CN109210651B - 两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其使用方法 - Google Patents

两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其使用方法。它包括空调热水集水器、空调热水分水器、冷冻水集水器、冷冻水分水器、若干组冷水机组、若干组风冷热泵全热回收机组、若干组风冷热泵四管制冷热水机组、若干组冷却塔、管路、阀门以及水泵；上述设备的组合形成了多条水路循环，在各个水路循环上设有阀门和水泵以控制各个水路循环的通或断。通过水路循环的通断在夏季模式、过度季节模式、冬季模式实现了不同的运行效果，实现了最节能开机组合方式。

Description

两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其 使用方法
技术领域
本发明涉及一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其使用方法。
背景技术
随着人民生活水平的提高，高级医院、五星级宾馆的空调系统都需要能够自由冷暖，传统的自由冷暖四管制空调系统耗能巨大，不符合国家绿色战略，理由有三：1、高级医院、五星级宾馆有大量的生活热水负荷需求，而制冷季节却有大量的冷凝热散发到空气中无法回收。2、过渡季节有冷负荷也有热负荷，无法互为回收，单边付费。3、夏季采暖热负荷很小，冬季的冷负荷也很小，这么小的热负荷及冷负荷，如果冬季专门开一台风冷热泵机组或夏天专门开一台水冷机组，大马拉小车显然是不节能的。因此当务之急要创造一种符合国家绿色战略的自由冷暖四管制空调系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组及其使用方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组，它包括空调热水集水器、空调热水分水器、冷冻水集水器、冷冻水分水器、若干组冷水机组、若干组风冷热泵全热回收机组、若干组风冷热泵四管制冷热水机组、若干组冷却塔、管路、阀门以及水泵；
空调热水集水器、风冷热泵全热回收机组的蒸发器U、空调热水分水器以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环A；
空调热水集水器、风冷热泵四管制冷热水机组的冷凝器V、空调热水分水器以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环B；
冷冻水集水器、风冷热泵全热回收机组的蒸发器U、冷冻水分水器、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环C；
冷冻水集水器、风冷热泵四管制冷热水机组的蒸发器V、冷冻水分水器、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环D；
冷冻水集水器、冷水机组的蒸发器W、冷冻水分水器、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环E；
风冷热泵全热回收机组的冷凝热回收器U与生活热水侧连接形成水路循环 X；冷水机组的冷凝器与冷却塔连接形成水路循环Y；
在各个水路循环上设有阀门和水泵以控制各个水路循环的通或断。
两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组的使用方法，它包括以下运行模式
A夏季模式
关闭水路循环A；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵四管制冷热水机组处于开制冷加热回收四管制功能的状态，回收采暖热水。
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组；
第三梯队
在第二梯队供冷不足的情况下，开启其余无热回收需求的风冷热泵全热回收机组及无热回收需求的风冷热泵四管制冷热水机组。
B过度季节模式
关闭水路循环A；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵
四管制冷热水机组处于开制冷加热回收四管制功能的状态，回收采暖热水。
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组。
C冬季模式
关闭水路循环C、水路循环E以及水路循环Y；
所述风冷热泵全热回收机组通过四通阀切换，使蒸发器变冷凝器，冷凝器
