CN1804488A - 地下蓄冷、热空气调节系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下蓄冷、热空气调节系统，其特征是在室外建造太阳能集热器和吸冷池，池中介质吸收的热量和冷能分别通过热输入器和冷输入器输入地下蓄热池和蓄冷池储存，在冬天将蓄热池中储存的热量通过热交换器和热风输出器送入房间取暖，也可以通过与蓄热池连接的热水输出器将热水送入房间内的暖气系统中供暖；在夏天，将在蓄冷池中储存的冷能通过冷交换器和冷风输出器把冷风送入房间内降温，同样亦可把冷水送入房间内的暖气系统中降温。本发明充分利用了大自然季节的变化和气温地温的差异特性及太阳能的转化。做到了储能、节能、环保、天然、可持续发展的要求，尤其适用于我国北方气温变化比较大的地区，具有广泛地推广应用价值。
Description
技术领域：本发明属能源贮存及利用领域，具体地说是关于地下蓄冷、蓄热空气调节系统。
背景技术：大家知道，地球与太阳的运动造成了我们居住的地球具有四季之分，冬冷夏热。冷和热都是能源，太阳光更是能源，如何将这些取之不尽用之不竭的能源予以储存，在需要时取而用之是本发明的主要动机。如是我们想到了地下，让我们考察一下地温的变化规律，见表：
地下温度变化比较表
| 深度(米) | 项目 | 呼玛 | 哈尔滨 | 北京 | 上海 |
| 0 | 一月平均温度七月平均温度温度相差 | -32.724.657.3 | -20.825.946.7 | -5.329.134.4 | 4.430.426 |
| 3.2 | 一月平均温度七月平均温度温度相差 | 3.23.00.2 | 6.04.02.0 | 12.713.91.2 | 17.216.70.5 |
从表中可以看出，地表温度变化强烈，但地下温度变化微小。虽然地表温度冬冷夏热，而地下深处却冬暖夏凉。这一自然现象说明，地下当达到一定深度时，土壤具有很好的保温，恒温，平衡能量的特性，不再随气温的急剧变化而变化。本发明正是利用地下这一特性将气温和太阳能急剧变化的冷热能输入地下，在地下局部造成冷区与热区予以储存。本发明具有蓄冷和蓄热两种功能，现分述如下：
首先将介质水(加入降冰点物质)放入地上吸冷池，吸冷池中的水温降至低于地温时，即可输入地下蓄冷池储存。在冬季，气温越低，吸冷池的面积越大，吸冷池吸收的冷量就越多，输入地下蓄冷池中的冷能就越大，当地下蓄冷池的贮水量达到设计量时，就可以通过冷输入器控制的水泵进行循环蓄冷过程。此时，只要气温低于地下蓄冷池水温时，就将蓄冷池中的水抽至地上吸冷池进行降温，降至一定温度时，再输入地下蓄冷池，如此反复进行，在几个月的寒冷的冬季内，就在蓄冷池的水中和池周围的土壤中储存了大量的冷能。在北方地区，具有零下气温足以使吸水池中的水结冰时，将水中加入盐或其它降冰点的物质(像防冻剂)，保障介质水的循环，同时可以最大限度的提高蓄冷量。当冬季结束，气温高于地下蓄冷池中的水温时，停止冷输入器循环。蓄冷池进入贮藏冷量的待用期。当蓄冷的目的是为了建筑物室内夏季降温时，随着夏季的来临，可以通过蓄冷池中预设的冷交换器和冷输出器实现。冷交换器就是浸在蓄冷池中的通风管道，蓄冷池中的水冷却管道壁，管道壁再冷却管道内的空气，被冷却的空气通过冷输出器的风机送到需要降温的室内。这样通过冷交换器和冷输出器的循环，使蓄冷池中贮存的冷能被逐渐输出利用。在第二年冬季来临时，又进入了第二个蓄冷季节的循环。