CN102538105A - 空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，包括全封闭冷却塔、水源热泵机组和末端设备；所述水源热泵机组包括冷凝器和蒸发器；其特征是：全封闭冷却塔的出水口通过第一循环泵和第一阀门连通水源热泵机组的冷凝器的第一端口、形成第一直通回路，全封闭冷却塔的进水口通过第二阀门连通水源热泵机组的冷凝器的第二端口、形成第二直通回路；水源热泵机组的蒸发器的第一端口通过第三阀门和第二循环泵连通末端设备的出水口、形成第三直通回路，水源热泵机组的蒸发器的第二端口通过第四阀门连通末端设备的进水口、形成第四直通回路。本发明节省初投资、节约装机筑面积，解决环境噪声污染和震动的问题。

Description

空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统及其控制方法，属于暖通空调技术领域。

背景技术

由于亚热带地区的高档公共建筑物在冬季也有空调采暖的需求，因此寻求一种最优的冷热源方式是摆在面前的一道难题。目前常用的冷、热源系统主要有以下三种组合：(1)水冷冷水机组及燃气热水炉，该系统的制冷效率高，但制热能效不尽理想，并会排出大量的温室气体；(2)水冷冷水机组及风冷热泵机组，该系统的制热效率高，但如果风冷热泵机组参与供冷的话，其制冷效率低，否则，由会造成设备闲置、浪费初投资，另外风冷机占用大量的建筑面积和造成噪声和震动污染，对于现代高层建筑，寻找安装位置就非常困难；(3)水冷冷水机组及分散电加热器，该系统的制冷效率得到保证，但使用高位能电力采暖的费用高，且与《公共建筑节能标准》的要求不符。目前国家大力推广可持续再生能源利用系统，比如地源热泵系统，考虑到南方地区的气候特点，其土壤的热力平衡较为困难，而南方地区的采暖周期也很短，其初投资也较大，故其性价比并不理想。

发明内容

本发明的第一个目的，是为了克服现有的制冷制热系统存在能源利用效率低、安装占用有效建筑面积大和噪声大的问题，提供一种空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统。

本发明的第二个目的，是为了提供一种空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统的控制方法。

本发明的第一个目的可以通过如下技术方案达到：

空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，它包括全封闭冷却塔、水源热泵机组和末端设备；所述水源热泵机组包括冷凝器和蒸发器；其特征是：

1)全封闭冷却塔的出水口通过第一循环泵和第一阀门连通水源热泵机组的冷凝器的第一端口、形成第一直通回路，全封闭冷却塔的进水口通过第二阀门连通水源热泵机组的冷凝器的第二端口、形成第二直通回路；水源热泵机组的蒸发器的第一端口通过第三阀门和第二循环泵连通末端设备的出水口、形成第三直通回路，水源热泵机组的蒸发器的第二端口通过第四阀门连通末端设备的进水口、形成第四直通回路；

2)在第一循环泵和第一阀门的连接处通过第五阀门连通水源热泵机组的蒸发器的第一端口、形成第一旁通回路，在全封闭冷却塔的进水口与第二阀门的连接处通过第七阀门连通水源热泵机组的蒸发器的第二端口、形成第三旁通回路，在第一阀门与水源热泵机组的冷凝器的第一端口的连接处通过第六阀门连通第三阀门和第二循环泵的连接处、形成第二旁通回路，在水源热泵机组的冷凝器的第二端口通过第八阀门连通末端设备的进水口、形成第四旁通回路。

本发明的第一个目的还可以通过如下技术方案达到：

实现本发明目的的一种技术改进方案是：全封闭冷却塔的进水口和出水口可以通过板式换热器与一套末端设备连接，构成备用空调制冷制热系统

实现本发明目的的一种技术改进方案是：所述全封闭冷却塔可以包括塔体以及，设置在设置在塔体顶部的风机，设置在塔体底部的集水槽、出水口和进水口，设置在塔体内部的换热器和淋水式自动除霜系统。

实现本发明目的的一种技术改进方案是：在换热器中设置的介质可以为乙二醇溶液。

实现本发明目的的一种技术改进方案是：所述水源热泵机组可以由压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、制冷附件和电气控制组件构成。