变蒸发器；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，此时风冷热泵四管制冷热水机组处于开制热加冷回收四管制功能的状态，回收冷冻水；
第二梯队
其余无生活热水需求的风冷热泵全热回收机组及无冷回收冷冻水需求的风冷热泵四管制冷热水机组。
较之现有技术而言，本发明的优点在于：可以一个创造超舒适性的自由冷暖空调系统，由于采用了风冷热泵四管制冷热水机组，夏季小量热负荷可以通过热回收免费获得；冬季小冷量可以通过冷回收免费获得；过度季节冷热负荷互为回收，单边付费。由于采用了风冷热泵冷凝热全热回收机组，夏季及过度季节的生活热水可以通过热回收免费获得；由于采用了风冷热泵四管制冷热水机组及冷热泵冷凝热全热回收机组的组合，因为冬季热负荷高峰与生活热水高峰不在同一个时段，可以减少装机容量，可以不采用空气源热泵热水机组。由于采用了风冷热泵冷凝热全热回收机组及风冷热泵四管制冷热水机组、水冷冷水机组三者藕合，使得可以通过机房群控，选择最优的最节能开机组合方式。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明夏季模式的示意图。
图3是本发明过度季节模式的示意图。
图4是本发明冬季模式的示意图。
图5是风冷热泵四管制冷热水机组的结构示意图。
标号说明：1空调热水集水器、11热水旁通压差控制器、2空调热水分水器、 3冷冻水集水器、31冷冻水旁通压差控制器、4冷冻水分水器、5冷水机组、51 蒸发器W、52冷凝器、6风冷热泵全热回收机组、61蒸发器U、62冷凝热回收器U、7风冷热泵四管制冷热水机组、71冷凝器V、72蒸发器V、81热水补水机构、82冷水补水机构、9冷却塔。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：
如图1所示为本发明提供的一种实施例示意图。图中公开了一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组，它包括空调热水集水器1、空调热水分水器2、冷冻水集水器3、冷冻水分水器4、若干组冷水机组5、若干组风冷热泵全热回收机组6、若干组风冷热泵四管制冷热水机组7、冷却塔9以及管路和阀门；
空调热水集水器1、风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61、空调热水分水器2以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环A；
空调热水集水器1、风冷热泵四管制冷热水机组7的冷凝器V71、空调热水分水器2以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环B；
冷冻水集水器3、风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61、冷冻水分水器4、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环C；
冷冻水集水器3、风冷热泵四管制冷热水机组7的蒸发器V72、冷冻水分水器4、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环D；
冷冻水集水器3、冷水机组5的蒸发器W51、冷冻水分水器4、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环E；
风冷热泵全热回收机组6的冷凝热回收器U62与生活热水侧连接形成水路循环X，冷水机组5的冷凝器52与冷却塔9连接形成水路循环Y；
在各个水路循环上设有阀门以控制各个水路循环的通断。
在空调热水集水器1和空调热水分水器2之间热水旁通压差控制器11，在冷冻水集水器3和冷冻水分水器4之间连接有冷冻水旁通压差控制器31。
它还包括热水补水机构81、冷水补水机构82、热水补水机构81与空调热水集水器1连接，冷水补水机构82与冷冻水集水器3连接。
实际使用过程中，根据具体情况启闭相应的阀门和水泵，实现各个水路循环的通断。
根据阀门的启闭及机组的启闭情况，本发明可以实现以下三种运行模式：
为了更好的说明，对影响运行模式影响较大的水路循环上设置的阀门增加标号；具体为：水路循环C中风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61和冷冻水分水器4之间的阀门标记为X1；水路循环C中冷冻水集水器3和风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61之间的阀门标记为Y1；水路循环A中风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61和空调热水分水器2之间的阀门标记为X2；水路循环A 中空调热水集水器1和风冷热泵全热回收机组6的蒸发器U61之间的阀门标记为Y2。
