CN100547308C

CN100547308C - 空调设备及在空调装置中安装能量回收装置的方法

Info

Publication number: CN100547308C
Application number: CNB2004100382229A
Authority: CN
Inventors: 田中雄司; 藤田幸央; 高山英治; 佐藤幸一
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: US20040237545A1; US7818973B2; CN1550665A; US20080022699A1; US7296429B2; JP4069010B2; EP1479980A1; JP2004340446A

Abstract

本发明提供了一种能量回收装置，在带有落水防止阀的水蓄热式空调设备中，可以回收水力能量，同时，可以与随着空调负载的变动的流量变化相对应；另外，即使在能量回收装置出故障的情况下，空调设备也可以正常工作。该能量回收装置，可通过送水管，用泵将水槽的水送至高处的热源机或风机盘管等的空调负载；通过空调负载的水，可通过具有落水阀的回水管路，导入水槽中。还具有从落水防止阀的上游的回水管路，分支导入水槽的分支管路，在该分支管路的途中，安装能量回收装置。

Description

空调设备及在空调装置中安装能量回收装置的方法

技术领域

本发明涉及空调设备，特别涉及设置有能量回收装置的空调设备。另外，本发明还涉及在空调设备中安装能量回收装置的方法。

背景技术

作为水蓄热式空调设备的一般形态，如图9所示，具有蓄热槽6，利用泵7将蓄热槽6的水送至热源机或风机盘管等的空调负载(A.H.)9中，通过空调负载9的水，由回水管路10导入上述蓄热槽6中。这称为开放回水法。开放回水法用在实际扬程低于20m的情况下。当空调停止时，由送水泵的给水也停止，但在开放回水方式中，垂直立起的回水管路内的水，因重力而自由落下，即落水。由落水形成的虹吸效果，在管路内形成负压，产生空洞，发生噪声、振动和腐蚀。为了防止这种现象，可设置真空断路器12a，以防止管路内成为负压，在JP-A-63-297949中公开了开放回水方式的水蓄热式空调设备的能量回收装置。其结构表示在图11中。

在大楼的地下部分有水蓄热槽6，在利用泵7将蓄热槽6中的水送至屋上面的热源机14的同时，用另一个泵27，将蓄热槽6中的水送至各层的空调负载29中。送至空调负载29中的水，通过回水管路22，返回至设在地下的蓄热槽6中。在回水管路的途中的三层部分和地下一层部分上设有能量回收装置100。

另一方面，随着近年来建筑物的高层化，水蓄热式空调设备也适用于在5～10层左右的建筑物。在这种情况下，由于实际扬程超过20m，用开放回水法时，落水时的振动和噪声增大。为了防止这点，在返回回水管路10的途中的蓄热槽6之前，设置落水防止阀11，以防止落水。这就是满水回水法，一般形式如图10所示。

落水防止阀11为压力调整阀的一种，当比设定压力大的压力作用时，阀打开，水通过阀。另一方面，在停止空调，停止从送水泵7给水的情况下，快速关闭该阀，可以防止落水。在从送水泵7的给水停止开始至落水防止阀11关闭的时间(3～10秒)中，与开放回水法同样，垂直立起的回水管路10内的水，依靠重力自由落下，即落水。这时，为了防止管路内成为负压，通过单向阀12b，设置调压水箱13。在至落水防止阀11关闭前的时间，从调压水箱13补充水，以防止管路内的压力成为负压。

当空调停止，从送水泵7的给水停止时，因为落水防止阀11必须防止回水管路10内的水落下，因此，落水防止阀11的设定压力，必须比在关闭状态下作用在阀上的压力稍微大些。当送水泵7停止时，作用在落水防止阀11上的压力为回水管路10内的水所具有的势能，即从落水阀11至调压水箱13的水面的高度、实际扬程。换句话说，落水防止阀11具有与实际扬程相当的阻力。即：当空调运转，送水泵7供水时，由送水泵7压至空调设备管路的最上部的水所具有的势能，在通过落水防止阀11时，被落水防止阀11的阻力消耗了。因此，由于在落水防止阀11的下游的回水中，没有残留的能量，不可安装能量回收装置。

