CN109340933A - 一种冷冻水大温差节能空调系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷冻水大温差节能空调系统，包括冷水机组、冷冻水泵、冷冻水管路、位于各空调设计区域内的新风机组和回风机组；每个空调设计区域内，所有新风机组并联组成新风机组模块，所有回风机组并联组成回风机组模块，新风机组模块与回风机组模块串联组成空调末端模块；各所述空调末端模块之间并联；所述冷水机组、冷冻水泵、空调末端模块通过冷冻水管连接，形成冷冻水环路。本发明还提供了该系统的实现方法：各空调设计区域内，冷水机组生产的冷冻水先接入新风机组模块，从其流出后再接入回风机组模块，最后回到冷水机组。本发明通过对冷冻水低温段与高温段冷量的科学利用，实现了冷冻水的大温差运行，降低了冷冻水系统的能耗与初投资。

Description

一种冷冻水大温差节能空调系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及中央空调系统节能技术领域，特别涉及一种冷冻水大温差节能空调系统及其实现方法。
背景技术
中央空调系统中，虽然制冷主机的能耗是最大的，但是冷冻水泵的输送能耗所占比重也很大。此外，实际工程中，因冷水泵设计容量的余量过大或者运行调节不合理而导致的冷冻水泵能耗居高不下的情况也非常普遍。因此，冷冻水系统的节能成为了中央空调系统节能的重点。常规中央空调系统的冷冻水供回水温差通常为5℃，所有的空调末端设备并联，其冷冻水泵的输送能耗在系统总能耗中所占比重大。冷冻水泵的能耗与其流量和扬程有关，流量越小冷冻水泵的运行能耗越低。当冷冻水供回水温差加大时，相同冷量下，冷冻水流量减少。故，冷冻水大温差空调系统的冷冻水泵能耗比常规中央空调系统低。普通大温差空调系统中，虽然降低了冷冻水泵的运行能耗，但是由于空调末端设备的供回水温差加大，会降低空调末端设备的冷量与除湿能力。为了使得空调末端设备获得5℃温差时相同的冷量与除湿能力，需要增加其换热面积或者降低冷冻水的进水温度。增加空调末端设备的换热面积会增加其初投资，而降低冷冻水进水温度会引起冷水机组COP的下降，这二者均为冷冻水大温差带来的弊端。
此外，在常规空调系统设计与设备选型过程中，经常会出现经过新风机组热湿处理后的新风温度很低，送入空调房间后，承担了部分室内冷负荷，导致回风机组或风机盘管的风量与冷量不能同时满足要求，难以选到合适设备的情况。在人员密度大、新风量较大的参数，若仅将新风处理到室内状态的等焓线上，新风机组也会出现，风量满足，冷量富余量极大的情况。
因此，科学利用低温段与高温段冷冻水的温差与冷量，加大冷冻水供回水温差来降低冷冻水泵的能耗，避免出现常规空调系统中出现的新风机组或风机盘管风量与冷量不能同时满足要求、冷量富余极大的情况，对于空调系统节能至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种冷冻水大温差节能空调系统及其实现方法，该空调系统能科学、高效地利用大温差冷冻水高温与低温段的冷量，减少冷冻水系统的流量，减小冷冻水管管径，降低冷冻水泵的运行能耗，并能避免出现常规空调系统新风机组或回风机组选型过程中出现风量与冷量不能同时满足要求、冷量富余极大的弊端。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种冷冻水大温差空调系统，包括冷水机组、冷冻水泵、冷冻水管路、位于各空调设计区域内的新风机组和回风机组，每个空调设计区域内，所有新风机组并联组成新风机组模块，所有的回风机组并联组成回风机组模块，新风机组模块与回风机组模块串联组成空调末端模块；各所述空调末端模块之间并联；所述冷水机组、冷冻水泵、空调末端模块通过冷冻水管连接，形成冷冻水环路。
进一步地，所述冷水机组为单台或多台，当冷水机组的台数为多台时，每台冷水机组均串联配置一台冷冻水泵，然后与其他冷水机组及其对应的冷冻水泵并联。
进一步地，所述建筑物空调设计区域具体为将建筑物内每个楼层的空调房间按朝向或使用功能划分的一个或多个区域。
一种如所述的冷冻水大温差空调系统的实现方法，包括步骤：
冷水机组大温差运行，生产出温度为ts的冷冻水；
将温度为ts的冷冻水输送到各空调设计区域的空调末端模块；在各空调末端模块中，新风与回风分开进行热湿处理，分别由所述新风机组模块与回风机组模块承担；
