CN102777989B - 适用于地下水电站洞室高湿低温环境的热泵空调机组系统 - Google Patents

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张莹
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Abstract

本发明公开了一种适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统,包括由取水头、取水管、除污器、取水泵、第一电动调节阀、第一换热器、第二电动调节阀构成的冷却水系统,由压缩机、四通阀、第二换热器、第一单向阀、第一膨胀阀、第二单向阀、第二膨胀阀、第一换热器、第三电动调节阀、第三换热器、第四电动调节阀构成的热泵系统,由第二换热器、冷冻水泵、表冷器构成的冷却(加热)系统,由第三换热器、加热水泵、水加热器、电加热器、转轮除湿机构成的除湿系统,由表冷器、转轮除湿机构成的空气处理系统。可保证地下水电站洞室群全年时段制冷、制热、除湿等各种功能的良好运行,并且在节约大量的由除湿造成的能源浪费。

Description

适用于地下水电站洞室高湿低温环境的热泵空调机组系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地表水源热泵中央空调机组,特别涉及一种适用于地下水电站高湿低温环境的水库水源热泵机组。
背景技术
[0002] 水电站具有装机容量大、机组台数多、电气设备多和发热量大、地下洞室传湿显著、湿负荷较大等特点,所以全年大多数时间需对洞室群室内空气进行除热、除湿,由此造成了很大的能源消耗。如何减少此部分能耗对于节约地下洞室群环境调控具有重要意义。水源热泵被认为属于可再生能源利用技术,具有较大的节能潜力,尤其利用地表水(江水、湖水、海水)或地下水作为冷却水从冷凝器处取走冷凝排热,是一项节能低碳的制冷技术。将其作为地下水电站热湿环境调控的冷热源是较为理想的选择。
[0003]目前所用的地表水源热泵机组工作原理图如附图1与附图2所示。其中附图1给出的是制冷工况时系统的工作原理图,附图2给出的是制热工况时系统的工作原理图。制冷时,经压缩机压缩的制冷工质,进入冷凝器放热,放出的热量被冷却水(地表水)带走,然后通过电子膨胀阀绝热膨胀,产生的低温工质直接进入蒸发器制取冷水(送入用户进行制冷),其后再被压缩机吸入进行压缩,如此循环往复。制热时,经压缩的制冷工质,进入冷凝器放热制取高温热水(送入用户进行供热),然后通过电子膨胀阀绝热膨胀,产生的低温工质直接进入蒸发器吸取地表水中的热量,其后工质再被压缩机吸入进行压缩,如此循环往复。
[0004] 中国专利(专利号为200610102097.2)公开了一种适合江、河、湖、海低水温的高
效水源热泵机组,其根据输入水源的温度确定适宜的第一级水源热泵的蒸发温度和冷凝温度,为第二级水源热泵提供合适的水源输入温度,从而解决了水源热泵机组在低于2°C的低温水源下的工作效率问题。
[0005] 中国专利(专利号为201110033862.0)公开了一种用于空调系统的海水源水环热泵装置,该装置通过一个海水板式换热器进行换热介质与海水之间的热量交换,避免了海水进入水-水热泵机组,解决的是海水对水源热泵机组设备腐蚀的问题。
[0006] 中国专利(专利号为03112165.9)公开了一种可利用海水源的热泵机组,其工作时海水走管程,工质走壳程。海水经过的部分能方便可行的进行防腐处理,避开了不易防腐处理的壳程,解决的仍然是海水热源的防腐问题。
