CN110726197A - 多能耦合空调装置 - Google Patents

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徐白路
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程欢
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Abstract

本发明涉及可再生能源利用技术领域，尤其涉及一种多能耦合空调装置。该多能耦合空调装置包括：太阳能组件，包括集热管，集热管用于吸收太阳能而获取第一热水；地埋管，设置于土壤中，地埋管用于与土壤换热而获得第一冷水或第二热水；热泵机组，分别与太阳能组件和地埋管连接，热泵机组用于使第一热水和第二热水的温度升高并分别形成第三热水和第四热水，以及使第一冷水的温度下降形成第二冷水；空调末端，第一热水、第二热水、第三热水、第四热水、第一冷水或第二冷水流经空调末端。本发明提供的多能耦合空调装置通过太阳能组件和地埋管分别对太阳能和地源能(即冷源和热能)的利用，实现了节能环保的效果，从而降低了供冷和供热的运行成本。

Description

多能耦合空调装置
技术领域
本发明涉及可再生能源利用的技术领域，尤其涉及一种多能耦合空调装置。
背景技术
目前，面临着能源供应紧张以及环境污染严重等问题，控制能源生产和消费总量，节能减排，提高能源的综合利用效率，大力发展可再生能源如太阳能、风能、地热能等是我国能源发展的重要趋势。
现有建筑的空调装置一般采用电能实现制冷和制热的目的，此种方式的供冷和供热成本较高。如何将可再生能源应用到空调装置中，是当下亟待解决的问题。
因此，目前亟待需要一种多能耦合空调装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种多能耦合空调装置，以降低供冷和供热的运行成本。
一种多能耦合空调装置，包括：
太阳能组件，包括集热管，所述集热管用于吸收太阳能而获取第一热水；
地埋管，设置于土壤中，所述地埋管用于与土壤换热而获得第一冷水或第二热水；
热泵机组，分别与所述太阳能组件和所述地埋管连接，所述热泵机组用于使所述第一热水和所述第二热水的温度升高并分别形成第三热水和第四热水，以及使所述第一冷水的温度下降形成第二冷水；
空调末端，所述第一热水、所述第二热水、所述第三热水、所述第四热水、所述第一冷水或所述第二冷水流经所述空调末端。
可选地，所述集热管连接有蓄水箱；
所述第一热水能由所述蓄水箱流出，并依次经过第一三通阀、所述空调末端、第一两通阀、第二三通阀和第三三通阀后，回流至所述蓄水箱；
所述第一热水能由所述蓄水箱流出，并依次经过所述第一三通阀、第二两通阀和所述热泵机组后形成所述第三热水，所述第三热水再依次经过第三两通阀、所述第二三通阀、所述空调末端、第四两通阀、所述热泵机组、第五两通阀和所述第三三通阀后，回流至所述蓄水箱。
可选地，所述地埋管的两端分别与所述第一三通阀和所述第三三通阀连接；
所述第一冷水或所述第二热水能由所述地埋管流出，并依次经过第一三通阀、所述空调末端、第一两通阀、第二三通阀和第三三通阀后，回流至所述地埋管；
所述第一冷水或所述第二热水能由所述地埋管流出，并依次经过所述第一三通阀、所述第二两通阀和所述热泵机组后形成所述第二冷水或所述第四热水，所述第二冷水或所述第四热水再依次经过所述第三两通阀、所述第二三通阀、所述空调末端、所述第四两通阀、所述热泵机组、所述第五两通阀和所述第三三通阀后，回流至所述地埋管。
可选地，还包括控制组件，所述控制组件用于控制所述空调末端与所述太阳能组件或所述空调末端与所述地埋管连接。
可选地，所述空调末端为毛细管网。
可选地，所述太阳能组件还包括电池板、蓄电池和逆变器，所述电池板与所述蓄电池连接，所述电池板和所述蓄电池分别与所述逆变器连接，所述逆变器和所述热泵机组连接。
可选地，所述太阳能组件还包括反射镜，所述电池板和所述反射镜均呈弧形；
所述电池板设置于所述集热管外侧，所述反射镜设置于所述电池板的外侧。
可选地，所述电池板和所述反射镜的弯曲弧度相同。