这一原理同样适用于电力制冷的冷能贮存。在炎热的夏季，当地下蓄冷池的贮冷量不足以满足夏季供冷量时，可以通过电力制冷机组直接对蓄冷池中的水致冷。利用供电网中的峰谷差，在供电网进入波谷电价低廉时开始制冷，蓄冷池贮冷，在供电高峰电价高时停止制冷，蓄冷池照常供冷，同样达到节能降低制冷成本的目的。冷热交换器采用通风管道时，夏季用冷输出器的风机供室内冷风，在反季节的冬季冷输出器又可以作为冷输入器使用，将室外寒冷的空气通过它强制输入冷交换器，蓄冷池中的介质水通过冷交换器的管壁大量吸收冷能，尤其在特别寒冷的天气或冬季夜间，用冷风输入蓄冷池的冷量会更直接和效率更高。冷输出器也可以采用水泵将蓄冷池中已蓄的冷水输出使用，如建筑物内已安装了以水供暖的暖气片时，在夏季用水泵抽出蓄冷池中的冷水，接入建筑物水暖系统的进水口，通过水暖管道通入各室内暖气片，再由回水管回流至蓄冷池，通过这种循环即可达到室内降温。
蓄热原理：在某地，当气温或太阳能集热器中的水温高于该地区地下2米深处的地温时，便开始蓄热。同建造蓄冷地一样，在地下2米以下深处建造蓄热池，在地上(如房顶)建造吸热池或与太阳能集热器配套，当太阳能集热器中的水温升至超过蓄热池水温时，即可输入地下蓄热池蓄热。气温越高，太阳光越强，太阳能吸热器吸收的热能就越多，输入地下的热能就越大，当地下蓄热池的贮水量达到设计量时，通过热输入器控制的水泵进行循环蓄热，此时，只要太阳能集热器中的水温高于蓄热池水温一定值(人为在热输入器上设定)，就将太阳能集热器中的水输入地下蓄热池，同时蓄热池水再次注入太阳集热器，如此反复循环，在几个月的夏季时间内，在蓄热池的水中和周围土壤就可存储了大量热能。当冬季到来，若蓄热的目的是为了建筑物室内供暖时，可以通过蓄热池中铺设的热交换器和热输出器来实现。热交换器就是浸在蓄热池中的通风管道，池水加热管壁，管壁加热空气，空气通过热输出器的风机送至供暖房间。该系统与太阳能集热器配套使用时，冬季晴天照常对蓄热池的热量给以补充。如是该系统可以常年供应热水。热输出器也可以采用水泵直接将蓄热池中的热水输出使用，在冬季供暖时等同于城市水暖供热，直接将蓄热池中的热水用水泵输入水暖系统的供水口，从回水口流入蓄热池，实现水暖循环。
中国专利CN1529103A和CN1057377C，前一专利虽然利用了太阳能和大气的冷量，但它是利用冷井和热井来储能，挖井受到地下水位的限制，具有很强的地域性；后一专利没有涉及大气冷量的问题。
发明内容：本发明的目的是利用大地地面以下2米深处的土壤或岩石恒温、保温、热容量大，空间无限的特点，分别建造地下蓄冷池和地下蓄热池，以水为介质对地上的冷源和热源予以吸收后再输入地下蓄冷池和蓄热池得以储存，冷源主要为冬季寒冷的气温，热源主要为夏季炎热的高温和太阳能集热器转化的热能，在需要时将储存的冷、热能再通过冷，热交换器输入室内使用。
本发明的技术方案是这样实现的，在建筑物周围的空地上或建筑物的底下距地面2米以下，分别建造封闭式的蓄冷池和蓄热池，蓄冷池和蓄热池的池壁用钢筋混凝土浇注而成，两池相距最少不低于两米，池的外壁周围与地下土壤或岩石紧密接触，蓄冷池中充满添加防冻剂的介质水，蓄热池中充满自来水；在建筑物周围的空地上或在建筑物的楼顶上建造开放式的水池作为吸冷池，池中充入添加了防冻剂的介质水，太阳能集热器也是建在建筑物周围的空地上或楼顶上，以自来水作为热交换介质。
