采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统的制作方法

1.本发明涉及地铁盾构施工环境空调降温除湿技术领域，特别地，涉及一种采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统。


背景技术：

2.盾构隧道在掘进施工过程中，大量设备散热与表面散湿导致施工作业环境及其恶劣。据调查，盾构掘进期间主要作业区的干球温度可达35℃-40℃以上，相对湿度90％以上。长期工作在高温高湿环境下，作业人员工作效率低，精神疲劳，身体健康受到损害，甚至可能诱发安全事故。为改善盾构隧道空间的作业环境，配备空气调节系统已逐步成为盾构施工行业的大趋势。
3.然而，近年来在实践应用中，现有的盾构空调系统的弊病已逐步凸显，主要体现在如下几个方面：
4.(1)空调系统能耗大，盾构隧道内热源散热负荷通常可达数百千瓦，以整个隧道空间降温为目的的空调系统其能耗巨大。而实际上，在盾构隧道内施工人员主要集中在2-3个区域开展作业，无需对整个隧道空间予以降温；
5.(2)空调除湿效果不显著，现有空调系统以降温为主除湿为辅，导致降温后隧道空间呈现湿冷状态，空气湿度依然高达90％以上。而实际上，人体热舒适感觉由温度与湿度共同决定，低温高湿环境也将使人呈现湿冷不适感；
6.(3)投资成本高，现有空调系统一旦安装很难调整、更改或补充制冷设备，为保障最大制冷需求量，往往配置装机容量大，甚至还需为大体型设备配备单独的拖车，这使得系统应用不灵活，投资成本居高不下。
7.(4)冷凝热排放难，现有空调系统冷凝热排放主要依靠盾构机自带的冷却水系统实现。在盾构掘进期间，空调系统抢占冷却水极易导致盾构机油温过高，盾构设备冷却不足的现象，严重影响掘进进度。
8.综上所述的弊端，导致现有的盾构空调系统在实际工程中难以得到长期应用和大面积推广。因此，越来越需要一种能耗低、低成本、灵活可靠的适用于地铁盾构施工热湿环境的空调控制系统。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统，以解决现有盾构空调系统存在的上述缺点。
10.根据本发明的一个方面，提供一种采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统，包括：
11.空气处理模块，设置在控制区，用于对控制区环境进行降温除湿作业；
12.制冷模块，每个所述制冷模块分别通过制冷剂供液管和制冷剂回气管与每个所述空气处理模块对应连接以形成制冷剂循环管路，所述空气处理模块中换热后形成的低温低
压气态制冷剂经所述制冷剂回气管输入至所述制冷模块进行压缩、冷凝换热及节流后，形成低压两相态制冷剂并经所述制冷剂供液管输送至所述空气处理模块，相邻制冷剂供液管之间相互连通且连通管路上设置有电控阀，相邻制冷剂回气管之间相互连通且连通管路上设置有电控阀，且每条制冷剂供液管和制冷剂回气管上均设置有电控阀，通过控制多个电控阀的工作状态，使单元式除湿空调系统在多种运行模式之间进行切换。
13.进一步地，还包括冷却水缓存水箱，所述冷却水缓存水箱的出水管与所述制冷模块的冷却水入口连接，其进水管与盾构机冷却水供水管连接且进水管上设置有第一电控阀，所述制冷模块的冷却水出口通过冷却水回水管与盾构机冷却水回水管路连接且每个制冷模块的冷却水出口处均设置有电控阀，所述冷却水缓存水箱的进水管还通过旁通管路与冷却水回水管连接且旁通管路上设置有第二电控阀，冷却水回水管上还设置有第三电控阀，所述第三电控阀的位置位于旁通管路的连接位置之前，在非盾构掘进期间，控制所述第一电控阀和第三电控阀开启、第二电控阀关闭，实现冷却水并联运行，在盾构掘进期间，控制所述第一电控阀和第三电控阀关闭、第二电控阀开启，实现冷却水内循环运行。
14.进一步地，所述冷却水缓存水箱的体积基于以下公式进行设计：
[0015][0016]
其中，v表示冷却水缓存水箱的体积，表示富余系数，n表示制冷模块的数量，q
