CN110805979B - 一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，包括工质泵、第一蒸发器、膨胀机、混合器、冷凝器、第一控制阀、再冷器、第二控制阀、第三控制阀、第一节流阀、第二蒸发器、第一压缩机、第四控制阀、第二节流阀、第三蒸发器、第二压缩机、第五控制阀、发电机、换热器和连接管路。本系统将有机朗肯循环与两级蒸气压缩式制冷循环相结合，膨胀机与压缩机同轴连接，有机朗肯循环中的膨胀机膨胀做功产生电量，同时推动两级蒸气压缩式制冷循环中的压缩机运行，通过两个蒸发器分别对室内回风和室外新风进行降温除湿，再通过再冷器控制新风的送风温差，实现对能量的梯级利用以及对室内回风或室外新风的温度与湿度的单独控制。

Description

一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统

技术领域

本发明属于建筑供能领域，具体是一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统。

背景技术

传统的空调系统不能有效地适应许多建筑物中显热负荷和潜热负荷的巨大差异，导致室内温度或湿度水平超出居民的舒适范围。

在传统空调系统中，室内显热负荷和潜热负荷由冷水同时处理，即冷凝除湿是用来调节室内温度和湿度的。实际上，为了控制室内温度和湿度，所需的冷却水温度分别低于室内空气温度和露点温度。此外，显热负荷通常大于潜热负荷，显热负荷可以由温度相对较高的冷源去除，在处理显热负荷的同时也会对潜热负荷进行处理，但潜热热源通过温度相对较低的冷源就可以除去，这就造成了较大的能量损失。

在传统空调系统中，最常见的是采用蒸气压缩式制冷，主要包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大部件，通常用电能来驱动压缩机做功，以压缩机作为动力源，通过改变制冷剂的压力将室内的热量传递到室外完成制冷。但是随着能源消耗的日益增长，消耗高品位的电能来驱动压缩机做功，使得能源利用效率降低，造成了能源的浪费。且单级蒸发蒸气压缩式制冷机组只能制取单一温度的冷源(通常采用7℃的冷水)，作为建筑空气调节系统的新风和回风的冷源。在新风承担湿负荷的条件下，回风的冷却过程与冷源之间存在较大的不可逆损失。

因此，单独调节室内温湿度的方法，近年来越来越受到人们的欢迎。但是，由于显热处理和新风除湿处理的温度差别较大，目前的温湿度独立控制空调系统通常需要使用两套产生不同温度冷冻水的制冷主机，即用高温冷却机为室内机供冷，用低温冷却机进行除湿，系统的设备空间大，而且两套设备的成本高。

由此可见，并没有一种为两级蒸气压缩式制冷循环系统提供动力源来提高能量利用效率与温湿度的独立控制相结合的供能系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于该系统包括工质泵、第一蒸发器、膨胀机、混合器、冷凝器、第一控制阀、再冷器、第二控制阀、第三控制阀、第一节流阀、第二蒸发器、第一压缩机、第四控制阀、第二节流阀、第三蒸发器、第二压缩机、第五控制阀、发电机、换热器和连接管路；

所述第一蒸发器的热源出口与换热器的热源入口连通，第一蒸发器的工质出口与膨胀机的入口连通；第一蒸发器的热源入口用于外部热源的进入；换热器的热源出口用于热源的排出；膨胀机带动第一压缩机、第二压缩机和发电机运行；膨胀机的出口与混合器连通，混合器与冷凝器的工质入口连通；冷凝器具有冷却水出入口；冷凝器的工质出口分别与第二控制阀的入口和第一控制阀入口连通；第一控制阀的出口与再冷器的工质入口连通；连接管路的一端分别与再冷器的工质出口和第二控制阀的出口连通，另一端分别与工质泵的入口和第三控制阀的入口连通；工质泵的出口与第一蒸发器的工质入口连通；第三控制阀的出口与第一节流阀的入口连通，第一节流阀的出口分别与第二蒸发器的工质入口和第二节流阀的入口连通；第二蒸发器的工质出口通过第一压缩机和第四控制阀与混合器连通；第二蒸发器具有室内回风出入口；第二节流阀的出口与第三蒸发器的工质入口连通；第三蒸发器的工质出口通过第二压缩机和第五控制阀和混合器连通；第三蒸发器具有室外新风出入口，室外新风出口与再冷器的新风入口连通，再冷器的新风出口与室内连通。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本系统将有机朗肯循环与两级蒸气压缩式制冷循环相结合，膨胀机与压缩机同轴连接，有机朗肯循环中的膨胀机膨胀做功产生电量，同时推动两级蒸气压缩式制冷循环中的压缩机运行，通过两个蒸发器分别对室内回风和室外新风进行降温除湿，再通过再冷器控制新风的送风温差，实现对能量的梯级利用以及对室内回风或室外新风的温度与湿度的单独控制，从而提高了能量的利用率和转换率，又能满足用户对冷负荷和用电的需求。

