1 绪论。
目前市场上的空调器种类繁多，但社会上使用的空调系统主要还是以空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高而冬季供热负荷越大时对应的蒸发温度越低，为此增加了大量能耗。根据热力学原理，降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率、节约能源。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源，无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。
由于太阳光的辐射和土壤的保护，地下一米半处温度常年保持在5～15℃。我们生活的环境温度随着季节的不同，变化很大，冬季，北方最低气温零下40℃，夏季，南方最高气温零上40℃。实际上，相对于环境温度，冬季，地温是一个巨大的热资源，夏季，地温是一个巨大的冷资源。
地温**空调的运行原理： 这项高新技术根据可逆卡诺循环原理，利用地温能源，冬天采用热泵技术原理，通过热交换将地下水或土壤中的热量提出用于室内采暖，而夏天则利用地下土壤或地下水带走热量，达到制冷效果。与地面上环境空气相比，地温**空调利用地源热泵技术，采用逆卡诺循环原理，利用水循环把地下水中的热能收集起来，再进行能量转换，制冷时出口温度为7～12摄氏度，供热时出口温度为45～55摄氏度。
夏季室内温度控制在18～22摄氏度以下， 在冬季可以用太阳能产生的热量使室温保持在16～20摄氏度，是集制冷、供暖为一体的经济型**空调。太阳能冷暖空调是利用先进的超导传热贮能技术，集成了太阳能，超导地源制冷系统的优点，最新研发成功的一种高效节能的冷暖空调系统。该系统的输入端可以连接到太阳能集热板，超导地源低温制冷系统。
它的输出端与室内冷暖分散系统相连接。所有的连接设备，均采用温控系统集中自动控制，是冬季采暖夏季制冷的节能环保产品。设计中采用太阳能发电来为太阳能冷暖空调提供所需的高品位电能，是空调行业的创新，随着人们对环境的重视。
经过近十几年来，科学家的不断探索，太阳能发电技术已经趋于成熟， 我国太阳能资源丰富，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000个小时，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和。因而太阳能发电在我国很有发展潜力，用太阳能发电来满足空调所需电能，对我国能源的合理利用有着重要的意义。
地源热泵技术在空调行业的应用，将大大缓解我国能源短缺问题。据统计，我国总的能源利用率约为30％，这仅相当于发达国家50年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25％，其中供热采暖能耗约占一半。
能源短缺导致中国的能源**越来越接近发达国家的水平。要在可利用能源每年增长率仅为3％～5％的条件下满足国民经济持续每年增长8％～9％，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了必须在窍门和取暖这一耗能大项上有所改进。中国建筑科学研究院空调所指出，地源热泵技术由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70％来自地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少，因此可以大大缓解我国的能源压力。
同时，地源热泵技术是一项环保性技术。分析和调查表明，地源热泵的应用将减轻臭氧层的破坏，对降低温室效应起了积极作用，这项技术和沼气发电技术在空调行业的联合应用将缓解城市空气污染问题，符合我国的可持续发展战略。
2 设计要求。
系统的具体设计要求为：
1）设计出能利用太阳能转换成电能的设备来带动地温空调。
2）利用水循环把地下水中的热能收集起来，进行能量转换，进行制冷、供暖。
3）解决回灌井回灌效果不好（堵塞）问题。
4）解决水井管网排污、清洗管路中杂质问题。
5）解决回灌水从井中溢出问题。
基于上述要求， 所设计的系统必须有以下结构模块：光能－电能转化单元，能量收集及其转化单元，常见问题的优化单元。
3 冷暖地温空调工作原理及其设计与研究。
3.1 设计原理及其特点
3.1.1 设计原理。
地温**空调采用逆卡诺循环原理， （该原理是由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程。它是2023年卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气等损耗。
为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程，①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中t1、t2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。
可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程）利用水循环把地下水中的热能收集起来，再进行能量转换。再利用热泵原理（热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其工作原理与制冷机相同）通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移，利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉，以水为储存和提取能量的基本介质，借助压缩机系统，消耗少量电能，在夏季将建筑物中的热量转移到水中。冬季则从水源中提取热量，以达到调节室内温度的目的。
同时设计中利用太阳能发电来提供水空调所需电能，是空调行业的创新。
该机组设计合理，运行稳定可靠，制冷制热效率高，运行的可靠性和稳定性强，该机组最大优点是：高效、节能、经济、环保、运输、安装、维修极为方便，更加高的取暧比。
3.1.2 特点。
1）高效一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点，1kw的能量可供60-80平方米的建筑采暖、制冷。
