CN104110915A - 制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法，使出自冷凝器的冷却水进入换热器与自来水A换热，获得热水A；使自来水B进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得热水B，使热水B与热水A在蓄热水箱中汇集，当蓄热水箱中热水的温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出，否则，启动锅炉向蓄热水箱中补充热水，直到蓄热水箱中的热水温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出；当出自换热器的冷却水回水温度大于设定温度时，使出自冷凝器的冷却水分流进入冷却塔冷却。本发明还公开了采用上述方法的制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置。本发明能够达到节省燃料和降低排放的双重效果。

Description

制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法和装置

技术领域

本发明属于制冷机组冷凝热回收利用，可再生能源利用的节能技术领域。具体涉及利用太阳能和从制冷机组回收的冷凝热耦合制取建筑用生活热水的技术。

背景技术

中央空调的制冷机组在制冷工况运行时，要通过冷却塔向大气环境中排放大量的冷凝热，对于性能优良的水冷机组而言，冷凝热大约为制冷量的1.19倍，而对于COP较低的溴化锂直燃机组而言，冷凝热可达制冷量的1.9倍。高档的星级酒店对于环境的要求较高，冷负荷也会更大，因此，酒店类建筑中冷却塔排放的废热就相当可观。大量冷凝热向大气中排放，浪费了大量的热量，这些热量又使周围环境温度升高，造成严重的环境热污染。并且，如果冷凝热不能有效的排走，还会影响空调系统的运行效果，出现空调系统耗电量增大等不良现象。

在现有夏季既需室内供冷又需供应生活热水的公共建筑中，通常分别设有中央空调系统和制热水系统。在设有冷却塔的中央空调系统中，空调冷凝热由冷却水带走，进入冷却塔中降温，而后低温冷却水再流回冷凝器处进行换热，以此方式循环往复。生活热水制备系统则是通过锅炉燃烧燃料制取热水后供各处使用。以星级酒店为例，星级酒店要求夏季用中央空调制冷的同时，也要求有24小时的热水供应，多数情况下制冷系统和制热水系统会分别设置。通常星级酒店中不单单要提供客房，餐厅，洗衣房的热水，很多情况下还要提供洗浴中心等休闲娱乐场所所需的热水，这样热水的需求总量会更大。制热水系统大多应用燃气，电，燃油甚至煤来用做热源，在制备热水的过程中要消耗大量的燃气或燃油等能源，增加经营成本，其燃烧排放的SO₂、粉尘、NO_x、CO₂等又污染了大气环境，造成热量的双重浪费和环境的双重污染。

因此，如果将冷凝热回收来对生活热水进行加热，这样不仅减少了废热的排放，降低了冷却塔的容量，也节约了一次能源的使用，可以有效的解决上述问题。对于水冷机组而言,目前机组的冷凝热回收技术主要有两种：一种采用在压缩机与冷凝器之间串联一热回收换热器，自来水进入热回收换热器吸收压缩机出口高温冷凝蒸汽的显热，然后用于制备生活热水，实现冷凝热的部分回收；一种采用省略冷却塔，用空调制冷机组的全部冷却水放热制备生活热水，实现冷凝热的全部回收。在实际工程中，前者由于在压缩机与冷凝器之间串联热回收换热器，导致压缩机的结构复杂，制冷剂管道的阻力损失增加，严重影响空调机组运行的稳定性和运行效率。后者难以实现冷凝热的回收量和热水负荷的匹配，省略冷却塔之后，不能保证空调系统的运行效率和稳定性。因此以上两种回收技术在实际工程的应用中都有一定的难度。

