CN114992731A - 一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，包括地埋管换热器；与地埋管换热器连接的直接接触式换热器，直接接触式换热器通过管路与地埋管换热器之间形成回路；与直接接触式换热器连接的散流器；散流器通过风管连接直接接触式换热器；与地埋管换热器连接的风机盘管，地埋管换热器通过管路与风机盘管之间形成回路；散流器和风机盘管设置于室内；当直接接触式换热器所在支路单独工作时为风制冷模式，风机盘管所在支路单独工作时为水制冷模式，直接接触式换热器所在支路与风机盘管所在支路同时工作时为风水联合制冷模式；本***仅利用地热能和空气能，可以更节能的实现建筑室内的温度和湿度调节，同时满足室内新风需求。
Description
技术领域
本发明属于节能建筑技术领域，尤其是一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***及控制方法。
背景技术
目前建筑的制冷***，根据建筑类型，实现方法通常有以下几种方式：(1)中大型公共建筑和商业建筑，大多采用冷水机组制备冷水，将冷水送入末端装置，对室内空气和新风的湿度和温度进行控制。(2)小型建筑如居住建筑，通常采用小型冷水机组或热泵机组，制备冷水，将冷水送入末端装置，对室内空气和新风的湿度和温度进行控制；或者采用直膨式空调设备(通常称为氟机或直膨机)，制冷剂直接在室内末端设备中蒸发，对室内空气和新风进行温度和湿度控制。(3)在我国西北等干燥地区，也有采用空气与水进行直接接触或间接接触，即采用蒸发冷却的方式对室内的温度和湿度进行控制。在制冷方式(1)和(2)中，空调设备需要消耗大量电能或燃料或余热，驱动制冷机组采用制冷循环方式制备低温冷水实现建筑室内制冷。在制冷方式(3)中，虽主要是利用水蒸发冷却空气来实现制冷，但受到地区气候条件的限制，仅可比较高效地在我国西北等低湿度地区使用，同时由于采用全空气***，设备***庞大。
为克服现有建筑制冷***存在的缺点，现有专利1(申请号201810304331.2，秦颖周，一种太阳能制冷控制***及其控制方法)提出，采用太阳能为制冷***提供了动力，克服了传统制冷方式(1)和(2)为实现制冷消耗大量电能或燃料的问题；但是太阳能电池板的使用会大幅度增加***的费用，增加制冷成本。现有专利2(申请号201610810830.X，樊永信，一种利用室外空气能的制冷***)提出利用冷却塔来进行制冷，用闭式冷却塔通过循环泵循环载冷剂把室外空气冷量送入室内换热降温，克服了传统制冷***不能根据室外温度的变化节省冷却能源的问题，此外利用冷却塔实现制冷的***紧凑简便，克服传统制冷方式(3)设备***庞大的问题；但是仅考虑了冷负荷，没有考虑除湿问题，此外并没有提及具体的运行控制策略。专利3(申请号200710150902.3，刘文秀，土壤源热泵供暖制冷***)提出使用地源热泵***用于室内制冷，夏季土壤温度较低，作为热交换介质的水在大地中释放热量后，将低温水送入热泵机组从而完成对室内的制冷工况。低品位热能部分地得到了循环回用,同样可以克服传统制冷方式(1)和(2)制冷***大量消耗煤、燃油和电能等能源的问题，此外地源热泵***利用地热能，受地区气候影响较小，克服了传统制冷方式(3)受到地区气候条件限制的问题；但是地源热泵***需要与冬季制热工况捆绑使用，对于没有供热需求的地区，是***的浪费。
由此可见，对建筑的制冷方法，基于传统方法上创新性地提出了利用太阳能、空气能、地热能等许多新的方法，但是，在经济性或功能性上存在一些缺陷。因此，创新性提出其他可行的方法，克服现有方法不足，具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***及控制方法，本发明借助地埋管换热器和直接接触式换热器，仅利用地热能和空气能，可制备出低温干冷空气和低温水，空气和水的参数可通过空气和水的流量的改变来进行调节，利用低温干冷空气和低温水，可实现建筑室内的温度和湿度调节，即实现建筑室内的制冷需求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，包括：
地埋管换热器；
与所述地埋管换热器连接的直接接触式换热器，所述直接接触式换热器通过管路与所述地埋管换热器之间形成回路；
与所述直接接触式换热器连接的散流器；所述散流器通过风管连接直接接触式换热器；
与所述地埋管换热器连接的风机盘管，所述地埋管换热器通过水管路与风机盘管之间形成回路；
所述散流器和风机盘管设置于室内。
进一步，所述地埋管换热器的出口通过分水器分别连接直接接触式换热器与风机盘管，所述地埋管换热器的进口通过集水器分别连接直接接触式换热器与风机盘管。
进一步，在所述地埋管换热器的出口与直接接触式换热器和风机盘管连接的管道上分别装有截止阀和变频水泵。