温度为ts的冷冻水首先接入空调末端模块的新风机组模块，利用冷冻水低温段的冷量对新风进行热湿处理且温度升高为tm后流出，然后温度为tm的冷冻水再接入回风机组模块，进一步利用冷冻水高温段的冷量对回风进行热湿处理，温度进一步升高至空调系统的设计回水温度tr后流出；经新风机组模块热湿处理处理后的新风，按设计新风量送入各空调房间，与房间内经过回风机组热湿处理后的回风混合，消除室内的余热与余湿，维持空调房间所需要的室内温度与湿度；
各空调末端模块流出的温度为tr的冷冻水经冷冻水管、冷冻水泵回到冷水机组，冷水机组对其降温至ts，进行下一循环；
进一步地，所述的冷冻水供水的温度ts和回水温度tr的温差为8℃～10℃。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、实现了冷冻水系统的大温差，不仅大幅减少了冷冻水流量，而且降低了冷水机组与空调末端设备的阻力，大幅降低冷冻水泵能耗。
2、通过采用新风机组模块、回风机组模块分别对冷冻水低温段与高温段冷量进行科学利用，避免出现常规空调系统中出现的新风机组或风机盘管风量与冷量不能同时满足要求、冷量富余极大的情况。
3、减少冷冻水泵流量与冷冻水系统水管管径，节省冷冻水系统的初投资。
附图说明
图1为本发明所述的一种冷冻水大温差节能空调系统结构示意图。
图2为常规空调系统的冷冻水系统结构示意图。
图3为普通大温差空调系统的冷冻水系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种冷冻水大温差空调系统，包括冷水机组、冷冻水泵、冷冻水管路、位于各空调设计区域内的新风机组和回风机组，所述空调设计区域具体为将建筑物内每个楼层的空调房间按朝向或使用功能划分的一个或多个区域。每个空调设计区域内，所有新风机组并联组成新风机组模块，所有回风机组并联组成回风机组模块，新风机组模块与回风机组模块串联组成空调末端模块；各所述空调末端模块之间并联；所述冷水机组、冷冻水泵、空调末端模块通过冷冻水管连接，形成冷冻水环路。
所述冷水机组为单台或多台，本实施例为多台，当冷水机组的台数为多台时，每台冷水机组均串联配置一台冷冻水泵，然后与其他冷水机组及对应的冷冻水泵并联。
本发明是通过下面的方法来实现冷冻水低温段与高温段温差与冷能的科学利用，提高冷冻水供回水温差的：
一种如所述的冷冻水大温差空调系统的实现方法，包括步骤：
S1、冷水机组大温差运行，生产出温度为ts的冷冻水；
S2、将所述温度为ts的冷冻水输送到各空调设计区域的空调末端模块；在各空调末端模块中，新风与回风分开进行热湿处理，分别由所述新风机组模块与回风机组模块承担；
S3、温度为ts的冷冻水首先接入空调末端模块的新风机组模块，利用冷冻水低温段(△t1＝tm－ts)的冷量对新风进行热湿处理，温度升高为tm后流出，然后温度为tm的冷冻水再接入回风机组模块，进一步利用冷冻水高温段(△t2＝tr－tm)冷量对回风进行热湿处理，温度进一步升高至空调系统的设计回水温度tr后流出；经新风机组模块热湿处理处理后的新风，按设计新风量送入各空调房间，与房间内经过回风机组热湿处理后的回风混合，消除室内的余热与余湿，将空调房间所需要的室内温度与湿度维持在设计值；
S4、各空调末端模块流出的温度为tr的冷冻水经冷冻水管、冷冻水泵回到冷水机组，冷水机组对其降温至ts，进行下一循环。
所述的冷冻水供水的温度ts和回水温度tr的温差为8℃～10℃。
本实施例中空调系统的具体参数与实现过程如下：
1、建筑概况与冷负荷计算结果。
广州某办公楼，总建筑面积25779.6m2，共15层，每层层高3.6米。办公楼每层平面布置与建筑面积相同，每层设有大办公室7间，中型办公室2间、领导办公室2间。
办公楼外墙传热系数、外窗传热系数、屋顶传热系数分别为：1.27W/(m2.℃)、2.4W/(m2.℃)、0.77W/(m2.℃)。室内热源参数与新风量指标如下：
(1)办公室照明功率：9W/m2；用电设备功率：15W/m2；人员密度：领导办公室3人/间，大办公室与中型办公室6m2/人；新风量指标：30m3/(h.人)。
(2)走道照明功率：照明功率：9W/m2；用电设备功率：0W/m2；人员密度：40m2/人；新风量指标：10m3/(h.人)。
办公楼的空调系统仅供冷，供冷季节为4月15-10月30日期间的工作日，共运行135天，工作日空调系统每天运行时间段为8：00-19：00，11小时/天。空调系统的室内设计参数为：干球温度26℃，相对湿度55％。