另一方面，在将能量回收装置安装在落水防止阀11的上游的情况下，回水的势能不被落水防止阀11前面的能量回收装置吸收。这样，回水不能克服落水防止阀11的阻力流动，因此空调设备不能正常工作。

另外，由于在将能量回收装置安装在落水防止阀11的上游的状态下，为了开动空调设备，必须增大送水泵7的动力，因此与节省能量背道而驰。

在将能量回收装置安装在落水防止阀11的上游的情况下，由于落水防止阀的设定压力小，即落水防止阀11的阻力减小，可以抑制送水泵7的动力增加，但是，在停止空调的情况下，由于落水防止阀11不能维持回水所具有的实际扬程，因此还有落水的问题。将落水防止阀设置在空调设备的地下等，取出困难。

另外，在能量回收装置产生故障的情况下，由于与回水管路内有障碍物的状态相同，空调设备也不能正常工作。

发明内容

本发明是考虑这些问题而提出的，其目的是要提供一种空调设备和能量回收装置的安装方法，即使在带有落水防止阀的蓄热式等空调设备中也可回收水力能量，而且具有与空调负载变动引起的流量变化相对应的能量回收装置的运转方法，并且即使在能量回收装置出现故障的情况下，也可回收空调设备正常工作的建筑物的未利用能量。

为了达到上述目的，本发明的空调设备具有水蓄热槽等水槽，利用泵将上述水槽的水送至热源机或风机盘管等空调负载中，通过上述空调负载的水，则利用回水管路导入上述水槽中，再通过设在上述回水管路上的落水防止阀，返回至上述水槽中，在上述空调设备中设有从上述落水防止阀的上游的上述回水管路，通往上述水槽的分支管路，在上述分支管路的途中，安装能量回收装置。这样，回水通过上述分支管路返回上述水槽中，因此，不会因上述落水防止阀的阻力而浪费回水具有的势能。因此，安装在上述分支管路途中的能量回收装置可以回收势能。另外，在能量回收装置出故障，成为障碍物，通过分支管路的流量减少的情况下，由于通过现有设备的回水管路的落水防止阀流动，因此对空调设备的工作没有影响。

另外，本发明的空调设备具有水槽，利用泵将上述水槽的水送至热源机或风机盘管等空调负载中。通过上述空调负载的水利用回水管路导入上述水槽中，并通过设在上述回水管路上的落水防止阀，返回上述水槽中，在上述空调设备中，还设有从上述落水防止阀上游的上述回水管路，通至上述水槽的分支管路，在上述分支管路的途中安装能量回收装置，在上述能量回收装置的下游安装控制阀。这样，回水通过上述分支管路返回上述水槽中，因此，不会因上述落水防止阀的阻力而浪费回水具有的势能。因此，安装在上述分支管路途中的能量回收装置可以回收回水所具有的势能。另外，当空调设备停止时，关闭控制阀，可防止分支管路的水落下。

另外，本发明的空调设备的能量回收装置的运转方法，在水蓄热式等空调设备中，具有水槽，利用泵将上述水槽的水送至热源机或风机盘管等空调负载中，通过上述空调负载的水利用回水管路导入上述水槽中，并通过设在上述回水管路上的落水防止阀，返回上述水槽中。在上述水蓄热式等空调设备中，还设有从上述落水防止阀上游的上述回水管路，通至上述水槽的分支管路，在上述分支管路的途中安装能量回收装置。可控制上述能量回收装置的运转，使得在通过上述能量回收装置的流量变化的情况下，上述能量回收装置的入口压力相对于以额定流量运转上述能量回收装置时的上述能量回收装置的入口压力，控制在给定的比率范围内。这样，由于可适当地保持上述回收管路内的压力，可以防止上述回水管路内产生负压，产生空洞，和发生噪声、振动与腐蚀。

