CN109780658A - 除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种除霜式蓄能蒸发冷却‑机械制冷(热泵)机组空调系统，包括间接‑直接蒸发冷却冷水机组、机械制冷(热泵)机组、板式换热器a、板式换热器b、板式换热器c和蓄能装置，间接‑直接蒸发冷却冷水机组分别与板式换热器a、机械制冷(热泵)机组进行热量交换，机械制冷(热泵)机组分别与板式换热器b、板式换热器c进行热量交换，板式换热器c与蓄能装置进行热量交换。本发明空调系统将间接‑直接蒸发冷却冷水机组制冷的防冻技术和热泵制热的除霜技术耦合；将机械制冷(热泵)技术和蓄冷蓄热技术相结合，充分利用峰谷电价差值降低机组运行成本。

Description

除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统

技术领域

本发明属于空调设备技术领域，具体涉及一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统。

背景技术

近些年来，一些工业建筑室内降温冷却成为制冷空调行业关注的热点领域，例如纺织厂、生产车间、数据中心等。特别是数据中心建设的高速增长导致机房内部各种设备越来越多，为保证数据中心提供恒温恒湿的制冷环境。数据中心用电量会大大增加，随之而来冷却系统、配电系统、UPS和发电机等都会按比例增加，这给数据中心能耗带来重大挑战。

在数据中心冷却仅使用传统机械制冷冷水机组，电能消耗大，运行维护成本较高；蒸发冷却空调技术可以充分利用干空气能来制取冷风和冷水，对机房室内进行降温。随着数据中心设计供水温度提高，间接-直接蒸发冷却冷水机组制取高温冷水的出水温度符合部分时间的设计需求，而且电能消耗更小，运行维护成本更低。但是，仅使用间接-直接蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水受制于气象条件，在中高湿度地区的夏季，或是干燥地区的连续阴雨天，仍然需要传统机械制冷冷水机组制取高温冷水；在冬季严寒天气，传统的蒸发冷却冷水机组容易结冰，在冬季需要供冷的数据中心等领域使用需要充分考虑防冻措施。冬季在数据中心机房附近的无集中供暖的生活区域，可以采用热泵供暖方式，但是机组低温运行时，室外机结霜会影响机组制热量和制热系数，结霜和除霜的代价占运行总能耗的10％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，解决数据中心冷却系统能耗大的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，包括间接-直接蒸发冷却冷水机组、机械制冷(热泵)机组、板式换热器a、板式换热器b、板式换热器c和蓄能装置，间接-直接蒸发冷却冷水机组分别与板式换热器a、机械制冷(热泵)机组进行热量交换，机械制冷(热泵)机组分别与板式换热器b、板式换热器c进行热量交换，板式换热器c与蓄能装置进行热量交换。

本发明的特点还在于，

间接-直接蒸发冷却冷水机组的中部设置为填料塔，填料塔内中部设置有填料，填料塔内在填料的上方设置有换热盘管b，换热盘管b上方设置有布水器b，布水器b的上方设置挡水板，挡水板的上端安装有风机b。

填料塔左右两侧按照进风方向依次设置进风口、粗效过滤器、换热盘管a、板管间接蒸发冷却器，板管间接蒸发冷却器的上方设置有布水器a，布水器a的上方设置有风机a，布水器a连接导管一的一端，导管一的另一端连接换热盘管a，且导管一上设置有阀门a，板管间接蒸发冷却器的底部设置有水箱一，水箱一内设置有水泵a，水泵a连接有导管二，且导管二上设置有阀门b和阀门c。

填料塔的底部设置有水箱二，水箱二内设置有水泵b，水泵b连接有导管三，导管三经过板式换热器a且导管三的端部连接布水器b，导管三上近板式换热器a的位置设置有阀门d和阀门e，板式换热器a上还连接有导管四，导管四的端部连接板式换热器b，且导管四上分别设置有阀门f、阀门g和阀门h。

机械制冷(热泵)机组包括壳管式换热器、节流阀、压缩机和四通阀，壳管式换热器的一端通过导管五连接换热盘管a的上端，且导管五上设置有节流阀，壳管式换热器的另一端通过导管六连接换热盘管a的下端，且导管六经过压缩机，导管六上设置有四通阀。