系统运行模式
(1)夏季模式
如图2所示：关闭水路循环A；即该状态下阀门X1，Y1处于开启状态，X2， Y2处于闭合状态。
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵四管制冷热水机组处于开制冷加热回收四管制功能的状态，回收采暖热水。
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组；
第三梯队
在第二梯队供冷不足的情况下，开启其余无热回收需求的风冷热泵全热回收机组及无热回收需求的风冷热泵四管制冷热水机组。
由于，夏季采暖热水很少，主要用于手术室、ICU等特殊病人使用及净化空调机组夏季的加热除湿，所以主要按上述优先级启动相应设备。
(2)过度季节模式
如图3所示：关闭水路循环A；即该状态下阀门X1，Y1处于开启状态，X2， Y2处于闭合状态。
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵四管制冷热水机组处于随机制冷优先热回收状态，或随机制热优先冷回收状态。
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组。
(3)冬季模式
如图4所示：该状态下阀门X2，Y2处于开启状态，X1，Y1处于闭合状态，即关闭水路循环C；同时水路循环E以及水路循环Y也一同关闭(冷水机组不使用)；
所述风冷热泵全热回收机组通过四通阀切换，使蒸发器变冷凝器，冷凝器变蒸发器；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，此时风冷热泵四管制冷热水机组处于开制热加冷回收四管制功能的状态，回收冷冻水；
第二梯队
其余无生活热水需求的风冷热泵全热回收机组及无冷回收冷冻水需求的风冷热泵四管制冷热水机组。
各种机组的功能如下：
(1)风冷热泵冷凝热全热回收机组(即风冷热泵全热回收机组)：
风冷热泵冷凝热全热回收机组的运行模式分为制冷季节运行模式A及冬季运行模式B，制冷季节运行模式A在制冷的同时热回收生活热水，冬季通过四通方向阀切换为冬季运行模式B(蒸发器变冷凝器，冷凝器变蒸发器)，运行模式B优于空气源热泵热水机组，优于空气源热泵热水机组的原因是它多了一个热回收盘管，一台机组可以部分制生活热水，部分制采暖热水，由于冬季的采暖热水负荷高峰与生活热水的高峰不在同一个时间点，不同负荷可以错开使用，因而可减少装机容量，采用风冷热泵冷凝热全热回收机组可把生活热水温度设在50℃，采暖进出水温度40℃/45℃，制冷进出水温度12℃ /7℃，满足使用要求。
(2)风冷热泵四管制冷热水机组：
风冷热泵四管制冷热水机组采暖进出水温度40℃/45℃，制冷进出水温度 12℃/7℃。如图5所示：风冷热泵四管制冷热水机组主要由压缩机、冷凝器V、蒸发器V、可变功能换热器(辅助换热器)组成。其中，可变功能换热器通过四通切换阀在冬夏季进行切换实现模式转化，机组有二个独立回路的四管制水系统，一年四季均能实现五种运行模式：
1、单制热模式：此时与普通风冷热泵机组一样使用，冷凝器V提供空调用热水。辅助换热器作为蒸发器用，从空气中吸热。
2、单制冷模式:此时与普通风冷冷水机组一样使用，蒸发器V提供空调用冷冻水。辅助换热器作为冷凝器用，从空气中散热。
3、制热优先，制热量大于制冷量E：制热优先为制热+冷回收模式，当热需求大于冷需求时，冷凝器V供热，蒸发器V供冷，辅助换热器作为蒸发器用，多余的冷量排放到空气中。
4、制冷优先，制冷量大于制热量F：制冷优先为制冷+热回收模式，当冷需求大于热需求时，蒸发器V供冷，冷凝器V供热，辅助换热器作为冷凝器用，多余的热量排放到空气中。
5、制冷+制热(设备自动平衡冷热量)：蒸发器V供冷，冷凝器V供热。这是最节能的运行方式。当其中一侧需求满足时，辅助换热器动态自动智能平衡冷热量。
虽然它不是传统概念上的热回收机组，但它一套压缩机(一般一套两台) 的用电量可同时得到冷量和热量，总有一边是免费的，因此实际意义上也是个能量回收机组。当冷量大于热量时可以随机开制冷优先模式。当热量大于冷量时可以随机开制热优先模式。制冷优先模式实际上就是个制冷热回收模式，同理，制热优先模式实际上就是个制热冷回收模式。由于风冷热泵四管制冷热水机组在全年中使用，负荷变化大，一般设两个机头。
(3)水冷冷水机组
水冷冷水机组可设两到三台用于补充热回收机组及风冷热泵四管制冷热水机组制冷量的不足。由于其COP值较高可用在夏天开机的第二梯队，可以更加节能。