进一步，在所述地埋管换热器、直接接触式换热器、风机盘管、散流器的进口侧管路上均装有温度探头，出口侧管路均装有流量探头，直接接触式换热器、风机盘管、散流器出口侧还装有湿度探头，直接接触式换热器、风机盘管还装有电能测量仪。
进一步，在***所处外部环境以及室内也设有测量设备，所述测量设备包括温度探头、湿度探头。
进一步，还包括控制设备，所述控制设备通过信号线连测量设备及截止阀、变频水泵、直接接触式换热器、风机盘管、散流器；一方面采集***运行数据，另一方面控制各用电设备的工作启停。
进一步，所述控制设备包括计算模型模块、数据采集及存储模块、数据处理模块、判据形成模块、执行模块，其中，
所述计算模型模块根据所采集的***运行数据、环境数据以及直接接触式换热器和地埋管换热器的设计参数，进行换热量的计算以及***能效的计算；
所述数据采集及存储模块用于采集及存储***运行数据、环境数据以及***内设备启停状态；
所述数据处理模块基于采集和存储模块的数据，调用计算模型模块，分别计算直接接触式换热器、地埋管换热器实时和积累的换热量；计算***制冷量、实时和累积的***能效值；
所述判据形成模块根据计算模型模块，数据采集及存储模块，数据处理模块所获得的数据，与预先的设定值进行比对，形成***执行运行模式的判据；所述设定值包括室内设计参数和负荷需求。
进一步，所述室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷需求、新风负荷需求、湿负荷需求。
进一步，所述直接接触式换热器与风机盘管择一工作，或同时工作；直接接触式换热器所在支路单独工作时为风制冷模式，风机盘管所在支路单独工作时为水制冷模式，直接接触式换热器所在支路与风机盘管所在支路同时工作时为风水联合制冷模式。
一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷控制方法，包括
S1、预先设置各个设定值，设定值包括室内设计参数和负荷需求；室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷需求、新风负荷需求、湿负荷需求。
S2、采集建筑的室外参数，如室外空气温度、空气含湿量、空气相对湿度等。
S3、判断该建筑是否有新风需求；若建筑无新风需求则转S4，若建筑有新风需求则转S5。
S4、判断建筑是否有湿负荷需求，若建筑有湿负荷需求则转S6；若建筑没有湿负荷需求则调用换热设备热工计算模型和***能效计算模型，分别计算风制冷模式的制冷量和***能效、水制冷模式的制冷量和***能效；
基于所计算出的两种模式下的制冷量，分别判断两种模式的制冷量与建筑冷负荷的大小关系。首先判断风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是接着判断水制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是再判断水制冷模式的***能效是否大于风制冷模式的***能效，若是则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量小于冷负荷，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，水制冷模式的制冷量也大于冷负荷，但水制冷模式的***能效小于风制冷模式，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，水制冷模式的制冷量也小于冷负荷，则选择风水联合制冷模式；
S5、计算风制冷模式的制冷量；判断所计算出的风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是，则选择风制冷模式；若否，则运行风水联合制冷模式；
S6、判断建筑是否要精确控制室内湿度，即建筑空调***是否为工艺性空调***，若是，则转S5；若否，则计算水制冷模式的制冷量，若计算出的水制冷模式制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；若计算出的水制冷模式制冷量小于冷负荷，则运行风水联合制冷模式。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的制冷***仅需要地埋管换热器和直接接触式换热器及相关辅助设备，***简单紧凑，使用简便，和传统制冷方法相比，本***解决了常规制冷***庞大的问题。此外，***充分利用可再生能源地热能和空气能，同时***仅需水泵和风机的能耗，即可实现建筑室内制冷需求。另外，空气和水的参数可通过空气和水的流量的改变来进行调节，利用低温干冷空气和低温水，可实现建筑室内的温度和湿度调节，即实现建筑室内的制冷需求。可以说，本发明的制冷方法是一种经济、节能、近乎“免费”的利用可再生能源解决夏季建筑制冷需求的***。