l
表示单个制冷模块的制冷量，τ表示内循环模式的运行时间，ε表示制冷模块的制冷系数，ρ和c
p
分别表示冷却水的密度和定压比热容，n表示内循环次数，δt表示单次循环温升。
[0017]
进一步地，所述空气处理模块包括设置在壳体内的翅片管式蒸发器、主离心风机、冷凝水箱、冷凝水泵、板翅式空气-空气换热器和次离心风机，所述壳体中部的一侧开设有一次回风口和二次回风口，其中，一次回风口位于二次回风口的下方，所述翅片管式蒸发器位于壳体内的中部区域，其制冷剂入口与所述制冷剂供液管连接，制冷剂出口与制冷剂回气管连接，所述冷凝水箱位于所述翅片管式蒸发器的下方，从一次回风口进入的一次回风与翅片管式蒸发器中的低压两相态制冷剂进行换热，一次回风放热后一方面形成接近饱和的低温空气，另一方面大量水蒸气在翅片管式蒸发器的表面凝结形成冷凝水后进入冷凝水箱存储，并通过所述冷凝水泵排出，所述主离心风机和板翅式空气-空气换热器位于所述翅片管式蒸发器的上方，所述壳体的顶部开设有第一送风口、另一侧的上方开设有第二送风口，所述次离心风机设置在第二送风口处，所述主离心风机用于将接近饱和的低温空气加压后输送至板翅式空气-空气换热器中，所述板翅式空气-空气换热器还通过管路与二次回风口连接，低温空气与从二次回风口进入的二次回风进行再次换热后经第二送风口送入控制区，换热后的二次回风经第一送风口送入控制区。
[0018]
进一步地，所述冷凝水箱内设置有液位传感器，所述冷凝水箱与冷凝水泵之间还设置有流量调节阀，当检测到冷凝水箱内的液位达到第一阈值时，控制冷凝水泵开启，并控制流量调节阀调节至最大开度，当检测到冷凝水箱内的液位下降至第二阈值时，控制流量调节阀调节开度以使冷凝水箱内的液位保持在第二阈值，当检测到冷凝水箱内的液位继续下降至第三阈值时，控制冷凝水泵关闭，并控制流量调节阀复位至最大开度。
[0019]
进一步地，所述一次回风口和二次回风口处设置有回风均流板，用于使进入的回
风均匀流动且流速降低。
[0020]
进一步地，所述翅片管式蒸发器和冷凝水箱之间还设置有冷凝水集水盆，所述冷凝水集水盆内设置有过滤网。
[0021]
进一步地，所述制冷模块包括压缩机、板式冷凝器、干燥过滤器、膨胀阀、冷却水泵、y型过滤器和流量开关，所述压缩机的制冷剂入口与所述制冷剂回气管连接，制冷剂出口与所述板式冷凝器的制冷剂入口连接，所述板式冷凝器的制冷剂出口与所述干燥过滤器连接，所述膨胀阀的一端与干燥过滤器连接，另一端与所述制冷剂供液管连接，所述y型过滤器的一端与冷却水源连接，另一端与冷却水泵连接，所述流量开关的一端与冷却水泵连接，另一端与板式冷凝器的冷却水入口连接，来自所述空气处理模块的低温低压气态制冷剂经所述压缩机压缩后转变为高温高压气态制冷剂，在板式冷凝器内与冷却水换热后冷凝为高温高压液态制冷剂，经过干燥过滤器和膨胀阀后转变为低压两相态制冷剂再输送至制冷剂供液管，换热后的冷却水再输送至冷却水源。
[0022]
进一步地，还包括设置在控制区两端的风幕模块，用于与所述空气处理模块输出的冷凝水进行换热以在控制区的两端形成呈竖向分布的低温风幕。
[0023]
进一步地，所述风幕模块包括分别位于控制区两端的两台风幕机，所述风幕机的离心风机设置在顶部，每台风幕机的风幕出口处设置有冷回收表冷器，所述冷回收表冷器与空气处理模块的冷凝水出口连接，低温冷凝水进入冷回收表冷器后与所述风幕机排出的空气进行换热以降低风幕温度。
[0024]
本发明具有以下效果：
[0025]
本发明的采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统中，空气处理模块和制冷模块以模块化机组的形式进行布置，可以根据应用场所的气候条件、盾构设备参数、作业人员数量及分布、预期目标等灵活选择一套或多套模块组合应用，在进行组合应用时，模块之间只需通过连接管路即可实现耦合，便于实现盾构隧道空调系统的扁平化、小型化、灵活化设计。并且，只需在工人长期作业和休息区域等控制区设置空气处理模块进行降温除湿处理，即可满足作业人员的热舒适需求，相比于对整个隧道空间进行降温，大大降低了空调系统的能耗。并且，可以根据空气处理模块的制冷量实际需求选择制冷模块的工作数量，通过控制管路系统中多个电控阀的工作状态，使单元式除湿空调系统以一对二、一对多或者二对多等模式运行，可以有效地利用每个制冷模块中闲置的蒸发器面积，使单个制冷模块的制冷循环蒸发压力升高，制冷量和能效比均得到大幅提升，进一步降低了系统能耗。
