[發明專利]一種以二氧化碳為傳熱介質的地溫空調及其使用方法

有效

• 申請號: 201610267828.2
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105757859A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 宋維強;倪紅堅;王瑞和;霍洪俊;李木坤
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: F24F5/00
• 分類號: F24F5/00;F24J3/08;F24F13/30
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 黃曉敏;于正河

技術領域：

本發明屬于地溫空調技術領域，涉及一種高效傳熱介質的空調設備、工藝，特別是一種以二氧化碳為傳熱介質的地溫空調及其使用方法，以期經濟、環保地提高地溫空調的傳熱效率。

技術背景：

為了減少能源消耗和環境污染，人們使用地溫作為冷熱源發明了地溫空調。空調機通過抽取和利用地溫水實現對溫度的調節，之后地下水大多被直接送入排水管道。地下水富含礦物質，容易腐蝕管路，還可造成環境污染；而且相比地溫，地溫水具有不可再生性；這制約了地溫空調的推廣應用，此外以水為傳熱介質也在一定程度上限制了傳熱效率的提高。現有技術中嘗試利用氟利昂、烷烴等作為傳熱介質，但在安全、環保方面一直難有突破，因此，尋求一種環保高效的傳熱介質的地溫空調及其使用方法，具有重要的經濟利益和社會價值。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，尋求設計提供一種以二氧化碳作為傳熱介質的地溫空調裝置及方法，能有效提高地溫空調傳熱效率，減小環境污染，拓寬使用范圍。

為了實現上述目的，本發明所述以二氧化碳為傳熱介質的地溫空調的主體結構包括二氧化碳循環泵、入井管線、地下水、井下換熱器、地層、保溫層、第一節流閥、地面管線、第二節流閥、第三節流閥、第一空調器、第二空調器、二氧化碳儲罐和第四節流閥；地層內鉆有井筒，與地層溫度相同的地下水進入井筒底部，井下換熱器浸沒在地下水中，井下換熱器的一側通過入井管線與二氧化碳循環泵連接，另一側與第一節流閥連接，井下換熱器通過地下水將地層的溫度傳遞給二氧化碳；第一節流閥通過地面管線分別與第二節流閥和第三節流閥連接，第二節流閥和第三節流閥分別連接第一空調器和第二空調器，第二節流閥和第三節流閥分別用于調控第一空調器和第二空調器的流量，從而實現對傳熱量的調控；第一空調器和第二空調器并聯后與二氧化碳循環泵連接；二氧化碳循環泵和第二空調器之間的管線外層、井下換熱器和第一節流閥之間的管線外層均包覆有保溫層，保溫層減弱管線內二氧化碳與周圍環境的熱交換；第一節流閥與二氧化碳循環泵配合調控循環壓力和流量，實現對二氧化碳物性參數的調控(尤其是熱容)；二氧化碳儲罐和二氧化碳循環泵之間安裝有第四節流閥，二氧化碳儲罐調節二氧化碳的含量，正常使用過程中第四節流閥處于關閉狀態，二氧化碳儲罐為可拆卸結構。

本發明所述第一空調器和第二空調器安裝在同一房間內增強換熱，或安裝在不同的房間甚至樓宇內，空調器的數量根據實際需求確定。

本發明以二氧化碳作為地溫空調循環傳熱介質，實現對地溫的開采和利用，包括制熱和制冷兩種模式，其具體步驟為：

(1)二氧化碳循環泵將二氧化碳加壓，加壓后的二氧化碳通過入井管線注入井下換熱器；

(2)井下換熱器中的二氧化碳與地下水進行充分的熱交換，獲得地層的溫度；

(3)第一節流閥調控整個地溫空調的循環壓力，實現對二氧化碳熱容的調節，保溫層減弱二氧化碳在輸運過程中與周圍環境的熱交換；

(4)第二節流閥和第三節流閥用于控制相應管線的流量，第一空調器和第二空調機將二氧化碳攜帶的熱量吹入室內，通過對風速和流量的調節，實現對室溫的調控；

(5)換熱后的二氧化碳經地面管線進入二氧化碳循環泵，實現對地溫的循環開采和利用。

本發明的工作原理為：地溫空調調控的溫度范圍為15℃～45℃，通過調控循環壓力可顯著增大二氧化碳熱容，提高傳熱效率，例如在制熱模式下，假設井下地層水的溫度為40℃，當壓力為8.5MPa～9MPa時，二氧化碳的熱容為水的2.2～3.2倍，密度與液態時相近，具有很強的攜熱性能；同時其粘度僅為水的0.04～0.05倍，有利于減小循環壓耗和整個系統的能耗，二氧化碳進入空調器換熱盤管后紊流增強，同時在空調風的作用下與周圍環境強化換熱，完成對室溫的調節作用，循環壓力根據地層水的溫度確定；一般情況下，最佳循環壓力隨溫度的降低而降低，這個地溫空調的循環壓耗小于0.5MPa；在最佳循環壓力范圍內，二氧化碳在傳熱過程中不會出現相態轉化，因而不需要冷凝器等復雜裝置。

本發明與現有技術相比，以二氧化碳作為地溫空調傳熱介質，根據地層水溫度優選最佳循環壓力范圍，顯著地提高了傳熱效率；避免了傳統地溫空調對地下水資源的浪費和對環境的不利影響；可根據地層水溫度設定制冷和制熱兩種模式，不僅適用于民居，也可用于溫室大棚和畜牧養殖場，拓展了地溫空調的適用范圍；循環壓耗小，有利于節約能源；其結構簡單，不需要氣液轉化與分離設備，傳熱介質易得，環境友好，成本低，有利于節能減排。

附圖說明：