(2)本发明提出的制冷***既可实现建筑制冷、除湿，还能满足室内新风需求，室内热湿负荷的去除主要利用土壤的地热能和室外空气的空气能等可再生能源。和传统制冷***相比，本发明的制冷***不仅能更好满足实际应用需求，而且运行过程绿色环保。
(3)本发明提出的制冷***控制方法在采集建筑及其负荷参数、外部气象参数、***运行数据、设备参数的基础上，采用设备能效、***能效、累积冷量、温度、温差和运行时间等参数联合制定控制策略。和传统制冷***采用温度、温差或运行时间进行控制的控制策略相比，本发明的制冷***控制策略更为科学和精准，更能实现***的高效节能运行。
附图说明
图1是本发明***示意图；
图2是本***风制冷模式示意图；
图3是本***水制冷模式示意图；
图4是本***风水联合制冷模式示意图；
图5是本***运行控制逻辑图；
图6是既有地源热泵***示意图；
图7是基于既有地源热泵***的本***改造示意图；
图中，1、地埋管换热器，2、第二截止阀，3、分水器，4、第一截止阀，5、第一变频水泵，6、直接接触式换热器，7、集水器，8、风管，9、散流器，10、风机盘管，11、第二变频水泵，12、控制设备，13、第三变频水泵，14、地源热泵主机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
对深层土壤而言，土壤温度一般常年保持不变。在建筑的制冷季，建筑所在地的室外空气温度较高、空气湿度也较高，其对应的空气露点温度也较高，此外，空气露点温度与建筑所在地的深层土壤温度相比，空气露点温度通常会高于深层土壤温度。当水通过地埋管换热器与深层土壤充分换热后，地埋管换热器的出水温度就会低于室外空气露点温度，此温度的出水与室外空气通过直接接触式换热器进行热质交换，由于水温低于空气温度，热质交换后空气的温度降低，同时由于水温低于空气的露点温度，空气中的水蒸气会冷凝到水中，致使空气的湿度降低，即室外空气变为干冷空气，同时水的温度升高，进一步地，通过控制进入直接接触式换热器的空气量和水量，还可精准控制直接接触式换热器的出风温度和出风湿度。升温后的水再流回地埋管换热器与土壤进行换热，温度降低后再通过直接接触式换热器与空气进行热质交换，如此循环。由此可见，通过地埋管换热器和直接接触式换热器，即可实现干冷空气的制取，也可单独实现低温水的制取。
上述制取的干冷空气通过风管及散流器送入室内，不仅可为室内提供新鲜空气，实现室内的新风量需求，同时也可实现对室内湿度进行调节，还可对室内温度进行适当调节。上述制取的低温水送入室内风机盘管，即可实现室内的温度调节，若水温低于室内空气的露点温度，还可通过冷凝除湿调节室内的空气湿度，若水温低于室内空气温度但高于室内空气露点温度，即可仅仅实现室内温度的调节。进入风机盘管的水温可通过合理控制进入地埋管换热器的水流量大小来进行控制调节。进入散流器的空气温湿度及流量可通过合理控制进入直接接触式换热器的水流量和空气流量的大小来进行控制调节。
基于上述原理，本申请设计了一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***如图1所示，包括地埋管换热器1、直接接触式换热器6、风机盘管10、风管8、散流器9以及控制设备12。具体地，
地埋管换热器1埋于土壤中，地埋管换热器1中的水通过管壁与土壤进行显热量交换，传热方向取决于水和土壤温度。在本申请中，利用地埋管换热器1制取低温冷水。
地埋管换热器1的出水口通过管道分别连接直接接触式换热器6的进水口、风机盘管10的进水口；地埋管换热器1的进水口通过管道分别连接直接接触式换热器6的出水口、风机盘管10的出水口；由此将直接接触式换热器6、风机盘管10并联在地埋管换热器1两端。直接接触式换热器6的出风口通过风管8连接散流器9。散流器9和风机盘管10设置于室内。由室内散流器9将直接接触式换热器6换热后的干冷气体送入室内。
直接接触式换热器6工作时，水与空气直接接触进行传热传质，水与空气发生显热和潜热的交换，显热传热方向取决于空气和水的干球温度，潜热传递取决于空气含湿量和水膜表面附近空气的含湿量，总热传递方向取决与显热和潜热代数和，空气的流动由直接接触式换热器6中的风机驱动。
更优地，地埋管换热器1的出水口通过管道连接分水器3，由分水器3通过管路分别连接直接接触式换热器6、风机盘管10。地埋管换热器1的进水口通过管道连接集水器7，由集水器7通过管路分别连接直接接触式换热器6、风机盘管10。利用分水器3和集水器7实现地埋管换热器供水的分配和回水的收集。
更优地，在分水器3与直接接触式换热器6进水口之间的管道上设置第一截止阀4、第一变频水泵5；在分水器3与风机盘管10进水口之间的管道上设置第二截止阀2、第二变频水泵11。地埋管换热器1制取的低温冷水分别由第二变频水泵11送入风机盘管10，由第一变频水泵5送入直接接触式换热器6。其中，第一变频水泵5和第二变频水泵11，利用变频器来改变水泵的转速，进而调节水泵的流量和压力。