[0026]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0027]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0028]
图1是本发明优选实施例的采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统的管路连接结构示意图。
[0029]
图2是本发明优选实施例中在制冷模块与空气处理模块连通的管路上设置电磁阀组进行运行模式切换的连接结构示意图。
[0030]
图3是本发明优选实施例的制冷模块的结构示意图。
[0031]
图4是本发明优选实施例的空气处理模块的结构示意图。
[0032]
图5是本发明优选实施例的风幕模块的结构示意图。
[0033]
附图标记说明
[0034]
1、空气处理模块；2、制冷模块；3、风幕模块；4、冷却水缓存水箱；5、制冷剂供液管；6、制冷剂回气管；100、盾构机冷却水供水管；200、盾构机冷却水回水管路；41、第一电控阀；42、第二电控阀；43、第三电控阀；10、第一电磁阀组；20、第二电磁阀组；30、第三电磁阀组；11、翅片管式蒸发器；12、主离心风机；13、冷凝水箱；14、冷凝水泵；15、板翅式空气-空气换热器；16、次离心风机；17、液位传感器；18、流量调节阀；19、回风均流板；101、一次回风口；102、二次回风口；103、第一送风口；104、第二送风口；105、回风过滤棉；106、二级过滤器；111、冷凝水集水盆；112、过滤网；21、压缩机；22、板式冷凝器；23、干燥过滤器；24、膨胀阀；25、冷却水泵；26、y型过滤器；27、流量开关；31、风幕机；32、冷回收表冷器。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0036]
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种采用模块化耦合的盾构隧道单元式除湿空调系统，包括：
[0037]
空气处理模块1，设置在控制区，用于对控制区环境进行降温除湿作业；
[0038]
制冷模块2，每个所述制冷模块2分别通过制冷剂供液管5和制冷剂回气管6与每个所述空气处理模块1对应连接以形成制冷剂循环管路，所述空气处理模块1中换热后形成的低温低压气态制冷剂经所述制冷剂回气管6输入至所述制冷模块2进行压缩、冷凝换热及节流后，形成低压两相态制冷剂并经所述制冷剂供液管5输送至所述空气处理模块1。相邻制冷剂供液管5之间相互连通且连通管路上设置有电控阀，相邻制冷剂回气管6之间相互连通且连通管路上设置有电控阀，且每条制冷剂供液管5和制冷剂回气管6上均设置有电控阀，通过控制多个电控阀的工作状态，使单元式除湿空调系统在多种运行模式之间进行切换。例如，如图2所示，空气处理模块1和制冷模块2的数量均为两个，第一个制冷模块2与第一个空气处理模块1相连通的制冷剂供液管5和制冷剂回气管6上设置有第一电磁阀组10，第二个制冷模块2与第二个空气处理模块1相连通的制冷剂供液管5和制冷剂回气管6上设置有第二电磁阀组20，两制冷剂供液管5相连通的管路、两制冷剂回气管6相连通的管路上设置有第三电磁阀组30，当控制第三电磁阀组30关闭，第一电磁阀组10和第二电磁阀组20开启时，单元式除湿空调系统采取一对一运行模式，每个制冷模块2与空气处理模块1实现制冷剂独立循环；而当控制第一电磁阀组10和第三电磁阀组30打开，第二电磁阀组20关闭，第一个制冷模块2工作、第二个制冷模块2不工作，第一个制冷模块2产生的低压两相态制冷剂同时分流至两个空气处理模块1，单元式除湿空调系统采取一对二运行模式。