另外，在水蓄热式等空调设备中，具有水槽，利用泵将上述水槽的水送至热源机或风机盘管等空调负载中，通过上述空调负载的水利用回水管路导入上述水槽中，并通过设在上述回水管路上的落水防止阀，返回上述水槽中，在上述水蓄热式等空调设备中，还设有从上述落水防止阀上游的上述回水管路，通至上述水槽的分支管路，在上述分支管路的途中安装能量回收装置。在上述能量回收装置的下游安装控制阀，可调节上述能量回收装置的运转状态和上述控制阀，使得在通过上述能量回收装置的流量变化的情况下，将上述能量回收装置的入口压力相对于以额定流量运转上述能量回收装置时的上述能量回收装置的入口压力，控制在给定的比率范围内。这样，由于空调设备工作中可适当地保持上述回水管路内的压力，可以防止上述回水管路内产生负压，产生空洞，和发生噪声、振动与腐蚀。另外，当空调设备停止时，可关闭控制阀，防止回水管路中的水落下。

本发明的能量回收装置，由具有离心式叶轮的水轮机、无电刷永久磁铁同步发电机和控制该发电机的发电机控制器构成。利用发电机控制器，可以调节发电机的旋转速度，因此可以调节与发电机直接连接的水轮机的旋转速度。因此，灵活应用具有离心式叶轮的水轮机的特性，即通过水轮机的流量因旋转速度而变化的特性，可以与通过水轮机的流量变化对应。这样，可以防止回水管路内产生负压，产生空洞，和产生噪声，振动与腐蚀。

另外，由于本发明的能量回收装置的下游管路的口径，比上游的管路口径小，因此，可以减小装在上述能量回收装置下游的控制阀，可以提供廉价的能量回收装置。

附图说明

图1为第一个实施例的空调设备的结构说明图；

图2为第二个实施例的空调设备的结构说明图；

图3为第三个实施例的空调设备的结构说明图；

图4为第四个实施例的空调设备的结构说明图；

图5为表示第四个实施例中使用的叶轮的水流状况的说明图；

图6为第四个实施例中使用的法兰西斯式水轮机发电机的特性说明图；

图7为在第四个实施例中使用的法兰西斯式水轮机发电机的特性说明图；

图8为在第四个实施例中使用的控制阀的特性说明图；

图9为表示开放回水方式水蓄热式空调设备的结构说明图；

图10为表示满水回水方式的蓄热式空调设备的结构说明图；

图11为表示现有的能量回收装置的结构说明图。

具体实施方式

下面，利用实施例来详细说明本发明。

实施例

现在来说明本发明的实施例。

利用图1～图8来说明本发明的空调设备及能量回收装置的实施例。图1为第一个实施例的空调设备的结构说明图，图2为第二个实施例的空调设备的结构说明图，图3为第三个实施例的空调设备的结构说明图，图4为第四个实施例的空调设备的结构说明图，图5为表示第四个实施例中使用的叶轮的水流状况的说明图，图6为在第4个实施例中使用的法兰西斯式水轮机发电机的特性说明图，图7为第四个实施例中使用的法兰西斯式水轮机发电机的特性说明图，图8为第四个实施例中使用的控制阀的特性说明图。

现说明第一个实施例。图1为安装本实施例的能量回收装置的水蓄热式空调设备。管路从蓄热槽6开始与送水泵7连接，从送水泵7出来的管路与空调机9连接。从空调机9出来的管路与回水管路10连接。回水管路10通过在上部的单向阀12，与调压水箱13连接。回水管路10的下部与蓄热槽6连接。在返回回水管路10的途中的蓄热槽前面，设置落水防止阀11。将设定压力设定得与安装能量回收装置前相同。设有从落水防止阀11的上游分出的分支管路4，它与蓄热槽6连接。在分支管路4上安装有手动阀5。另外，在安装于分支管路4上的手动阀5的下游，设置具有离心叶轮的法兰西斯式水轮机1。无电刷的永久磁铁式同步发电机2与法兰西斯式水轮机1直接连接，构成能量回收装置100。

蓄热槽6中的水，由送水泵7送至上部的空调机9中。在空调机9中进行热交换的水具有势能，该水通过回水管路10，向着蓄热槽6落下。当空调设备停止，从送水泵的给水停止时，设在回水管路10的下部的落水防止阀11的设定压力，即水通过落水防止阀11的阻力，比与势能相当的水位差设定得稍大一些，以关闭落水防止阀11。因此，回水管路10中的水，不通过阻力大的落水防止阀11，而流入设在落水防止阀11的上游的分支管路4。由于安装在分支管路4上的手动阀5设定为全开的状态，因此手动阀5没有阻力，这样，利用设置在手动阀5的下游的能量回收装置100，可以回收大部分回水所具有的势能。