本发明的第二个目的可以通过如下技术方案达到：

如前的述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统的控制方法，其特征在于按以下步骤进行：

1)接通电源，启动空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统；

2)开启制冷工况，分别关闭第一旁通回路上的第五阀门、第二旁通回路上的第六阀门、第三旁通回路上的第七阀门、第四旁通回路上的第八阀门，分别打开第一直通回路上的第一阀门、第二直通回路上的第二阀门、第三直通回路上的第三阀门、第四直通回路上的第四阀门；此时，全封闭冷却塔向外界放热，全封闭冷却塔中的出水口输出32℃冷却水，冷却水通过第一直通回路进入水源热泵机组的冷凝器的第一端口，由冷凝器的第二端口输出37℃冷却水到全封闭冷却塔的进水口；水源热泵机组蒸发器的第二端口输出6℃的冷冻水到末端设备的进水口，末端设备的出水口输出16℃的冷冻水到蒸发器的第一端口；从而实现夏季制冷工况的运行；

3)开启制热工况，分别打开第一旁通回路上的第五阀门、第二旁通回路上的第六阀门、第三旁通回路上的第七阀门、第四旁通回路上的第八阀门，分别关闭第一直通回路上的第一阀门、第二直通回路上的第二阀门、第三直通回路上的第三阀门、第四直通回路上的第四阀门；此时，全封闭冷却塔向外界吸热，全封闭冷却塔中的出水口输出-6℃的冷冻水，-6℃的冷冻水通过第一旁通回路进入水源热泵机组的蒸发器的第二端口，蒸发器的第一端口输出-3℃的冷冻水，-3℃的冷冻水通过第三旁通回路进入全封闭冷却塔中的进水口；水源热泵机组的冷凝器的第一端口输出40℃的热水到末端设备的进水口，末端设备的出水口输出35℃的热水到冷凝器的第二端口；从而实现冬季制热工况的运行。

本发明的有益效果是：

1、本发明由于在全封闭冷却塔、水源热泵机组和末端设备构成的空调系统中设置了四条直通回路和四条旁通回路，构成了一个结构紧凑、体积小的多回路空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，因此，具有能源使用合理和能源利用效率高的特点，能够实现一机多用和制冷系统的一致性，既能够节省初投资、节约装机有效建筑面积，同时能够解决风冷热泵机组所带来的环境噪声污染和震动的问题。

2、本发明开创性的采用乙二醇溶液冷却空气源热泵式冷热水机组，夏季供冷、冬季供暖，也提高了夏季的制冷效率(相对风冷冷水机组，其COP值要高很多)；同时也能维持与风冷热泵机组相当的制热COP值，其节能效果也是非常明显的，其全年运行节能效率达到18.52％。

3、本发明采用了全封闭冷却塔避免了冷却溶液与空气接触，保证冷水机组冷凝器的清洁，从而保证冷水机组的高效运行。本发明非常适合在南方地区应用，在广东地区具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的具体实施例1的结构示意图。

图2是本发明的具体实施例2的结构示意图。

具体实施方式

具体实施例1：

参照图1，本实施例包括包括全封闭冷却塔1、水源热泵机组2和末端设备3；所述水源热泵机组2包括冷凝器2-1和蒸发器2-2；全封闭冷却塔1的出水口通过第一循环泵5-1和第一阀门6-1连通水源热泵机组的冷凝器2-1的第一端口2-1-1、形成第一直通回路4-1，全封闭冷却塔1的进水口通过第二阀门6-2连通水源热泵机组的冷凝器2-1的第二端口2-1-2、形成第二直通回路4-2；水源热泵机组的蒸发器2-2的第一端口2-2-2通过第三阀门6-3和第二循环泵5-2连通末端设备3的出水口、形成第三直通回路4-3，水源热泵机组的蒸发器2-2的第二端口2-2-1通过第四阀门6-4连通末端设备3的进水口、形成第四直通回路4-4；在第一循环泵5-1和第一阀门6-1的连接处通过第五阀门6-5连通水源热泵机组的蒸发器2-2的第一端口2-2-2、形成第一旁通回路7-1，在全封闭冷却塔1的进水口与第二阀门6-2的连接处通过第七阀门6-7连通水源热泵机组的蒸发器2-2的第二端口2-2-1、形成第三旁通回路7-3，在第一阀门6-1与水源热泵机组的冷凝器2-1的第一端口2-1-1的连接处通过第六阀门6-6连通第三阀门6-3和第二循环泵5-2的连接处、形成第二旁通回路7-2，在水源热泵机组的冷凝器2-1的第二端口2-1-2通过第八阀门6-8连通末端设备3的进水口、形成第四旁通回路7-4。