(2)两个循环通过共用冷凝器耦合在一起，且制冷循环与发电循环共用同一种有机工质，使整个系统结构紧凑、易于调节和控制；两个循环可独立与同时运行。

(3)在冷凝器后添加再冷器，第二蒸发器用来对室内回风进行降温除湿，第三蒸发器用于对室外新风除湿，再通过再冷器来控制新风的送风温差，将温度、湿度解耦，使该系统可实现对室内回风或室外新风的温度与湿度单独控制，增加了系统的制冷量。

(4)换热器进行换热后的热能与冷凝器进行换热后的冷却水可根据建筑用户的需要，用于冬季供暖或全年供热水，实现了能量的梯级利用。

(5)发电、制冷可随意切换。在不需制冷的情况下，关闭其中的四个控制阀，即关闭两级蒸气压缩式制冷循环。冷凝器的工作介质不再经过再冷器，压缩机不做功，膨胀机的输出功率全部用于发电。

(6)以太阳能、地热能、生物质能作为有机朗肯循环的热源，在有利于环保的基础上，能够达到节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明一种实施例的系统整体示意图。

图中所示：1-工质泵；2-第一蒸发器；3-膨胀机；4-混合器；5-冷凝器；6-第一控制阀；7-再冷器；8-第二控制阀；9-第三控制阀；10-第一节流阀；11-第二蒸发器；12-第一压缩机；13-第四控制阀；14-第二节流阀；15-第三蒸发器；16-第二压缩机；17-第五控制阀；18-发电机；19-换热器；20-连接管路。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统(简称系统，参见图1)，其特征在于该系统包括工质泵1、第一蒸发器2、膨胀机3、混合器4、冷凝器5、第一控制阀6、再冷器7、第二控制阀8、第三控制阀9、第一节流阀10、第二蒸发器11、第一压缩机12、第四控制阀13、第二节流阀14、第三蒸发器15、第二压缩机16、第五控制阀17、发电机18、换热器19和连接管路20；

所述第一蒸发器2的热源出口与换热器19的热源入口连通，第一蒸发器2的工质出口与膨胀机3的入口连通，第一蒸发器2的热源入口与中低温热源连通；换热器19的热源出口用于热源的排出；换热器19具有用户采暖出入口，可与建筑用户采暖设备连通；膨胀机3与第一压缩机12、第二压缩机16和发电机18同轴连接，带动第一压缩机12、第二压缩机16和发电机18运行；膨胀机3的出口与混合器4连通，混合器4与冷凝器5的工质入口连通；冷凝器5具有冷却水出入口，冷却水入口连接外界冷却水源，冷却水出口可用于提供建筑用户常年的生活热水；冷凝器5的工质出口通过三通分别与第二控制阀8的入口和第一控制阀6入口连通；第一控制阀6的出口与再冷器7的工质入口连通；连接管路20的一端通过三通分别与再冷器7的工质出口和第二控制阀8的出口连通，另一端通过三通分别与工质泵1的入口和第三控制阀9的入口连通；工质泵1的出口与第一蒸发器2的工质入口连通；第三控制阀9的出口与第一节流阀10的入口连通，第一节流阀10的出口通过三通分别与第二蒸发器11的工质入口和第二节流阀14的入口连通；第二蒸发器11的工质出口通过第一压缩机12和第四控制阀13与混合器4连通；第二蒸发器11具有室内回风出入口，用于通过工质换热将室内回风进行降温除湿且达到送风状态点后再次送入室内；第二节流阀14的出口与第三蒸发器15的工质入口连通；第三蒸发器15的工质出口通过第二压缩机16和第五控制阀17和混合器4连通；第三蒸发器15具有室外新风出入口，室外新风出口与再冷器7的新风入口连通，再冷器7的新风出口与室内连通，室外新风在第三蒸发器15内被降温除湿后送入再冷器7中加热，达到送风温差后送入室内。