还有，空调冷凝热与生活热水的使用在时间及用量上不同步是影响全热回收方式使用效果的主要因素。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法和装置，该方法和装置能够在确保制冷机组运行稳定和生活热水供应稳定的前提下，回收冷凝热，减少热污染；应用太阳能和冷凝热，有效地部分替代一次能源的使用，能够达到节省燃料和降低排放的双重效果。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法，使出自冷凝器的冷却水进入换热器与自来水A换热，获得热水A；使自来水B进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得热水B，使热水B与热水A在蓄热水箱中汇集，当蓄热水箱中热水的温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出，当蓄热水箱中热水的温度或水量不满足设定要求时，启动锅炉向蓄热水箱中补充热水，直到蓄热水箱中的热水温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出；当出自换热器的冷却水回水温度大于设定温度时，使出自冷凝器的冷却水分流进入冷却塔冷却。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：一种采用上述方法的制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置，包括含有冷凝器和冷却塔的制冷机组以及与所述冷凝器连接的换热器，所述冷凝器设有冷却水出水管和冷却水回水管，所述换热器设有冷却水侧和自来水侧，所述冷却水出水管通过换热进水管与所述换热器的冷却水侧连接，所述冷却水回水管通过换热出水管与所述换热器的冷却水侧连接；所述冷却水出水管通过冷却塔进水管与所述冷却塔连接，所述冷却水回水管通过冷却塔出水管与所述冷却塔连接；该装置还包括控制器、太阳能集热板、锅炉和蓄热水箱；所述蓄热水箱上设有进水管、补水管、排水管、温度传感器Ⅳ和液位计；在所述蓄热水箱的补水管上设有电磁阀Ⅸ，在所述蓄热水箱的进水管上设有电磁阀Ⅷ，在所述蓄热水箱的排水管上设有电磁阀Ⅹ；所述换热器的自来水侧的排水管与所述蓄热水箱的进水管连接；在所述换热器的自来水侧的排水管上设有电磁阀Ⅵ；在所述换热器的自来水侧的进水管上设有电磁阀Ⅴ；所述太阳能集热板的排水管和所述蓄热水箱的进水管连接；在所述太阳能集热板的排水管上设有电磁阀Ⅶ和温度传感器Ⅲ，所述温度传感器Ⅲ位于所述电磁阀Ⅶ的上游；所述锅炉的排水管和所述蓄热水箱的补水管连接；在所述冷却水出水管上设有温度传感器Ⅰ和水泵Ⅰ，所述水泵Ⅰ位于所述温度传感器Ⅰ的下游；在所述冷却水回水管上设有温度传感器Ⅱ；在所述换热进水管上设有电磁阀Ⅱ，在所述换热出水管上设有电磁阀Ⅰ，在所述冷却塔进水管上设有电磁阀Ⅲ，在所述冷却塔出水管上设有电磁阀Ⅳ；所述电磁阀Ⅰ、所述电磁阀Ⅱ、所述电磁阀Ⅲ、所述电磁阀Ⅳ、所述电磁阀Ⅴ、所述电磁阀Ⅵ、所述电磁阀Ⅶ、所述电磁阀Ⅷ、所述电磁阀Ⅸ、所述电磁阀Ⅹ、所述水泵Ⅰ、所述温度传感器Ⅰ、所述温度传感器Ⅱ、所述温度传感器Ⅲ、所述温度传感器Ⅳ和所述液位计分别与所述控制器连接。

在所述太阳能集热板的进水管上设有水泵Ⅱ，所述水泵Ⅱ与所述控制器连接。

本发明具有的优点和积极效果是：通过将制冷机组的冷凝热回收系统和太阳能热水系统进行有机的耦合，使它们共同为生活热水的制取提供热量，以减少锅炉燃料的使用。这样不仅减少了冷凝热的排放，减少了热污染，还使废热得到了有效的再利用，实现了一台设备同时制冷与制热。同时本发明还应用了清洁可再生能源—太阳能，太阳能热水系统提供的热水能够提升耦合制热水系统的热水供应温度，且在无冷凝热产生的非供冷季独立制取热水。本发明既对冷凝热进行了有效的回收利用，减少热污染，增强冷却塔的工作效果，又可以减少天然气、煤、燃油的使用，降低了大气污染物的排放量，且利用了可再生能源，保证整体系统运行的高效与稳定。本发明以回收的冷凝热和太阳辐射热取代传统的制热水热源，充分利用冷凝热，最大程度地减少一次能源的使用，减少污染物的排放。不但降低了酒店等建筑的运行成本，更顺应节能减排趋势，减少一次能源的使用，减少SO₂、粉尘、NO_x、CO₂等污染物的排放，减缓环境和能源压力。本发明能够有效解决酒店类公共建筑既需提供冷量又需提供热水的节能问题，不仅能够适用于既有建筑的节能改造，更可对新建筑的节能设计及运行提供借鉴，并根据情况而灵活采取最适合的技术方案。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、制冷机组；2、蓄热水箱；3、换热器；4、锅炉；5、控制器；6、太阳能集热板；7、水泵Ⅱ；8、冷却塔；9、水泵Ⅰ；10、冷凝器；T₁、温度传感器Ⅰ；T₂、温度传感器Ⅱ；T₃、温度传感器Ⅲ；T₄、温度传感器Ⅳ；V₁、电磁阀Ⅰ；V₂、电磁阀Ⅱ；V₃、电磁阀Ⅲ；V₄、电磁阀Ⅳ；V₅、电磁阀Ⅴ；V₆、电磁阀Ⅵ；V₇、电磁阀Ⅶ；V₈、电磁阀Ⅷ；V₉、电磁阀Ⅸ；V₁₀、电磁阀Ⅹ；H₁、液位计。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明提供一种制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法，使出自冷凝器的冷却水进入换热器与自来水A换热，获得热水A；使自来水B进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得热水B，使热水B与热水A在蓄热水箱中汇集，当蓄热水箱中热水的温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出，当蓄热水箱中热水的温度或水量不满足设定要求时，启动锅炉向蓄热水箱中补充热水，直到蓄热水箱中的热水温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出；当出自换热器的冷却水回水温度大于设定温度时，使出自冷凝器的冷却水分流进入冷却塔冷却。

