具有内空气水循环被动式冷却的空调方法及其装置
所属技术领域
本发明涉及暖通空调技术领域，是一种具有内空气水循环被动式冷却的空调方法及其装置，适用于各类居住建筑、公共建筑及工业建筑等房间的空气调节，特别是其在干热地区各类建筑中的应用。
技术背景
中国2005年颁布实施的《公共建筑节能设计标准》中指出：中国建筑用能已经超过全国能源消费总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上，而在建筑用能中，暖通空调的能耗又占到了27.4%左右，因此大力倡导暖通空调节能，对于建设资源节约型、环境友好型的低碳型社会有着至关重要的作用。
空调设备夏季承担的冷负荷主要由空调房间的冷负荷、机组本身产热需要消除的冷负荷及新风负荷三部分构成。按照不同的地区，不同的气象条件，不同的设备条件，及围护结构的不同，三部分所占的冷负荷比例有所不同，但空调房间的得热形成的冷负荷为主要权重部分，必须引起充分的重视。而房间的总冷负荷由以下部分构成：1、人员、室内电器设备的散热散湿量；2、窗户的太阳辐射得热形成的冷负荷；3、围护墙体、屋面等通过导热、对流形成的冷负荷；4、室外新风通过门窗渗透形成的冷负荷。
（一）窗户及遮阳方式的节能性分析
根据相关资料，在建筑围护结构中，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍，约占建筑围护结构总能耗的40％至50％。因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗能耗，是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。
对于建筑室内环境来说, 太阳辐射热是十分重要的的外扰，在围护结构中，外窗对空调冷负荷有明显的影响。由于玻璃的传热系数远大于墙体和屋顶等非透明围护结构，其形成的空调冷负荷所占比例要大得多，据统计，通过窗流失的热量占建筑能耗的46％，透过玻璃的日射得热冷负荷约占空调冷负荷的20%至30%。必须引起充分的重视。另据有关研究，全球居住建筑以及非居住建筑冷负荷的一半为太阳辐射得热负荷，其中通过窗户的太阳辐射得热又占绝大部分。
因此，窗是建筑节能的薄弱环节，是建筑能耗的黑洞，是控制建筑能耗的主要方向。
透过大气层到达地面的太阳辐射中包括直射辐射和散射辐射，而建筑围护结构外表面从空中所接受的散射辐射包括三项，即天空散射辐射，地面反射辐射和大气长波辐射。通常情况下（入射角＜60°）太阳光照射到普通玻璃表面后，7.3%的能量被反射，不会成为房间的得热；79%直接透过玻璃直接进入室内，全部成为房间的热量；还有13.7%则被玻璃吸收，而使玻璃温度提高。被吸收的这部分能量中，4.9%又将以长波热辐射和对流的方式传至室内，而余下的8.8%同样以长波热辐射和对流的方式散至室外，不会成为房间的得热。因此玻璃的反射率越高，透过率和吸收率越低，太阳得热量就越少。
为了有效遮挡太阳辐射，减少夏季空调负荷，采用遮阳设施是目前常用的手段，按照设置位置的不同，可分为外遮阳设施、内遮阳设施，或者是介于外遮阳设施、内遮阳设施之间的，将百叶安装在两层玻璃之间的方式，称之为双层皮幕墙。
透过玻璃窗进入室内的日射得热系由透过窗玻璃直接进人室内的日射(简称透射日射)和窗玻璃吸收日射后以对统和辐射方式再传人室内的热量(简称吸收再放热)这两部分组成。
内遮阳设施可以反射掉部分太阳辐射，但向外反射的一部分又会被玻璃反射回来，使得反射作用减弱。内遮阳只是暂时将太阳辐射热隔绝在内遮阳以外，但这些辐射热量除部分被反射的室外，大部分被遮阳帘和玻璃吸收后通过辐射、对流等方式重新进入室内，全部成为室内得热，并没有从根本上降低室内的空调负荷；
外遮阳设施的作用要好于内遮阳设施，但外遮阳设施由于外遮阳常年暴露在恶劣的外界环境中，要承受长期日晒雨淋和变化无常的风荷载，容易损坏，在外界大气环境中污染后降低其反射太阳光线的能力，不易清洗；影响建筑的造型，不美观；一些不当的遮阳措施既达不到有效的隔热，还会给居住生活带来更多的不便。