可选地，所述反射镜具有与所述电池板相对设置的第一表面，所述电池板具有与所述集热管相对设置的第二表面；
所述第一表面设置有具有反射效果的面层，所述第二表面设置有具有热辐射效果的面层。
可选地，所述集热管连接有连接柱，所述电池板和所述反射镜分别设置在所述连接柱的两侧；
所述连接柱采用金属材料制成。
可选地，所述太阳能组件还包括支撑结构，所述支撑结构通过齿轮和轴承枢接于所述连接柱的末端。
有益效果：
本发明提供的多能耦合空调装置通过太阳能组件和地埋管分别对太阳能和地源能(即冷源和热能)的利用，实现了节能环保的效果，从而降低了供冷和供热的运行成本；进一步地，通过利用热泵机组耦合太阳能组件与地埋管，更能使得空调装置供冷和供热的效果明显。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多能耦合空调装置的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的太阳能组件在一个视角下的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的太阳能组件在另一个视角下的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的太阳能组件与热泵机组的电连接关系示意图。
附图标记：
1-太阳能组件；
10-蓄水箱；
11-集热管；
121-电池板；
121a-第二表面；
122-蓄电池；
123-逆变器；
13-反射镜；
131-第一表面；
14-连接柱；
15-支撑结构；
2-地埋管；
3-热泵机组；
4-空调末端；
51-第一三通阀；
52-第二三通阀；
53-第三三通阀；
61-第一两通阀；
62-第二两通阀；
63-第三两通阀；
64-第四两通阀；
65-第五两通阀。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1所示，其为本发明实施例提供的一种多能耦合空调装置的原理示意图。所述多能耦合空调装置包括太阳能组件1、地埋管2、热泵机组3和空调末端4，其中：
太阳能组件1包括集热管11，集热管11用于吸收太阳能而获取第一热水，地埋管2设置于土壤中，地埋管2用于与土壤换热而获得第一冷水或第二热水，热泵机组3分别与太阳能组件1和地埋管2连接，热泵机组3用于使第一热水和第二热水的温度升高并分别形成第三热水和第四热水，以及使第一冷水的温度下降形成第二冷水，第一热水、第二热水、第三热水、第四热水、第一冷水或第二冷水流经空调末端4。本发明提供的多能耦合空调装置通过太阳能组件1和地埋管2分别对太阳能和地源能(即冷源和热能)的利用，实现了节能环保的效果，从而降低了供冷和供热的运行成本；进一步地，通过利用热泵机组3耦合太阳能组件1与地埋管2，更能使得空调装置供冷和供热的效果明显。
可以理解的是，第一热水、第二热水、第三热水、第四热水、第一冷水和第二冷水是相对于室温(温度为25℃)而言的，即第一热水、第二热水、第三热水和第四热水的温度比室温高，第一冷水和第二冷水的温度比室温低。如此，空调末端4利用太阳能或地源能获取的热水直接进行辐射散热，特别地，空调末端4优选为毛细管网，毛细管网具有换热面积大、进水温度低、壁薄导热性好、换热均匀、水力损失小等特点。需要注意的是，当毛细管网用于制冷时会存在结露的问题，因此空调装置还需设置与其配合的新风系统，以解决结露的问题。
空调装置包括多种工作模式，例如有：太阳能供暖模式、太阳能热泵供暖模式、地源供暖模式、地源热泵供暖模式、地源供冷模式和地源热泵供冷模式。其中，热泵机组3具有制冷和制热双工况，如此可使得地埋管2与土壤换热而获得第一冷水或第二热水可以继续经过热泵机组3形成温度更低的第二冷水和温度更高的第四热水。可以理解的是，热泵机组3是通过利用蒸发器的吸热和冷凝器的放热而实现了第一热水和所述第二热水的温度升高并分别形成第三热水和第四热水，以及实现了第一冷水的温度下降形成第二冷水的效果，在此本实施例对其不进行具体赘述。