采用鸿业负荷9.0软件，对办公楼的设计日空调冷负荷进行计算，结果如下：建筑物设计冷负荷为1869.5kW，标准层各空调房间设计冷负荷、湿负荷以及新风量计算结果如表1所示。
表1标准层各空调房间设计负荷与新风量
2、办公楼采用本发明空调系统时设备选型结果
本发明空调系统冷水设计参数：供/回水温度为7℃/17℃，供回水温差10℃。冷冻水进、出新风机组模块的温度分别为7℃、12℃，进、出回风机组模块的温度分别为12℃、17℃，回风机组为风机盘管。
本发明空调系统中，冷水机组设计供回水温度7℃/17℃与目前商用冷水机组额定的供回水温度7℃/12℃相比，回水温度提高了5℃，设计工况下，冷水机组的性能要依据贺利工发表的《冷冻水大温差对冷水机组的影响》进行修正。依据《冷冻水大温差对冷水机组的影响》，当冷冻水供水温度均为7℃时，供回水温差5℃与10℃运行，冷水机组的冷量与电耗基本相同，仅冷冻水量不同。对于同一台冷水机组，冷冻水量发生变化后，蒸发器的水阻力也相应发生变化。设同一台冷水机组蒸发器冷冻水的阻力与蒸发器内冷冻水流速的平方成正比，然后对温差10℃运行时，冷水机组的冷冻水阻力进行修正。
本发明中新风机组模块中，各新风机组的冷冻水进、出水温度及温差与其额定情况相同，不需要对其冷量与除湿性能进行修正，即可进行新风机组的选型。但是，回风机组模块中，各回风机组的冷冻水进/出水温度为12℃/17℃，不同于额定工况的7℃/12℃，依据吴晓艳发表的《风机盘管性能随冷冻水温差的变化》对处理回风的风机盘管的性能进行修正后再选型。依据该文献，可计算出进/出水温度为12℃/17℃时风机盘管的冷量与额定工况下冷量之比为：全热冷量之比为0.783，显热冷量之比为0.832，潜热冷量之比为0.644。
由于本发明与常规空调系统、普通大温差空调系统的冷却水系统供回水温度相同，其冷水机组的选型相同，因此，冷却水流量以及冷却水泵、冷却塔的选型也相同，相同部分不纳入对比分析，后面仅列出空调系统中冷冻水系统相关设备的选型结果。
冷水机组：麦克维尔单螺旋水冷，型号PFS-270.1XE，2台。在冷冻水设计供回水温度7℃/17℃工况下，冷水机组的性能参数如下：额定制冷量949kW，压缩机输入功率175kW，冷冻水流量81.72m3/h，冷冻水阻力10.35kPa。
冷冻水泵：格兰富ISO 125x100-250，2台，流量97.9m3/h，扬程18m，电机功率8kW。
办公楼每层的需要的新风量为5890m3/h，采用两台风量为3000m3/h的新风机组集中对新风进行降温除湿至干球温度18℃，相对湿度95％后，再按所需的新风量送至各空调房间。各空调房间的回风由设置在其内部的风机盘管进行热湿处理。标准层的新风机组选型结果为：
新风机组：英诺德BFP-30XW，2台，额定工况下参数：风量3000m3/h，冷量42.1kW，电机功率0.55kW。
采用本发明空调系统时，标准层各空调房间风机盘管选型结果如表2所示。
表2标准层各空调房间风机盘管选型结果(采用本发明空调系统)
注：风机盘管额定工况为风机高档运行且冷冻水进/出水温度为7℃/12℃。
3、办公楼采用常规空调系统或普通大温差空调系统时设备选型结果。
(1)办公楼采用常规空调系统时设备选型结果
办公楼采用常规空调系统时，冷冻水系统结构如图2所示。冷冻水供/回水温度为7℃/12℃，供回水温差5℃，冷冻水系统设备选型结果如下：
冷水机组：麦克维尔单螺旋水冷，型号PFS-270.1XE，2台。在冷冻水设计供回水温度7℃/12℃工况下，冷水机组的性能参数如下：额定制冷量949kW，压缩机输入功率175kW，冷冻水流量163.44m3/h，冷冻水阻力41.4kPa。
冷冻水泵：格兰富ISO 150x125-315，2台，流量195.8m3/h，扬程26m，电机功率22kW。
新风机组：英诺德BFP-30XW，2台，额定工况下参数：风量3000m3/h，冷量42.1kW，电机功率0.55kW。新风进行热湿处理后的终状态同样为：干球温度18℃，相对湿度95％。
采用常规空调系统时，标准层各空调房间风机盘管选型结果如表3所示。
表3标准层各空调房间风机盘管选型结果(采用常规空调系统)
(2)办公楼采用普通大温差空调系统时设备选型结果。
办公楼采用普通大温差空调系统时，冷冻水系统结构如图3所示。冷冻水供/回水温度为7℃/17℃，供回水温差10℃，冷冻水系统设备选型结果如下：