请参阅图1，本发明还提供了一种实现上述方法的制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置，包括含有冷凝器10和冷却塔8的制冷机组1以及与所述冷凝器10连接的换热器3，所述冷凝器10设有冷却水出水管和冷却水回水管，所述换热器3设有冷却水侧和自来水侧，所述冷却水出水管通过换热进水管与所述换热器3的冷却水侧连接，所述冷却水回水管通过换热出水管与所述换热器3的冷却水侧连接；所述冷却水出水管通过冷却塔进水管与所述冷却塔8连接，所述冷却水回水管通过冷却塔出水管与所述冷却塔8连接；该装置还包括控制器5、太阳能集热板6、锅炉4和蓄热水箱2；所述蓄热水箱2上设有进水管、补水管、排水管、温度传感器ⅣT₄和液位计H₁；在所述蓄热水箱2的补水管上设有电磁阀ⅨV₉，在所述蓄热水箱2的进水管上设有电磁阀ⅧV₈，在所述蓄热水箱2的排水管上设有电磁阀ⅩV₁₀；所述换热器3的自来水侧的排水管与所述蓄热水箱2的进水管连接；在所述换热器3的自来水侧的排水管上设有电磁阀ⅥV₆；在所述换热器3的自来水侧的进水管上设有电磁阀ⅤV₅；所述太阳能集热板6的排水管和所述蓄热水箱2的进水管连接；在所述太阳能集热板6的排水管上设有电磁阀ⅦV₇和温度传感器ⅢT₃，所述温度传感器ⅢT₃位于所述电磁阀ⅦV₇的上游；所述锅炉4的排水管和所述蓄热水箱2的补水管连接；在所述冷却水出水管上设有温度传感器ⅠT₁和水泵Ⅰ9，所述水泵Ⅰ9位于所述温度传感器ⅠT₁的下游；在所述冷却水回水管上设有温度传感器ⅡT₂；在所述换热进水管上设有电磁阀ⅡV₂，在所述换热出水管上设有电磁阀ⅠV₁，在所述冷却塔进水管上设有电磁阀ⅢV₃，在所述冷却塔出水管上设有电磁阀ⅣV₄；所述电磁阀ⅠV₁、所述电磁阀ⅡV₂、所述电磁阀ⅢV₃、所述电磁阀ⅣV₄、所述电磁阀ⅤV₅、所述电磁阀ⅥV₆、所述电磁阀ⅦV₇、所述电磁阀ⅧV₈、所述电磁阀ⅨV₉、所述电磁阀ⅩV₁₀、所述水泵Ⅰ9、所述温度传感器ⅠT₁、所述温度传感器ⅡT₂、所述温度传感器ⅢT₃、所述温度传感器ⅣT₄和所述液位计H₁分别与所述控制器5连接。

在本实施例中，在所述太阳能集热板6的进水管上设有水泵Ⅱ7，所述水泵Ⅱ7与所述控制器5连接。

本发明在冷凝器处的冷却水出水管和冷却水回水管上分别设置支路，与换热器连接。用换热器将冷却水的热量换给自来水A，从而制取热水A，并供入蓄热水箱中备用。同时，另一路自来水B进入太阳能热水系统吸收热量，升温后的热水B亦进入蓄热水箱中备用；蓄热水箱内储存并供应流量与温度满足要求的生活热水。这样不仅可以充分利用白天的冷凝热，将多制取的热水储存起来，供冷负荷小而生活热水需求量大时使用，而在温度不足或流量不足时，可通入锅炉制取的高温热水来保证水温与稳定流量。

在利用本发明进行系统改造时，需在冷却水出水管上设置支路—换热进水管，在冷却水回水管上设置支路—换热出水管，并增加换热器，将换热进水管和换热出水管与换热器的冷却水侧连接，将冷却水的热量换给自来水A，同时还需要加装太阳能集热系统，在锅炉出水处没有设置蓄热水箱的还需要加设蓄热水箱。原有的管道、冷却塔、锅炉等设备仍保留使用。