另外，由于能量回收装置100设在分支管路4上，落水防止阀11安装在回水管路10上，因此即使在能量回收装置100因某种影响而出现故障，水通过水轮机1时的阻力增大的情况下，由于水通过落水防止阀11流回蓄热槽6，因此空调设备不会发生故障。另外，由于手动阀5设在回水管路10和能量回收装置100之间，因此即使在维修能量回水装置100的情况下，由于关闭手动阀5，水经过落水防止阀11，返回蓄水槽6，也不会使空调设备发生故障。

说明第二个实施例。图2为安装本实施例的能量回收装置的水蓄热式空调设备。从蓄热槽6出来的管路与送水泵7连接，从送水泵7出来的管路与空调机9连接。从空调机9出来的管路与回水管路10连接。回水管路10通过在上部的单向阀12与阀压水箱13连接。回水管路10的下部与蓄热槽6连接。落水防止阀11设置在返回回水管路10的途中的蓄热槽的前面。设定压力设定成与安装能量回收装置前相同。从落水防止阀11上游设置分支管路4，与蓄热槽6连接。手动阀5安装在分支管路4上。具有离心叶轮的法兰西斯水轮机1设置在安装于分支管路4上的手动阀5的下游。无电刷永久磁铁同步发电机2与法兰西斯水轮机1直接连接，构成能量回收装置100。另外，能量回收装置100的下游的管路4b的口径比上游管路4a的口径小。另外，在能量回收装置100的下游的管路4b上安装控制阀3。

由于能量回收装置100的下游的管路4b的口径小，控制阀3可以安装小的。这样设备费用可降低。由于空调设备工作时，控制阀3成为全开状态，因此水通过控制阀3时没有阻力。另外，由于能量回收装置100的下游的管路4b的口径小，因此，通过管路4b的水的流速快，每单位长度的管路阻力增大，但因为管路4b设在蓄热槽正前面，管路长度短，因此管路4b的阻力小，因此通过能量回收装置100几乎可以回收回水具有的全部势能。另外，在停止空调设备的情况下，由于送水泵的停止信号18的指令使控制阀3关闭，因此回水管路10的水不通过分支管路落下。

现在说明第三个实施例。图3为安装本实施例的能量回收装置的水蓄热式空调设备。从蓄热槽6出来的管路与送水泵7连接，从送水泵7出来的管路与空调机9连接。从空调机9出来的管路与回水管路10连接。回水管路10通过在上部的单向阀12与调压水箱13连接。回水管路10的下部与蓄热槽6连接，落水防止阀11设在返回回水管路10的途中的蓄热槽前面。从落水防止阀11上游设置分支管路4，与蓄热槽6连接。手动阀5安装在分支管路4上。具有离心叶轮的法兰西斯水轮机1设置在安装于分支管路4上的手动阀5的下游。无电刷永久磁铁同步发电机2与法兰西斯水轮机1直接连接，构成能量回收装置100。在法兰西斯水轮机1的上游设置压力传感器14a，在下游设置压力传感器14b。压力传感器14的信号15输入发电机的控制器17中。发电机控制信号16a从发电机控制器17输出，控制发电机2。

