用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统.pdf

本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，含有由地源热泵机组、出风口、出风管、进风口、回风管和若干机柜构成的制冷或供热循环结构以及由地源侧回水管、水泵、同程管、地源侧出水管及若干组地埋管构成的对浅层地能利用的循环结构；空调系统设置的各传感器通过通信总线或信号线与设置在地源热泵机组上的智能控制器连接，由智能控制器直接控制地源热泵机组的启停。本发明能充分利用蕴藏于土壤中可循环再生的巨大能量，实现制冷供暖、除湿加湿，不仅运行费用低，节能效率高，而且还具有不向外界排放任何废气、废水、废渣、也不影响地下水的优点，属于“绿色空调”的范畴。

1.  用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，为利用浅层地能进行制冷供热的空调系统，其特征在于，含有地源热泵机组（1）、出风口（2）、出风管（5）、进风口（6）、回风管（9）和若干机柜以及地源侧回水管（10）、水泵（11）、同程管（26）、地源侧出水管（12）及若干组地埋管；
在所述地源热泵机组（1）上设置智能控制器和室外温湿度传感器（13）；
在所述地源热泵机组（1）的一侧设置出风口（2）和进风口（6），在所述出风口（2）的外端连接出风管（5）并设置第一风量传感器（3）和第一温湿度传感器（4），在所述出风管（5）的外端连接所述的若干机柜，所述若干机柜中的每个机柜含有一个风量控制阀、一个进风口、一个回风口和一个温湿度传感器；所述出风管（5）通过所述风量控制阀与所述若干机柜中的每个机柜连接；在所述进风口（6）的外端连接所述回风管（9）并设置第二风量传感器（7）和第二温湿度传感器（8），所述回风管（9）与所述若干机柜中的每个机柜的回风口连接；所述若干机柜中的每个机柜通过各回风口和回风管（9）与所述地源热泵机组（1）的一侧连接，形成制冷或供热循环；
在所述地源热泵机组（1）的另一侧连接所述地源侧回水管（10）和所述地源侧出水管（12）：所述地源热泵机组（1）另一侧的出水点上连接所述地源侧出水管（12），地源侧出水管（12）再与所述若干组地埋管的进水口相连，若干组地埋管的出水口与所述同程管（26）相连接，通过所述水泵（11）与所述地源侧回水管（10）连接，并接入地源热泵机组（1），形成对浅层地能利用的循环；
所述第一风量传感器（3）、第一温湿度传感器（4）、第二风量传感器（7）、第二湿度传感器（8）、室外温湿度传感器（13）以及每个机柜内设置的温湿度传感器通过通信总线或信号线与所述地源热泵机组（1）上的智能控制器连接，由所述智能控制器进行数据采集、运算，参考系统设定值进行模糊控制，直接控制所述地源热泵机组1的启停。

2.  根据权利要求1所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述地源热泵机组（1）共设有两台，它们互为备用设备，既，当有一台地源热泵机组（1）在使用时，另外一台地源热泵机组（1）就作为备用设备。

3.  根据权利要求2所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述地源热泵机组（1）为标准设备，按统一标准制造和装配。

4.  根据权利要求1所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述若干机柜型号相同的机柜，按统一标准制造和装配。

5.  根据权利要求1所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述若干埋地管为单U或双U结构的地埋管，按统一标准制造和装配。

6.  根据权利要求5所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述若干埋地管采用PE管。

7.  根据权利要求1所述的用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，其特征在于，所述出风管（5）和所述回风管（9）为防水保温的管道。