[0007] 目前尚未见到专门针对地下水电站环境温湿度调控的地表水源热泵机组。事实上,地下水电站温湿度环境的调控具有其特殊性,主要表现在:其在全年大多数时间需进行除湿(而且余湿量较普通建筑大很多),以消除壁面与设备散发的余湿,由此带来巨大的能源消耗。目前常用的除湿手段是,冷却除湿,但由此需要制得温度较低的冷冻水,导致机组蒸发温度很低,恶化了机组制冷工况,降低了机组性能系数C0P。为此,也可用液体除湿与固体除湿的除湿方式,如附图3与图4分别为单级溶液除湿与多级溶液除湿的原理图,但这两种除湿的再生过程需要再生热量,常用的手段是利用高品位能源加热得到,这将造成巨大的能源浪费。
[0008] 为了解决上述问题,本发明提供了一种适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组,其可以保证地下水电站洞室群在全年时段满足制冷、制热、除湿等各种功能的良好运行,并且节约大量的由除湿造成的能源浪费。
发明内容
[0009] 针对上述背景技术存在的缺陷或不足,本发明的目的在于,提供一种适用于地下水电站高湿低温环境的水库水源热泵空调机组系统,使得水电站地下洞室群工作环境得以保障。
[0010] 为了实现上述技术任务,本发明采用如下技术方案予以实现:
[0011] 一种适用于地下水电站的高湿低温环境的热泵空调机组,其特征在于,由冷却水系统、热泵系统、冷却/加热系统、除湿系统和空气处理系统构成,其中:
[0012] 冷却水系统包括包括由取水头、取水管、除污器、取水泵、第一电动调节阀、第一换热器、第二电动调节阀,其中,取水泵一端与第一电动调节阀通过管路连接,取水泵另一端与除污器通过管路连接,除污器与取水头通过取水管连接,取水头置于水库最低水位之下,第一换热器两侧连接在第一电动调节阀与第二电动调节阀之间,第二电动调节阀的另一端连接回水管。
[0013] 热泵系统包括压缩机、四通阀、第二换热器、第一单向阀、第一膨胀阀、第二单向阀、第二膨胀阀、第一换热器、第三电动调节阀、第三换热器、第四电动调节阀,其中第一换热器与第二换热器分别与四通阀的两端通过管路连接,压缩机的两端与四通阀的另外两端通过管路连接,第一换热器与第二换热器直接通过管路串联第一膨胀阀与第二膨胀阀;第一单向阀与第一膨胀阀并联,第二单向阀与第二膨胀阀并联;第一换热器与第三换热器通过连接第三电动调节阀与第四电动调节阀的管路并联。
[0014] 冷却/加热系统包括第二换热器、冷冻水泵和表冷器,第二换热器与表冷器、冷冻水泵通过管路串联形成环路。
[0015] 除湿系统包括第三换热器、加热水泵、水加热器、电加热器和转轮除湿机,其中,转轮除湿机的再生过程由通过水加热器或者电加热器加热的室外空气完成,水加热器中的热水由第三换热器加热,并通过加热水泵循环输送得到。
[0016] 空气处理系统包括空气过滤器、表冷器和转轮除湿机,其中,沿空气过滤器之后安装表冷器,转轮除湿机位于表冷器之后。
[0017] 本发明的适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统,可保证地下水电站洞室群全年时段制冷、制热、除湿等各种功能的良好运行,并且在节约大量的由除湿造成的能源浪费。
附图说明
[0018] 图1为传统制冷工况时系统的工作原理图。
[0019] 图2为传统制热工况时系统的工作原理图。
[0020] 图3为单级溶液除湿原理示意图。
[0021] 图4为多级溶液除湿原理示意图。[0022] 图5为本发明的适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统结构原理示意图。
[0023] 以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细说明。
具体实施方式
[0024] 参见图5本实施例给出一种适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统,包括以下五部分:
[0025] 由取水头1、取水管2、除污器3、取水泵4、第一电动调节阀5、第一换热器18、第二电动调节阀、22构成的冷却水系统;其中,取水泵4 一端与第一电动调节阀5通过管路连接,取水泵4另一端与除污器3通过管路连接,除污器3与取水头I通过取水管2连接,取水头I置于水库最低水位之下,第一换热器18两侧连接在第一电动调节阀5与第二电动调节阀22之间,第二电动调节阀22的另一端连接回水管。
[0026] 由压缩机6、四通阀7、第二换热器8、第一单向阀14、第一膨胀阀15、第二单向阀20、第二膨胀阀21、第一换热器18、第三电动调节阀17、第三换热器16、第四电动调节阀19构成的热泵系统;其中,第一换热器18与第二换热器8分别与四通阀7的两端通过管路连接,压缩机6的两端与四通阀7的另外两端通过管路连接,第一换热器18与第二换热器8直接通过管路串联第一膨胀阀15与第二膨胀阀21 ;第一单向阀14与第一膨胀阀15并联,第二单向阀20与第二膨胀阀21并联;第一换热器18与第三换热器16通过连接第三电动调节阀17与第四电动调节阀19的管路并联。
[0027] 由第二换热器8、冷冻水泵13、表冷器9构成的冷却/加热系统,第二换热器8与表冷器9、冷冻水泵13通过管路串联形成环路。
[0028] 由第三换热器16、加热水泵23、水加热器12、电加热器11、转轮除湿机10构成的除湿系统;其中,转轮除湿机10的再生过程由通过水加热器12或者电加热器11加热的室外空气完成,水加热器中的热水由第三换热器16加热,并通过加热水泵23循环输送得到。
[0029] 由空气过滤器、表冷器9、转轮除湿机10构成的空气处理系统。其中,沿空气过滤器之后安装表冷器9,转轮除湿机10位于表冷器9之后。
[0030] 本实施例的适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统工作原理是:
[0031] 制冷工况运行时,打开第一电动调节阀5、第二电动调节阀22、第三电动调节阀17、第四电动调节阀19,启动压缩机6、冷冻水泵13、加热水泵23与取水泵4。水库水通过取水系统取水泵4的作用,流入取水头I,再经过取水管2流入除污器3中进行除污,经除污后的水库水经打开状态的第一电动调节阀5流入第一换热器18进行吸热,接着经过吸热后的水库水再经过打开状态的第二电动调节阀22流入回水管,最后排入水库中。而经压缩机6压缩的制冷工质,经四通阀7进入第一换热器18放热与第三换热器16放热,在第一换热器18中放出的热量被循环的水库水带走,在第三换热器16中放出的热量,经加热水泵23的循环与水加热器12的作用,用来加热室外空气用来使转轮除湿机10中的吸湿济再生。然后通过第二膨胀阀21绝热膨胀,产生的低温工质直接进入第二换热器8制取冷冻水,冷冻水经冷冻水泵13,送入表冷器9进行冷却空气,制冷工质则被压缩机6吸入进行压缩。
[0032] 全新风工况运行时,关闭压缩机6、取水泵4、冷冻水泵13、加热水泵23,开启电加热器11。此时地下水电站洞室群由新风进行降温,除湿仍然由转轮除湿机10进行除湿,转轮除湿机10除湿济的再生,由电加热器11加热室外空气进行吸湿。
[0033] 供热工况运行时,不需要对空气进行除湿。此时,开启压缩机6、取水泵4、冷冻水泵13,关闭加热水泵23 ;开启第一电动调节阀5与第二电动调节阀22,关闭第三电动调节阀17与第四电动调节阀19。经压缩机6压缩的制冷工质,经四通阀7进入第二换热器8制取高温热水,制取的高温热水由冷冻水泵13循环至表冷器9,用于加热送风,排热后的制冷工质然后通过第一膨胀阀15绝热膨胀,产生的低温工质直接进入第一换热器18吸取水库循环水中的热量,吸热后的制冷工质再被压缩机6吸入压缩,如此不断循环。
[0034] 实施例:
[0035] 本实施例简略计算了该发明与传统地表水源热泵相比,应用于一个大型地下水电站过渡季节制冷除湿主机产生的节能效果。该水电站计算温度、冷负荷及湿负荷汇总结果如表1所示。
[0036] 表1冷负荷汇总
[0037]
Figure CN102777989BD00061
[0038] 方案一:采用传统活塞式制冷机组供冷并用转轮除湿机除湿,其制冷机组性能系