更优地，本***还装有测量设备，测量设备包括温度探头、流量探头、湿度探头和电能测量仪等。具体地，分别在地埋管换热器1进水口、出水口安装有温度探头，在地埋管换热器1出水口安装有流量探头。在直接接触式换热器6的进水管道、出水管道均安装有温度探头，在直接接触式换热器6的出水管道安装有流量探头。在风机盘管10的进水管道、出水管道均安装有温度探头，在风机盘管10的出水管道安装有流量探头。在直接接触式换热器6的出风口安装有温度探头和流量探头。在散流器9的出风口均安装有风速探头、温度探头和湿度探头。直接接触式换热器6、第一变频水泵5、第二变频水泵11均安装有电能测量仪。上述温度探头、湿度探头、流量探头、风速探头和电能测量仪均与所述控制设备12信号相连；除此之外，包括本***中的电控阀门、直接接触式换热器6、风机盘管10、泵等用电设备均分别与控制设备12信号相连。在***所处外部环境以及室内也设有测量设备，所述测量设备包括温度探头、湿度探头，也分别与控制设备12信号相连。
更优地，本***的管道上还可以设置单向阀、电磁阀、软连接以及除污器等装置。
更优地，控制设备12可以是计算机或者说电控***，控制设备12包括计算模型模块、数据采集及存储模块、数据处理模块、判据形成模块、执行模块。其中，
(1)计算模型模块：包括换热器热工计算模型，***能效计算模型。
(1.1)热工计算模型包括地埋管换热器和直接接触式换热器两部分的热工计算模型。
(1.1.1)直接接触式换热器热工计算模型是根据换热器参数(如填料尺寸、间距、材质等)、室外空气的温湿度、流量以及地埋管换热器制备的冷水的温度和流量等，计算出直接接触式换热器换热后水温、干冷空气的温度、干冷空气的湿度以及各个换热量(包括显热换热量、潜热换热量、总热换热量)。直接接触式换热器热工计算模型具体可以参考：[Y.Huang,F.Ge,C.Wang,Z.Hu,Numerical study on the heat and mass transfercharacteristics of the open-type cross-flow heat-source tower at low ambienttemperature,International Journal of Heat and Mass Transfer 145(2019)118756.]和[Zicheng Hu,Shuwen Geng,Yufei Huang,Fenghua Ge,Yuecheng Wang.Heat storagecharacteristics and application analysis of heat source tower in soil thermalbalance of ground source heat pump,Energy and Building,Energy&Buildings 235(2021)110752.]；所公开的方法进行建立。
(1.1.2)地埋管换热器热工计算模型是根据深层土壤温度、地埋管结构参数及布置参数、土壤热物性参数、进水温度、进水流量等，计算出口水温，以及地埋管换热器换热过程的换热量(显热换热量)。地埋管换热器热工计算模型可以参考[王勇，李文欣，付祥钊，刘勇.地埋管地源热泵***理论与实践[M],中国建筑工业出版社，2021]和[刁乃仁.地热换热器的传热问题研究及其工程应用[D]，清华大学，2005]；所公开的方法进行建立。
(1.2)***能效计算模型则是根据***的输送设备如风机和水泵的耗能和可以实现的***制冷量，来计算***的能效。***的能效也是本领域常规的计算方法，具体可以参考[Zicheng Hu,Shuwen Geng,Wanfeng Li,Fenghua Ge,Xiaoyuan Liu.Study on soilheat storage performance and operation strategy of new integrated HST-GSHPsystem in different cold regions,Energy&Buildings 256(2022)111748.]。
(2)数据采集及存储模块：该模块通过信号线连接本***的各用电设备以及测量设备，因此能够采集及存储各个设备启停状态(如变频水泵、直接接触式换热器6等设备)，以及***中各位置处空气与水的温度、湿度、流量、流速，设备耗电电能，同时录入换热器结构参数等数据。
(3)数据处理模块：基于采集和存储的数据，调用计算模型模块的计算模型，分别计算直接接触式换热器6中水与空气热质交换过程中，实时和积累的显热换热量，潜热换热量和总热换热量(等于显热+潜热)；以及地埋管换热器1内水和土壤之间热量交换过程中，实时和积累的显热换热量；
风机、水泵的实时和累积的耗电电能；通过电能表直接测得。