双层皮窗户幕墙结合内、外遮阳的特点，采用将百叶设置在两层玻璃之间，尽管消除了外遮阳设施的部分缺点，但由于百叶吸热后升温会加热玻璃间层的空气，其中部分热量会向室内传导而降低了其隔热能力，目前有技术是在玻璃间层采取通风措施，通过自然通风或机械通风把玻璃间层的热量排到室外，这样就可以使得其遮阳隔热作用更接近于外遮阳设施。其存在的缺点主要在于两层玻璃间空气层厚度通常较小，导致空气流量有限，降温效果有限。其次是夹层百叶仍然存在被来流空气污染的问题，且污染后的清洁甚至比外遮阳设施更为困难。另外其次整体制作成本较高，与建筑的配合存在困难，随着使用时间的不同，太阳高度角的不同，百叶的开启角度需要电动调节机构，增加其初投资成本和维护保养的成本。
（二）暖通空调系统的节能性分析
暖通空调系统所需的冷热量由热源和冷源产生后、输出的载冷或载热工质通常为冷水或热水，经输配系统到空气处理机或系统末端，释放冷量或热量。
对于建筑工程中使用最多的风机盘管+新风空调系统，最终都是由风系统将能量传递给被调节的房间，以达到所要求的室内温、湿度参数。只是风机盘管处理的是室内循环风，而新风是由空气处理机引入的经过处理后的室外新风。
空调系统需要的新风主要有两个用途：一是稀释室内有害气体的浓度，满足人员的卫生要求，二是补充室内排风和保持室内正压的要求。近年来，随着人们生活水平的提高，在传统空调封闭房间中出现的病态建筑综合症事件的屡屡出现，造成了严重的后果，使得人们对室内空气品质和对自身健康的空前关注，导致各国标准和规范中空调新风量有增加的趋势。
这样就产生了一些问题，首先新风量的增加无疑会增加建筑能耗，因为室外空气的温度要高于室内循环风。其次是房间风量的平衡，即便新风量没有增加，一定量的新风送入，从房间风量平衡来讲，必须有相同数量的排风排出，否则新风是无法正常送入房间的。因此对某些使用功能上要求空调系统必须要有新风的，或干空气能蒸发制冷的新风空气系统，如何排走进入到空调区域的新风呢？
通常有以下几种情况：
1、无利用排走。如果新风量小，可以采用自然正压的方法，从门窗的缝隙排出。
2、把要排走的新风收集起来与新风机的进风进行热交换进行能量回收，但管路复杂、投资大、能耗高。
以上两种常规的新风在送风空调房间后的排出方式，第一种方式，对新风的能量没有回收利用，存在低品位能量浪费的情况，第二种方式，由于需要额外增加换热设备，存在投资和建筑空间配合等诸多问题。
因此，从控制稳定的室内空气环境，对建筑形式和围护结构来说，全面掌控一定要求围护结构对建筑实现室内外的全面隔绝，无论是自然采光、空气渗透还是热传递。室内外的彻底隔绝才可以对室内各物理参数进行有效的调控，相对来说，所需要的能源消耗也就越少，越节能。然而从环境的改善出发，首先要追求自然采光、自然通风、甚至对围护结构的传热性能来说，有些地域从气候特点出发有时也希望围护结构成为连接室内外的“能量传输通道”，这样的两种理念就会追求完全不同的建筑形式和围护结构形式。
综上所述，窗户是建筑节能的薄弱环节，造成的室内冷热负荷增大的主要因素，但是，一直以来还未见到既能满足室内空气调节的需要又能大幅度减少能耗且成本低的方法及其装置的报道。
发明内容
本发明提供了一种具有内空气水循环被动式冷却的空调方法及其装置，其克服了现有技术之不足，有效解决了由于窗户等透光性围护结构因太阳辐射得热量高而造成的空调能耗高的问题，其既能有效调节空调区域内的空气状态又能大幅度减少窗户等透光性围护结构的负荷且成本较低，易与建筑物配合。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种具有内空气水循环被动式冷却的空调方法，其按下述方法进行：空调区域外的空气经过空气处理机处理后被送入空调区域内,而空调区域内的排风经过空调区域内的蒸发制冷装置后被排出空调区域，蒸发制冷装置的冷水端送出的冷水经过被动式冷却集成装置的水吸热装置后由蒸发制冷装置的回水端回到蒸发制冷装置；其中，被动式冷却集成装置包括内遮阳设施和透光性围护结构，内遮阳设施自身或透光性围护结构上有水吸热装置；空气处理机位于空调区域内或/和空调区域外，或者空气处理机位于透光性围护结构的顶部或/和透光性围护结构的底部或/和透光性围护结构的侧面，或者空气处理机位于能够放置的位置；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成；空调区域是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。
