CN101832608A

CN101832608A - 基于太阳能发电的土壤源直冷环保空调系统

Info

Publication number: CN101832608A
Application number: CN201010153778A
Authority: CN
Inventors: 丁立; 张春光; 王超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明是一种基于太阳能电池供电的土壤源直冷空调系统，包括制冷系统(水循环和空气循环)、控制系统和太阳能发电系统；其特征在于：水循环由U型管地埋换热器、循环水泵及连接附件组成，空气循环由风机和风机盘管组成，控制系统由智能控制盒和测温单元组成，太阳能发电系统由电池板、控制器和蓄电池组成；U型管地埋换热器与循环水泵和风机盘管连接形成封闭水系统，循环水泵由智能控制盒驱动，风机设置于风机盘管附近，太阳能电池板置于屋顶。本发明利用地下土壤恒温环境调节室内空气温度，利用太阳能为整个系统供电，不消耗电量，不受季节和地域限制。同时本空调系统不利用地下水，不会对地下水资源产生污染，具有很好的环保能力。

Description

基于太阳能发电的土壤源直冷环保空调系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种基于太阳能电池发电的土壤源空调系统，尤其是指利用地下土壤恒温环境直接对室内空气进行温度调节的节能空调系统，此系统无需外来电源，而采用太阳能作为能源，是一种环保绿色的节能空调系统。

(二)背景技术：

目前，利用土壤恒温原理进行室内空气调节的方法有两类：一类是直接利用地下水进行室内空气调节；另一类是通过管道内水与土壤进行热交换进行室内空气调节。但是这些方法用到的水泵、风机等的驱动需要使用外来电，发生电能的消耗。本空调系统根据土壤源空调耗电量小、太阳能清洁永久的特点，设计采用太阳能发电，为空调系统运行提供所需的小能耗，达到完全的绿色空调。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于太阳能电池供电的土壤源直冷空调系统。利用地下土壤温度环境基本为恒温的这一特点，将循环水通过地埋管换热器与土壤进行热交换，变成冷却水，室内空气再与冷却水进行热交换后达到适宜于设备正常运行的温度。由于一个好的空调系统耗电只有200W～400W，只需4m²太阳能板产生的电能就完全能满足耗电和储电的要求，无需外来电源，并且太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用，从而实现真正的绿色环保节能目的。

如图1所示，本发明系统主要有3部分组成：制冷系统、控制系统和太阳能发电系统。

制冷系统分两部分：水循环和空气循环。水循环由循环水泵、U型管地埋换热器组成。主要功能是通过管道内的水将热量传递给地下土壤，使降低管道内水变成低温流回换热器。空气循环主要由风机和风机盘管组成。主要功能是将室内空气与循环水进行热交换，使室内空气达到适宜的温度。

控制系统由智能控制盒和测温单元组成。主要功能是监测温度，通过智能控制盒启动或关闭风机和循环水泵，并根据需求上传、记录实时温度数据。所述的测温单元由室内测温电阻和水温电阻组成。

太阳能发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组成。主要功能是将太阳辐射能转化为电能，为设备运转提供能源动力。

如图1所示，水循环系统A内水的流动是靠循环水泵6提供动力，循环水泵6可以放在室内，也可放在室外。在整个制冷系统中，U型管地埋换热器7与循环水泵6和风机盘管4连接形成一个封闭水系统，封闭水系统中循环水泵6的驱动指令来源于智能控制盒1。风机盘管4是把U型管地埋换热器7内的冷量传递给室内空气的主要换热部件，热交换方式是通过风机3将室内热空气吹向风机盘管4，使热空气通过风机盘管4时吸收冷量，变成冷空气再流入室内。为了获取最大制冷效果，风机3应尽可能靠近风机盘管4。同样，其驱动指令也来源于智能控制盒1。室内测温电阻2和水温电阻5与智能控制盒1通过电阻线连接，智能控制盒1测试到温度后，根据控制逻辑运算得到输出控制信号。智能控制盒1输出的信号通过继电器控制接触器的开合给风机3和循环水泵6提供电源，以此来控制风机3和循环水泵6启停。发明智能控制盒1可根据现场安装的实际需要，随意摆放位置。

U型管地埋换热器是本系统利用地下恒温环境的主要部件，水在流经U型管地埋换热器的同时通过管道壁面与地下土壤进行热交换，在夏季需制冷时，水将高温传递给土壤，变成冷却水。

风机盘管是本系统利用冷却水将室内空气调节到适宜温度的主要部件，风机转动使空气流动，空气流过风机盘管发生热交换，达到适宜设备运行的正常温度。

该控制系统是通过智能控制盒控制风机和循环水泵的开启与关闭。

所述的测温单元是测温电阻，具体为室内测温电阻和循环水温电阻。测温单元也可为测温电偶或其他测温元件。

太阳能发电系统D为整个系统供电。由太阳能电池板8将太阳的辐射能转换为电能，经太阳能控制器9对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往交流负载A和B，另一方面把多余的能量送往蓄电池10组储存备用。控制器9的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起过充电和过放电保护。蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。本系统所有负荷直接采用直流供电，直接利用太阳能所转化的电能，减少消耗。