2）耗电省冬季运行时，cop约为4.2，即投入1kw电能，可得到4kw的热能，夏季运行时，cop可达5.3，投入1kw电能，可得到5kw的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。
3）节省占地面积省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象。
4）经济初投入低于其它**空调机组，运行费用仅为其它型式空调机组的50%左右。
5）可靠性高、寿命长无故障运转时间５万小时，使用寿命20－30年。
6）环保使用过程中不释放任何对环境有害的排泄物，井水回灌，不破坏水资源。
7）安全不存在任何**和燃烧的隐患，使用方便，适用面广，既可用于中草药小区域取暖制冷，又可多机组合用于建筑群体。
8）舒适适度除室内湿度不过分干燥，而且相对湿度应该始终保持在60%左右人体最舒适水平，这样就克服了井水空调过分潮湿和氟利昂空调过分干燥的缺陷。
（9）健康空气净化能力强，不断产生负离子，室温柔和清凉爽快森林般自然环境不生空调病。
（10）高效采用气水分离技术提高水的密度提高水温传导效率，结合特制的蒸发器充分利用天然冷气，空调出风温度接近于水温，同等水温条件下比用一般水温空调明显降低3-5℃。
11）一机多用地源热泵系统可供暖，空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。
12）可再生土壤有较好的蓄热性能冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。
13）可分区控制**空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。
3.2设计选型要求。
3.2.1 工程设计要求。
1、机房可选地下室、地面、楼层中、屋顶，但以地面为最佳。
2、机组基础设计可按土建静负荷加10%考虑。
3、机组组合间距螺杆为1400-1800mm，其余为600-800mm。
4、机房应保证通风良好。
5、机房应设排水，机组周边设置排水沟，沟上设金属篦子，地下室机房应设置集水坑和潜水泵，实现自动排水。
3.2.2水系统设计要求。
1、机组冷冻水，冷却水入口必须设过滤器。
2、机组冷冻水，冷却水出口和入口中必须设置减振接头，各水泵进出口必须设减振接头。
3、管道阀门设置位置应考虑操作，拆卸方便。
4、管道最低处应设排水装置，最高处应设自动排气装置。
5、机组接管附近应设压力表和温度计。
3.2.3 电气控制要求。
1、机房内电气专业的设计施工，应按照国家有关规定进行。
2、机组本身带控制柜，实行智能控制。
3、机组及电机均应有可靠接地。
注：若需提供卫生热水，应特别说明。
3.3 太阳能－电能转化技术研究。
太阳能转化为电能有2种主要途径：一种是通过光电装置将太阳光直接转化为电能，即“太阳光发电”,常称为“光伏发电”;另一种是收集太阳辐射能转化为电能， 即“太阳热发电”。本文设计中所使用的太阳能—电能转化装置是光伏发电与光热发电技术相结合来实现的。
3.3.1 光伏发电技术。
1)发电系统构成部分及工作原理。
太阳辐射的光子带有能量，当光子照射半导体材料时，光能便转换为电能，这个现象叫“光伏效应”。太阳能光伏发电，光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。其电路图如图1所示，图1 光伏发电系统主电路图。
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。发出的直流电采用蓄电池组储存，使用时经逆变器转化为交流电送给用户。它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。
太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片）。目前，单晶硅和多晶硅电池用量最大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。
光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成其系统结构如下图2，图2 光伏发电系统结构。
1)太阳能电池是光伏发电的核心部件，能够将光能直接转化为电能，发电时常将太阳能电池组件按一定方式排列成方阵，提高太阳能利用效率。太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
目前，单晶硅和多晶硅电池用量最大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。p型晶体硅经过掺杂磷可得n型硅，形成p－n结。
当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在p-n结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。
目前应用较广的太阳能电池有单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜3 种，转换效率最高达到20%左右， 具体数据见表1，太阳能电池作为将太阳能转换成电能的主要转换器件，它的转换效率取决于诸多因素，如温度、光照情况、负载参数等．在一定条件下，根据负载匹配原理适当调整匹配参数，使太阳能电池出力达到最大是太阳能电池的最大功率点问题（maximum power point，简称mpp）。在小型太阳能发电装置中，为了提高发电效率，这一技术受到重视。在中等规模太阳能发电系统中，还应考虑太阳跟踪技术所产生的发电效益。
太阳能电池板输出伏安特性存在最大功率点，输出电压过高或过低，输出电流过高或过低，都会影响太阳能发电系统的发电效率。而负载很难为了迎合最大功率点的要求去调整它的阻抗，所以目前普遍的做法是在太阳能电池板和负载之间加入dc-dc 转换电路，使输入和输出阻抗实现匹配。其中，dc-dc 转换电路主要有buck 电路，boost 电路和sepic 电路等。
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