本实施例中：

所述全封闭冷却塔1包括塔体以及，设置在设置在塔体顶部的风机，设置在塔体底部的集水槽、出水口和进水口，设置在塔体内部的换热器和淋水式自动除霜系统；在换热器中设置的介质为乙二醇溶液；所述水源热泵机组2由压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、制冷附件和电气控制组件构成。由于冬季运行时冷却塔填料(或盘管)会结霜，故冷却塔必须自带淋水式自动除霜系统。

本实施例构成了双工况机组，其冬季运行的压缩比与风冷热泵机组相当，故技术成熟可靠，同时也算是通用的标准机型。

本实施例所述的末端设备3可以为空调系统的常规出风装置、温度调节及控制装置。水源热泵机组2的压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、制冷附件和电气控制组件，可以采用常规热泵机组的压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、制冷附件和电气控制组件。

本发明所述空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统的控制方法如下：

1)启动空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统；

2)夏季时，开启制冷工况：分别关闭第一旁通回路7-1上的第五阀门6-5、第二旁通回路7-2上的第六阀门6-6、第三旁通回路7-3上的第七阀门6-7、第四旁通回路7-4上的第八阀门6-8，分别打开第一直通回路4-1上的第一阀门6-1、第二直通回路4-2上的第二阀门6-2、第三直通回路4-3上的第三阀门6-3、第四直通回路4-4上的第四阀门6-4；此时，全封闭冷却塔1向外界放热，全封闭冷却塔1中的出水口输出32℃的冷却水，冷却水通过第一直通回路4-1进入水源热泵机组2的冷凝器2-1的第一端口2-1-1，由冷凝器2-1的第二端口2-1-2输出37℃的冷却水到全封闭冷却塔1的进水口；水源热泵机组2的蒸发器2-2的第二端口2-2-2输出6℃的冷冻水到末端设备的进水口，末端设备的出水口输出16℃的冷冻水到蒸发器2-2的第一端口2-2-1；从而实现夏季制冷工况的运行；

3)冬季时，开启制热工况：分别打开第一旁通回路7-1上的第五阀门6-5、第二旁通回路7-2上的第六阀门6-6、第三旁通回路7-3上的第七阀门6-7、第四旁通回路7-4上的第八阀门6-8，分别关闭第一直通回路4-1上的第一阀门6-1、第二直通回路4-2上的第二阀门6-2、第三直通回路4-3上的第三阀门6-3、第四直通回路4-4上的第四阀门6-4；此时，全封闭冷却塔1向外界吸热，全封闭冷却塔1中的出水口输出-6℃的冷冻水，-6℃的冷冻水通过第一旁通回路7-1进入水源热泵机组2的蒸发器2-2的第二端口2-2-2，蒸发器2-2的第一端口2-2-1输出-3℃的冷冻水，-3℃的冷冻水通过第三旁通回路7-3进入全封闭冷却塔1中的进水口；水源热泵机组2的冷凝器2-1的第一端口2-2-1输出40℃的热水到末端设备的进水口，末端设备的出水口输出35℃的热水到冷凝器2-1的第二端口2-2-2；从而实现冬季制热工况的运行。