壳管式换热器通过导管七与板式换热器b和板式换热器c连接，导管七上设置有阀门k和阀门m，板式换热器c通过导管八连接蓄能装置，导管八上设置有阀门n和阀门s。

填料塔的顶部设置有排风口,排风口与室外接通。

换热盘管a和板管间接蒸发冷却器之间设置有旁通风阀，板管间接蒸发冷却器与填料塔连通。

板管间接蒸发冷却器的下部设置有二次空气进风口。

本发明空调系统的有益效果是：

1、本发明空调系统功能齐全、节能高效，过渡季节和夏季可以同时制取高温冷水、低温冷水，可供冷和除湿；冬季可同时供冷、供热，免费除霜；可以利用峰谷电价差值进行蓄冷、蓄热，节约运行成本。

2、本发明空调系统在过渡季节和夏季运行间接-直接蒸发冷却冷水机组时，两级间接蒸发冷却段降低进入填料塔空气的干湿球温度，降低了冷凝温度，提升蒸发器的蒸发温度，延长蒸发冷却运行的时间；采用内外冷相结合强化传热的机组形式，板管间接蒸发冷却器截面流道较宽，板管管壁外侧水膜更加均匀，管型阻力更小，而且采用的高分子材料亲水性增强、防结垢效果显著、强化传热传质效果，延长板管间接蒸发冷却器的使用寿命。

3、本发明空调系统中所有换热的内循环(内循环指：末端供、回水循环)均采用闭式循环，并在内循环和外循环(外循环指：媒介用于冷却内循环的循环)换热时都使用了板式换热器，有效避免了内循环中的室内末端堵塞等问题。

4、本发明空调系统中在壳管式换热器和板式换热器b、c之间的冷水，可以通过阀门的开启程度，调节制取的7℃冷水流量分配，通过板式换热器b、c，分别制取内循环供冷用的高温冷水、供冷和除湿用的低温冷水。

5、本发明空调系统冬季可以同时供冷、供热，将防冻技术和热泵制热的除霜技术耦合，充分应用乙二醇载冷剂的防冻特点，实现热量传递和高效利用，实现免费除霜，提高机组的制热效果和运行寿命。

6、本发明空调系统可以充分利用峰谷电差进行蓄冷、蓄热，节约机械制冷(热泵)机组的运行成本。

7、本发明空调系统将机械制冷冷水机组、间接-直接蒸发冷却冷水机组、板式换热器、蓄能装置等一体式组装，减少输配系统能耗，方便运输、安装、维护。

附图说明

图1是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统的结构示意图；

图2是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统冬季运行流程示意图；

图3是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统过渡季节运行流程示意图；

图4是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统夏季运行流程示意图；

图5是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统设备安装位置示意图；

图6是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统的热泵供暖流程示意图；

图7是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统的机械制冷流程示意图；

图8是本发明一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组的空调系统的间接-直接蒸发冷却冷水机组过渡季节和夏季运行示意图。

图中，1.进风口、2.粗效过滤器、3.换热盘管a，4.阀门a、5.阀门b，6.板管间接蒸发冷却器，7.布水器a，8.风机a，9.二次空气进风口，10.水泵a，11.阀门c、12.旁通风阀、13.填料塔，14.风机b，15.挡水板，16.布水器b，17.换热盘管b，18.填料，19.水泵b，20.阀门d，21.阀门e、22.板式换热器a，23.阀门f，24.阀门g，25.阀门h，26.节流阀，27.壳管式换热器，28.四通阀，29.压缩机，30.板式换热器b，31.阀门k，32.阀门m，33.板式换热器c，34.阀门n，35.阀门s，36.蓄能装置。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，如图1所示，包括间接-直接蒸发冷却冷水机组、机械制冷(热泵)机组、板式换热器a22、板式换热器b30、板式换热器c33和蓄能装置36，间接-直接蒸发冷却冷水机组分别与板式换热器a22、机械制冷(热泵)机组进行热量交换，机械制冷(热泵)机组分别与板式换热器b30、板式换热器c33进行热量交换，板式换热器c33与蓄能装置36进行热量交换；

间接-直接蒸发冷却冷水机组的中部设置为填料塔13，填料塔13内中部设置有填料18，填料塔13内在填料18的上方设置有换热盘管b17，换热盘管b17上方设置有布水器b16，布水器b16的上方设置为挡水板15，挡水板15的上端安装有风机b14，填料塔13的顶部设置有排风口,排风口与室外接通；