本发明是一种基于太阳能电池供电的土壤源直冷空调系统，其优点及功效为：利用地下土壤的恒定温度环境对室内空气进行温度调节，整个系统采用太阳能电池供电，没有耗电量，且不受季节和地域限制；同时本制冷系统采用封闭水循环方式，不会对周边环境和地下水资源造成污染和损害，具有很好的环保能力。

(四)附图说明：

图1.本发明土壤源直冷空调系统示意图

1.智能控制盒 2.室内测温电阻 3.风机

4.风机盘管 5.水温电阻 6.循环水泵

7.U型管地埋换热器 8.太阳电池板 9.太阳能控制器

10.蓄电池

A.水循环系统 B.空气循环系统 C.控制系统

D.太阳能发电系统

(五)具体实施方式：

下面结合附图，对本发明如何利用地下恒温环境进行室内空气温度调节作进一步的说明：

本发明是一种土壤源直冷空调系统，如图1所示，该系统主要由3部分组成：制冷系统(水循环系统A、空气循环系统B)、控制系统C和太阳能发电系统D。水循环系统A主要作用是获取地下土壤的恒温环境。如图1所示，U型管地埋换热器7被垂直埋到地下土壤中，深达100多米。通常情况下，地下10米深后，土壤温度受到地面环境温度的影响已经很小，可以认为地下土壤层的温度基本保持为恒温状态。本系统就是根据这一恒温原理，利用地埋换热器内循环水与土壤进行热交换，得到冷却水，对室内空气进行温度调节。循环水泵6将水抽入U型管地埋换热器7，通过管道壁面与土壤进行热交换，变成冷却水流回风机盘管4，然后与室内空气进行热交换，最后流回循环水泵6，从而实现提取地下恒温环境，对室内空气进行温度调节。空气循环系统B主要功能是使室内空气达到适宜于电子设备正常运行的温度。如图1所示，风机3将室内空气吹向风机盘管4，使室内空气与风机盘管4进行热交换，达到适宜于电子设备正常运行的温度。控制系统C的主要功能是控制风机3和循环水泵6关闭、开启和上传、记录实时温度数据。如图1所示，由室内测温电阻2和水温电阻5监测到室内空气温度和循环水温，智能控制盒1根据要求判断室内温度是否达到设定温度范围。当室内温度高于设定温度范围，符合开机条件，智能控制盒1会发出指令开启风机3和循环水泵6；当室内温度在设定温度范围之内，不符合开机条件，智能控制盒1会发出指令关闭风机3和循环水泵6。根据上位机的要求，智能控制盒1会自动上传相关的监控和测试数据。太阳能发电系统D的主要功能是为整个系统提供电源。如图1所示，太阳能电池阵列8在太阳光照射下输出电能，太阳能发电控制器9对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池10储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池10的电能送往负载。蓄电池10充满电后，控制器9要控制蓄电池不被过充。当蓄电池10所储存的电能放完时，控制器9要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，因此负荷采用直流水泵和风机，减少电能转换时的消耗。

本基于太阳能发电的土壤源直冷空调系统的实施步骤如下：

步骤一、打开电源，智能控制盒1通过室内测温电阻2和水温电阻5监测得到室内空气温度和循环水温。

步骤二、如果室内空气温度和水温符合开机条件，智能控制盒1开启风机3和循环水泵6电源，使室内气体和地埋管换热器内的水流动起来进行热交换，实现利用地下恒温环境进行室内空气温度调节的目的。另外，智能控制盒1还可根据需求上传、记录实时温度数据。

步骤三、如果室内空气温度和循环水温不符合开机要求，智能控制盒1关闭风机3和循环水泵6，停止利用地下恒温环境进行室内空气温度调节。

Claims

1.一种基于太阳能电池供电的土壤源直冷空调系统，包括3部分：制冷系统(水循环系统、空气循环系统)、控制系统和太阳能发电系统；其特征在于：水循环系统由U型管地埋换热器、循环水泵组成，空气循环系统由风机和风机盘管组成，控制系统由智能控制盒和测温单元组成，太阳能发电系统由太阳能电池板、控制器和蓄电池组成；其中，U型管地埋换热器与循环水泵和风机盘管连接，智能控制盒通过电阻线与测温单元连接；太阳能电池板置于屋顶，控制器和蓄电池置于室内；所述的U型管地埋换热器是本系统利用地下恒温环境的主要部件，水在流经U型管地埋换热器的同时通过管道壁面与地下土壤进行热交换，将高温传递给土壤，变成冷却水；所述的风机盘管是本系统利用冷却水将室内空气调节到适宜温度的主要部件，风机转动使空气流动，空气流过风机盘管发生热交换，达到适宜设备运行的正常温度。

2.根据权利要求1所述的太阳能供电系统，其特征在于：该系统是整个直冷空调的供电系统，水泵和风机直接利用太阳能供电运转，不额外消耗电能，达到节能环保目的。