一種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統的製作方法

2023-11-04 22:49:22 1

本發明涉及建築通風及相變蓄能領域，具體涉及一種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統。

背景技術：

地道通風是一種通過地埋管將空氣與土壤進行熱交換進而為室內環境提供冷量的建築節能技術。一方面，利用土壤的蓄冷特性，將其作為天然冷源為住宅供冷；另一方面，與傳統空調相比，在提供室內新風的同時又可以大大降低能源消耗。基於低投入、高能效的特點，地道通風降溫系統在住宅空調領域中的應用具有較高的節能潛力和經濟效益，有其推廣的現實意義。

在常規地道通風系統基礎上，現已出現了一些創新和改進技術並形成相關專利。例如利用礦山井下地道通風的空調系統、地道通風與太陽能供熱複合系統。但是現有地道通風系統在實際應用中仍然存在一系列問題亟待解決，例如：1）傳統地道通風基坑佔地面積較大，土地利用效率低；2）部分地區淺層土壤溫度較高，且深挖難度大導致系統製冷效果不好；3）最不利工況下（如夏季中午），單獨地道通風系統換熱效率較低，難以實現間歇運行，導致換熱效果明顯降低；4）常規水平地道通風埋管坡度往往較小，從而導致管道內壁容易附著冷凝水且不易排出，長期運行時容易引起發黴或滋生微生物，從而影響室內送風品質。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種佔地面積小、實現土壤冷源高效合理化利用的系統，解決現有技術的上述問題。

本發明提供的這種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統，包括沿豎直方向埋設於土壤中的垂直埋管，垂直埋管的兩端分別連接有位於地面上的進風管路和出風管路，出風管路的終端位於住宅的室內，進風管路上連接有過濾器和除溼器，垂直埋管與出風管路連接側的管內和管外均設置有相變材料，垂直埋管的底部設置有冷凝水收集及排出管路。

所述垂直埋管通過管道井埋設於土壤中，包括多個並聯的U型管，各U型管包括空氣下行管、空氣上行管和底部彎道，空氣下行管的上端與所述進風管路連通，空氣上行管的上端與所述出風管路連通；各U型管的空氣下行管和空氣上行管的下端分別為往下漸縮的錐形段，空氣下行管和空氣上行管在錐形段的上方通過連通管連通；底部彎道的上端兩側分別連接有變徑接頭，變徑接頭包括往上漸縮的圓錐段和其上方的圓柱段，圓柱段的上埠與所述錐形段的下埠對接為一體，圓柱段的上部內置承接冷凝水的漏鬥；底部彎道的最低位置處連接有排水管，排水管從地下伸出地面後連接有排水泵，該結構的設置可使冷凝水順利通過漏鬥進入排水管及時排出，而空氣下行管和空氣上行管內的空氣不易通過底部彎道，從而減少空氣上行管內空氣與冷凝水的接觸。

所述漏鬥的壁面坡度大於45º，出口直徑小於10mm。

所述底部彎道的上部接近所述連通管高度處設置有水位傳感器。

所述空氣上行管的淺層管段外側套有PVC的外套管，外套管和空氣上行管之間由外至內依次設置有保溫材料和相變材料，相變材料置於內套管中，內套管和外套管的兩端分別連接有密封組件。

所述空氣上行管的軸向中心線上懸掛有用圓柱管封裝的相變材料，圓柱管的下端處於所述連通管處、上端低於所述內外套管的上端面，圓柱管內相變材料分為三層，各層的相變溫度根據所處土壤層溫度從下往上依次遞增。

所述密封組件包括彈性套環、密封墊圈、彈性墊圈和密封塞鉚釘，彈性套環有兩個，分別套於所述空氣上行管的外壁和所述外套管的外壁，密封墊圈有兩個分別套於空氣上行管和外套管的外壁對應於彈性套環的外端，密封墊圈的外端與外套管和內套管的外端平齊，彈性墊圈位於內套管和外套管的外端同時將兩密封墊圈封閉，通過密封塞鉚釘將彈性墊圈、密封墊圈和彈性套環緊固為一體將保溫材料和相變材料密封。