经济分析：
1)、工程模拟实例：
以三明某医院高级住院楼为例：该工程57000平方米，有诊室、手术室、药房、检验科、高级病房、餐厅、厨房、数据中心、配电房等。三明地区地处夏热冬冷偏南方地带，该地区属中国较发达地区(具有一定的普遍性)。
2)、负荷计算：
通过专业负荷软件计算，夏季总冷负荷6879.7KW，冬季总热负荷2706.9Kw，过度季节平均冷负荷2064Kw,过度季节平均热负荷812Kw，生活热水热量 1139.88Kw。
3)、节能计算：
3.1)、生活热水年负荷计算：
根据业主提供的1000张单人床位及厨房用热水量30m3/d，每个单人床每天热水量0.2m3/d，考虑同时使用系数0.8每个单人床每天热水量0.16m3/d，病房生活热水量160m3/d，总热水用量约为190m3/d，热水高峰负荷计算如下：
(1)每吨50℃生活热水的负荷量(自来水温度取15℃)
根据公式Q＝cm△t：
式中Q——每吨50℃生活热水的负荷量(KW/吨)
c——水的比热容KJ/(Kg·℃)
m——1吨水的公斤数(1000Kg)
△t——生活热水温差(℃)
Q＝4.187×1000×(50-15)/3600＝40.71KW/吨
(2)每天总生活热水负荷为(考虑5％的管路损失)
Qd＝190×40.71×1.05＝8121.65Kw
(3)年节约电费：
如果采用空气源热泵热水器，空气源的cop值按4计算，每天用电量： 8121.65KW/4＝2030.41Kw,可全部热回收的天数按245天计算，平均电费0.8元，则年节省费用2030.41X245X0.8＝397960.61元，即39.80万元。
3.2)、生活热水选机型用负荷计算
(1)每天病房生活热水负荷为(考虑5％的管路损失)
Qd1＝160×40.71×1.05＝6839.28Kw
(2)每天厨房生活热水负荷：
Qd1＝30×40.71×1.05＝1282.37Kw
(3)由于病房生活热水用水高峰，主要集中在晚上18:00-23:00和早上 7:00-9:00，早上每小时的用水量仅为晚上的一半，折约6小时，则每小时病房的热水高峰平均负荷可大约为：6839.28÷6＝1139.88kw,厨房生活热水用水高峰，主要集中在11:00-13:00时间，共约2小时，则每小时厨房的热水高峰平均负荷可大约为：1282.37÷2＝641.19kw，两者取大者热水高峰平均负荷可大约为1139.88kw。
3.3)风冷热泵四管制冷热水机组制热冷回收节能计算。
(1)过度季节平均热负荷800Kw,可回收制冷量按812/1.2计算，为677Kw, 有效回收率按80％计算，则为541KW,这些冷量如果不用四管机组，必须用水冷机组来承担，过度季节冷水机组的COP值按6计算，则冷水机组的多耗功率为 90KW。冬季冷回收量较少按100KW计算，冷水机组的多耗功率为17KW。夏季热负荷80KW，这些热量如果不用四管机组，必须用普通风冷热泵机组来承担，普通风冷热泵机组多耗80/4＝20kW
(2)过渡季节按180天计算，非上班时间冷回收量按50％计算，则整个过度季节的总节约费用为90X180X(8+16/2)X0.8＝207360元，冬季按90天计算，冬季节约费用17X90X(8+16/2)X0.8＝19584元，夏季按95天计算，夏季节约 20X95(8+16/2)X0.8＝24320元，总节约费用207360+19584+24320＝251264元，约为25.1万。
3.4)，系统总节约费用：39.80+25.1＝64.9万元。
4)、系统投资计算：
4.1)方案概述：
方案一：采用2台制冷量2110Kw(600冷吨)的水冷离心式冷水机组；1台制冷量501kw，制热量533kw，热回收量636kw；1台制冷量978kw，制热量1015kw，热回收量1231kw的风冷热泵冷凝热全热回收机组及1台制冷量512kw，制热量 533kw；1台制冷量983kw，制热量1015kw的风冷热泵四管制冷热水机组。在冬天由于每天生活热水最大高峰期在晚上，热负荷最大高峰期在早上病人密集就诊时间段，所以本设计可满足冬季采暖的使用要求。
方案二：采用2台制冷量2110Kw(600冷吨)的水冷离心式冷水机组及3台制冷量983Kw，制热量为1015Kw的风冷热泵机组加9台160Kw的空气源热泵热水机组。为了节省投资，风冷热泵机组的制冷量用于夏天。(注：由高档医院、五星级宾馆环保要求较高，在可以采用空气源的地方尽量少用锅炉，因此锅炉不在探讨范围内)
4.2)投资比较：
方案一、二水冷机组、冷却塔相同，不用比较，仅对不同设备的投资进行比较：