冷水机组：麦克维尔单螺旋水冷，型号PFS-270.1XE，2台。在冷冻水设计供回水温度7℃/17℃工况下，冷水机组的性能参数如下：额定制冷量949kW，压缩机输入功率175kW，冷冻水流量81.72m3/h，冷冻水阻力10.35kPa。
冷冻水泵：格兰富格兰富ISO 125x100-250，2台，流量97.9m3/h，扬程18m，电机功率8kW。
新风机组：英诺德BFP-30XXW，2台，额定工况下参数：风量3000m3/h，冷量56.835kW，电机功率0.65kW。新风进行热湿处理后的终状态同样为：干球温度18℃，相对湿度95％。
采用常规空调系统时，标准层各空调房间风机盘管选型结果如表4所示。
表4标准层各空调房间风机盘管选型结果(采用普通大温差空调系统)
(注：上表中括号内的数值表述风机盘管中档运行时的性能参数。)
4、办公楼分别采用本发明空调系统与其它空调系统时初投资与能耗对比分析。
下面对于上述实施例中的办公楼分别采用本发明空调系统、常规空调系统以及普通大温差空调系统时，其初投资与能耗进行对比分析。仅比较三种空调系统中不同的部分，相同部分不计入比较。由于办公楼分别采用本发明空调系统、常规空调系统、普通大温差空调系统时，冷水机组相同，下面的初投资与能耗对比不包含冷水机组，仅包括冷冻水泵与末端空调机组部分，初投资与年电耗如表5所示。
表5本发明空调系统与其他空调系统初投资及年电耗对比
(注：电价为0.8元/kWh)
表5显示，相对于办公楼采用常规空调系统，采用本发明空调系统时，初投资节省10150元，年电耗节省41268.2kWh/year，年电费节省33014.5元/year；采用普通大温差空调系统时，初投资增加10850元，年电耗节省31556.3kWh/year，年电费节省25245.0元/year。故本发明空调系统无论在初投资还是在年电耗发明均为最优。
因此，本发明通过采用新风机组模块与回风机组模块，科学、高效地利用冷冻水低温与高温段的冷量，提高冷冻水供回水温差，减少冷冻水系统的流量，降低冷冻水泵的运行能耗与冷冻水系统的初投资，并能避免出现新风机组或回风机组选型过程中出现新风机组或风机盘管风量与冷量不能同时满足要求、冷量富余极大的弊端。具有初投资低，运行节能的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷冻水大温差节能空调系统，其特征在于：包括冷水机组、冷冻水泵、冷冻水管路、位于各空调设计区域内的新风机组和回风机组，每个空调设计区域内，所有新风机组并联组成新风机组模块，所有回风机组并联组成回风机组模块，新风机组模块与回风机组模块串联组成空调末端模块；各所述空调末端模块之间并联；所述冷水机组、冷冻水泵、空调末端模块通过冷冻水管连接，形成冷冻水环路。
2.根据权利要求1所述的冷冻水大温差节能空调系统，其特征在于：所述冷水机组为单台或多台，当冷水机组的台数为多台时，每台冷水机组均串联配置一台冷冻水泵，然后与其他冷水机组及其对应的冷冻水泵并联。
3.根据权利要求1所述的冷冻水大温差节能空调系统，其特征在于：所述空调设计区域具体为将建筑物内每个楼层的空调房间按朝向或使用功能划分的一个或多个区域。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的冷冻水大温差节能空调系统的实现方法，其特征在于：包括步骤：
冷水机组大温差运行，生产出温度为t s 的冷冻水；
将温度为t s 的冷冻水输送到各空调设计区域的空调末端模块；在空调末端模块中，新风与回风分开进行热湿处理，分别由所述新风机组模块与回风机组模块承担；
温度为t s 的冷冻水首先接入空调末端模块中的新风机组模块，利用冷冻水低温段的冷量对新风进行热湿处理，温度升高为t m 后流出，然后温度为t m 的冷冻水再接入回风机组模块，进一步利用冷冻水高温段的冷量对回风进行热湿处理，温度进一步升高至空调系统的设计回水温度t r 后流出；经新风机组模块热湿处理处理后的新风，按设计新风量送入各空调房间，与房间内经过回风机组热湿处理后的回风混合，消除室内的余热与余湿，维持空调房间所需要的室内温度与湿度；
各空调末端模块流出的温度为t r 的冷冻水经冷冻水管、冷冻水泵回到冷水机组，冷水机组对其降温至t s ，进行下一循环。
5.根据权利要求4所述的冷冻水大温差节能空调系统的实现方法，其特征在于：所述的冷冻水供水的温度t s 和回水温度t r 的温差为8℃～10℃。
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