所述進風管路分別通過風閥與U型管的空氣下行管連通，所述出風管路上連接有風閥和風機及排風管。

本發明通過垂直埋管與相變蓄能的耦合，利用地道風與地下土壤的換熱為室內提供冷量，在減小佔地面積的基礎上實現了土壤冷源的高效利用。具體來說本發明將地下埋管沿豎直方向埋設於土壤中，克服了常規水平埋管系統需佔用過大的基坑面積的缺陷，還解決了部分地區淺層土壤溫度偏高，導致常規水平埋管系統效率不高的問題。地下埋管內的相變材料可以儲存一部分地道通風所含的土壤冷量。隨著系統運行時間的延長，地道換熱效率會下降，此時相變材料儲存的冷量作為地道通風的冷源，進一步冷卻管內空氣，從而延長了系統的有效作用時間。與此同時，垂直埋管外的相變材料，同時起到保溫和蓄能的雙重作用，風速較小時可以儲存冷量，並有效利用了淺層的保溫管段，有效地延長了地道的作用長度。本垂直埋管結構充分利用了重力效應使冷凝水下滑，此外冷凝水收集及排出管路的設置避免了常規水平埋管系統將夏季凝露引起的發黴和病菌滋生引入室內，可有效提高室內空氣品質。

總之，本發明高效的利用了土壤冷源和相變材料的蓄能和放熱性能，實現了系統能源利用效率和室內舒適度的最大化。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例的結構示意圖。

圖2為圖1中垂直埋管之一的結構示意圖。

圖3為圖2中的A-A剖視示意圖。

圖4為圖2中的B部放大示意圖。

圖5為圖2中的C部放大示意圖。

具體實施方式

本實施例公開的這種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統，利用地下土壤溫度相對穩定的特性，以空氣作為換熱媒介，通過垂直埋管和管道內外相變材料的耦合，利用地道風與地下土壤的換熱為住宅室內提供冷量，在大大減小佔地面積的基礎上實現土壤冷源的高效利用，同時還可提高室內空氣的品質。

如圖1所示，本實施例公開的這種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統，包括沿豎直方向埋設於土壤中的垂直埋管1，垂直埋管1的兩端分別連接有位於地面上的進風管路和出風管路，出風管路的終端位於住宅的室內，進風管路上連接有過濾器2和除溼器3，進風管路分別通過風閥4與垂直埋管1連通，出風管路上連接有風閥4和風機5及排風管6，排風管上連接風閥4。本實施例的過濾器2採用中效過濾器。

如圖1、圖2所示，本實施例的垂直埋管1管道井G埋設於土壤中，包括多個並聯的U型管，U型管的數量由建築冷負荷決定。

如圖1、圖2所示，每個U型管包括空氣下行管11、空氣上行管12和底部彎道13，空氣下行管11的上端與進風管路連通，空氣上行管12的上端與出風管路連通。空氣下行管11和空氣上行管12的下端分別為往下漸縮的錐形段，空氣下行管11和空氣上行管12在錐形段的上方通過連通管14連通。本實施例U型管的埋設深度約為20米，連通管14設置於底部彎道13的上方約1米處。

如圖2至圖4所示，空氣上行管12的淺層管段外套有PVC的外套管121，外套管121和空氣上行管12之間依次設置有保溫材料122和相變材料123，相變材料置於內套管124中，內套管124和外套管121的兩端分別連接有密封組件M，以防止地下水浸入保溫材料中。外套管121的設置位於空氣上行管12的地下0-8米範圍內，以該區域土壤層溫度低於20℃的深度為準。保溫材料採用3-5cm的聚氨酯。

如圖2和圖4所示，密封組件M包括彈性套環M1、密封墊圈M2、彈性墊圈M3和密封塞鉚釘M4。彈性套環M1有兩個，分別套於空氣上行管12的外壁和外套管121的外壁，密封墊圈M2有兩個，分別套於空氣上行管12和外套管121的外壁對應於彈性套環M1的外端，密封墊圈M2的外端與外套管121和內套管124的外端平齊，彈性墊圈M3位於內套管121和外套管121的外端同時將兩密封墊圈M2封閉，通過密封塞鉚釘M4將彈性墊圈M3、密封墊圈M2和彈性套環M1緊固為一體將保溫材料和相變材料密封。