当空调设备的流量小时，通过水轮机1的流量小。随之而来的是，上游压力传感器14a和下游压力传感器14b的信号15变化。发电机控制器17与信号15的变化对应，将发电机控制信号16a送至发电机2，使发电机的旋转速度提高。当发电机2的旋转速度提高使得与发电机2直接连接的水轮机1的旋转速度提高时，叶轮内的流动状况如图5所示。通过水轮机的水流，依靠由压力能产生的半径方向的内向的力，从外部向内部，流入叶轮内。这时，由于叶轮旋转，水流和叶轮一起旋转。由叶轮的旋转角速度ω产生的离心加速度γω²作用在旋转的水流上。即：由离心加速度产生的半径方向的外向的力，和由压力能产生的半径方向的内向的力作用在叶轮内的水流上，成为对抗状态。因此，当叶轮旋转速度提高时，由离心加速度产生的半径方向的外向的力相对地增大，通过水轮机的流量减少。图6表示用实验研究这样的法兰西斯水轮机的特性的结果。当水轮机旋转速度大时，有效落差几乎一定，而流量降低。这样，利用发电机控制器17控制发电机2的旋转速度，可以调节使水轮机有效落差为一定时的流量。因此，即使在空调负载变动，使流量变化的情况下，可以相对于在水轮机以额定流量运转时的水轮机入口压力，将水轮机入口压力控制在给定的比率大小以内运转，因此，可以适当地保持回水管路10的压力。流量可以控制的范围可以达到无约束的流量，而在无约束流量附近，由于输出急剧减小，因此实际的控制范围可达最小流量。最小流量与叶轮的形状有关，与比速率有关联，因此事前应研究流量控制范围。

现在来说明第4个实施例。图4为安装本实施例的能量回收装置的蓄热式空调设备。从蓄热槽6出来的管路与送水泵7连接，从送水泵7出来的管路与空调机9连接。从空调机9出来的管路与回水管路10连接。回水管路10通过在上部的单向阀12与调压水箱13连接。回水管路10的下部与蓄热槽6连接，落水防止阀11设在返回回水管路10的途中的蓄热槽前面。从落水防止阀11上游设置分支管路4，与蓄热槽6连接。手动阀5安装在分支管路4上。具有离心叶轮的法兰西斯水轮机1设置在安装于分支管路4上的手动阀5的下游。无电刷永久磁铁同步发电机2与法兰西斯水轮机1直接连接，控制发电机2的旋转速度的发电机控制器17与发电机2直接连接，构成能量回收装置100。在法兰西斯水轮机1的上游设置压力传感器14a，在下游设置压力传感器14b。压力传感器14的信号15输入发电机的控制器17。发电机控制信号16a从发电机控制器17输出，控制发电机2。另外，能量回收装置100的下游的管路4b的口径比上游的管路4a的口径小。在能量回收装置100的下游的管路4b上安装控制阀3。电力测定装置17a安装在发电机控制器17内，常时测量发电机的输出电力。当测量值比预先记录在发电机控制器17中的设定值小时，将测量结果作为模拟信号16b，输出至控制阀控制器17b。控制阀控制器17b记录作为函数f1的图7所示对于法兰西斯水轮机1的流量的输出特性。图8表示作为函数f2记录的相对于阀开度的流量特性。控制阀控制器17b计算输入有输出电力的模拟信号16b，且与按函数f1与运转输出P_op对应的运转流量Q_op；其次，根据运转流量Q_op，按函数f2计算目标阀开度V_op。将控制阀3的阀开度调节至V_op。因此，流量通过空调负载变动而变化，流量按图7所示的水轮发电机的旋转速度调整，比对应的水轮机控制范围小的情况下，停止水轮发电机的旋转速度调整，而调节控制阀3的阀开度，可以相对于水轮机以额定流量运转时的水轮机入口压力，将水轮机入口压力保持在给定的比率范围以内，进行运转，因此可以适当地保持回水管路10的压力。从而，可以扩大流量控制范围。

这里，在第4个实施例中，作为函数f1，记录图7所示的相对于流量的输出特性，但本发明不限于此，作为函数f1记录相对于流量的有效落差特性也可以实现同样的作用。另外，将控制阀控制器17b和发电机控制器16作成一体也可以。

另外，上述落水防止阀可以设在回水管路途中，或回水管路最终端附近，或从回水管路注入蓄热槽的位置上。因此可根据设备不同适当设置落水防止阀。但是即使在这种情况下，也可实施基于本发明的上述实施例。

如上所述，根据本发明的实施例，在带有落水防止阀的水蓄热式空调设备中，由于设置从设在回水管路的落水防止阀的上游，与蓄热槽连接的分支管路，在上述分支管路上安装能量回收装置，因此回水管路的水所具有的势能不会被落水防止阀的阻力浪费，而是可用能量回收装置回收上述回水管路的水具有的势能。另外，在本发明中，也可使用水以外的盐水液体。

