本發(fā)明涉及建筑通風及相變蓄能領(lǐng)域，具體涉及一種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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(nèi)環(huán)境提供冷量的建筑節(jié)能技術(shù)。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(tǒng)空調(diào)相比，在提供室內(nèi)新風的同時又可以大大降低能源消耗?；诘屯度?、高能效的特點，地道通風降溫系統(tǒng)在住宅空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較高的節(jié)能潛力和經(jīng)濟效益，有其推廣的現(xiàn)實意義。

在常規(guī)地道通風系統(tǒng)基礎(chǔ)上，現(xiàn)已出現(xiàn)了一些創(chuàng)新和改進技術(shù)并形成相關(guān)專利。例如利用礦山井下地道通風的空調(diào)系統(tǒng)、地道通風與太陽能供熱復(fù)合系統(tǒng)。但是現(xiàn)有地道通風系統(tǒng)在實際應(yīng)用中仍然存在一系列問題亟待解決，例如：1）傳統(tǒng)地道通風基坑占地面積較大，土地利用效率低；2）部分地區(qū)淺層土壤溫度較高，且深挖難度大導(dǎo)致系統(tǒng)制冷效果不好；3）最不利工況下（如夏季中午），單獨地道通風系統(tǒng)換熱效率較低，難以實現(xiàn)間歇運行，導(dǎo)致?lián)Q熱效果明顯降低；4）常規(guī)水平地道通風埋管坡度往往較小，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壁容易附著冷凝水且不易排出，長期運行時容易引起發(fā)霉或滋生微生物，從而影響室內(nèi)送風品質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種占地面積小、實現(xiàn)土壤冷源高效合理化利用的系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。

本發(fā)明提供的這種垂直埋管地道通風與相變蓄能耦合系統(tǒng)，包括沿豎直方向埋設(shè)于土壤中的垂直埋管，垂直埋管的兩端分別連接有位于地面上的進風管路和出風管路，出風管路的終端位于住宅的室內(nèi)，進風管路上連接有過濾器和除濕器，垂直埋管與出風管路連接側(cè)的管內(nèi)和管外均設(shè)置有相變材料，垂直埋管的底部設(shè)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(shè)于土壤中，包括多個并聯(lián)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(cè)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，圓柱段的上端口與所述錐形段的下端口對接為一體，圓柱段的上部內(nèi)置承接冷凝水的漏斗；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后連接有排水泵，該結(jié)構(gòu)的設(shè)置可使冷凝水順利通過漏斗進入排水管及時排出，而空氣下行管和空氣上行管內(nèi)的空氣不易通過底部彎道，從而減少空氣上行管內(nèi)空氣與冷凝水的接觸。

所述漏斗的壁面坡度大于45o，出口直徑小于10mm。

所述底部彎道的上部接近所述連通管高度處設(shè)置有水位傳感器。

所述空氣上行管的淺層管段外側(cè)套有PVC的外套管，外套管和空氣上行管之間由外至內(nèi)依次設(shè)置有保溫材料和相變材料，相變材料置于內(nèi)套管中，內(nèi)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，圓柱管的下端處于所述連通管處、上端低于所述內(nèi)外套管的上端面，圓柱管內(nèi)相變材料分為三層，各層的相變溫度根據(jù)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(huán)、密封墊圈、彈性墊圈和密封塞鉚釘，彈性套環(huán)有兩個，分別套于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于空氣上行管和外套管的外壁對應(yīng)于彈性套環(huán)的外端，密封墊圈的外端與外套管和內(nèi)套管的外端平齊，彈性墊圈位于內(nèi)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(huán)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(fā)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(nèi)提供冷量，在減小占地面積的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了土壤冷源的高效利用。具體來說本發(fā)明將地下埋管沿豎直方向埋設(shè)于土壤中，克服了常規(guī)水平埋管系統(tǒng)需占用過大的基坑面積的缺陷，還解決了部分地區(qū)淺層土壤溫度偏高，導(dǎo)致常規(guī)水平埋管系統(tǒng)效率不高的問題。地下埋管內(nèi)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(tǒng)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(nèi)空氣，從而延長了系統(tǒng)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，并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(jié)構(gòu)充分利用了重力效應(yīng)使冷凝水下滑，此外冷凝水收集及排出管路的設(shè)置避免了常規(guī)水平埋管系統(tǒng)將夏季凝露引起的發(fā)霉和病菌滋生引入室內(nèi)，可有效提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

總之，本發(fā)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(xiàn)了系統(tǒng)能源利用效率和室內(nèi)舒適度的最大化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中垂直埋管之一的結(jié)構(gòu)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(tǒng)，利用地下土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，以空氣作為換熱媒介，通過垂直埋管和管道內(nèi)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(nèi)提供冷量，在大大減小占地面積的基礎(chǔ)上實現(xiàn)土壤冷源的高效利用，同時還可提高室內(nèi)空氣的品質(zhì)。