本實施例彈性套環M1的厚度為1-2cm，大於鉚釘的直徑，彈性墊圈M2與密封墊圈M3結合處在施工時塗抹玻璃膠進行密封。

如圖2所示，空氣上行管12的軸向中心線上懸掛有用圓柱管15封裝的相變材料，圓柱管15的下端處於連通管14處、上端低於內、外套管的上端面，圓柱管15內相變材料的相變溫度從下往上依次遞增。本實施例的相變材料均採用石蠟，在石蠟中加入5%-10%的石墨烯和碳纖維按1:1組成的混合物。圓柱管內的相變材料設置三層，從下往上的相變溫度依次為16℃、18℃和20℃，以利於最大程度地蓄能。本實施例空氣上行管外的相變材料的相變溫度為20℃。本實施例的圓柱管採用直徑5cm管。

如圖5所示，底部彎道13的上端兩側分別連接有變徑接頭，變徑接頭包括往上漸縮漸縮的圓錐段16和其上方的圓柱段17，圓柱段的上埠與所述錐形段的下埠對接為一體，圓柱段的上部內置承接冷凝水的漏鬥18。本實施例漏鬥18的壁面坡度大於45º，其壁面坡度足以讓冷凝水在重力作用下向下流動；漏鬥18的出口直徑不大於10mm，以使空氣下行管和空氣上行管中的冷凝水可順利進入底部彎管中，而管內的空氣不易從漏鬥通過，從而使底部彎道內難以形成空氣對流，減少冷凝水對管內空氣的汙染。

如圖2和圖5所示，底部彎道13的最低位置處連接有排水管8，排水管8從地下伸出地面後連接有排水泵9。底部彎道13的上部設置水位傳感器cgq。

地下埋管沿豎直方向埋設於管道井中，克服了常規水平埋管系統需佔用過大的基坑面積的缺陷，還解決了部分地區淺層土壤溫度偏高，導致常規水平埋管系統效率不高的問題。地下埋管內的相變材料可以儲存一部分地道通風所含的土壤冷量。隨著系統運行時間的延長，地道換熱效率會下降，此時相變材料儲存的冷量作為地道通風的冷源，進一步冷卻管內空氣，從而延長了系統的有效作用時間。與此同時，垂直埋管外的相變材料，同時起到保溫和蓄能的雙重作用，風速較小時可以儲存冷量，並有效利用了淺層的保溫管段，有效地延長了地道的作用長度。

垂直埋管內外的相變蓄能管有效增加了地道通風的換熱面積，從而提高其降溫效果。垂直埋管底部冷凝水收集及排出管路的設置，充分利用了重力收集管內冷凝水，並通過排水管將冷凝水排至室外地面。漏鬥結構的設置可以減少或避免冷凝水與管內流通空氣的接觸，從而避免了常規水平埋管系統將夏季凝露引起的發黴和病菌滋生引入室內，有效提高了室內空氣品質。

本系統的工作原理如下：

夏季系統開始運行後，風機5開啟，室外空氣經過濾器2和除溼器3處理後流經空氣下行管11、連通管14和空氣上行管12與地下土壤進行換熱，經過土壤降溫後的空氣經過室內風口7送入室內。系統運行時，U型管內空氣可以把土壤的冷量依次與圓柱管內封裝的下層相變材料、中層相變材料和上層相變材料換熱，將部分冷量儲存於相變材料內。

系統運行一段時間後，當地道換熱效率下降時，圓柱管內相變材料儲存的冷量作為冷源將冷量傳遞給管內空氣，從而延長地道通風系統的有效作用時間，提高降溫效果。當U型管內空氣的流速較小時，管內空氣可以把多餘的冷量儲存於U型管外的相變材料中，當室內所需要負荷較大即需要提高管內空氣流速時，U型管外相變材料儲存的冷量可對U型管內的空氣進一步冷卻，從而有效的延長了地道垂直埋管的作用長度。

夏季地下5m以下的土壤溫度一般低於U型管內空氣的露點，因此垂直埋管內的部分管段易出現凝露。在重力作用下，冷凝水沿垂直埋管的管壁向下流動，進入U型管的底部彎道中。當底部彎道上部的水位傳感器cgq顯示底部彎道管內冷凝水的水位接近連通管時，控制排水泵開啟將冷凝水經由排水管排出收集。

冬季時本垂直埋管系統可作為室內供暖的輔助加熱系統，該系統與常規的供暖系統相結合，在提供室內新風的同時，可以大大的降低常規供暖系統的能耗，從而實現最大限度的節能。