用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统
技术领域
本发明涉及机柜空调的设计与制造技术领域，具体的说，是一种用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统。
背景技术
空调是现在普遍使用的设备或者家电之一。本发明所述的空调主要是指工业或者商业用空调设备。目前，很多工业行业或者商业上所用的室内外机柜空调（电气控制柜、通信机柜等）基本是采用常规的压缩机、半导体、涡旋管制冷方式的机柜空调。随着工业和商业上需求的发展，对室内外机柜空调的要求也在不断提高，除了需要防尘、防水、防震以及恒温恒湿的要求以外，对机柜内的工作环境，尤其是对机柜安装在室外恶劣环境的要求也更加严格。就目前情况而言，现有室内外机柜空调还存在以下不足。
传统压缩机式机柜空调存在的不足有：⑴压缩机工作方式有震动、噪音和电磁的干扰；⑵机柜体积较大，柜内设备的安装空间有限；⑶空调工作时产生的冷凝水排放的问题；⑷制冷时会向周边排放大量的热量，影响环境；⑸机柜内的湿度不能调节。
半导体机柜空调存在的不足有：⑴制冷量不够大，不能满足极端情况下的制冷要求；⑵能效比（COP）较小，耗电量较大；⑶不能调节柜内湿度；⑷防尘上也有不足。
涡旋管机柜空调存在的不足有：⑴需要用工业压缩空气；⑵特定的工作方式下会产生大量的噪音及震动，必须增加消音器；⑶对压缩空气有（除湿除油的）特殊要求；⑷不能调节柜内湿度；⑸制冷时会向周边排放大量的热量，影响环境。
发明内容
本发明的目的在于解决或部分解决以上问题，提供一种用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，它能为各类机柜内部提供理想的温湿度环境，隔离外界环境的灰尘、腐蚀性气体，延长电气元件的使用寿命，环保节能，提高空调系统运行的可靠性。
为实现以上的目的，本发明采用了以下技术方案。
用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，为利用浅层地能进行制冷供热的空调系统，其特征在于，含有地源热泵机组、出风口、出风管、进风口、回风管和若干机柜以及地源侧回水管、水泵、同程管、地源侧出水管及若干组地埋管；在所述地源热泵机组上设置智能控制器和室外温湿度传感器；
在所述地源热泵机组的一侧设置出风口和进风口，在所述出风口的外端连接出风管并设置第一风量传感器和第一温湿度传感器，在所述出风管的外端连接所述的若干机柜，所述若干机柜中的每个机柜含有一个风量控制阀、一个进风口、一个回风口和一个温湿度传感器；所述出风管通过所述风量控制阀与所述若干机柜中的每个机柜连接；在所述进风口的外端连接所述回风管并设置第二风量传感器和第二温湿度传感器，所述回风管与所述若干机柜中的每个机柜的回风口连接；所述若干机柜中的每个机柜通过各回风口和回风管与所述地源热泵机组的一侧连接，形成制冷或供热循环；
在所述地源热泵机组的另一侧连接所述地源侧回水管和所述地源侧出水管：所述地源热泵机组另一侧的出水点上连接所述地源侧出水管，地源侧出水管再与所述若干组地埋管的进水口相连，若干组地埋管的出水口与所述同程管相连接，通过所述水泵与所述地源侧回水管连接，并接入地源热泵机组，形成对浅层地能利用的循环；
所述第一风量传感器、第一温湿度传感器、第二风量传感器、第二温湿度传感器、室外温湿度传感器以及每个机柜内设置的温湿度传感器通过通信总线或信号线与所述地源热泵机组上的智能控制器连接，由所述智能控制器进行数据采集、运算，参考系统设定值进行模糊控制，直接控制所述地源热泵机组的启停。
进一步，所述地源热泵机组共设有两台，它们互为备用设备，既，当有一台地源热泵机组在使用时，另外一台地源热泵机组就作为备用设备。
进一步，所述地源热泵机组为标准设备，按统一标准制造和装配。
进一步，所述若干机柜型号相同的机柜，按统一标准制造和装配。
进一步，所述若干埋地管为单U或双U结构的地埋管，按统一标准制造和装配。
可选的，所述若干埋地管采用PE管。
进一步，所述出风管和所述回风管为防水保温的管道。
本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统的积极效果是：
（1）采用节能环保的地源热泵系统，其冷热源采用安装灵活、易于控制的埋地管系统—埋管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统，充分利用自然界的浅层地能。
（2）利用标配的若干机柜进行空气换热循环或除湿加湿，对工业或商业用机柜内部提供了理想的温湿度环境，同时隔离了外界环境中的灰尘和腐蚀性气体，能延长电气元件的使用寿命，提高机柜设备系统运行可靠性。
（3）本发明在结构上的进步表现为：
①地源热泵机组与若干机柜为分离安放，地源热泵机组对机柜在振动、噪音、电磁干扰等方面没有影响。