填料塔13的左右两侧结构相同，填料塔13左右两侧按照进风方向依次设置进风口1、粗效过滤器2、换热盘管a3、板管间接蒸发冷却器6，且在换热盘管a3和板管间接蒸发冷却器6之间设置有旁通风阀12，板管间接蒸发冷却器6与填料塔13连通，板管间接蒸发冷却器6的下部设置有二次空气进风口9，板管间接蒸发冷却器6的上方设置有布水器a7，布水器a7的上方设置有风机a8，布水器a7连接导管一的一端，导管一的另一端连接换热盘管a3，且导管一上设置有阀门a4，板管间接蒸发冷却器6的底部设置有水箱一，水箱一内设置有水泵a10，水泵a10连接有导管二，且导管二上设置有阀门b5和阀门c11；

填料塔13的底部设置有水箱二，水箱二内设置有水泵b19，水泵b19连接有导管三，导管三经过板式换热器a22且导管三的端部连接布水器b16，导管三上近板式换热器a22的位置设置有阀门d20和阀门e21，板式换热器a22上还连接有导管四，导管四的端部连接板式换热器b30，且导管四上分别设置有阀门f23、阀门g24和阀门h25；

机械制冷(热泵)机组包括壳管式换热器27、节流阀26、压缩机29和四通阀28，壳管式换热器27的一端通过导管五连接换热盘管a17的上端，且导管五上设置有节流阀26，壳管式换热器27的另一端通过导管六连接换热盘管a17的下端，且导管六经过压缩机29，导管六上设置有四通阀28；

机械制冷(热泵)机组中的壳管式换热器27通过导管七与板式换热器b30和板式换热器c33连接，进行热交换，导管七上设置有阀门k31和阀门m32，板式换热器c33通过导管八连接蓄能装置36，导管八上设置有阀门n34和阀门s35。

换热盘管a3内冬季通入乙二醇溶液，且夏季和过渡季节通入循环水预冷新风；

布水器a7、风机a8、二次空气进风口9、水泵a10、阀门c11、旁通风阀12共同组成板管间接蒸发冷却段，板管间接蒸发冷却段在过渡季节和夏季开启，并在冬季停用；

换热盘管b17在过渡季节和夏季作为冷凝器放热，冬季作为蒸发器吸热；

壳管式换热器27过渡季节和夏季作为蒸发器制取低温冷水，冬季作为冷凝器制取低温热水；蓄能装置36在冬季夜间蓄热，夏季夜间蓄冷。

板管间接蒸发冷却器6只在夏季和过渡季节工作，其中：

一次空气流程：室外新风作为一次空气，先经过机组外侧的换热盘管a3预冷后，经过板管式间接蒸发冷却器6的管内被进一步等湿冷却后，进入填料塔13上与循环喷淋水发生热质交换；

二次空气流程：被换热盘管a3等湿冷却后的室外新风一部分通过旁通风阀12进入板管间接蒸发冷却器6管外侧的湿通道后，与通过二次空气进风口9进入的室外新风混合，进入管外壁的湿通道内和循环喷淋水发生热质交换，冷却板管内壁的一次空气后，被上方的风机a8排向环境；

循环水流程：被冷却的循环喷淋水落入水箱，先通入换热盘管a3预冷室外新风后，再返回板管间接蒸发冷却器6在管外侧的湿通道进行喷淋冷却，如此循环。

本发明提供的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统的工作模式包括有冬季运行模式、过渡季节运行模式和夏季运行模式，其具体运行方式如下：

(1)冬季运行模式：

如图2所示，间接-直接蒸发冷却冷水机组中只开启阀门a4、阀门b5和风机b14，运行乙二醇自然冷却供冷，机械制冷(热泵)机组的系统白天只开启阀门m32、关闭阀门k31，夜间还需开启蓄能装置36中的阀门n34、阀门s35，运行供暖模式，具体方式为：以乙二醇溶液作为载冷剂，吸收了室内热量的乙二醇溶液通入机组两侧的换热盘管a3预热室外新风后，被室外新风冷却的乙二醇溶液再进入室内末端供冷；如图6所示，机械制冷(热泵)机组中四通阀28的阀片切换到供暖状态，填料塔13内的换热盘管b17作为蒸发器吸收被乙二醇溶液预热的空气热量，换热盘管b17内的制冷剂气化后，经过节流阀26进入壳管式换热器27冷凝放热，壳管式换热器27内被加热的水通入板式换热器c33加热另一侧的循环水，被加热的低温热水进入生活区域供暖，在夜间运行机械制冷(热泵)机组时，被加热的低温热水一部分通入蓄能装置36，可以在白天生活区域供暖使用。