用户侧实时的制冷量；制冷量包括风制冷模式制冷量、水制冷模式制冷量和风水联合制冷模式制冷量；基于用户末端设备(风机盘管)供水、回水的温度和流量以及风机盘管自身的供冷性能系数(设备厂家提供的性能参数查取)即可计算出水制冷模式制冷量；根据直接接触式换热器出口的干冷空气的温度、干冷空气的湿度、干冷空气的流量、室内温度、室内湿度计算出风制冷模式制冷量；风水联合制冷模式制冷量为联合运行的风制冷模式制冷量与水制冷模式制冷量之和。
各模式对应的制冷量是本领域常规计算方法，可以参照[赵荣义,范存养,薛殿华,钱以明.空气调节[M],中国建筑工业出版社，2008]和[连之伟,陈宝明.热质交换原理与设备[M],中国建筑工业出版社，2018]公开的方法。
各种运行模式下，实时和累积的***能效值。***能效值是运行模式实现的制冷量与***耗电设备消耗的总电能的比值。
(4)判据形成模块：根据计算模型模块，数据采集及存储模块，数据处理模块所获得的数据，与预先的设定值进行比对，形成***执行运行模式的判据。
设定值包括室内设计参数和负荷需求。室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷、新风负荷、湿负荷。鉴于室内空气品质的标准值，对舒适性空调，夏季空调设计参数为：室内温度标准值为22-28℃，空气湿度为40-80％，新风量为30m3/(人·h)；对工艺性空调，以洁净厂房设计规范为例，夏季空调设计参数为：洁净室温度标准值为24-26℃，空气湿度为50-70％，湿度控制精度5％范围内。新风负荷即该建筑是否有新风需求；湿负荷即该建筑是否有湿负荷需求，对工艺性空调，湿度控制有精度要求，属于湿度要求精准控制的情形；冷负荷是由建筑围护结构，室内热源散热决定。负荷需求的具体计算方法参考：[陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M].中国建筑工业出版社，2015]和现行国家及地方相关标准。
***运行控制逻辑的具体判据参考附图5的判断过程。
(5)执行模块：根据判据形成模块获得的判据，通过对阀门的关启、设备工作启停的控制，完成***运行模式的运行控制与切换。
本***的运行模式包括风制冷模式、水制冷模式和风水联合制冷模式；***通过阀门的关启实现不同运行模式的切换，以下结合附图2-4对这三种模式下***的工作进行说明：
(1)风制冷模式
如图2所示，在风制冷模式下，地埋管换热器1制取的低温冷水全部送入直接接触式换热器6中制取干冷空气。此时，第二截止阀2关闭，第一截止阀4开启，地埋管换热器1制取的低温冷水经分水器3后，由第一变频水泵5打入直接接触式换热器6，水在直接接触式换热器6中与空气进行热质交换后流出，经集水器7流回地埋管换热器1，完成水路循环。室外空气进入直接接触式换热器6，空气与直接接触式换热器6中的低温冷水进行热质交换后制取干冷空气，干冷空气经风管8送到散流器9进而送入室内实现制冷。
(2)水制冷模式
如图3所示，在水制冷模式下，地埋管换热器1制取的低温冷水不送入直接接触式换热器6，而是全部送入用户末端风机盘管10。此时，第一截止阀4关闭，第二截止阀2开启，地埋管换热器1制取的低温冷水经分水器3后，由第二变频水泵11打入用户末端风机盘管10，水从风机盘管10流出后经集水器7流回地埋管换热器1，完成水路循环。室内空气与风机盘管10的低温冷水进行间接接触，完成热量交换过程实现室内制冷需求。
(3)风水联合制冷模式
如图3所示，在风水联合制冷模式下，地埋管换热器1制取的低温冷水，一部分送入直接接触式换热器6中制取干冷空气，另外一部分送入用户末端风机盘管10。此时，第一截止阀4、第二截止阀2均开启，地埋管换热器1制取的低温冷水经分水器3后，一部分由第一变频水泵5打入直接接触式换热器6，水在直接接触式换热器6中与空气进行热质换热后流出，另一部分由第二变频水泵11打入风机盘管10，水从风机盘管10流出，回水在集水器7中汇集后流回地埋管换热器1，完成水路循环。直接接触式换热器6制取的干冷空气经风管8和散流器9送入室内，地埋管换热器1制取的一部分低温冷水送入风机盘管10，风和水联合对室内进行制冷。
一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷控制方法，包括如下步骤：
S1、预先设置各个设定值，设定值包括室内设计参数和负荷需求；室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷、新风负荷、湿负荷；
S2、采集建筑的室外参数，如室外空气温度、空气含湿量、空气相对湿度等；
S3、判断该建筑是否有新风需求；若建筑无新风需求则转S4，若建筑有新风需求则转S5；
S4、判断建筑是否有湿负荷需求，若建筑有湿负荷需求则转S6；若建筑没有湿负荷需求则调用换热设备热工计算模型和***能效计算模型，分别计算风制冷模式的制冷量和***能效、水制冷模式的制冷量和***能效；