下面是对上述技术方案之一的进一步优化或/和选择：
上述水吸热装置为在内遮阳设施的水冷空腔的内壁上有不少于一层的开式湿帘水膜装置，该开式湿帘水膜装置包括喷头和接水槽，蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给喷头，从喷头出来的水形成湿帘水膜并落入接水槽内，接水槽内的水流回蒸发制冷装置的进水管。
上述水吸热装置为在内遮阳设施的水冷空腔的内壁上有不少于一层的闭式水冷装置，蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给闭式水冷装置的进水管，闭式水冷装置的水吸热后经过出水管流回蒸发制冷装置的进水管。
上述空气处理机采用具有蒸发制冷装置的空气处理机；空调区域外的空气经过进风管进入蒸发制冷装置处理后被送入空调区域内，空调区域内的排风经过蒸发制冷装置并与蒸发制冷装置的进风管进行热量交换后后被排出空调区域；蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给水吸热装置的进水管，水吸热装置的水吸热后经过出水管流回蒸发制冷装置的进水管。。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种水被动式冷却集成装置，其包括内遮阳设施和透光性围护结构，内遮阳设施自身或透光性围护结构上有水吸热装置；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成。
下面是对上述技术方案之二的进一步优化或/和选择：
上述水吸热装置为不少于一层的开式湿帘水膜装置，该开式湿帘水膜装置包括喷头和接水槽，喷头位于开式湿帘水膜装置的顶部，接水槽位于喷头下方的开式湿帘水膜装置的底部。
上述水吸热装置为不少于一层的闭式水冷装置。
本发明的技术方案之三是通过以下措施来实现的：一种上述水被动式冷却集成装置的蒸发制冷水被动式冷却集成装置，其包括蒸发制冷装置，蒸发制冷装置有排风进口并与空调区域相通，蒸发制冷装置的出风口与空调区域外相通。
下面是对上述技术方案之三的进一步优化或/和选择：
上述蒸发制冷装置的冷水出口与喷头相通的管道上串接有水泵，接水槽的排出口与蒸发制冷装置的进水管相通。
上述蒸发制冷装置的冷水出口与闭式水冷装置的进水管相通的管道上串接有水泵，闭式水冷装置的出水管与蒸发制冷装置的进水管相通。
本发明的技术方案之四是通过以下措施来实现的：一种上述的水被动式冷却集成装置或蒸发制冷水被动式冷却集成装置的内空气水循环被动式冷却的空调装置，其包括空气处理机、空调区域，空气处理机采用具有蒸发制冷装置的空气处理机；蒸发制冷装置的室外进风口通过进风管与空调区域外相通, 蒸发制冷装置的室内进风口与空调区域内相通, 蒸发制冷装置的室外出风口通过出风管与空调区域外相通,蒸发制冷装置的室内冷风出风口与空调区域内相通；蒸发制冷装置的冷水出水口与水吸热装置的冷水进水口通过进水管连通，并在进水管上串接有水泵，蒸发制冷装置的回水进水口与水吸热装置的出水口通过出水管连通；其中，空气处理机位于空调区域内或/和空调区域外，或者空气处理机位于透光性围护结构的顶部或/和透光性围护结构的底部或/和透光性围护结构的侧面，或者空气处理机位于能够放置的位置；空调区域是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。
下面是对上述技术方案之四的进一步优化或/和选择：
上述进风管与出风管构成一体并能进行热量交换。