(2)过渡季节运行模式：

如图3和图8所示，由间接-直接蒸发冷却冷水机组联合机械制冷(热泵)机组制取高温冷水，并由间接-直接蒸发冷却冷水机组制取换热盘管b17内的制冷剂冷凝时的冷却水，具体方式为：间接-直接蒸发冷却冷水机组中只关闭阀门a4、阀门b5，其余设备均开启，同时开启旁通风阀12，输配系统的阀门只开启阀门d20、阀门f23、阀门h25，关闭阀门e21、阀门f24，机械制冷(热泵)系统白天只开启阀门k31、阀门m32，夜间还需开启蓄能装置36中的阀门n34、阀门s35，室内末端回水先进入板式换热器a22被间接-直接蒸发冷却冷水机组的高温冷水预冷后，进入板式换热器b30被冷却到设计高温冷水温度后，再进入室内末端供冷；

如图7所示，机械制冷的换热盘管b17作为冷凝器被管外的喷淋水和经过两级间接预冷的空气冷却(蒸发式冷凝)，气态制冷剂在管内放热液化，壳管式换热器27作为蒸发器制取7℃冷水，7℃冷水少部分流入板式换热器b30冷却另一侧的循环水制得高温冷水，7℃冷水大部分流入板式换热器c33冷却另一侧的循环水制得低温冷水(低于露点温度)，板式换热器c33制得的低温冷水(低于露点温度)可用于除湿，夜间，板式换热器c33制得的低温冷水可以通入蓄能装置36，可以在白天供冷除湿使用；

新风经过换热盘管a3等湿冷却后，一部分进入管内被管外的循环水喷淋和空气等湿冷却，一部分通过旁通风阀12进入板管间接蒸发冷却器6管外侧的湿通道和室外空气混合后作为二次空气和循环水发生热质交换，可以制取低于室外空气湿球温度的循环水，循环水先通入换热盘管a3预冷新风后，在板管间接蒸发冷却器6上喷淋，经过两级等湿冷却的室外新风，进入填料塔13内发生热质交换，制取得到的高温冷水先通入板式换热器a22，再进入间接-直接蒸发冷却冷水机组喷淋。

(3)夏季运行模式：

如图4所示，由机械制冷冷水机组制取高温冷水，并由间接-直接蒸发冷却冷水机组制取换热盘管b17冷凝时的冷却水，具体为：间接-直接蒸发冷却冷水机组中只关闭阀门a4、阀门b5，其余设备均开启，同时开启旁通风阀12，输配系统的阀门只开启阀门e21、阀门g24、阀门h25，关闭阀门d20、阀门f23，机械制冷(热泵)系统白天只开启阀门k31、阀门m32，夜间还需开启蓄能装置36的阀门n34、阀门s35，室内末端回水进入板式换热器b30被冷却到设计高温冷水温度后，再进入室内末端供冷；

机械制冷的换热盘管b17作为冷凝器被管外的喷淋水和经过两级间接预冷的空气冷却(蒸发式冷凝)，气态制冷剂在管内放热液化，壳管式换热器27作为蒸发器制取7℃冷水，7℃冷水少部分流入板式换热器b30冷却另一侧的循环水制得高温冷水，7℃冷水大部分流入板式换热器c33冷却另一侧的循环水制得低温冷水(低于露点温度)，板式换热器c33制得的低温冷水(低于露点温度)可用于除湿，夜间，板式换热器c33制得的低温冷水可以通入蓄能装置36，可以在白天供冷除湿使用；

