除湿芯体与再生芯体后从两侧吹出，进一步，具体的所述除湿再生环路包括除湿板式换热器、再生板式换热器、除湿溶液泵、再生溶液泵、溶液热交换器、除湿芯体、再生芯体、除湿风机、再生风机、除湿溶液槽、再生溶液槽和平衡管、除湿喷淋管、再生喷淋管；除湿环路与再生环路对称设置于除湿机内两侧，两边溶液通过溶液热交换器与平衡管贯通。两侧溶液槽中溶液分别由两侧泵供入喷淋段。除湿机中间开两风口，吸入需要处理的空气，使其经过分别经过除湿芯体与再生芯体后从两侧吹出。具体溶液流向描述如下除湿段，除湿溶液槽出口连接除湿溶液泵入口，泵出口分两路一路进入除湿板式换热器热流体入口端，经冷却后进入除湿喷淋管，在除湿芯处与新风及部分回风发生热质交换，吸收空气中水蒸气的溶液被稀释后流回除湿溶液槽；另一路则进入溶液热交换器冷流体入口端，经预热后进入再生溶液槽；再生段，再生溶液槽出口连接再生溶液泵入口，泵出口分两路一路进入再生板式换热器冷流体入口端，经冷却后进入再生喷淋管，在再生芯处与新风发生热质交换，溶液
5将水蒸气释放给空气后浓缩流回除湿溶液槽；另一路则进入溶液热交换器热流体入口端 11 c，经预冷后进入除湿溶液槽。室内热交换器可以是干式风机盘管，也可以是冷辐射吊顶。地埋管方式可以是水平管，也可以是竖直埋管。采用水平埋管时，根据不同地域， 要求埋深不同。竖直埋管可采用单U管或双U管，埋深为60-100m。所述太阳能集热器既能采用平板式集热器，也能采用真空管式集热器，但要求集热器出水水温不低于60°C。其控制策略根据不同需求有所不同。除湿冷量与制冷冷量比例可以通过电动流量调节阀确定。单独制冷运行模式通过关断第一电动阀实现，单独除湿运行模式通过关断第二电动阀实现。由于采用了上述方案，本系统的优点和积极效果是1)完全依靠太阳能与地热能驱动，消耗电能仅为输送能耗，不采用传统直接膨胀式系统，大大节约电能，降低运行费用，减小了高峰电力负荷。2)输送冷量介质为空气与水，完全不使用有害制冷剂，充分将建筑系统与可再生能源结合，实现节能环保。
图1为本发明实施例基于太阳能-地热能直接利用的温湿独立处理空调系统组成结构示意图。图2为图1所示实施例中除湿板式换热器的示意图。图3为图1所示实施例中再生板式换热器的示意图。图4为图1所示实施例中溶液热交换器的示意图。图中标号1为溶液除湿机；2为太阳能集热器；3为土壤热交换器；4为室内热交换器；5为冷水循环泵；6为热水循环泵；7为除湿板式换热器7a为除湿板式换热器热流体进口端，7b为除湿板式换热器热流体出口端，7c为除湿板式换热器冷流体进口端，7d为除湿板式换热器冷流体进口端；8为再生板式换热器，8a再生板式换热器冷流体进口端，8b为再生板式换热器冷流体出口端，8c为再生板式换热器热流体进口端，8d为再生板式换热器热流体出口端；9除湿溶液泵；10为再生溶液泵；11为溶液热交换器11a为溶液热交换器冷溶液进口端，lib为溶液热交换器冷溶液出口端，Ilc为溶液热交换器热溶液进口端，Ild 为溶液热交换器热溶液出口端；12为除湿芯体；13为再生芯体；14为除湿风机；15为再生风机；16为除湿溶液槽；17为再生溶液槽；18为平衡管；19为除湿喷淋管；20为再生喷淋管；21、22分别为第一、第二电动阀；23为电动流量调节阀。
具体实施例方式本发明独立分离处理室内目标空间热负荷与湿负荷，热负荷由土壤换热器出水带走；而湿负荷则用溶液除湿机处理，利用太阳能提供必要的再生热量。为实现本发明的应用，可以预先1)对当地可再生能源利用潜力进行评估。针对该系统，主要指两种可再生能源 浅层地热能与太阳能。浅层地热能涉及当地土壤物性，包括常年土壤温度、土壤蓄热与换热性能等等；太阳能涉及当地单位面积获得的太阳辐射量。2)对需求侧与供应侧进行时间方面匹配。简而言之，即当需要制冷或除湿时，浅层地热能否提供足够冷量，而此时太阳辐射量能否使溶液再生。3)根据需求匹配设备，组装并调试系统。为实现该系统功能，需要主要部件为太阳能集热器、溶液除湿机、地埋管换热器与干式风机盘管。其他重要部件包括水泵与风机。以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。请参阅图1-4，系统包括三个环路土壤换热环路，太阳能集热环路，除湿再生环路。土壤换热环路主设备位于室外，除湿再生环路主设备位于设备间，太阳能集热环路主设备位于屋面。各主设备之间用管道连接。模块化的除湿机外置四水管接口，一侧的两接口分别连接土壤换热器供回冷水接口，另一侧的两接口分别连接太阳能集热器供回热水接口。土壤换热环路包括除湿板式换热器7、土壤热交换器3、室内热交换器4、冷水循环泵5、第一电动阀21、第二电动阀22、电动流量调节阀23。