可以理解，空气处理模块1和制冷模块2的数量还可以是三个及三个以上，此时，通过控制各个电磁阀组的工作状态，还可以实现单元式除湿空调系统以一对多运行模式、二对多运行模式或者多对多运行模式运行。当制冷量需求不高时，可以根据实际需求选择制冷模块2的工作数量，以一对二、一对多或者二对多等模式运行，可以有效地利用每个制冷模块2中闲置的蒸发器面
积，使单个制冷模块2的制冷循环蒸发压力升高，制冷量和能效比均得到大幅提升。另外，本发明中的电控阀可以是电磁阀或者电动阀。
[0039]
可以理解，所述空气处理模块1和制冷模块2以模块化机组的形式进行布置，可以根据应用场所的气候条件、盾构设备参数、作业人员数量及分布、预期目标等灵活选择一套或多套模块组合应用，在进行组合应用时，模块之间只需通过连接管路即可实现耦合，便于实现盾构隧道空调系统的扁平化、小型化、灵活化设计。并且，只需在工人长期作业和休息区域等控制区设置空气处理模块1进行降温除湿处理，即可满足作业人员的热舒适需求，相比于对整个隧道空间进行降温，大大降低了空调系统的能耗。并且，可以根据空气处理模块1的制冷量实际需求选择制冷模块2的工作数量，通过控制管路系统中多个电控阀的工作状态，使单元式除湿空调系统以一对二、一对多或者二对多等模式运行，可以有效地利用每个制冷模块2中闲置的蒸发器面积，使单个制冷模块2的制冷循环蒸发压力升高，制冷量和能效比均得到大幅提升，进一步降低了系统能耗。
[0040]
可选地，所述单元式除湿空调系统还包括冷却水缓存水箱4，所述冷却水缓存水箱4采用无压水箱，所述冷却水缓存水箱4的出水管与所述制冷模块2的冷却水入口连接，其进水管与盾构机冷却水供水管100连接且进水管上设置有第一电控阀41，所述制冷模块2的冷却水出口通过冷却水回水管与盾构机冷却水回水管路200连接且每个制冷模块2的冷却水出口处均设置有电控阀，所述冷却水缓存水箱4的进水管还通过旁通管路与冷却水回水管连接且旁通管路上设置有第二电控阀42，冷却水回水管上还设置有第三电控阀43，所述第三电控阀43的位置位于旁通管路的连接位置之前。在非盾构掘进期间，控制所述第一电控阀41和第三电控阀43开启、第二电控阀42关闭，实现冷却水并联运行，在盾构掘进期间，控制所述第一电控阀41和第三电控阀43关闭、第二电控阀42开启，实现冷却水内循环运行。
[0041]
可以理解，在现有的空调系统中，空调装置与盾构机一般以并联模式实现冷却水共用，以起到降低投资成本和运行成本的目的。但是，盾构设备冷却水量是以工艺设备冷却为目的，其冷却水量不足以在峰值负荷期间同时供应盾构机与空调装置，会经常导致盾构设备的冷却水供应不足，进而导致盾构设备的油温超过温度限值，需要间歇性停止掘进工作，影响掘进进度。而本发明为了在冷却水共用的基础上实现盾构机和制冷模块2同时稳定可靠运行，在多个制冷模块2与盾构机冷却水管路之间设置了冷却水缓存水箱4来存储冷却水，并且构建了可切换水流回路的冷却水循环管路系统，在非盾构掘进期间，盾构设备不工作，盾构设备的冷却水需求较低，此时控制第一电控阀41和第三电控阀43开启、第二电控阀42关闭，以将冷却水循环管路系统的水流回路切换至并联回路，来自盾构机冷却水供水管100的冷却水依次进入冷却水缓存水箱4、制冷模块2后回到盾构机冷却水回水管路200，盾构机和制冷模块2之间的共用冷却水系统以并联模式运行；而在盾构掘进期间，盾构设备持续工作，冷却水需求较高，若采用并联模式运行，则制冷模块2的冷却水需求量势必会影响盾构设备正常运行，此时，控制第一电控阀41和第三电控阀43关闭、第二电控阀42开启，将冷却水循环管路系统的水流回路切换至内循环回路，冷却水在冷却水缓存水箱4、制冷模块2之间实现暂时的内循环。通过构建上述可切换水流回路的管路系统，可以在盾构施工的不同时间段切换至适宜的共用冷却水运行模式，保证了盾构设备和制冷模块2可以同步稳定、可靠运行。