新风经过换热盘管a3等湿冷却后，一部分进入管内被管外的循环水喷淋和空气等湿冷却，一部分通过旁通风阀12进入板管间接蒸发冷却器6管外侧的湿通道和室外空气混合后作为二次空气和循环水发生热质交换，可以制取低于室外空气湿球温度的循环水，循环水先通入换热盘管a3预冷新风后，在板管间接蒸发冷却器6上喷淋，经过两级等湿冷却的室外新风，进入填料塔13内发生热质交换，制取得到的高温冷水先通入板式换热器a22，再进入间接-直接蒸发冷却冷水机组喷淋。

本发明空调系统将间接-直接蒸发冷却冷水机组制冷的防冻技术和热泵制热的除霜技术耦合；将机械制冷(热泵)技术和蓄冷蓄热技术相结合，充分利用峰谷电价差值降低机组运行成本；一体化机组形式降低了输配系统的能耗，而且更加便于运输、安装、运维；可以预见，本发明应用在数据中心具有广阔的前景。

Claims (9)

1.一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，包括间接-直接蒸发冷却冷水机组、机械制冷(热泵)机组、板式换热器a(22)、板式换热器b(30)、板式换热器c(33)和蓄能装置(36)，所述间接-直接蒸发冷却冷水机组分别与板式换热器a(22)、机械制冷(热泵)机组进行热量交换，机械制冷(热泵)机组分别与板式换热器b(30)、板式换热器c(33)进行热量交换，所述板式换热器c(33)与蓄能装置(36)进行热量交换。

2.如权利要求1所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述间接-直接蒸发冷却冷水机组的中部设置为填料塔(13)，所述填料塔(13)内中部设置有填料(18)，所述填料塔(13)内在填料(18)的上方设置有换热盘管b(17)，所述换热盘管b(17)上方设置有布水器b(16)，所述布水器b(16)的上方设置挡水板(15)，所述挡水板(15)的上端安装有风机b(14)。

3.如权利要求2所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述填料塔(13)左右两侧按照进风方向依次设置进风口(1)、粗效过滤器(2)、换热盘管a(3)、板管间接蒸发冷却器(6)，所述板管间接蒸发冷却器(6)的上方设置有布水器a(7)，所述布水器a(7)的上方设置有风机a(8)，所述布水器a(7)连接导管一的一端，所述导管一的另一端连接换热盘管a(3)，且导管一上设置有阀门a(4)，所述板管间接蒸发冷却器(6)的底部设置有水箱一，所述水箱一内设置有水泵a(10)，所述水泵a(10)连接有导管二，且导管二上设置有阀门b(5)和阀门c(11)。

4.如权利要求2所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述填料塔(13)的底部设置有水箱二，所述水箱二内设置有水泵b(19)，所述水泵b(19)连接有导管三，所述导管三经过板式换热器a(22)且导管三的端部连接布水器b(16)，所述导管三上近板式换热器a(22)的位置设置有阀门d(20)和阀门e(21)，所述板式换热器a(22)上还连接有导管四，所述导管四的端部连接板式换热器b(30)，且导管四上分别设置有阀门f(23)、阀门g(24)和阀门h(25)。

5.如权利要求1所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述机械制冷(热泵)机组包括壳管式换热器(27)、节流阀(26)、压缩机(29)和四通阀(28)，所述壳管式换热器(27)的一端通过导管五连接换热盘管a(2)的上端，且导管五上设置有节流阀(26)，所述壳管式换热器(27)的另一端通过导管六连接换热盘管a(2)的下端，且导管六经过压缩机(29)，所述导管六上设置有四通阀(28)。

6.如权利要求5所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述壳管式换热器(27)通过导管七与板式换热器b(30)和板式换热器c(33)连接，所述导管七上设置有阀门k(31)和阀门m(32)，所述板式换热器c(33)通过导管八连接蓄能装置(36)，所述导管八上设置有阀门n(34)和阀门s(35)。

7.如权利要求2所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述填料塔(13)的顶部设置有排风口,所述排风口与室外接通。

8.如权利要求3所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述换热盘管a(3)和板管间接蒸发冷却器(6)之间设置有旁通风阀(12)，所述板管间接蒸发冷却器(6)与填料塔(13)连通。

9.如权利要求3所述的一种除霜式蓄能蒸发冷却-机械制冷(热泵)机组空调系统，其特征在于，所述板管间接蒸发冷却器(6)的下部设置有二次空气进风口(9)。