土壤热交换器3以水作为载冷剂，采用两支D25单U管并联形式，竖直埋深针对不同地域条件及使用情况有所不同，对竖直埋管而言为60-100m可行，进一步优选90m ；其出口连接冷水循环泵5，泵出口分两支一支通过第一电动阀21进入溶液除湿机1部件除湿板式换热器冷流体入口端7c，冷却溶液后回到土壤热交换器3入口 ；另一支通过第二电动阀22进入室内热交换器4，该交换器目前采用干式风机盘管，与普通风机盘管相比，其排管方式及换热面积有所不同，经换热后水流回土壤热交换器3入口，两支管路流量由电动流量调节阀23控制。仅制冷时可以关断第一电动阀21，而仅需除湿时可以关断第二电动阀22。太阳能集热环路包括太阳能集热器2，热水循环泵6、溶液除湿机1部件再生板式换热器8。太阳能集热器2获得热水流入热水循环泵6，泵出口连接溶液除湿机1部件再生板式换热器热流体入口端8c，加热溶液后回到太阳能集热器2。除湿再生环路包括除湿板式换热器7、再生板式换热器8、除湿溶液泵9、再生溶液泵10、溶液热交换器11、除湿芯体12、再生芯体13、除湿风机14、再生风机15、除湿溶液槽16、再生溶液槽17和平衡管18、除湿喷淋管19、再生喷淋管20。除湿段，除湿溶液槽16 出口连接除湿溶液泵9入口，泵出口分两路一路进入除湿板式换热器热流体入口端7a，经冷却后进入除湿喷淋管19，在除湿芯处与新风及部分回风发生热质交换，吸收空气中水蒸气的溶液被稀释后流回除湿溶液槽16 ；另一路则进入溶液热交换器冷流体入口端11a，经预热后进入再生溶液槽17。再生段，再生溶液槽17出口连接再生溶液泵10入口，泵出口分两路一路进入再生板式换热器冷流体入口端8a，经冷却后进入再生喷淋管20，在再生芯处与新风发生热质交换，溶液将水蒸气释放给空气后浓缩流回除湿溶液槽17 ；另一路则进入溶液热交换器热流体入口端11c，经预冷后进入除湿溶液槽16。稀释和浓缩溶液贯通过程保证溶液浓度保持在正常范围，一般采用溶液质量浓度为40%，其变化范围不超过1%。将上述系统应用到某别墅住宅。地源侧换热器采用两口竖直井，井深90m，内埋 Ψ WM. 8的PE单U型管，两管并联。太阳能集热器采用真空集热管，面积为5m2，挂在朝南斜面屋顶上，保证不低于60°C中温水作为再生热水。除湿机采用小型整体式溶液除湿空调机组，除湿溶液为氯化锂溶液，额定处理风量为300m3/h。夏季典型运行工况下，室内温度能维持在左右，相对湿度保持在60%左右。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种空调方法，其特征在于独立处理室内热负荷与湿负荷，热负荷通过与土壤进行热交换带走；而湿负荷另行处理，利用太阳能提供必要的再生热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述热负荷通过与土壤进行热交换带走是指热负荷由土壤换热器出水带走。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述湿负荷另行处理是指用溶液除湿机处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过地埋管换热器与浅层土壤进行热交换获得冷却水，该冷却水一部分通入室内干式风机盘管用于降低室内温度，另外一部分进入溶液除湿机充当冷源，用于降低溶液温度，之后被加热的水回到土壤换热器内再次被土壤冷却；被冷却后的盐溶液与由室内回风跟室外新风组成的混合风在除湿机的除湿芯中发生热质交换，混合风在此被冷却除湿后送入室内承担室内湿负荷，而盐溶液吸收空气中的水蒸气后变稀回到除湿溶液槽中；或/和，用于除湿的上述盐溶液包括三甘醇、溴化锂、氯化锂和氯化钙等金属商盐溶液，优选氯化锂、氯化钙或两者混合溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述通过地埋管换热器与浅层土壤进行热交换获得的冷却水的温度为18 23°C ；所述被冷却后的盐溶液的温度为22 25°C。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用以太阳能为热源的溶液再生系统，以太阳能集热装置出水来加热再生溶液槽内溶液，室外风与再生溶液于再生芯中发生热质交换，再生溶液被冷却浓缩，将水蒸气释放到空气中后回到再生溶液槽中；溶液除湿机内，部分浓溶液与稀溶液混合，而被冷却的水再次进入太阳能集热器被加热。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述太阳能集热装置出水温度不低于 600C ；溶液除湿机内，保持溶液浓度变化不超过1%。