基于所计算出的两种模式下的制冷量，分别判断两种模式的制冷量与冷负荷的大小关系。首先判断风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是接着判断水制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是再判断水制冷模式的***能效是否大于风制冷模式的***能效，若是则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量小于冷负荷，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，水制冷模式的制冷量也大于冷负荷，但水制冷模式的***能效小于风制冷模式，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，水制冷模式的制冷量也小于冷负荷，则选择风水联合制冷模式。
水制冷模式的***能效即***在水制冷模式下的***能效；风制冷模式的***能效即***在风制冷模式下的***能效。
S5、调用换热设备热工计算模型，计算风制冷模式的制冷量；判断所计算出的风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是，则选择风制冷模式；若否，则运行风水联合制冷模式。
S6、判断建筑是否要精确控制室内湿度(即是否为工艺性空调***)，若是，则转S5；若否，则调用换热设备热工计算模型，计算水制冷模式的制冷量，若计算出的水制冷模式制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；若计算出的水制冷模式制冷量小于冷负荷，则运行风水联合制冷模式。
基于上文对控制方法的描述，本方法是根据建筑负荷需求选择相应的运行模式，具体是：
(1)当建筑有新风需求时，无论是否有湿负荷需求，使用风制冷模式。然后判断风制冷模式是否满足建筑显热负荷的去除，若满足则只运行风制冷模式；若不满足则使用水制冷模式协助制冷，运行风水联合制冷模式。
(2)当建筑无新风需求，有湿负荷需求时且需精准控制室内湿度时，运行风制冷模式，然后判断风制冷模式是否满足建筑内显热量的去除，若满足则只运行风制冷模式；若不满足则使用水制冷模式协助制冷，运行风水联合制冷模式。
(3)当建筑无新风需求，有湿负荷需求时但不需要精准控制室内湿度时，则运行水制冷模式，而后判断水制冷模式是否满足建筑内显热量的去除，若满足则只运行水制冷模式；若不满足则使用风制冷模式协助制冷，运行风水联合制冷模式。
(4)当建筑既无新风需求也无湿负荷需求时，则判断风制冷模式和水制冷模式各自可以实现的制冷量，若二者只有其一可以满足建筑冷负荷需求，则运行二者其一；若二者均满足建筑冷负荷需求，则对两个制冷模式***能效进行判断，选择***能效高的制冷模式运行；若两者均不满足建筑制冷需求，则运行风水联合制冷模式。
本申请所设计的建筑制冷的***及控制方法可以在未使用地源热泵***的建筑进行全制冷***的构建，也可以在已经使用地源热泵***的建筑上进行改造。结合下文进行说明。
实施例1，在未使用地源热泵***的建筑进行全制冷***的构建
以北方某地区的办公建筑为例，该办公建筑的具体参数如表1：
表1某办公建筑具体参数
1、制冷***设计
1.1、根据建筑数据及设计参数，对地埋管换热器的地埋管类型，钻孔深度、间距，管材管径的参数和直接接触式换热器进行设计(可参考文献[王勇，李文欣，付祥钊，刘勇.地埋管地源热泵***理论与实践[M],中国建筑工业出版社，2021]和[连之伟,陈宝明.热质交换原理与设备[M],中国建筑工业出版社，2018]中记载的方法)。
1.2、根据建筑所在地气象参数、建筑数据及设计参数，通过调整直接接触式换热器和地埋管换热器的流量，测量设备出口的水温或出风口空气温度，使温度介于室内空气露点温度与干球温度之间，以达到可以对室内除湿的要求。
1.3、将地埋管换热器和直接接触式换热器及其相应的分水器，集水器，第一循环水泵，第二循环水泵，及其相应的测试设备、附件等组成制冷***。如图1所示。
2、制冷***运行及控制策略形成
本具体实施方式的办公楼建筑属于高密度人口建筑，对通风和除湿都有较高的要求。制冷***启动时，控制设备对室外温度、湿度等参数进行采集。由于办公建筑属于舒适性空调***，对新风和除湿有要求，但湿度无需精准控制，故制冷***优先运行风制冷模式承担室内新风和除湿需求，调用热工计算模型(如文献[Y.Huang,F.Ge,C.Wang,Z.Hu,Numerical study on the heat and mass transfer characteristics of the open-type cross-flow heat-source tower at low ambient temperature,InternationalJournal of Heat and Mass Transfer145(2019)118756.]和文献[Zicheng Hu,ShuwenGeng,Yufei Huang,Fenghua Ge,Yuecheng Wang.Heat storage characteristics andapplication analysis of heat source tower in soil thermal balance of groundsource heat pump,Energy and Building,Energy&Buildings 235(2021)110752.]中记载的模型)计算风制冷模式可以实现的制冷量，从而判断仅运行风制冷模式是否可以满足建筑冷负荷；若风制冷模式可以实现的制冷量大于建筑冷负荷，则在运行风制冷模式，反之则运行风水联合制冷模式。