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(tǒng)，包括沿豎直方向埋設(shè)于土壤中的垂直埋管1，垂直埋管1的兩端分別連接有位于地面上的進風管路和出風管路，出風管路的終端位于住宅的室內(nèi)，進風管路上連接有過濾器2和除濕器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采用中效過濾器。

如圖1、圖2所示，本實施例的垂直埋管1管道井G埋設(shè)于土壤中，包括多個并聯(lián)的U型管，U型管的數(shù)量由建筑冷負荷決定。

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?？諝庀滦泄?1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(shè)深度約為20米，連通管14設(shè)置于底部彎道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(shè)置有保溫材料122和相變材料123，相變材料置于內(nèi)套管124中，內(nèi)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(shè)置位于空氣上行管12的地下0-8米范圍內(nèi)，以該區(qū)域土壤層溫度低于20℃的深度為準。保溫材料采用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(huán)M1、密封墊圈M2、彈性墊圈M3和密封塞鉚釘M4。彈性套環(huán)M1有兩個，分別套于空氣上行管12的外壁和外套管121的外壁，密封墊圈M2有兩個，分別套于空氣上行管12和外套管121的外壁對應(yīng)于彈性套環(huán)M1的外端，密封墊圈M2的外端與外套管121和內(nèi)套管124的外端平齊，彈性墊圈M3位于內(nèi)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(huán)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(huán)M1的厚度為1-2cm，大于鉚釘?shù)闹睆剑瑥椥詨|圈M2與密封墊圈M3結(jié)合處在施工時涂抹玻璃膠進行密封。

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的下端處于連通管14處、上端低于內(nèi)、外套管的上端面，圓柱管15內(nèi)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采用石蠟，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(nèi)的相變材料設(shè)置三層，從下往上的相變溫度依次為16℃、18℃和20℃，以利于最大程度地蓄能。本實施例空氣上行管外的相變材料的相變溫度為20℃。本實施例的圓柱管采用直徑5cm管。

如圖5所示，底部彎道13的上端兩側(cè)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，圓柱段的上端口與所述錐形段的下端口對接為一體，圓柱段的上部內(nèi)置承接冷凝水的漏斗18。本實施例漏斗18的壁面坡度大于45o，其壁面坡度足以讓冷凝水在重力作用下向下流動；漏斗18的出口直徑不大于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(nèi)的空氣不易從漏斗通過，從而使底部彎道內(nèi)難以形成空氣對流，減少冷凝水對管內(nèi)空氣的污染。

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從地下伸出地面后連接有排水泵9。底部彎道13的上部設(shè)置水位傳感器cgq。

地下埋管沿豎直方向埋設(shè)于管道井中，克服了常規(guī)水平埋管系統(tǒng)需占用過大的基坑面積的缺陷，還解決了部分地區(qū)淺層土壤溫度偏高，導(dǎo)致常規(guī)水平埋管系統(tǒng)效率不高的問題。地下埋管內(nèi)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(tǒng)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(nèi)空氣，從而延長了系統(tǒng)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，并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(nèi)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(shè)置，充分利用了重力收集管內(nèi)冷凝水，并通過排水管將冷凝水排至室外地面。漏斗結(jié)構(gòu)的設(shè)置可以減少或避免冷凝水與管內(nèi)流通空氣的接觸，從而避免了常規(guī)水平埋管系統(tǒng)將夏季凝露引起的發(fā)霉和病菌滋生引入室內(nèi)，有效提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

本系統(tǒng)的工作原理如下：

夏季系統(tǒng)開始運行后，風機5開啟，室外空氣經(jīng)過濾器2和除濕器3處理后流經(jīng)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(jīng)過土壤降溫后的空氣經(jīng)過室內(nèi)風口7送入室內(nèi)。系統(tǒng)運行時，U型管內(nèi)空氣可以把土壤的冷量依次與圓柱管內(nèi)封裝的下層相變材料、中層相變材料和上層相變材料換熱，將部分冷量儲存于相變材料內(nèi)。

系統(tǒng)運行一段時間后，當?shù)氐罁Q熱效率下降時，圓柱管內(nèi)相變材料儲存的冷量作為冷源將冷量傳遞給管內(nèi)空氣，從而延長地道通風系統(tǒng)的有效作用時間，提高降溫效果。當U型管內(nèi)空氣的流速較小時，管內(nèi)空氣可以把多余的冷量儲存于U型管外的相變材料中，當室內(nèi)所需要負荷較大即需要提高管內(nèi)空氣流速時，U型管外相變材料儲存的冷量可對U型管內(nèi)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于U型管內(nèi)空氣的露點，因此垂直埋管內(nèi)的部分管段易出現(xiàn)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?shù)撞繌澋郎喜康乃粋鞲衅鱟gq顯示底部彎道管內(nèi)冷凝水的水位接近連通管時，控制排水泵開啟將冷凝水經(jīng)由排水管排出收集。

冬季時本垂直埋管系統(tǒng)可作為室內(nèi)供暖的輔助加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)與常規(guī)的供暖系統(tǒng)相結(jié)合，在提供室內(nèi)新風的同時，可以大大的降低常規(guī)供暖系統(tǒng)的能耗，從而實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。