8.实现权利要求1至7中任一所述方法的空调系统，其特征在于包括土壤换热环路， 太阳能集热环路，除湿与再生环路；土壤换热环路主设备位于室外，除湿与再生环路主设备位于设备间，太阳能集热环路主设备位于屋面；各主设备之间用管道连接；模块化的除湿机外置水管接口，一侧的接口分别连接土壤换热器供回冷水接口，另一侧的接口分别连接太阳能集热器供回热水接口。
9.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于所述土壤换热环路包括除湿板式换热器(7)、土壤热交换器(3)、室内热交换器0)、 冷水循环泵(5)、第一电动阀(21)、第二电动阀02)、电动流量调节阀03)；土壤热交换器(3)以水作为载冷剂，采用两支D25单U管并联形式，竖直埋入，其出口连接冷水循环泵(5)，泵出口分两支一支通过第一电动阀进入溶液除湿机(1)部件除湿板式换热器冷流体入口端(7c)，冷却溶液后回到土壤热交换器C3)入口 ；另一支通过第二电动阀0 进入室内热交换器G)，该交换器优选干式风机盘管，经换热后水流回土壤热交换器C3)入口，两支管路流量由电动流量调节阀控制。
10.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于所述太阳能集热环路包括太阳能集热器O)，热水循环泵(6)、溶液除湿机(1)部件再生板式换热器(8)；太阳能集热器( 获得热水流入热水循环泵(6)，泵出口连接溶液除湿机(1)部件再生板式换热器热流体入口端(8c)，加热溶液后回到太阳能集热器O)。
11.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于所述除湿环路与再生环路对称设置于除湿机内两侧，两边溶液通过溶液热交换器与平衡管贯通；两侧溶液槽中溶液分别由两侧泵供入喷淋段，除湿机中间开设风口，吸入需要处理的空气，使其经过分别经过除湿芯体与再生芯体后从两侧吹出，进一步，具体的所述除湿再生环路包括除湿板式换热器(7)、再生板式换热器(8)、除湿溶液泵(9)、 再生溶液泵(10)、溶液热交换器(11)、除湿芯体(12)、再生芯体(13)、除湿风机(14)、再生风机(15)、除湿溶液槽(16)、再生溶液槽(17)和平衡管(18)、除湿喷淋管(19)、再生喷淋管 00)；除湿段，除湿溶液槽(16)出口连接除湿溶液泵(9)入口，泵出口分两路一路进入除湿板式换热器热流体入口端(7a)，经冷却后进入除湿喷淋管(19)，在除湿芯处与新风及部分回风发生热质交换，吸收空气中水蒸气的溶液被稀释后流回除湿溶液槽(16)；另一路则进入溶液热交换器冷流体入口端(Ua)，经预热后进入再生溶液槽(17)；再生段，再生溶液槽(17)出口连接再生溶液泵(10)入口，泵出口分两路一路进入再生板式换热器冷流体入口端(8a)，经冷却后进入再生喷淋管(20)，在再生芯处与新风发生热质交换，溶液将水蒸气释放给空气后浓缩流回除湿溶液槽(17)；另一路则进入溶液热交换器热流体入口端(11c)，经预冷后进入除湿溶液槽(16)。
12.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于室内热交换器(4)采用干式风机盘管或冷辐射吊顶；或/和，地埋管为水平管或竖直埋管；或者，竖直埋管采用单U管或双U管，埋深为 60-100m ；或/和，所述太阳能集热器采用平板式集热器或真空管式集热器，集热器出水水温不低于60°C。
全文摘要
本发明公开了一种空调方法，独立处理室内热负荷与湿负荷，热负荷通过与土壤进行热交换带走；而湿负荷另行处理，利用太阳能提供必要的再生热量。实现上述方法的空调系统，包括土壤换热环路，太阳能集热环路，除湿再生环路。土壤换热环路主设备位于室外，除湿与再生环路主设备位于设备间，太阳能集热环路主设备位于屋面；各主设备之间用管道连接；模块化的除湿机外置水管接口，一侧的接口分别连接土壤换热器供回冷水接口，另一侧的接口分别连接太阳能集热器供回热水接口。本发明直接利用低品位的太阳能和地热能实现了建筑降温除湿的目的，大大减少了系统高品位能源的输入，提高了系统的火用效率，具有显著的节能效果。
文档编号F24F13/30GK102425832SQ20111038558
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者倪璇, 张静红, 谭洪卫, 雷勇 申请人:同济大学