实施例2，在使用地源热泵***的建筑进行制冷***的改造
以北方某地区的办公建筑为例，该办公建筑及其地埋管换热器的具体参数如表2：
表2某办公建筑和地埋管换热器的具体参数
1、制冷***设计
1.1、根据建筑数据及既有地埋管换热器的设计参数，对直接接触式换热器进行设计；(设计方法可参考文献[Y.Huang,F.Ge,C.Wang,Z.Hu,Numerical study on the heatand mass transfer characteristics of the open-type cross-flow heat-sourcetower at low ambient temperature,International Journal of Heat and MassTransfer 145(2019)118756.]、[Zicheng Hu,Shuwen Geng,Yufei Huang,Fenghua Ge,Yuecheng Wang.Heat storage characteristics and application analysis of heatsource tower in soil thermal balance of ground source heat pump,Energy andBuilding,Energy&Buildings 235(2021)110752.]和[连之伟,陈宝明.热质交换原理与设备[M],中国建筑工业出版社，2018]中记载的模型)
1.2、根据建筑所在地气象参数、建筑数据及设计参数，通过调整直接接触式换热器和地埋管换热器的流量，测量地埋管换热器出口的水温、直接接触式换热器出风口空气温度，使温度介于室内空气露点温度与干球温度之间，以达到可以对室内除湿的要求。
1.3、对于建筑的既有地源热泵***，如图6所示。图1中的地埋管换热器，分水器，集水器，第二变频水泵，风机盘管都是现有的，仅需要在图6所示的既有地源热泵***上增添第一截止阀、第一变频水泵、直接接触式换热器、风管、散流器和控制设备。
1.4、将第一截止阀、第一变频水泵、直接接触式换热器、风管、散流器及其相应的控制测试设备、附件通过管线组装在既有地源热泵***上，组成改造后的制冷***，如图7所示。
2、制冷***运行及控制策略形成
对于既有地源热泵***的改造，改造后既有热泵主机在制冷季不运行，改造后的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***运行实现建筑制冷需求，其运行及控制策略同具体实施1的运行及控制策略，故不再赘述。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，包括：
地埋管换热器(1)；
与所述地埋管换热器(1)连接的直接接触式换热器(6)，所述直接接触式换热器(6)通过管路与所述地埋管换热器(1)之间形成回路；
与所述直接接触式换热器(6)连接的散流器(9)；所述散流器(9)通过风管(8)连接直接接触式换热器(6)；
与所述地埋管换热器(1)连接的风机盘管(10)，所述地埋管换热器(1)通过水管路与风机盘管(10)之间形成回路；
所述散流器(9)和风机盘管(10)设置于室内。
2.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，所述地埋管换热器(1)的出口通过分水器(3)分别连接直接接触式换热器(6)与风机盘管(10)，所述地埋管换热器(1)的进口通过集水器(7)分别连接直接接触式换热器(6)与风机盘管(10)。
3.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，在所述地埋管换热器(1)的出口与直接接触式换热器(6)和风机盘管(10)连接的管道上分别装有截止阀和变频水泵。
4.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，在所述地埋管换热器、直接接触式换热器、风机盘管、散流器的进口侧管路上均装有温度探头，出口侧管路均装有流量探头，直接接触式换热器、风机盘管、散流器出口侧还装有湿度探头，直接接触式换热器、风机盘管还装有电能测量仪。