太阳能集热器的进水管和出水管与热输入器联接，热输入器通过两根管道与蓄热池连接；蓄热池中设热交换器，热交换器的两个端口通过管道与热风输出器连接，热风输出器的出风管道和进风管道上分别安装一个截止阀，然后通过管道与建筑物房间的进风管和出风管连接，需要送热风时截止阀处于开启状态，停止送热风时关闭截止阀；同样，吸冷池的进水管和出水管与冷输入器联接，冷输入器的另一端通过两根管道与蓄冷池连接，蓄冷池中设冷交换器，冷交换器的两个端口通过管道与冷风输出器相连；冷风输出器设有两根管道与建筑物的房间相通，这两根管道一根是进风管，另一根是出风管，使室内空气保持循环；并在两根管道上分别安装一个三通阀，需要向室内送冷风时三通阀向室内进出管道为开启状态，停止送冷风时三通阀关闭，在冬季三通阀与大气相通时，冷风输出器改为冷风输入器，将冬天的冷空气输入到冷交换器中，促进蓄冷池降温。在蓄热池和蓄冷池上还设置了热水循环管和冷水循环管，通过带截止阀的管道与室内的暖、冷气设备连接，进行水循环供暖或水循环制冷。
所述的冷输入器、热输入器、热水输出器和冷水输出器分别是由一个水泵和温度控制系统构成，所述的冷风输出器和热风输出器分别是由一个风机和温度控制系统构成。
附图说明：图1、地下蓄冷、热空气调节系统示意图
图中：1-太阳能集热器(吸热池) 2-吸冷池 3-热输入器4-冷输入器 5-建筑物 6-地面 7-热水输出器8-冷水输出器 9-热风输出器 10-冷风输出器11-蓄热池 12-蓄冷池 13-热交换器 14-冷交换器15-建筑物冷、热风输入口和回流口 16-建筑物冷、热水输入口和回流口 17-截止阀 18-三通阀
实施例：在济南地区，3米以下的地温和水温为恒温14.5℃左右，夏季最高气温可达42℃，冬季最低气温可达-19℃，对1000平方米办公楼进行空气调节，地下蓄能量的设计如下：
夏季供冷蓄冷量的设计：
40大卡/平方米.小时×8小时/天×100天×1000平方米＝3200万大卡(冷量)
以蓄冷池中的水及周围1.5米厚的土壤平均贮冷量为1大卡/公斤，以加入降冰点物质的水及周围土壤在整个冬季蓄冷循环中已被平衡至0℃，夏季冷输出器控制最高出风温度为20℃时，温差为20℃，需要的蓄热容积(含周围土壤)为：
3200万大卡÷2万大卡/立方米＝1600立方米
以建在地下3.5米深处的蓄冷池的截面积为3米(宽)×3米(深)计算。包括土壤蓄冷的截面积应为6米×6米＝36平方米，需要蓄冷池的长度为：1600立方米÷36平方米＝44.4米，实际建造蓄冷池的长度为44.4米，宽3米，深3米。容积为399.6立方米，用钢筋混凝土现浇。这一容积也就是循环介质水的用量。
吸冷池面积的计算：以每次循环用水为总容积的1/10，吸冷池水深0.25米，需要吸冷面积为40立方米÷0.25米＝160平方米，这一面积的吸冷池可以直接建造在建筑物的楼顶。
蓄冷池建在建筑物地面以下3.5米深处，为U字型，冷交换器用直径0.5米的钢管，铺设在U字型蓄冷池的池底部，两端通过土壤直通建筑物内部，一端为进风口，一端为出风口，通过风机强制通风引入各供冷房间。
冬季供暖蓄热量的设计：
50大卡/平方米.小时×8小时/天×100天×1000平方米＝4000万大卡(热量)
热能来源由太阳能集热器配套，由于太阳能集热器冬天还可以供热，设1/4热量在冬季100天的取暖期太阳能集热器供应，3/4热量是在夏季由太阳能集热器的收集并存于蓄热池。蓄热量达3000万大卡时即可满足该办公楼的供暖要求，设整个夏季蓄热循环中蓄热池中的水及周围土壤被平衡至60℃，供暖出口温度为最低22℃，温差38℃，即每立方米蓄能3.8万大卡，需要蓄热池容积(含周围1.5m土壤)为：