具体地，集热管11连接有蓄水箱10。当空调装置处于太阳能供暖模式时，第一热水能由蓄水箱10流出，并依次经过第一三通阀51、空调末端4、第一两通阀61、第二三通阀52和第三三通阀53后，回流至蓄水箱10。当空调装置处于太阳能热泵供暖模式时，第一热水能由蓄水箱10流出，并依次经过第一三通阀51、第二两通阀62和热泵机组3后形成第三热水，第三热水再依次经过第三两通阀63、第二三通阀52、空调末端4、第四两通阀64、热泵机组3、第五两通阀65和第三三通阀53后，回流至蓄水箱10。
具体地，地埋管2的两端分别与第一三通阀51和第三三通阀53连接。当空调装置处于地源供暖模式时，第二热水能由地埋管2流出，并依次经过第一三通阀51、空调末端4、第一两通阀61、第二三通阀52和第三三通阀53后，回流至地埋管2。当空调装置处于地源热泵供暖模式时，第二热水能由地埋管2流出，并依次经过第一三通阀51、第二两通阀62和热泵机组3后形成第四热水，第四热水再依次经过第三两通阀63、第二三通阀52、空调末端4、第四两通阀64、热泵机组3、第五两通阀65和第三三通阀53后，回流至地埋管2。
当空调装置处于地源供冷模式时，第一冷水能由地埋管2流出，并依次经过第一三通阀51、空调末端4、第一两通阀61、第二三通阀52和第三三通阀53后，回流至地埋管2。当空调装置处于地源热泵供冷模式时，第一冷水能由地埋管2流出，并依次经过第一三通阀51、第二两通阀62和热泵机组3后形成第二冷水，第二冷水再依次经过第三两通阀63、第二三通阀52、空调末端4、第四两通阀64、热泵机组3、第五两通阀65和第三三通阀53后，回流至地埋管2。
通过控制第一三通阀51、第二三通阀52、第三三通阀53、第一两通阀61、第二两通阀62、第三两通阀63、第四两通阀64和第五两通阀65等三通阀或两通阀的不同启闭情况，使得空调装置内的不同连接管路启闭，从而实现了空调装置能够处于不同的工作模式的效果。
进一步地，空调装置还包括控制组件(图中未示出)，控制组件用于控制空调末端4与太阳能组件1或空调末端4与地埋管2连接，即控制组件能够根据用户指令控制空调装置处于不同的工作模式。例如可以是，在夏初的制冷运行时，空调末端4的冷负荷较小，土壤的蓄冷能够满足需要，此时用户可以通过操作控制组件，使得空调装置处于地源供冷模式。例如可以是，在夏季中后期制冷运行时，空调末端4的冷负荷较大，土壤的蓄冷不能够满足需要，此时用户可以通过操作控制组件，使得空调装置处于地源热泵供冷模式。例如可以是，在春初或秋末制热运行时，空调末端4的热负荷较小，土壤的蓄热或太阳能的蓄热能够满足需要，此时用户可以通过操作控制组件，使得空调装置处于太阳能供暖模式或地源供暖模式。例如还可以是，在冬季制热运行时，空调末端4的热负荷较大，土壤的蓄热或太阳能的蓄热不能够满足需要，此时用户可以通过操作控制组件，使得空调装置处于太阳能热泵供暖模式或地源热泵供暖模式。
值得说明的是，控制组件通过控制程序优先使用几乎免费的太阳能，只有在太阳能不足的时段，再采用效率较高且较为经济节能的地热能。控制组件包括中央控制器，该中央控制器可以是DDC、PLC或单片机等，通过设置在蓄水箱10、管路和空调末端4上的温度传感器，采集空调装置各个部分的温度，通过逻辑运算，控制阀门和水泵(图中未示出)的启停，从而可以实现空调装置的智能和节能运行。
请参阅图2和图3，其均为本发明实施例提供的太阳能组件1的结构示意图。太阳能组件1还包括电池板121和反射镜13，电池板121和反射镜13均呈弧形；电池板121设置于集热管11外侧，反射镜13设置于电池板121的外侧。通过设置为弧形的电池板121和反射镜13，使得太阳光线更能通过反射镜13聚集到电池板121上，即该种结构对光线的聚集效果最为明显。而集热管11位于电池板121的外侧，不仅能够直接吸收太阳光线，还能够吸收来自电池板121辐射的热量(这是由于电池板121在发电时会产生大量的热)，对于集热管11吸收的热能在下文进行具体描述。
进一步地，电池板121和反射镜13的弯曲弧度相同，如此可保证尽可能多的太阳光线经过反射镜13后反射到电池板121的范围之内。可以理解的是，电池板121也可以设置为“V”型，如此也能大致满足对太阳能光线的收集，但效果不如弧形电池板121的优良。
