摘要：本论文研究了利用新型环保的自然冷能，为居民小区以及办 公大楼等设计了一套低能耗、无污染、运行费用低、使用方便的 空调系统，把在自然界中容易被人们忽略而又广泛存在的自然冷 能应用起来，更好更便捷地为生活服务虽然我们还没有将我们 的研究应用到实际中，但这套设想新颖的自然空调冷能系统是具 有广阔的市场前景的，不仅能达到环保节能的目的，还可以传递 一种应用新能源的理念关键词：自然冷能 利用 环保节能一、研究背景(1) 相关自然冷能的简介自然冷能的科学定义:常温环境中，自然存在的低温差低温热 能，简称冷能实际上冷热感觉都是相对的，无论气温高低，温 差的存在就意味着能量地球上到处存在温差，如冬夏季节温 差、昼夜温差、气地温差、地表与地下温差等有温差，就有热 量传递与交换，这就产生了热能2) 自然冷能应用应运而生基于以上认识，人们常常通过燃烧煤炭、石油等方式，提高热源温度获得能量，并将自然环境作为冷凝器(冷源或 热源），使热机运行热源温度永远高于自然环境温度，二者 温差越大，意味着能量越大，所以提高热源温度与降低冷凝 器温度，都能获得有效能量热能的温度越高，越容易被利 用，而低温热能难以进行能一功转换，或即使能够转换，但 经济上不合算，经常被放弃。
但是燃烧法消耗了大量的矿物 资源，而且带來环境污染、温室气体排放等一系问题此时 与之比较，大自然维持环境温度的能力为无限大，而温差又 无处不在，所以自然冷能的数量也为无限大，是一种潜在的 巨量低品位能源，即应用该能量便成为一种更经济、更科学 的办法对于自然冷能的开发和利用，目前由于传热与蓄能关键 技术的解决，已得到了大幅度的发展，也有许多应用成功的 案例，而在诸多应用案例中，与人们生活关系最密切的一类, 就是酷暑时节降温、严寒季节保暖——即无能耗的自然冷能 空调二、自然冷能与空调系统的结合（设计想法来源）我们日常生活中所耗用的能源，比例最大的是空调能耗,大约占我国总能耗的20%在发达国家，这个比例可以达到 70%空调所追求的温度标准无非是15°C〜30°C范围，这个 温度范围一完全可能利用自然冷能满足空调需要，达到节能 目的，所以已有许多利用自然冷能的集中供冷系统出现及被 应用，像多孔材料蓄水蒸发冷却、屋面被动冷却、自由水面 蒸发冷却等从以上方面来讲，我们希望另行设计一款自然冷能空调 系统，一方面使得空调的功效大幅度提高，另一方面能够极 大限度地降低了空调系统的成本费用，同时具有环保节能的 特点。
三、设计“新型”冷能空调系统在了解以上应用要求和相关知识的基础上，我们积极查 询相关资料，结合自身理念，开发设计了一套新型的自然冷 能空调系统，类似于现行中央空调系统，自然冷能新型空调 系统由相当于普通中央空调主机的地下蓄冷库、循环管路、 室内末端3部分再加“热网”组成其中循环管路、室内末 端与普通中央空调完全兼容或完全一样具体如下：(1)设计理念(即创新点)1.1、我们首次提出综合利用热管组成“热网”，进 而更迅速、更高效地收集和传递自然存在的低温差低温热 能，使之应用于空调系统的制热与制冷；1. 2、我们大胆的采用了一种简捷的方式对空气进行制 冷与制热，即直接在能量储存库中利用所储存的自然冷能进 行能量的管道传递，继而在客户端对空气进行处理，给用户 供冷供热，在很大程度上降低了空调系统的成本费用2)对创新点中的热管、“热网”、能量储存库中的管道 传递以及末端的空调的简介2.1、 热管，是一种具有极高导热性能的传热元件, 它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热■ IL它利丿IJ毛吸竹£用等流体原理,起到类似冰箱压缩机制冷的效果具有很高的导热性、优良的等温性、热流 密度可变性、热流方向酌可逆性、可远距离传热、恒温 特性(可控热管)、热二极管与热开关性能等一系列优点, 并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、 流体阻损小等优点。
所谓“热网”，是指多个有芯热管、两相闭式热虹吸 管的组合应川以及重力辅助热管、旋转热管等多种热管 所组成的一套热管系统，由于其发挥了热管的最大性能, 且更合理更有效的传导了热能，达到了节能环保低成本 的效果，所以简称“热网”2.2、 能量储存库中的管道传递是指在水蓄冷制冷 系统中把制冷机组、蓄冷水槽、蓄冷水泵、板式换热器 和放冷水泵组成等组成部件与大量的蓄水金属管道相合，配板式换热器，再使制冷机组与蓄冷装置以并联方 式和串联方式的连接方式，应用多蓄水管道实现快速高 效制冷制热的目的2.3、末端的空调为全空气系统：空调房间的冷热负 荷全部由经过处理的空气来承担即集中式空调系统，其 中制冷剂在专用的蒸发器内蒸发吸热，冷却冷冻水(又称 冷媒水)，冷冻水由水泵输送到专用的水冷式表面冷却器 冷却空气——空调器处理的空气为全新风，送到各房间进 热湿交换后全部排放到室外，没有回风管，这种系统卫牛 条件好，能耗低，应用广泛3) 设计原理利用冬季的低气温实现夏季的冷藏，这种冷藏库就被 称为“无能耗”冷库冬季促进地下水分冻结，形成人工冻 土，温度高时，土融化吸热水分的冻结潜热是热容的80倍, 因此可以使土体温度长期保持在0°C附近，直到融化完毕，在 这个冻土内部建库，就可以储存蔬菜、水果等农副产品。