另外，根据本发明的实施例，由于设在分支管路上的能量回收装置的下游设有控制阀，因此在空调设备停止的情况下，可防止回水管路内的水通过分支管路落下。

另外，根据本发明的实施例，能量回收装置由离心叶轮的水轮发电机、设在水轮发电机的下游的控制阀、具有电力测量装置的发电机控制器、水轮发电机出入口的压力传感器、以及记录表示相对于流量的水轮机输出特性的函数和相对于流量的阀开度特性的函数，具有可以计算与水轮机输出对应的阀开度的功能的控制阀控制器构成。因此，即使在空调设备的流量减少的情况下，可通过调节水轮发电机的旋转速度，使水轮机的输出达到预先记录在发电机控制器中的设定值。另外，在水轮机输出比预先记录在发电机控制器中的设定值小的情况下，由于通过调节控制阀的阀开度，可以相对于水轮机以额定流量运转时的水轮机入口压力，将能量回收装置入口的压力控制在给定的比率范围内运转，因此，可以适当地保持回水管路10的压力。因此，即使在空调设备的流量减少的情况下也可防止上述回水管路内形成负压，产生空洞，产生噪声，振动和腐蚀。

根据本发明，提供一种能量回收装置的运转方法，在带有落水防止阀的水蓄热式等空调设备中可以回收水力能量，随着空调负载的变动，可与流量变化相对应。另外，还可以得到一种即使在能量回收装置出故障的情况下，也可回收空调设备正常工作的大厦的未利用的能量的空调设备。

Claims

1.一种在空调设备中安装能量回收装置的方法，该空调设备具有：水槽；用泵将该水槽的水送至热源机或空调负载中的送水管路；将通过该空调负载的水导入所述水槽的回水管路；以及设置在该回水管路上的落水防止阀，其特征为，

连接有从设置在所述回水管路上的所述落水防止阀的上游侧向所述水槽分支并导入的分支管路，在该分支管路的途中安装能量回收装置。

2.一种空调设备，具有：水槽、用泵将该水槽的水送至热源机或空调负载中的送水管路、将通过该空调负载的水导入所述水槽的回水管路、以及设置在该回水管路上的落水防止阀，其特征为，

具有从设置在所述回水管路上的所述落水防止阀的上游侧向所述水槽分支并导入的分支管路；以及安装在该分支管路途中的能量回收装置。

3.如权利要求2所述的空调设备，其特征为，所述能量回收装置具有进行运转控制的运转控制装置，当通过的流量发生变化时，该运转控制装置将额定流量运转时的入口压力控制在规定的比率范围内。

4.如权利要求2所述的空调设备，其特征为，所述能量回收装置的下游侧的管路口径比上游侧的管路口径小。

5.如权利要求3所述的空调设备，其特征为，所述能量回收装置的下游侧的管路口径比上游侧的管路口径小。

6.如权利要求2～5中任一项所述的空调设备，其特征为，所述能量回收装置由具有离心式叶轮的水轮机、无电刷永久磁铁同步发电机和控制该发电机的发电机控制器构成。

7.如权利要求6所述的空调设备，其特征为，在所述能量回收装置下游侧的回水管路上设置有控制阀。

8.如权利要求7所述的空调设备，其特征为，所述水轮机在上游侧和下游侧具有分别测量入口压力和出口压力，并将输出信号输出到发电机控制器的压力传感器，所述发电机控制器具有根据所述输出信号，控制安装在水轮机上的发电机的转数的功能，将控制信号输出至发电机，同时具有测量该发电机的输出电力的电力测量装置，将测量结果输出至控制阀控制器，该控制阀控制器具有根据所述测量结果，调节所述控制阀的阀开度的功能，并将阀开度信号输出至控制阀。

9.如权利要求8所述的空调设备，其特征为，相对于流量减小，使安装在水轮机上的发电机的旋转速度提高，同时，当水轮机的输出或有效落差比发电机控制器中记录的设定值小时，使安装在所述水轮机上的发电机的旋转速度的上升停止，通过与所述发电机控制器联动的控制阀控制器，减小控制阀的阀开度。