上述制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置的运行过程：

一)供冷季开始后，制冷机组与冷却塔正常工作，当温度传感器Ⅰ的温度达到设定温度后，电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ开启，电磁阀Ⅲ和电磁阀Ⅳ关闭，电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ的开启程度由控制器根据温度传感器T₂所测的温度控制，T₂所测的温度应维持在设定温度范围内，T₂所测的温度过高，则加大电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ的开度，T₂所测的温度过低，则减小电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ的开度。当电磁阀Ⅴ的开度已经达到最大且T₂所测的温度仍然过高时，则开启电磁阀Ⅲ和电磁阀Ⅳ，将多余的热量从冷却塔中排出。经换热器加热的热水A经过电磁阀Ⅵ进入蓄热水箱中。在选择换热器时，应按照建筑生活热水的峰值负荷进行选择，最大程度的利用冷凝热，最大程度的减少冷却塔直接排放的热能，在应用本发明的建筑中，冷却塔只作为调节制冷机组冷凝热峰值使用，而不再是主要的冷却设备。

二)在换热器工作的同时，太阳能热水系统也在工作，自来水B首先进入太阳能集热板，经过太阳辐射的加热，当温度传感器Ⅲ所测温度达到设定温度时，开启电磁阀Ⅶ，加热后的热水B进入蓄热水箱中与经换热器加热的热水A汇集。太阳能热水系统中是否加设水泵Ⅱ，视具体系统阻力而定。

三)温度传感器Ⅳ监测蓄热水箱中的水温，当蓄热水箱中热水的温度满足设定要求且检测水位的液位计H₁显示水量充足时，则无需启动锅炉，当蓄热水箱中热水的温度没有满足要求或者液位计H₁显示剩余水量过少时，则启动锅炉补充热水。同时，蓄热水箱还可平衡空调冷凝热负荷与生活热水热负荷使用时间和用量不相符的情况，在白天将冷负荷大、太阳辐射强时多制取的热水储存起来供晚高峰使用。

当应用本发明对新建筑进行节能设计时，具体的设备与管道的设置、运行策略的设定皆与上文中改造后的系统方案相同，只是在冷却塔选型和锅炉配置时有所不同。改造系统时可以最大限度的保持原有系统以降低改造成本，而在对新建筑进行节能设计指导时，也应充分利用本发明的特点与优势根据实际情况进行设置。首先，由于本发明将冷凝热进行了回收利用，此时的冷却塔只做调峰使用，则在选择冷却塔时应考虑系统中换热器的换热能力，选择合适容量的冷却塔。其次，在选择锅炉时，为保证锅炉的高效运行，可将常见的设置单台大型锅炉改为设置多台小型锅炉。根据回收冷凝热制热水量和太阳能集热装置制热水量来进行单台锅炉容量的选择，夏季热水负荷小时只开启其中单台或多台锅炉，冬季和过渡季时再根据需要增加开启锅炉的台数。

本发明将中央空调冷凝热回收系统和太阳能热水系统耦合，在供冷季可以承担大部分生活热水的热负荷，大大减少锅炉燃料的使用，在过渡季和供暖季，太阳能热水系统仍然可以正常使用，分担生活热水热负荷，锅炉根据具体需要实施启停，能够保持热水供应的稳定。

本发明的应用实例：

将本发明应用于寒冷地区的某四星级酒店，该酒店一年中分为供冷季，供热季和过渡季。供冷季约为5月1日至同年9月30日，在此期间，中央空调进行制冷，同时产生大量冷凝热。采用本发明在供冷季期间将冷凝热进行回收，并联合太阳能热水系统共同制取酒店所需的生活热水。该酒店空调面积共21600m²，设计冷负荷为2376KW，冷水机组COP为5.2，所以冷凝热为2833KW，该酒店的生活热水设计热负荷为1400KW，由此可见，冷凝热足可以满足生活热水的热负荷，但是冷负荷的峰值出现在午间时段，而对于生活热水而言，会出现中午和晚上两次用水高峰。因此，虽然酒店设计冷负荷较生活热水设计热负荷更大，但晚间冷凝热可能不能满足生活热水的需求。所以系统中的蓄热水箱将储存白天制取的热水供晚间使用，在水量或温度不满足需要时再开启锅炉，这样不仅可以充分利用冷凝热，还可推迟锅炉开启的时间。白天，系统中温度传感器Ⅰ所测的温度超过37℃时便开启电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ，进行热水的制备，电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ的开启程度由控制器根据温度传感器T₂所测的温度控制，T₂所测的温度应当保持在30℃-32℃之间，当电磁阀Ⅴ和电磁阀Ⅵ开到最大而T₂所测的温度仍超过32℃时，则开启电磁阀Ⅲ和电磁阀Ⅳ，多余的热量由冷却塔带走。在太阳能热水系统中，当T₃所测的的温度达到55℃时，开启电磁阀Ⅶ，制取的热水进入蓄热水箱，与来自换热器的热水汇集。当蓄热水箱中热水温度低于45℃或液位低于0.5米时开启锅炉，保持生活热水供应的稳定。在供热季和过渡季，中央空调冷凝热回收系统停用，太阳能热水系统仍正常工作，与锅炉一起制取生活热水。