混合器4位于膨胀机3下方；第二蒸发器11位于第一节流阀10的上方；第三蒸发器15位于第二节流阀14的上方。

优选地，本系统还包括分离器(图中未画出)；第一节流阀10的出口通过三通和分离器分别与第二蒸发器11的工质入口和第二节流阀14的入口连通。

使用的有机工质是低沸点纯工质或非共沸混合工质。

本发明的工作原理和工作流程是：

(1)在制冷和发电同时进行的情况下，第一控制阀6、第三控制阀9、第四控制阀13和第五控制阀17开启，第二控制阀8关闭；第一节流阀10和第二节流阀14开启；

中低温热源进入第一蒸发器2中，与第一蒸发器2中的液态有机工质换热，换热后的液态有机工质变成气态有机工质；换热后的热源从第一蒸发器2流出，热源的余热再与换热器19进行换热，换热后的热量可供建筑用户采暖使用；气态有机工质从第一蒸发器2流出，进入膨胀机3内，驱动膨胀机3内的汽轮转动，使膨胀机3的焓降转化为机械功，带动第一压缩机12、第二压缩机16和发电机18运行，为其提供动力；

从膨胀机3排出的气态有机工质经过混合器4后进入冷凝器5，并与从外界进入冷凝器5的冷却水进行换热，换热后的冷却水变为高温冷却水，从冷凝器5流出可用于提供建筑用户常年的生活热水；换热后的气态有机工质冷凝成饱和液态有机工质，从冷凝器5流出，经过第一控制阀6，流入到再冷器7中被再冷器7再冷却；再冷却后的饱和液态有机工质一部分流入工质泵1中，被工质泵1加压，送入到第一蒸发器2中完成有机朗肯循环，另一部分开始两级蒸气压缩式制冷循环，流经第三控制阀9和第一节流阀10，被第一节流阀10绝热节流后变为气液混合的有机工质；气液混合有机工质中的气态有机工质向上流入第二蒸发器11中，与进入第二蒸发器11的室内回风进行换热来对室内回风降温除湿，换热后的室内回风达到送风状态点后通过第二蒸发器11送入室内；气态有机工质在第二蒸发器11内被加热成饱和态或过热态，从第二蒸发器11流出，流入到第一压缩机12被压缩成高温高压的有机蒸汽后，从第一压缩机12流出，经过第四控制阀13进入混合器4；

气液混合有机工质中的液态有机工质流经第二节流阀14被再次绝热节流成气态有机工质，流入到第三蒸发器15内，与进入第三蒸发器15的室外新风进行换热来对室外新风降温除湿，然后送入再冷器7中加热，达到送风温差后送入室内；换热后的气态有机工质变为饱和态或过热态，从第三蒸发器15流出，送入到第二压缩机16内被压缩成高温高压的有机蒸汽后，从第二压缩机16流出，经过第五控制阀17进入混合器4；

进入混合器4的高温高压有机蒸汽与膨胀机3出口的余热蒸汽在混合器4内共同混合，送入冷凝器5中，在冷凝器5内与冷却水换热，换热后冷凝成饱和液态有机工质从冷凝器5流出，流入再冷器7，与流进再冷器7的被降温除湿过的室外新风进行换热，室外新风被加热到送风温差后从再冷器7送入室内；被换热的饱和液态有机工质变为过冷态，再通过第三控制阀9流入到第一节流阀10处，完成两级蒸气压缩式制冷循环。