②若干机柜的内部仅仅安装了用于进风回风的风口，占用机柜的空间小，有利于减小机柜的体积。
③若干机柜的现场无冷凝水排放。
④不仅能调节机柜内的温度，而且能调节机柜内的湿度，可实现机柜内无凝露，并能减少静电的产生。
⑤地源热泵机组在寒冷、高温、高湿、干燥的各种环境下都能正常运行。
⑥由于不与外界空气循环，各机柜可全封闭，提高了机柜的防护等级。
⑦设置2台地源热泵机组，一用一备用，提高了空调系统运行的可靠性，可长时间不间断运行。
（4）本发明能充分利用蕴藏于土壤中可循环再生的巨大能量，实现制冷供暖，而且运行费用较低：地源热泵比风冷热泵可节能40%；比火电采暖可节能70%；比燃气炉效率可提高48%；所需制冷剂比一般热泵空调可减少50%。此外，本发明还具有不向外界排放任何废气、废水、废渣、也不影响地下水的优点，属于“绿色空调”的范畴。
附图说明
图1是本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统的结构示意图。
图中的标号分别为：
1、地源热泵机组；                  2、出风口；
3、第一风量传感器；               4、第一温湿度传感器；
5、出风管；                             6、进风口；
7、第二风量传感器；               8、第二湿度传感器；
9、回风管；                             10、地源侧回水管；
11、水泵；                                12、地源侧出水管；
13、室外温湿度传感器；           14、第一温度传感器；
15、第二温度传感器；             16、第一组地埋管；
17、第二组地埋管；                 18、第三组地埋管；
19、第四组地埋管；                  20、第五组地埋管；
21、第一机柜；                          2101、第一机柜风量控制阀；
2102、第一机柜进风口；            2103、第一机柜出风口；
2104、第一机柜温湿度传感器；   22、第二机柜；
2201、第二机柜风量控制阀；      2202、第二机柜进风口；
2203、第二机柜出风口；            2204、第二机柜温湿度传感器；
23、第三机柜；                          2301、第三机柜风量控制阀；
2302、第三机柜进风口；            2303、第三机柜出风口；
2304、第三机柜温湿度传感器；   24、第四机柜；
2401、第四机柜风量控制阀；      2402、第四机柜进风口；
2403、第四机柜出风口；            2404、第四机柜温湿度传感器；
25、第五机柜；                          2501、第五机柜风量控制阀；
2502、第五机柜进风口；            2503、第五机柜出风口；
2504、第五机柜温湿度传感器；   26、同程管。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统的具体实施方式，但应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
参见附图1。一种用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统，为利用浅层地能进行制冷供热的空调系统，含有地源热泵机组1、出风口2、出风管5、进风口6、回风管9和若干机柜（图1中显示了第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25）以及地源侧回水管10、水泵11、同程管26、地源侧出水管12及若干组地埋管（图1中显示了第一组地埋管16、第二组地埋管17、第三组地埋管18、第四组地埋管19和第五组地埋管20）。
所述地源热泵机组1为在常规的地源热泵空调主机的基础上增加了除湿加湿装置和空气循环系统的机组。本发明在实施中采用了两台所述的地源热泵机组1，它们同为标准设备，按统一标准制造和装配。将两台所述地源热泵机组1按互为备用设备进行设置，既，当有一台地源热泵机组1使用时，另外一台地源热泵机组1处于备用状态。