本发明可以应用在各类空调系统中，可以实现主动式冷却和被动式冷却的合二为一，以主动冷却的方式对空调区域进行空气调节的同时，又以被动冷却的方式大幅吸收透光性围护结构的太阳辐射得热量，从而有效减低了室内空调的负荷，使得送风量减低，机组外形尺寸减小，风管截面积减小，易于和建筑空间配合，成本较低。特别的是其在干热地区应用,其目的在于干空气能的高效梯度应用，有效降低窗户等透光性围护结构的得热负荷，实现能量更有效的梯级配置，具体是对空调系统排风冷量的回收利用，有效降低窗户等透光性围护结构的得热负荷，实现能量更有效的梯级配置。与传统空调系统不同的是，为基于建筑节能源头的系统整体解决方案。在通过本发明具有被动式冷却的空调方法及其装置大幅降低窗户得热这一建筑能耗的薄弱环节，由于构建了室内外气流热交换的顺畅通道，实现了空调区域外的空气和室内排风气流交换的建筑呼吸系统，室内空气品质好。特别地在干空气能蒸发制冷技术应用领域，使得其在家庭居住建筑的应用实现了突破性的进展。
本发明的综合效果为：
1.本发明适用于各类居住建筑、公共建筑及工业建筑等房间的空气调节，其特有的被动式冷却集成装置在夏季有效的降低了房间的空调冷负荷，在冬季又可以形成保温空气夹层起到隔热的作用从而有效的降低房间的热负荷。
2.本发明由于空调负荷的降低使得暖通空调系统装机容量减小，其中包括暖通空调系统中的所有设备和用材，不仅可以在建筑上更容易配合，而且也为用户带来了更大的经济性，成本较低。
3.本发明构建了室内外联系的通道，有效的解决了空调系统中的排风无序的问题，使得室内外的气流更加顺畅。
4.本发明使得蒸发制冷空调技术在住宅建筑等民用建筑的大规模应用有了现实的基础。
5.本发明拓展了蒸发制冷空调适用的区域，不仅仅在干热地区使用，更可以在湿热地区得到很好的应用。
附图说明
附图1为本发明的实施例1的方法及其装置的示意图。
附图2为本发明的实施例2的方法及其装置的示意图。
附图3为本发明的实施例3的方法及其装置的示意图。
附图4为本发明的实施例4的方法及其装置的示意图。
附图5为本发明的实施例5的方法及其装置的示意图。
附图6为本发明的实施例6的方法及其装置的示意图。
附图中的编码分别为：1为空调区域外的空气；2为空气处理机的送风；3为送风口；4为空调区域内的排风；5为排风管道；6为空调区域外的排风；7为内遮阳设施；8为表面式空气换热器；9为送风机；10为直接蒸发制冷装置；11为水泵；12为排风机；13为填料。A为空气处理机；B为空调区域；C为被动式冷却集成装置。a为蒸发制冷装置。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据上述本发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例对本发明作进一步论述：
实施例1：
如附图1所示，该内空气水循环被动式冷却的空调装置包括空气处理机A、空调区域B和水被动式冷却集成装置C；而水被动式冷却集成装置C为蒸发制冷水被动式冷却集成装置，该蒸发制冷水被动式冷却集成装置包括蒸发制冷装置a、内遮阳设施7和透光性围护结构；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成。蒸发制冷装置a有排风进口并与空调区域B相通，蒸发制冷装置a的出风口与空调区域B外相通。内遮阳设施7自身或透光性围护结构上有水吸热装置。如附图1所示，水吸热装置可为不少于一层的闭式水冷装置。蒸发制冷装置a的冷水出口与闭式水冷装置的进水管相通的管道上串接有水泵，闭式水冷装置的出水管与蒸发制冷装置的进水管相通。
根据实际需要，蒸发制冷装置a可设置在房间内的可设置的位置，其输出的载冷介质为高温冷水，通过高温冷水来消除窗户附近大量的显热得热负荷。空调区域 B外的空气1经空气处理机A处理后送入空调区域 B内后由空气处理机的送风2转变成24℃至26℃左右的低品位冷源，而空调区域内的排风4被蒸发制冷装置a吸入，在出冷水的蒸发制冷装置a中空气和来自内遮阳设施7中的回水发生热湿交换，输出高温冷水，送入遮阳设施7中水吸热装置(内遮阳设施自身有水吸热装置或/和透光性围护结构上有水吸热装置,该水吸热装置可为不少于一层的闭式水冷装置（可以是内、外单层或双层结构或多层结构的），按照冷量梯级利用的原则，依次吸收窗户中的太阳辐射大量的得热，从而降低房间的空调负荷。冷水在吸收热量升温后回到蒸发制冷冷水机，形成水循环。出冷水的蒸发制冷装置a中的排风气流在增焓升温后，沿着排风管路5排出空调区域B，成为空调区域外的排风6。
实施例2：