进一步地，反射镜13具有与电池板121相对设置的第一表面131，电池板121具有与集热管11相对设置的第二表面121a；第一表面131设置有具有反射效果的面层，如此使得太阳光线经过反射镜13后可以被聚集到电池板121上。其中，该面层可以是镜面结构，即采用玻璃与金属层结合的方式；面层还可以是任何具有反射效果的金属涂层或经过抛光的金属涂层。优选地，面层采用镜面结构，例如玻璃可以是2mm-5mm厚的钠钙玻璃或硼硅玻璃，金属层可以是20nm-200nm厚的银、金、铬或其它任何合适金属材料层。而第二表面121a则设置有具有热辐射效果的面层，如此可使电池板121放出的热量能尽可能多地被辐射到集热管11上。例如，该面层可以是由SiC材料和/或ZrO2-CaO-SiO2系材料组成的涂料，该涂料具有较高的辐射率值。一般而言，此涂料的红外波段平均热辐射率ε大于0.9。此外，集热管11能够吸收电池板121发电时放出的热量，也能够延长电池板121的使用寿命。
可以理解的是，集热管11并未与电池板121的第二表面121a直接接触，因为直接接触会影响电池板121的结构强度。考虑到支撑集热管11的因素，集热管11连接有连接柱14，电池板121和反射镜13分别设置在连接柱14的两侧，例如通过焊接或其它固定方式设置在连接柱14的两侧。本实施例中，通过设置连接柱14将集热管11、电池板121和反射镜13集成在一起，起到了结构紧凑的作用。可选地，连接柱14采用金属材料制成，例如不锈钢材料，不仅能够支撑集热管11的作用(即保证了一定的结构强度)，还能够起到将电池板121和/或反射镜13的热量传递到集热管11上的作用。也就是说，本实施例中，集热管11所吸收的热量的来源包括三部分，分别是太阳光线、电池板121的辐射热和电池板121的传导热，如此最大程度地保证集热管11能够吸收充足的热量。
进一步地，太阳能组件1还包括支撑结构15，支撑结构15通过齿轮和轴承(图中未示出)枢接于连接柱14的末端。例如，天气恶劣时，需要对太阳能组件1进行保护，因此可以通过转动齿轮和轴承带动连接柱14转动，进而可以将将反射镜13和电池板121转动到不朝向太阳的一侧。相反，天气晴朗时，也可以通过转动齿轮和轴承带动连接柱14转动，进而可以使得反射镜和电池板121跟随太阳运动。可以理解的是，太阳能组件1还可以设置有电控部分，如此可使太阳能组件1自动跟随太阳转动。
值得说明的是，本实施例提供的太阳能组件1的集热管11设置于电池板121的一侧，因此该太阳能组件1不仅能够产生热能还能产生电能(电能输送路线可参照图1中虚线部分和图4)，增加了用户的体验。
请参阅图4，其为本发明实施例提供的太阳能组件1与热泵机组3的电连接关系示意图。上述太阳能组件1除了包括电池板121外，还包括蓄电池122和逆变器123，电池板121与蓄电池122连接，电池板121和蓄电池122分别与逆变器123连接，逆变器123和热泵机组3连接。当然，热泵机组3还可以与电网(图中未示出)连接。
本实施例提供的太阳能组件1和热泵机组3的具体操作方式为：
(1)当光照强度充足时，电池板121产生的电量一方面通过逆变器123给热泵机组3供电，另一方面电池板121供给蓄电池122充电储能；
(2)当光照强度稍弱时，电池板121产生的电量不能满足负载的用电需求，这时控制组件向蓄电池122发送信号，使蓄电池122通过逆变器123给热泵机组3供电，以保证太阳能组件1供电的稳定性；
(3)当太阳能的光照强度长期处于较弱时(例如出现连续阴雨天)，当蓄电池122电量降至某设定值时，控制组件接收蓄电池122发出的反馈信号后，立即切断蓄电池122的供电，以保护蓄电池122的使用寿命，同时控制组件向控制柜发送信号，立即启动电网，以保证热泵机组3的正常运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多能耦合空调装置，其特征在于，包括：
太阳能组件(1)，包括集热管(11)，所述集热管(11)用于吸收太阳能而获取第一热水；
地埋管(2)，设置于土壤中，所述地埋管(2)用于与土壤换热而获得第一冷水或第二热水；
热泵机组(3)，分别与所述太阳能组件(1)和所述地埋管(2)连接，所述热泵机组(3)用于使所述第一热水和所述第二热水的温度升高并分别形成第三热水和第四热水，以及使所述第一冷水的温度下降形成第二冷水；