在所述地源热泵机组1上设置智能控制器和室外温湿度传感器13。所述智能控制器采用DSP数字处理芯片作为主控芯片，同时具有RS232、RS485、以太网及无线通讯功能，能实现各传感器与地源热泵机组1、地源热泵机组1与远程控制端的实时网络通讯。所述智能控制器含有现场触摸显示终端、主控线路板（主控制器）。所述触摸显示终端可显示空调系统各部件（各机柜和各埋地管）的运行情况、用户参数设置及控制界面、报警信号内容、系统运行曲线等。所述智能控制器在制冷或制热过程中能不间断地进行数据采集、运算和控制：通过各机柜上设置的温度传感器（图1中显示的为第一机柜温湿度传感器2104、第二机柜温湿度传感器2204、第三机柜温湿度传感器2304、第四机柜温湿度传感器2404和第五机柜温湿度传感器2504）采集各机柜（图1中显示的为第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25）内的实时温度；通过在地源热泵机组1回风口6外端设置的第二风量传感器7和第二温湿度传感器8采集回风温度和风量；通过在地源热泵机组1上设置的室外温湿度传感器13采集室外环境温度；经过主控制器的运算并与设定值进行比较得出温度差。再通过对所述温度差的相对采集时间的变化率和温差值用主控制器进行模糊运算得出制冷制热输出百分比，然后依此控制地源热泵机组1内的压缩机、阀体、水泵、无级调速EC风机，从而将所述若干机柜内的温度控制在设定值的范围内。
所述智能控制器在除湿加湿过程中能不间断地进行数据采集、运算和控制：通过所述各机柜内部设置的湿度传感器（图1中显示的为第一机柜温湿度传感器2104、第二机柜温湿度传感器2204、第三机柜温湿度传感器2304、第四机柜温湿度传感器2404和第五机柜温湿度传感器2504）采集所述各机柜（图1中显示的为第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25）内的实时湿度；通过在地源热泵机组1出风口2外端设置的第一风量传感器3和第一温湿度传感器4采集回风湿度；通过在地源热泵机组1上设置的室外温湿度传感器13采集室外环境湿度；经过主控制器的运算并与设定值进行比较得出湿度差。再通过对所述湿度差的相对采集时间的变化率和湿差值用主控制器进行模糊运算得出除湿加湿输出百分比，然后依此控制地源热泵机组1内的压缩机、阀体、水泵、无级调速EC风机，从而将所述若干机柜内的湿度控制在设定值的范围内。
在所述地源热泵机组1的一侧（图1方向的右侧）设置出风口2和回风口6。在所述出风口2的外端连接出风管5并设置第一风量传感器3和第一温湿度传感器4。在所述出风管5的外端连接所述的若干机柜。实施中，所述若干机柜可根据产品型号设计具体配置数量，在附图1中的介绍性说明为：第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25。所述若干机柜可采用19”标准或者非标机柜，如：室内外继电保护柜、通讯机柜、电器控制柜等。但是，需要在机柜内安装本发明所需要的出风口（图1中显示的为第一机柜出风口2103、第二机柜出风口2203、第三机柜出风口2303、第四机柜出风口2403和第五机柜出风口2503），所述出风口按统一标准制造和装配。
所述若干机柜中的每个机柜含有一个风量控制阀（图1中显示的为第一机柜风量控制阀2101、第二机柜风量控制阀2201、第三机柜风量控制阀2301、第四机柜风量控制阀2401和第五机柜风量控制阀2501）、一个进风口（图1中显示的为第一机柜进风口2102、第二机柜进风口2202、第三机柜进风口2302、第四机柜进风口2402和第五机柜进风口2502）和一个出风口（图1中显示的为第一机柜出风口2103、第二机柜出风口2203、第三机柜出风口2303、第四机柜出风口2403和第五机柜出风口2503）以及一个温湿度传感器（图1中显示的为第一机柜温湿度传感器2104、第二机柜温湿度传感器2204、第三机柜温湿度传感器2304、第四机柜温湿度传感器2404和第五机柜温湿度传感器2504）。所述风量控制阀可采用手动或自动的风量调节阀；所述进风口可采用ABS、不锈钢、铝合金等材质的定制风口；所述出风口可采用ABS、不锈钢、铝合金等材质的定制风口；所述温湿度传感器可采用带RS-485标准通讯接口的温湿度传感器。将所述出风管5通过所述风量控制阀与所述若干机柜中的每个机柜相连接。
在所述进风口6的外端连接所述回风管9并设置第二风量传感器7和第二温湿度传感器8。将所述回风管9与所述若干机柜中的每个机柜的出风口（图1中显示的为第一机柜出风口2103、第二机柜出风口2203、第三机柜出风口2303、第四机柜出风口2403和第五机柜出风口2503）相连接。所述若干机柜中的每个机柜通过各自所述的出风口与回风管9连接并通过所述回风管9与所述地源热泵机组1的一侧连接，形成制冷或供热的循环结构。
在所述地源热泵机组1的另一侧（图1方向的左侧）连接所述地源侧回水管10和所述地源侧出水管12：地源热泵机组1左侧的进水点通过管道设置一个水泵11，然后再通过所述水泵11与所述地源侧回水管10连接。所述地源侧回水管10再通过单向接头和所述同程管26与若干组地埋管连接（附图1中的介绍性说明为：第一组地埋管16、第二组地埋管17、第三组地埋管18、第四组地埋管19和第五组地埋管20）。本发明所述的地埋管可采用单U或双U结构的地埋PE管。不管采用何种形式的地埋管，都应该按统一标准制造和装配，实施中，地埋管的配置数量及垂直埋入的深度视采用的空调型号和安装当地的土质进行选择。