在采用本发明前，该酒店每年消耗的天然气为15.1万Nm³，在使用本发明后每年可节省3.6万Nm³天然气，节能率达23.8％，天然气售价为2.95元/Nm³，每年的经济效益可达10.6万元，投资回收期约2年。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的方法，其特征在于，使出自冷凝器的冷却水进入换热器与自来水A换热，获得热水A；使自来水B进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得热水B，使热水B与热水A在蓄热水箱中汇集，当蓄热水箱中热水的温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出，当蓄热水箱中热水的温度或水量不满足设定要求时，启动锅炉向蓄热水箱中补充热水，直到蓄热水箱中的热水温度和水量满足设定要求时，作为生活热水的供水排出；当出自换热器的冷却水回水温度大于设定温度时，使出自冷凝器的冷却水分流进入冷却塔冷却。

2.采用如权利要求1所述方法的制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置，包括含有冷凝器和冷却塔的制冷机组以及与所述冷凝器连接的换热器，所述冷凝器设有冷却水出水管和冷却水回水管，所述换热器设有冷却水侧和自来水侧，所述冷却水出水管通过换热进水管与所述换热器的冷却水侧连接，所述冷却水回水管通过换热出水管与所述换热器的冷却水侧连接；所述冷却水出水管通过冷却塔进水管与所述冷却塔连接，所述冷却水回水管通过冷却塔出水管与所述冷却塔连接；其特征在于，该装置还包括控制器、太阳能集热板、锅炉和蓄热水箱；

所述蓄热水箱上设有进水管、补水管、排水管、温度传感器Ⅳ和液位计；在所述蓄热水箱的补水管上设有电磁阀Ⅸ，在所述蓄热水箱的进水管上设有电磁阀Ⅷ，在所述蓄热水箱的排水管上设有电磁阀Ⅹ；

所述换热器的自来水侧的排水管与所述蓄热水箱的进水管连接；在所述换热器的自来水侧的排水管上设有电磁阀Ⅵ；在所述换热器的自来水侧的进水管上设有电磁阀Ⅴ；

所述太阳能集热板的排水管和所述蓄热水箱的进水管连接；在所述太阳能集热板的排水管上设有电磁阀Ⅶ和温度传感器Ⅲ，所述温度传感器Ⅲ位于所述电磁阀Ⅶ的上游；

所述锅炉的排水管和所述蓄热水箱的补水管连接；

在所述冷却水出水管上设有温度传感器Ⅰ和水泵Ⅰ，所述水泵Ⅰ位于所述温度传感器Ⅰ的下游；在所述冷却水回水管上设有温度传感器Ⅱ；在所述换热进水管上设有电磁阀Ⅱ，在所述换热出水管上设有电磁阀Ⅰ，在所述冷却塔进水管上设有电磁阀Ⅲ，在所述冷却塔出水管上设有电磁阀Ⅳ；

所述电磁阀Ⅰ、所述电磁阀Ⅱ、所述电磁阀Ⅲ、所述电磁阀Ⅳ、所述电磁阀Ⅴ、所述电磁阀Ⅵ、所述电磁阀Ⅶ、所述电磁阀Ⅷ、所述电磁阀Ⅸ、所述电磁阀Ⅹ、所述水泵Ⅰ、所述温度传感器Ⅰ、所述温度传感器Ⅱ、所述温度传感器Ⅲ、所述温度传感器Ⅳ和所述液位计分别与所述控制器连接。

3.根据权利要求2所述的制冷机组冷凝热与太阳能集热耦合制热水的装置，其特征在于，在所述太阳能集热板的进水管上设有水泵Ⅱ，所述水泵Ⅱ与所述控制器连接。