空调末端(4)，所述第一热水、所述第二热水、所述第三热水、所述第四热水、所述第一冷水或所述第二冷水流经所述空调末端(4)。
2.根据权利要求1所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述集热管(11)连接有蓄水箱(10)；
所述第一热水能由所述蓄水箱(10)流出，并依次经过第一三通阀(51)、所述空调末端(4)、第一两通阀(61)、第二三通阀(52)和第三三通阀(53)后，回流至所述蓄水箱(10)；
所述第一热水能由所述蓄水箱(10)流出，并依次经过所述第一三通阀(51)、第二两通阀(62)和所述热泵机组(3)后形成所述第三热水，所述第三热水再依次经过第三两通阀(63)、所述第二三通阀(52)、所述空调末端(4)、第四两通阀(64)、所述热泵机组(3)、第五两通阀(65)和所述第三三通阀(53)后，回流至所述蓄水箱(10)。
3.根据权利要求2所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述地埋管(2)的两端分别与所述第一三通阀(51)和所述第三三通阀(53)连接；
所述第一冷水或所述第二热水能由所述地埋管(2)流出，并依次经过第一三通阀(51)、所述空调末端(4)、第一两通阀(61)、第二三通阀(52)和第三三通阀(53)后，回流至所述地埋管(2)；
所述第一冷水或所述第二热水能由所述地埋管(2)流出，并依次经过所述第一三通阀(51)、所述第二两通阀(62)和所述热泵机组(3)后形成所述第二冷水或所述第四热水，所述第二冷水或所述第四热水再依次经过所述第三两通阀(63)、所述第二三通阀(52)、所述空调末端(4)、所述第四两通阀(64)、所述热泵机组(3)、所述第五两通阀(65)和所述第三三通阀(53)后，回流至所述地埋管(2)。
4.根据权利要求3所述的多能耦合空调装置，其特征在于，还包括控制组件，所述控制组件用于控制所述空调末端(4)与所述太阳能组件(1)或所述空调末端(4)与所述地埋管(2)连接。
5.根据权利要求1所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述太阳能组件(1)还包括电池板(121)、蓄电池(122)和逆变器(123)，所述电池板(121)与所述蓄电池(122)连接，所述电池板(121)和所述蓄电池(122)分别与所述逆变器(123)连接，所述逆变器(123)和所述热泵机组(3)连接。
6.根据权利要求5所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述太阳能组件(1)还包括反射镜(13)，所述电池板(121)和所述反射镜(13)均呈弧形；
所述电池板(121)设置于所述集热管(11)外侧，所述反射镜(13)设置于所述电池板(121)的外侧。
7.根据权利要求6所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述电池板(121)和所述反射镜(13)的弯曲弧度相同。
8.根据权利要求6所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述反射镜(13)具有与所述电池板(121)相对设置的第一表面(131)，所述电池板(121)具有与所述集热管(11)相对设置的第二表面(121a)；
所述第一表面(131)设置有具有反射效果的面层，所述第二表面(121a)设置有具有热辐射效果的面层。
9.根据权利要求6所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述集热管(11)连接有连接柱(14)，所述电池板(121)和所述反射镜(13)分别设置在所述连接柱(14)的两侧；
所述连接柱(14)采用金属材料制成。
10.根据权利要求9所述的多能耦合空调装置，其特征在于，所述太阳能组件(1)还包括支撑结构(15)，所述支撑结构(15)通过齿轮和轴承枢接于所述连接柱(14)的末端。
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