Q
数C0P=4.2。根据机组性能系数定义(X)/)=—
P
[0039] 式中:Q:机组的制冷量,kff ;
[0040] P:机组所消耗的功率,kW。
[0041] 则可求得额定工况下制冷主机的耗电功率为422.22kff,转轮除湿机加热再生吸湿材料的耗电功率为113.40kW,调节室内空气共耗电535.62kW。
[0042] 方案二:采用本发明对该水电站过渡季节进行免费供冷,并利用回收的热量对吸湿材料进行免费再。此时仅有取水水泵耗能,而水泵能耗可按下式计算:
Figure CN102777989BD00062
[0044] 式中,N:水泵的轴功率,kW;
[0045] P:水的密度,1000kg/m3 ;
[0046] G 冰的流量,m3/h ;
[0047] H:水泵的扬程,本实施例的工程取水高差为40m,考虑沿程阻力与局部阻力,所选用取水水泵扬程为70m ;
[0048] n:水泵的效率,一般取0.5-0.8,本计算取0.7。
[0049] 其中水的流量可用下式进行计算:
Figure CN102777989BD00071
[0051] 式中Q—冷负荷,kW;
[0052] c一水的定压比热,4.187kJ/ (Kg.°C);
[0053] &—回水温度,取16°C ;
[0054] t2—供水温度,取11 °C。
[0055] 由上述算式可计算得采用本发明时,制冷能耗为298.9kW,除湿耗能为OkW,共耗能298.9kW。可见与采用传统活塞式制冷机组供冷相比,采用该系统在过渡季节可节能约44.20%ο

Claims (1)

1.一种适用于地下水电站高湿低温环境的热泵空调机组系统,由冷却水系统、热泵系统、冷却/加热系统、除湿系统和空气处理系统构成;所述热泵系统包括压缩机(6)、四通阀(7)、第二换热器(8)、第一单向阀(14)、第一膨胀阀(15)、第二单向阀(20)、第二膨胀阀(21)、第一换热器(18)、第三电动调节阀(17)、第三换热器(16)和第四电动调节阀(19);其中,第一换热器(18 )与第二换热器(8 )分别与四通阀(7 )的两端通过管路连接,压缩机(6 )的两端与四通阀(7)的另外两端通过管路连接; 其特征在于: 第一换热器(18)与第二换热器(8)直接通过管路串联第一膨胀阀(15)与第二膨胀阀(21);第一单向阀(14)与第一膨胀阀(15)并联,第二单向阀(20)与第二膨胀阀(21)并联;第一换热器(18)与第三换热器(16)通过连接第三电动调节阀(17)与第四电动调节阀(19)的管路并联; 冷却水系统包括取水头(I)、取水管(2)、除污器(3)、取水泵(4)、第一电动调节阀(5)、第一换热器(18)和第二电动调节阀(22);其中,取水泵(4) 一端与第一电动调节阀(5)通过管路连接,取水泵(4)另一端与除污器(3)通过管路连接,除污器(3)与取水头(I)通过取水管(2 )连接,取水头(I)置于水库最低水位之下,第一换热器(18 )两侧连接在第一电动调节阀(5)与第二电动调节阀(22)之间,第二电动调节阀(22)的另一端连接回水管; 冷却/加热系统包括第二换热器(8)、冷冻水泵(13)和表冷器(9),第二换热器(8)与表冷器(9)、冷冻水泵(13)通过管路串联形成环路; 除湿系统包括第三换热器(16)、加热水泵(23)、水加热器(12)、电加热器(11)和转轮除湿机(10),其中,转轮除湿机(10)的再生过程由通过水加热器(12)或者电加热器(11)加热的室外空气完成,水加热器中的热水由第三换热器(16)加热,并通过加热水泵(23)循环输送得到; 空气处理系统包括空气过滤器、表冷器(9)和转轮除湿机(10),其中,沿空气过滤器之后安装表冷器(9 ),转轮除湿机(10 )位于表冷器(9 )之后。
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