由于南方亚热带地区具有空调制冷时间长、采暖制热时间短的特点，既要解决风冷热泵机组夏季制冷效率低、安装占用有效建筑面积大的、投资大和噪声震动等问题，也要解决电加热系统或热水炉系统的运行费用高、占用有效建筑面积大或排烟污染等问题，因此采用水源热泵机组实现夏季制冷、冬季制热运行系统是理想的选择。例如广州地区冬季室外空气设计工况为：干球温度5℃、相对湿度70％、空气的露点温度为0℃，如果采用开式冷却塔实现夏季散热、冬季吸热显然行不通，因为要避免冬季热泵运行冷却塔结冰，冷冻出水温度必须＞0℃，冷却塔处在干式冷却工况下，故冷却塔的换热量非常有限，根本无法满足热泵机组的运行。但是采用空气源“水-乙二醇溶液”热泵机组使以上问题得到解决，采用经过工艺改良的全封闭冷却塔，冷却塔内运行乙二醇溶液，在满足制冷工况换热面积和流通风量的前提下(即冬季工况换热面积和流通风量与制冷工况一致)，经过计算热泵机组的冷冻水进出水温度为：-6℃/-3℃，冷却水(热水)的进出水温度为：35℃/40℃，根据比较核算，相对于风冷热泵机组，其制冷工质的蒸发温度下降3-5℃，考虑到压缩机的压缩比与风冷机组基本持平，故热水的出水温度采用40℃(而不是45℃)，从制冷原理分析其制热工况的COP值基本相同。从而巧妙的实现一机多用和制冷系统的一致性，解决以上难题并且节能效果明显。

能耗分析：

在设计实践过程中常常遇到的多半是大型高层的办公建筑，工程所需的采暖负荷均较大，基本上都要用到单机制冷量≥1163KW的螺杆式机组，本文以某设计规模的设计参数为例，着重分析风量热泵机组与空气源“水-溶液”热泵机组的节能分析。

该项目采用2台制冷量为Qi＝1230.70kw的空气源“水-乙二醇溶液”热泵机组，其夏季制冷、冬季制热。假定的制冷、制热工况见表2。

表2制冷、制热工况参数表

根据”公共建筑节能标准”的冷冻水输送能效比≤0.00241计算冷冻水泵的轴功率；即使冷却水的流量比冷冻水小，但其管路阻力损失较大，结果冷却水泵的水力输送能效比基本上与冷冻水相当，故其输送冷却水泵的轴功率与冷冻水泵相当。空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统能效比分析见表3。制冷系统的能效比为3.51，制热系统的能效比为2.93。

表3空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统能效比分析表

年能耗预测：对于大型高层办公楼，其采暖负荷约为空调制冷负荷的25％，也就是说空调制冷负荷的75％采用水冷高效的冷水机组，而另外的25％采用空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统。根据“NPLV”全年空调制冷负荷分布情况：100％负荷的运行时间占1％、75％负荷的运行时间占42％、50％负荷的运行时间占45％、25％负荷的运行时间占12％，一般广东地区写字楼的供冷天数为270天，每天的运行时间为8小时，冬季供暖的天数在20天以内，平均负荷率约为65％。

夏季：空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统年耗电量约为181809.24KWH，风冷热泵制冷系统的年耗电量约为240811.47KWH。

冬季：空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统年耗电量约为74397.27KWH，风冷热泵制冷系统的年耗电量约为73643.24KWH。

全年的节能率为18.52％。也就是说空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统比风冷热泵制冷系统节能18.52％。

具体实施例2：

参照图2，本实施例2的特点是：所述的全封闭冷却塔1的进水口和出水口通过板式换热器8与末端设备3连接；在夏季的时候，在所述水源热泵机组进行检修或维修时，可以运行板式换热器进行制冷。其余同具体实施例1。

因此，本发明打破传统的设计理念，是一种能源使用合理和能源效率高的制冷和制热空调系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，它包括全封闭冷却塔(1)、水源热泵机组(2)和末端设备(3)；所述水源热泵机组(2)包括冷凝器(2-1)和蒸发器(2-2)；其特征是：

1)全封闭冷却塔(1)的出水口通过第一循环泵(5-1)和第一阀门(6-1)连通水源热泵机组的冷凝器(2-1)的第一端口(2-1-1)、形成第一直通回路(4-1)，全封闭冷却塔(1)的进水口通过第二阀门(6-2)连通水源热泵机组的冷凝器(2-1)的第二端口(2-1-2)、形成第二直通回路(4-2)；水源热泵机组的蒸发器(2-2)的第一端口(2-2-2)通过第三阀门(6-3)和第二循环泵(5-2)连通末端设备(3)的出水口、形成第三直通回路(4-3)，水源热泵机组的蒸发器(2-2)的第二端口(2-2-1)通过第四阀门(6-4)连通末端设备(3)的进水口、形成第四直通回路(4-4)；