这 种冷库的原理十分简单，但具体操作上，首先必须保证地热 只能在冬季向大气散热，而到了夏季，热量不能逆向传回地 下，否则就毫无意义通常，我们利用热管实现这个目标 热管的下部埋入土中，上部暴露于大气之中当气温低于地 温时，热量就通过热管散入大气，使地下土体降温；一旦气温等于或高于地温，热管就立即自动停止传热，热量不会重 新传回地下，这个过程全部自动进行结合相应的隔热保温 措施，我们就可以建成无能耗冷库3.1、末端空调两种供冷方式1）、冷能空调系统单独供冷方式：利用夜间低温制备冷 冻水并储存在蓄水管中（效率过低吋可有选择性的适当开启制冷 机），同时也对冷库进行一定的冷能补充白天开启冷冻水泵即 可完成供冷Ke2冷水Hl恒压阀a;水療Ki2$讯末械 尿爭匝有誉眾 改塩處加誉徹2）、制冷机与冷能空调系统联合使用：在每年极端炎热 的有限时间，白天空调负荷很大时，单纯的自然冷能空调系统供 冷可能会出现不足，可以由制冷机提供部分冷量与蓄冷管中提供 的冷量一起混合使用，共同供冷3.2、蓄冷管的形式蓄冷管的结构形式应能防止所蓄冷水与回流热水的混合 为实现这一日的，我们参考相关文献，想到以下两种方法：1）多蓄冷管方法将冷水和回流热水分别储存在不同的管中，以保证送至负荷 侧的冷水温度维持不变，多个蓄水管有不同的连接方式，一种是 空管方式，它保持蓄水管系统中总有一个管在蓄冷或放冷循环开 始时是空的，从而保证冷热水不会出现同时存在一个管中。
随着 蓄冷或放冷的进行，各管依次倒空另一种连接方式是将多个管 串联连接，制成所需长度的蓄水管，然后将这些制成的管道并联, 在其连接点再设置--根总管（总管处设置一个多通阀门），用于 构成回流（主要是为了节约管道）蓄冷时，冷水从第一个蓄水 管的一端入口进入管中，另一端溢流的热水送至第二个管的入 口，依次类推，最终所有的管中均为冷水；放冷时，水流动方向 相反，冷水由第一个管的端口流出，回流热水从最后一个管原为 输出的端口送入由于应用了多管并联的方式，冷水和回流热水 在通过多通阀门时就流入不同的管道，有效地避免了冷热水的混 合多管系统在运行时其个别蓄水管可以从系统中分离出来进行 检修维护，但系统的管路和控制较复杂，初投资和运行维护费估 测会较高2）自然分层法利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层系统 组成是在常规的制冷系统中加入蓄水管道在蓄冷循环时， 制冷设备送来的冷水由底部端口散流器进入蓄水管，热水则 从另一端口排出，管中中水量保持不变在放冷循环中，水 流动方向相反，冷水由底部送至负荷侧，冋流热水从顶部端 口散流器进入蓄水管一般來说，自然分层方法是最简单， 有效和经济的，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%o3.3、无能耗冷库的建立热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1-3x（10 负1 10负4） Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。
管 的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根 据应用需要在两段中间可布置绝热段当热管的一端受热时 毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端 放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流 回蒸发段如此循环不己，热量由热管的一端传至另一端 热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关 联的主要过程：1 ）、热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸 液芯传递到（液 汽）分界面；2） 、液体在蒸发段内的（液 汽）分界面上蒸发;3） 、蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；4） 、蒸汽在冷凝段内的汽•液分界面上凝结：5） 、热量从（汽一一液）分界面通过吸液芯、液体 和管壁传给冷源：6） 、在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体 回流到蒸发段根据上述原理，我们利用热管实现能量的单向传导，将热管的下部埋入土中，上部暴露于大气之中当气温低于地温时，热量就通过热管散入大气，使地下土体降温；一旦气温等于或高于地温，热管就立即自动停止传热，热量不会重新传回地下，这个过程全部自动进行，虽然在效率上不是特别高效，但相当的环保节能同时再结合相应的隔热保温措施，建成无能耗冷库。
注：其中的热管应用采取“热网”的形式，从而达到 热管的最大性能，且更合理更有效的传导了热能，起到了节能环保低成本的效果四、产品可行性分析（1）、建筑物模型编号建筑物类型建筑面积（M2）制冷负荷（kW）制冷时间（h）制冷耗电 （kWh ）冰体贮 存时间 （D ）蓄冰体积（M3）单位建筑面积所需蓄冰 体积1别墅300154006000100600. 202公寓3000135300405001004000. 133宾馆1000060054032400010030000. 304住宅小区10000045002401080000100100000. 10（2）、地下蓄水池模型（冷库）编号长X宽X 高(M )分割间数及大小/造 价（万元）保温面积（M2 ）及造价（万 元）防渗面积（M2 ）及造价（万 元）蓄冰体积（M3）及热管造 价（万元）蓄冰体造价（万元）/单 位体积造价（元/ M3 ） / 单位面积造价（元/ M 2 ）15X4X31(5X4X3)/18894/0.37674/0.29660/0. 93.452/575/115210X8X52 (5X8X5) /7. 44340/1. 36260/1.04400/6. 015.84/396/53325X20X65 (5X20X6) /38. 481540/6. 161040/4. 163000/45.093.8/313/944 I45X40X69(5X40X6 )/123. 124620/18. 482820/11.2810800/1。