5.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，在***所处外部环境以及室内也设有测量设备，所述测量设备包括温度探头、湿度探头。
6.根据权利要求3、4或5所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，还包括控制设备(12)，所述控制设备(12)通过信号线连接测量设备及截止阀、变频水泵、直接接触式换热器(6)、风机盘管(10)、散流器(9)；一方面采集***运行数据，另一方面控制各用电设备的工作启停。
7.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，所述控制设备(12)包括计算模型模块、数据采集及存储模块、数据处理模块、判据形成模块、执行模块，其中，
所述计算模型模块根据所采集的***运行数据、环境数据以及直接接触式换热器(6)和地埋管换热器(1)的设计参数，进行换热量的计算以及***能效的计算；
所述数据采集及存储模块用于采集及存储***运行数据、环境数据以及***内设备启停状态；
所述数据处理模块基于采集和存储模块的数据，调用计算模型模块，分别计算直接接触式换热器(6)、地埋管换热器(1)实时和积累的换热量；计算制冷量、实时和累积的***能效值；
所述判据形成模块根据计算模型模块，数据采集及存储模块，数据处理模块所获得的数据，与预先的设定值进行比对，形成***执行运行模式的判据；所述设定值包括室内设计参数和负荷需求。
8.根据权利要求7所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，所述室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷需求、新风负荷需求和湿负荷需求。
9.根据权利要求1所述的一种仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***，其特征在于，所述直接接触式换热器(6)与风机盘管(10)择一工作，或同时工作；直接接触式换热器(6)所在支路单独工作时为风制冷模式，风机盘管(10)所在支路单独工作时为水制冷模式，直接接触式换热器(6)所在支路与风机盘管(10)所在支路同时工作时为风水联合制冷模式。
10.一种基于权利要求9所述的仅利用地热能和空气能实现建筑制冷的***的控制方法，包括如下步骤：
S1、预先设置各个设定值，设定值包括室内设计参数和负荷需求；室内设计参数包括室内空气温度、室内空气湿度和新风量等；负荷需求包括冷负荷需求、新风负荷需求和湿负荷需求；
S2、采集建筑的室外参数，如室外空气温度、空气含湿量、空气相对湿度等；
S3、判断该建筑是否有新风需求；若建筑无新风需求则转S4，若建筑有新风需求则转S5；
S4、判断建筑是否有湿负荷需求，若建筑有湿负荷需求则转S6；若建筑没有湿负荷需求则调用换热设备热工计算模型和***能效计算模型，分别计算风制冷模式的制冷量和***能效、水制冷模式的制冷量和***能效；；
基于所计算出的两种模式下的制冷量，分别判断两种模式的制冷量与建筑冷负荷的大小关系；首先判断风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是接着判断水制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是再判断水制冷模式的***能效是否大于风制冷模式的***能效，若是则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量小于冷负荷，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量大于冷负荷，水制冷模式的制冷量也大于冷负荷，但水制冷模式的***能效小于风制冷模式，则选择风制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，但是水制冷模式的制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；
若风制冷模式的制冷量小于冷负荷，水制冷模式的制冷量也小于冷负荷，则选择风水联合制冷模式；
S5、计算风制冷模式的制冷量；判断所计算出的风制冷模式的制冷量是否大于冷负荷，若是，则选择风制冷模式；若否，则运行风水联合制冷模式；
S6、判断建筑是否要精确控制室内湿度，即建筑空调***是否为工艺性空调***，若是，则转S5；若否，则计算水制冷模式的制冷量，若计算出的水制冷模式制冷量大于冷负荷，则选择水制冷模式；若计算出的水制冷模式制冷量小于冷负荷，则运行风水联合制冷模式。
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