如附图1和2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于：实施例2的水吸热装置为不少于一层的开式湿帘水膜装置，附图2所示为单层的开式湿帘水膜装置，该开式湿帘水膜装置包括喷头和接水槽，喷头位于开式湿帘水膜装置的顶部，接水槽位于喷头下方的开式湿帘水膜装置的底部。蒸发制冷装置a的冷水经过水泵和水管送给喷头，从喷头出来的水形成湿帘水膜并落入接水槽内，接水槽内的水流回蒸发制冷装置a的进水管。
实施例3：
如附图2和3所示，实施例3与实施例2的不同之处在于：如附图3所示，实施例3的为双层的开式湿帘水膜装置。
实施例4：
如附图1和4所示，实施例4与实施例1至3的不同之处在于：实施例4蒸发制冷水被动式冷却集成装置的水吸热装置为不少于一层的闭式水冷装置，如附图3所示的为单层的闭式水冷装置，蒸发制冷装置的冷水出口与闭式水冷装置的进水管相通的管道上串接有水泵，闭式水冷装置的出水管与蒸发制冷装置的进水管相通。
实施例5：
如附图4和5所示，实施例5与实施例4的不同之处在于：如附图5所示，实施例5的为多层的闭式水冷装置，冷水首先进入靠近室内一侧，升温后依次进入靠近窗户一侧，这样符合冷量逐级利用的原则，从而有利于热量的交换。
实施例6：
如附图1和6所示，实施例6与实施例1至5的不同之处在于：实施例4包括空气处理机A、空调区域 B、被动式冷却集成装置C，空气处理机A采用具有蒸发制冷装置a的空气处理机；蒸发制冷装置a的室外进风口通过进风管与空调区域B外相通, 蒸发制冷装置a的室内进风口与空调区域B内相通, 进风管与出风管构成一体并能进行热量交换，蒸发制冷装置a的室内冷风出风口与空调区域B内相通；蒸发制冷装置a的冷水出水口与水吸热装置的冷水进水口通过进水管连通，并在进水管上串接有水泵，蒸发制冷装置a的回水进水口与水吸热装置的出水口通过出水管连通；其中，空气处理机位于空调区域内或/和空调区域外，或者空气处理机位于透光性围护结构的顶部或/和透光性围护结构的底部或/和透光性围护结构的侧面，或者空气处理机位于能够放置的位置；空调区域是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。
实施例6具有内空气水循环被动式冷却的空调方法按下述方法进行：空气处理机采用具有蒸发制冷装置的空气处理机；空调区域外的空气经过进风管进入蒸发制冷装置处理后被送入空调区域内，空调区域内的排风经过蒸发制冷装置并与蒸发制冷装置的进风管进行热量交换后后被排出空调区域；蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给水吸热装置的进水管，水吸热装置的水吸热后经过出水管流回蒸发制冷装置的进水管。
实施例6的关键在于在室内设置同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置，并且进风与排风共用一个管路，管路之间加装隔板分隔。送风消除室内热湿负荷，与此同时在被动式冷却集成装置通入高温冷水来消除窗户附近大量的显热得热负荷。空调区域B外的空气1经过出冷水的蒸发制冷装置a中的表面式空气换热器8处理后由送风机9过直接蒸发制冷装置10送入空调房间，新风在送入室内后转变成24℃至26℃左右的低品位冷源，空气处理机的送风2在消除了空调区域B内的余热余湿后，空调区域B内的室内排风4进入蒸发制冷装置a，在填料中发生热质交换，输出冷水，冷水由水泵11通过水管先输送到表面式空气换热器8再输送到内遮阳设施7，同时消除窗户附近大量的显热负荷。冷水首先进入蒸发制冷装置a内部设置的表面式空气换热器8，处理进入的新风，表面式空气换热器8中的出水升温后，相对于窗户的温度，仍然存在冷量，因此将表面式空气换热器8的出水输入被动式冷却集成装置C中的开式湿帘水膜装置或闭式水冷装置，消除窗户的得热量，最终升温后的回水回到机组填料的喷排处形成水循环。室内排风4在吸收C中和表面式空气换热器8的热量后，由蒸发制冷装置上方的排风装置12通过排风管道5排出到空调区域外，成为空调区域B外的空调区域外的排风6。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。