(2)在建筑用户不需制冷的情况下，第一控制阀6、第三控制阀9、第四控制阀13和第五控制阀17关闭，第二控制阀8开启，即关闭制冷循环。中低温热源进入第一蒸发器2中，与第一蒸发器2中的液态有机工质换热，换热后的液态有机工质变成气态有机工质；换热后的热源从第一蒸发器2流出，热源的余热再与换热器19进行换热，换热后的热量可供建筑用户采暖使用；气态有机工质从第一蒸发器2流出，进入膨胀机3内，驱动膨胀机3内的汽轮转动，使膨胀机3的焓降转化为机械功，带动第一压缩机12、第二压缩机16和发电机18运行，为其提供动力；从膨胀机3排出的气态有机工质经过混合器4后进入冷凝器5，并与从外界进入冷凝器5的冷却水进行换热，换热后的冷却水变为高温冷却水，从冷凝器5流出可用于提供建筑用户常年的生活热水；换热后的气态有机工质冷凝成饱和液态有机工质，从冷凝器5流出，经过第二控制阀8全部流入工质泵1中，被工质泵1加压，送入到第一蒸发器2中完成有机朗肯循环。整个系统将只进行有机朗肯循环，且有机朗肯循环所做的功全部用于发电。

实施例

本系统可以产生两个不同温度的冷源(例如，7℃的冷水和15℃的冷水)，温度为7℃的冷源作为室外新风的冷源，用来除去室内和新风的湿负荷，而温度为15℃的冷源作为室内回风的冷源，用来除去回风的热负荷和湿负荷，从而实现建筑空气调节系统的温湿度独立控制。在新风比为0.2的工况下，相对单级蒸发蒸气压缩式制冷机组只能制取单一温度的冷源(通常采用7℃的冷水)作为建筑空气调节系统的新风和回风的冷源，本系统的两级蒸气压缩式制冷循环的比功率降低了10％～15％，而单位质量流量制冷量提高了7％～15％，性能系数提高了20％～35％。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于该系统包括工质泵、第一蒸发器、膨胀机、混合器、冷凝器、第一控制阀、再冷器、第二控制阀、第三控制阀、第一节流阀、第二蒸发器、第一压缩机、第四控制阀、第二节流阀、第三蒸发器、第二压缩机、第五控制阀、发电机、换热器和连接管路；

所述第一蒸发器的热源出口与换热器的热源入口连通，第一蒸发器的工质出口与膨胀机的入口连通；第一蒸发器的热源入口用于外部热源的进入；换热器的热源出口用于热源的排出；膨胀机带动第一压缩机、第二压缩机和发电机运行；膨胀机的出口与混合器连通，混合器与冷凝器的工质入口连通；冷凝器具有冷却水出入口；冷凝器的工质出口分别与第二控制阀的入口和第一控制阀入口连通；第一控制阀的出口与再冷器的工质入口连通；连接管路的一端分别与再冷器的工质出口和第二控制阀的出口连通，另一端分别与工质泵的入口和第三控制阀的入口连通；工质泵的出口与第一蒸发器的工质入口连通；第三控制阀的出口与第一节流阀的入口连通，第一节流阀的出口分别与第二蒸发器的工质入口和第二节流阀的入口连通；第二蒸发器的工质出口通过第一压缩机和第四控制阀与混合器连通；第二蒸发器具有室内回风出入口；第二节流阀的出口与第三蒸发器的工质入口连通；第三蒸发器的工质出口通过第二压缩机和第五控制阀和混合器连通；第三蒸发器具有室外新风出入口，室外新风出口与再冷器的新风入口连通，再冷器的新风出口与室内连通；

（1）在制冷和发电同时进行的情况下，第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀开启，第二控制阀关闭；第一节流阀和第二节流阀开启；

中低温热源进入第一蒸发器中，与第一蒸发器中的液态有机工质换热，换热后的液态有机工质变成气态有机工质；换热后的热源从第一蒸发器流出，热源的余热再与换热器进行换热，换热后的热量可供建筑用户采暖使用；气态有机工质从第一蒸发器流出，进入膨胀机内，驱动膨胀机内的汽轮转动，使膨胀机的焓降转化为机械功，带动第一压缩机、第二压缩机和发电机运行，为其提供动力；