[0042]
可以理解，冷却水缓存水箱4的容量需要根据制冷模块2的实际需求进行设定，理
空气换热器15还通过管路与二次回风口102连接，低温空气与从二次回风口102进入的二次回风进行再次换热后经第二送风口104送入控制区，换热后的二次回风经第一送风口103送入控制区。整个空气处理模块1的内部结构紧凑简单，便于实现模块的扁平化设计，可以很好地适应盾构隧道内放置空间局限的特点。并且，通过翅片管式蒸发器11实现第一次换热，通过板翅式空气-空气换热器15实现了第二次换热，通过二次换热过程，充分利用了制冷剂的冷量，而且经过第二次换热后，低温空气的温度虽然升高了3℃～5℃，但是其相对湿度可以降低至60％～70％，将控制区的空气环境改善为低温中湿环境，大大提高了除湿效果，改善了作业人员的热舒适性。另外，所述第二送风口104内还设置有可调叶片，便于调节出风角度。
[0047]
可选地，所述冷凝水箱13内设置有液位传感器17，所述冷凝水箱13与冷凝水泵14之间还设置有流量调节阀18，当检测到冷凝水箱13内的液位达到第一阈值时，控制冷凝水泵14开启，并控制流量调节阀18调节至最大开度，当检测到冷凝水箱13内的液位下降至第二阈值时，控制流量调节阀18调节开度以使冷凝水箱13内的液位保持在第二阈值，当检测到冷凝水箱13内的液位继续下降至第三阈值时，控制冷凝水泵14关闭，并控制流量调节阀18复位至最大开度，以实现自动控制冷凝水流量与产量平衡。作为优选的，在流量调节阀18之前还设置有二级过滤器106，以对冷凝水进行精滤，防止冷凝水泵14因杂物发生堵塞。
[0048]
可选地，所述一次回风口101和二次回风口102处设置有回风均流板19，以使进入的回风均匀流动且流速降低，从而提高了低压两相态制冷剂与一次回风、低温空气与二次回风的换热效果，充分利用了制冷剂的冷量，空气制冷效果更好。另外，所述一次回风口101和二次回风口102处还设置有回风过滤棉105，用于对进入的回风进行初级过滤处理，防止空气中夹杂的粉尘、杂物等影响翅片管式蒸发器11的换热性能。
[0049]
可选地，所述翅片管式蒸发器11和冷凝水箱13之间还设置有冷凝水集水盆111，所述冷凝水集水盆111内设置有过滤网112。先通过冷凝水集水盆111收集冷凝水，然后通过过滤网112对冷凝水进行初级过滤处理后进入冷凝水箱13进行存储，防止冷凝水中的杂物导致冷凝水泵14发生堵塞。
[0050]
可选地，所述单元式除湿空调系统还包括设置在控制区两端的风幕模块3，用于与所述空气处理模块1输出的冷凝水进行换热以在控制区的两端形成呈竖向分布的低温风幕。通过在控制区两端设置风幕模块3形成双级风幕阻隔，严格控制了控制区与非控制区之间的空气流通，保证了控制区低温中湿环境的稳定性，进一步降低了空调系统能耗。
[0051]
具体地，如图5所示，所述风幕模块3包括分别位于控制区两端的两台风幕机31，所述风幕机31的离心风机设置在顶部，避免吸入端受施工时泥浆飞溅的影响，每台风幕机31的风幕出口处设置有冷回收表冷器32，所述冷回收表冷器32与空气处理模块1的冷凝水出口连接，低温冷凝水进入冷回收表冷器32后与所述风幕机31排出的空气进行换热以降低风幕温度，可以将风幕出口空气温度降低1℃～2℃。通过在风幕机31的风幕出口处设置冷回收表冷器32对空气处理模块1的冷凝水进行回收利用，以对风幕出口空气进行降温，实现了冷量回收，进一步降低了整个系统的能耗。另外，风幕高度与盾构隧道直径相关，其底部距离隧道底部0.6m～0.8m，顶部距离隧道顶部1m～1.5m，使风幕形成的阻隔层在上下位置处具有一定的轴向通风能力。
[0052]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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。