方案一、1台制冷量501kw，制热量533kw，热回收量636kw和1台制冷量 978kw，制热量1015kw，热回收量1231kw的风冷热泵冷凝热全热回收机组的总价格为65+118＝182万，1台制冷量512kw，制热量533kw；1台制冷量983kw，制热量1015kw的风冷热泵四管制冷热水机组的总价格为85+136＝221万，增加水泵150m3/h,2台，75m3/h,6台，总价格2X2+6＝10万，合计总价：182+221+10＝413 万元。
具体如下所示：
方案二、3台制冷量983Kw，制热量为1015Kw的风冷热泵机组价格为 98.8*3＝296.4万，16台80Kw的空气源热泵热水机组总价格为5.02X16＝80.3万元，合计总价为296.4+80.3＝376.7万元。
具体如下所示：
4.3)投资回收年期：差价：413-376.7＝36.3万元。
两个方案仅差36.3万元，但每年可节省64.9万元。半年左右就可以回收全部投资。

Claims (2)

1.一种两种不同功能的风冷热泵热回收机组耦合水冷冷水机组，其特征在于：它包括空调热水集水器（1）、空调热水分水器（2）、冷冻水集水器（3）、冷冻水分水器（4）、若干组冷水机组（5）、若干组风冷热泵全热回收机组（6）、若干组风冷热泵四管制冷热水机组（7）、冷却塔（9）、管路、阀门以及水泵；
空调热水集水器（1）、风冷热泵全热回收机组（6）的蒸发器U（61）、空调热水分水器（2）以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环A；
空调热水集水器（1）、风冷热泵四管制冷热水机组（7）的冷凝器V（71）、空调热水分水器（2）以及用户端供热设备通过管路连接形成水路循环B；
冷冻水集水器（3）、风冷热泵全热回收机组（6）的蒸发器U（61）、冷冻水分水器（4）、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环C；
冷冻水集水器（3）、风冷热泵四管制冷热水机组（7）的蒸发器V（72）、冷冻水分水器（4）、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环D；
冷冻水集水器（3）、冷水机组（5）的蒸发器W（51）、冷冻水分水器（4）、用户端供冷设备通过管路连接形成水路循环E；
风冷热泵全热回收机组（6）的冷凝热回收器U（62）与生活热水侧连接形成水路循环X，冷水机组（5）的冷凝器（52）与冷却塔（9）连接形成水路循环Y；
在各个水路循环上设有阀门和水泵以控制各个水路循环的通或断；
在空调热水集水器（1）和空调热水分水器（2）之间热水旁通压差控制器（11），在冷冻水集水器（3）和冷冻水分水器（4）之间连接有冷冻水旁通压差控制器（31）；
它还包括热水补水机构（81）、冷水补水机构（82）、热水补水机构（81）与空调热水集水器（1）连接，冷水补水机构（82）与冷冻水集水器（3）连接。
2.一种根据权利要求1所述机组的使用方法，其特征在于：
它包括以下运行模式
A夏季模式
关闭水路循环A；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵四管制冷热水机组处于开制冷加热回收四管制功能的状态，回收采暖热水；
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组；
第三梯队
在第二梯队供冷不足的情况下，开启其余无热回收需求的风冷热泵全热回收机组及无热回收需求的风冷热泵四管制冷热水机组；
B过度季节模式
关闭水路循环A；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组，使风冷热泵全热回收机组处于开制冷加回收生活热水的状态；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组，使风冷热泵四管制冷热水机组处于开制冷加热回收四管制功能的状态，回收采暖热水；
第二梯队
在第一梯队供冷不足的情况下，开启部分或全部冷水机组；
C冬季模式
关闭水路循环C、水路循环E以及水路循环Y；
所述风冷热泵全热回收机组通过四通阀切换，使蒸发器变冷凝器，冷凝器变蒸发器；
按优先级启动相应设备和水路循环；
第一梯队
根据生活热水需求，开启部分风冷热泵全热回收机组；
根据用户端供暖需求，开启部分风冷热泵四管制冷热水机组， 此时风冷热泵四管制冷热水机组处于开制热加冷回收四管制功能的状态，回收冷冻水；
第二梯队
其余无生活热水需求的风冷热泵全热回收机组及无冷回收冷冻水需求的风冷热泵四管制冷热水机组。
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