从膨胀机排出的气态有机工质经过混合器后进入冷凝器，并与从外界进入冷凝器的冷却水进行换热，换热后的冷却水变为高温冷却水，从冷凝器流出可用于提供建筑用户常年的生活热水；换热后的气态有机工质冷凝成饱和液态有机工质，从冷凝器流出，经过第一控制阀，流入到再冷器中被再冷器再冷却；再冷却后的饱和液态有机工质一部分流入工质泵中，被工质泵加压，送入到第一蒸发器中完成有机朗肯循环，另一部分开始两级蒸气压缩式制冷循环，流经第三控制阀和第一节流阀，被第一节流阀绝热节流后变为气液混合的有机工质；气液混合有机工质中的气态有机工质向上流入第二蒸发器中，与进入第二蒸发器的室内回风进行换热来对室内回风降温除湿，换热后的室内回风达到送风状态点后通过第二蒸发器送入室内；气态有机工质在第二蒸发器内被加热成饱和态或过热态，从第二蒸发器流出，流入到第一压缩机被压缩成高温高压的有机蒸汽后，从第一压缩机流出，经过第四控制阀进入混合器；

气液混合有机工质中的液态有机工质流经第二节流阀被再次绝热节流成气态有机工质，流入到第三蒸发器内，与进入第三蒸发器的室外新风进行换热来对室外新风降温除湿，然后送入再冷器中加热，达到送风温差后送入室内；换热后的气态有机工质变为饱和态或过热态，从第三蒸发器流出，送入到第二压缩机内被压缩成高温高压的有机蒸汽后，从第二压缩机流出，经过第五控制阀进入混合器；

进入混合器的高温高压有机蒸汽与膨胀机出口的余热蒸汽在混合器内共同混合，送入冷凝器中，在冷凝器内与冷却水换热，换热后冷凝成饱和液态有机工质从冷凝器流出，流入再冷器，与流进再冷器的被降温除湿过的室外新风进行换热，室外新风被加热到送风温差后从再冷器送入室内；被换热的饱和液态有机工质变为过冷态，再通过第三控制阀流入到第一节流阀处，完成两级蒸气压缩式制冷循环；

（2）在建筑用户不需制冷的情况下，第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀关闭，第二控制阀开启，此时关闭制冷循环；中低温热源进入第一蒸发器中，与第一蒸发器中的液态有机工质换热，换热后的液态有机工质变成气态有机工质；换热后的热源从第一蒸发器流出，热源的余热再与换热器进行换热，换热后的热量可供建筑用户采暖使用；气态有机工质从第一蒸发器流出，进入膨胀机内，驱动膨胀机内的汽轮转动，使膨胀机的焓降转化为机械功，带动发电机运行，为其提供动力；从膨胀机排出的气态有机工质经过混合器后进入冷凝器，并与从外界进入冷凝器的冷却水进行换热，换热后的冷却水变为高温冷却水，从冷凝器流出可用于提供建筑用户常年的生活热水；换热后的气态有机工质冷凝成饱和液态有机工质，从冷凝器流出，经过第二控制阀全部流入工质泵中，被工质泵加压，送入到第一蒸发器中完成有机朗肯循环；整个系统将只进行有机朗肯循环，且有机朗肯循环所做的功全部用于发电。

2.根据权利要求1所述的梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于混合器位于膨胀机下方；第二蒸发器位于第一节流阀的上方；第三蒸发器位于第二节流阀的上方。

3.根据权利要求1所述的梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于所述系统还包括分离器；第一节流阀的出口通过三通和分离器分别与第二蒸发器的工质入口和第二节流阀的入口连通。

4.根据权利要求1所述的梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于换热器具有用户采暖出入口，与建筑用户采暖设备连通。

5.根据权利要求1所述的梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于膨胀机与第一压缩机、第二压缩机和发电机同轴连接，带动第一压缩机、第二压缩机和发电机运行。

6.根据权利要求1所述的梯级蒸发与温湿度独立控制相耦合的建筑供能系统，其特征在于冷却水入口连接外界冷却水源，冷却水出口用于提供建筑用户常年的生活热水。

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