所述若干组地埋管（图1中显示的为第一组地埋管16、第二组地埋管17、第三组地埋管18、第四组地埋管19和第五组地埋管20）是通过所述同程管26相连的，这样的结构可保证所述若干组地埋管的进水压力是相对恒定的。所述若干组地埋管的另一端通过单向接头和所述地源侧回水管10与所述地源热泵机组1左侧的进水点连接。出水点与地源侧出水管12、回水点与地源侧回水管10以及所述同程管26和所述若干组地埋管形成本发明的空调系统对浅层地能有效的循环利用。
实施中，本发明所有出风管5和回风管9采用防水保温的管道。
实施中，本发明所述的第一风量传感器3、第一温湿度传感器4、第二风量传感器7、第二湿度传感器8、室外温湿度传感器13以及第一机柜温湿度传感器2104、第二机柜温湿度传感器2204、第三机柜温湿度传感器2304、第四机柜温湿度传感器2404和第五机柜温湿度传感器2504通过通信总线或信号线与地源热泵机组1上的智能控制器连接，由所述智能控制器进行数据采集、运算，参考系统设定值进行模糊控制，直接控制所述地源热泵机组1的启停。
本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统的工作原理和工作过程为：
（1）空气换热循环
若干机柜中每个机柜（第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25）内的空气经机柜本身的出风口（第一机柜出风口2103、第二机柜出风口2203、第三机柜出风口2303、第四机柜出风口2403和第五机柜出风口2503）、回风管9和进风口6进入所述地源热泵机组1，地源热泵机组1上的智能控制器再根据各传感器提供的数据和已经设定的参数进行冷热转换运行模式的自主调节；经地源热泵机组1调节后的空气再通过EC风机、出风管5、若干机柜中每个机柜外部的风量控制阀（第一机柜风量控制阀2101、第二机柜风量控制阀2201、第三机柜风量控制阀2301、第四机柜风量控制阀2401和第五机柜风量控制阀2501）和柜内的进风口（第一机柜进风口2102、第二机柜进风口2202、第三机柜进风口2302、第四机柜进风口2402和第五机柜进风口2502）进入若干机柜的每个机柜，从而形成一次空气换热循环。
在整个换热过程中，采用智能模糊化的控制系统通过信号采集、运行及控制，精确控制地源热泵机组1的制冷制热运行状态，使若干机柜的每个机柜内的环境温度达到一定范围内的恒定。
（2）除湿加湿
在除湿加湿过程中，若干机柜中的每个机柜（第一机柜21、第二机柜22、第三机柜23、第四机柜24和第五机柜25）内的空气经机柜本身的出风口（第一机柜出风口2103、第二机柜出风口2203、第三机柜出风口2303、第四机柜出风口2403和第五机柜出风口2503）、回风管9和进风口6进入所述地源热泵机组1，地源热泵机组1上的智能控制器再根据各传感器提供的数据和已经设定的参数进行除湿加湿运行模式的自主调节；经地源热泵机组1除湿加湿调节后的空气再通过EC风机、出风管5、若干机柜中每个机柜外部的风量控制阀（第一机柜风量控制阀2101、第二机柜风量控制阀2201、第三机柜风量控制阀2301、第四机柜风量控制阀2401和第五机柜风量控制阀2501）和柜内的进风口（第一机柜进风口2102、第二机柜进风口2202、第三机柜进风口2302、第四机柜进风口2402和第五机柜进风口2502）进入若干机柜的每个机柜，从而形成一次空气除湿加湿循环。
在整个除湿加湿过程中，采用智能模糊化的控制系统通过信号采集、运行及控制，精确控制地源热泵机组1的除湿加湿量，使若干机柜的每个机柜内的环境湿度达到一定范围内的恒定。
（3）通过埋地管对浅层地能的利用过程
是通过地下温度与地面温度的温差进行冷热交换，实现对浅层地能的循环利用。
夏季，地下冷地面热，将地源热泵机组1在制冷过程中产生的热量经介质（水）从地源热泵机组1的出水点和地源侧出水管12流入封闭的若干组地埋管管路，将热量转移到地下，经地下地埋管冷却后的水再经同程管26、地源侧回水管10、水泵11和进水点进入地源热泵机组1。
冬季，地下热地面冷，将地源热泵机组1在制热过程中产生的冷量经介质（水）从地源热泵机组1的出水点和地源侧出水管12流入封闭的若干组地埋管管路，将冷量转移到地下，经地下埋地管换热后的水再经同程管26、地源侧回水管10、水泵11和进水点进入地源热泵机组1。
因此说，本发明用于室内外机柜的恒温恒湿地源热泵空调系统制冷换热的能量来源于自然能源，它不向外界排放任何废气、废水、废渣、也不影响地下水，是一种理想的“绿色空调”；是目前可使用的对环境最友好和最有效的供冷供热系统；在较为广泛的地区都可以应用。