3000万大卡÷3.8万大卡/立方米＝790立方米，蓄热池的建造相同于蓄冷池，那么蓄热池的长度为：
790立方米÷36平方米＝22米
实际建造蓄热池的长度为22米，宽3米，深3米，容积为198立方米。
在冬季供暖的100天中，还需要太阳能集热器平均每天制造10万大卡的热量予以补充。即每天需要10万大卡÷3.8万大卡/吨＝2.6吨，60℃的热水，设平均每平方米太阳能集热器供35公斤60℃热水，太阳能集热器的面积为2.6吨÷0.035吨/平方米＝74平方米，该74平方米太阳能集热器直接安装在建筑物的楼顶。
本发明的地下蓄冷、热空气调节系统，实现了冬季寒冷的冷源的贮存，在夏季高温时得以供冷。同样也实现了夏季炎热的热源及太阳能集热器转化的热能的贮存，在寒冷的冬季时得以供暖。本发明充分利用了大自然季节的变化和气温地温的差异特性及太阳能的转化。使天然能源平衡供应，做到了储能、节能、环保、天然、可持续发展的要求，尤其适用于我国北方气温变化比较大的地区，具有广泛地推广应用价值。
Claims (5)
1、地下蓄冷、热空气调节系统，其特征在于：在建筑物周围的空地上距地面2米以下，分别建造封闭式的蓄热池(11)和蓄冷池(12)；在建筑物(5)的顶上设置太阳能集热器(1)和吸冷池(2)，太阳能集热器(1)和吸冷池(2)分别有两根管道通过热输入器(3)和冷输入器(4)与蓄热池(11)及蓄冷池(12)连通，蓄热池(11)中设热交换器(13)，热交换器(13)的两个端口通过管道与热风输出器(9)相连，热风输出器(9)设有两根中间带截止阀(17)的管道与建筑物冷、热风输入口和回流口(15)相连，使室内空气保持循环；蓄热池(11)还设有进、出水管与热水输出器(7)连接，热水输出器(7)通过带有截止阀(17)的两根管道与建筑物冷、热水输入口和回流口(16)相连，提供水循环供暖；蓄冷池(12)中设冷交换器(14)，冷交换器(14)的两个端口通过管道与冷风输出器(10)相连，冷风输出器(10)通过带有三通阀(18)的两根管道与建筑物冷、热风输入口和回流口(15)相连，蓄冷池(12)中还设有进、出水管与冷水输出器(8)连接，冷水输出器(8)通过带有截止阀(17)的两根管道与建筑物冷、热水输入口和回流口(16)相连。
2、根据权利要求1所述的地下蓄冷、热空气调节系统，其特征在于：所述的热输入器(3)、冷输入器(4)、热水输出器(7)和冷水输出器(8)分别是由一个水泵和温度控制系统构成，所述的热风输出器(9)和冷风输出器(10)分别是由一个风机和温度控制系统构成。
3、根据权利要求1所述的地下蓄冷、热空气调节系统，其特征在于：所述的太阳能集热器(1)和吸冷池(2)是建筑在建筑物(5)周围的空地上。
4、根据权利要求1所述的地下蓄冷、热空气调节系统，其特征在于：所述的蓄热池(11)和蓄冷池(12)是建筑在建筑物(5)的底下距地面2米以下的地方。
5、根据权利要求1所述的地下蓄冷、热空气调节系统，其特征在于：所述的冷风输出器(10)在冬季三通阀与大气相通，冷风输出器改为冷风输入器，将冬天的冷空气输入到冷交换器中，促进蓄冷池降温。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20060719 |