2)在第一循环泵(5-1)和第一阀门(6-1)的连接处通过第五阀门(6-5)连通水源热泵机组的蒸发器(2-2)的第一端口(2-2-2)、形成第一旁通回路(7-1)，在全封闭冷却塔(1)的进水口与第二阀门(6-2)的连接处通过第七阀门(6-7)连通水源热泵机组的蒸发器(2-2)的第二端口(2-2-1)、形成第三旁通回路(7-3)，在第一阀门(6-1)与水源热泵机组的冷凝器(2-1)的第一端口(2-1-1)的连接处通过第六阀门(6-6)连通第三阀门(6-3)和第二循环泵(5-2)的连接处、形成第二旁通回路(7-2)，在水源热泵机组的冷凝器(2-1)的第二端口(2-1-2)通过第八阀门(6-8)连通末端设备(3)的进水口、形成第四旁通回路(7-4)。

2.根据权利要求1所述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，其特征是：全封闭冷却塔(1)的进水口和出水口通过板式换热器(8)与一套末端设备(3)连接，构成备用空调制冷制热系统。

3.根据权利要求1或2所述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，其特征是：所述全封闭冷却塔(1)包括塔体以及，设置在设置在塔体顶部的风机，设置在塔体底部的集水槽、出水口和进水口，设置在塔体内部的换热器和淋水式自动除霜系统。

4.根据权利要求3所述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，其特征是：在换热器中设置的介质为乙二醇溶液。

5.根据权利要求1或2所述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统，其特征是：所述水源热泵机组(2)由压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、制冷附件和电气控制组件构成。 

6.根据权利要求1所述的空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统的控制方法，其特征在于按以下步骤进行：

1)接通电源，启动空气源“水-溶液”热泵式空调制冷制热系统；

2)开启制冷工况，分别关闭第一旁通回路(7-1)上的第五阀门(6-5)、第二旁通回路(7-2)上的第六阀门(6-6)、第三旁通回路(7-3)上的第七阀门(6-7)、第四旁通回路(7-4)上的第八阀门(6-8)，分别打开第一直通回路(4-1)上的第一阀门(6-1)、第二直通回路(4-2)上的第二阀门(6-2)、第三直通回路(4-3)上的第三阀门(6-3)、第四直通回路(4-4)上的第四阀门(6-4)；此时，全封闭冷却塔(1)向外界放热，全封闭冷却塔(1)中的出水口输出32℃的冷却水，冷却水通过第一直通回路(4-1)进入水源热泵机组(2)的冷凝器(2-1)的第一端口(2-1-1)，由冷凝器(2-1)的第二端口(2-1-2)输出37℃的冷却水到全封闭冷却塔(1)的进水口；水源热泵机组(2)的蒸发器(2-2)的第二端口(2-2-1)输出6℃的冷冻水到末端设备(3)的进水口，末端设备(3)的出水口输出16℃的冷冻水到蒸发器(2-2)的第一端口(2-2-2)；从而实现夏季制冷工况的运行；

3)开启制热工况，分别打开第一旁通回路(7-1)上的第五阀门(6-5)、第二旁通回路(7-2)上的第六阀门(6-6)、第三旁通回路(7-3)上的第七阀门(6-7)、第四旁通回路(7-4)上的第八阀门(6-8)，分别关闭第一直通回路(4-1)上的第一阀门(6-1)、第二直通回路(4-2)上的第二阀门(6-2)、第三直通回路(4-3)上的第三阀门(6-3)、第四直通回路(4-4)上的第四阀门(6-4)；此时，全封闭冷却塔(1)向外界吸热，全封闭冷却塔(1)中的出水口输出-6℃的冷冻水，-6℃的冷冻水通过第一旁通回路(7-1)进入水源热泵机组(2)的蒸发器(2-2)的第二端口(2-2-1)，蒸发器(2-2)的第一端口(2-2-2)输出-3℃的冷冻水，-3℃的冷冻水通过第三旁通回路(7-3)进入全封闭冷却塔(1)中的进水口；水源热泵机组(2)的冷凝器(2-1)的第一端口(2-2-2)输出40℃的热水到末端设备(3)的进水口，末端设备(3)的出水口输出35℃的热水到冷凝器(2-1)的第二端口(2-2-1)；从而实现冬季制热工况的运行。 

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