CN110809699A - 区域冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种区域冷却系统，该区域冷却系统包括：冷冻水供应管道，该冷冻水供应管道用于将冷能从水冷冻站输送至多个终端用户；冷冻水返回管道，该冷冻水返回管道用于将热负荷从终端用户输送至冷冻站；分支应用，该分支应用包括分支供应管道和分支返回管道，分支供应管道和分支返回管道均连接至冷冻水返回管道；所述分支应用还包括热交换器，所述热交换器布置成接收来自分支供应管道的水并且将水排出至分支返回管道；其中，热交换器布置成向室外提供定点冷却。

Description

区域冷却系统
技术领域
本发明涉及区域冷却系统，其布置成利用用过的冷冻水来提供室外冷却。
背景技术
HVAC系统的设计的主要目标是维持建筑的居住者的热舒适度。在定义“热舒适度”时，ASHRAE标准55规定了室内热环境因素和个人因素的结合，其产生了空间内大多数居住者可以接受的热环境条件。落在由该标准设定的极限之外的条件被认为不符合“舒适的”空气调节。例如，用于一些工业工艺流程的空调将具有在ASHRAE标准55之外的空气条件，并且因此该空调被视为“工艺流程”空调。
区域冷却系统是用于空调的现场冷冻水生产的外包替代方案。参照ASHRAE标准55，同样适用于区域冷却系统提供给居住者的环境条件。区域冷却非常适合于具有高冷却负荷密度的商业区域。区域冷却更有效地提高了与空气调节相关的能量效率，同时仍旧符合国际标准、比如ASHRAE标准55的要求。
在区域冷却系统中，冷能通过使用水作为介质进行输送，这种水被称为冷冻水。大约4.5℃的冷冻水供给物从冷水机组通过冷冻水供应管道输送至区域内的建筑物。空调系统在每个建筑物中使用冷冻水移除内部产生的热负荷，以满足建筑物内居住者的热舒适度的要求。热负荷被冷冻水返回管道带离返回至机组并在通过冷冻水供应管道送回建筑物之前进行处理。因此，供应管道与返回管道之间的接合部被限定为当已经为其设计该系统的终端用户被服务的场合。
为了使冷却设备在最优的效率下工作，最优的冷冻水返回温度约为13℃。然而，实际的返回温度通常低于最优返回冷冻水温度，例如为12℃至12.5℃。
发明内容
在第一方面中，本发明提供了一种区域冷却系统，该区域冷却系统包括：冷冻水供应管道，该冷冻水供应管道用于将冷能从水冷冻站输送至多个终端用户；冷冻水返回管道，该冷冻水返回管道用于将热负荷从终端用户输送至冷冻站；分支应用，该分支应用包括分支供应管道和分支返回管道，分支供应管道和分支返回管道均连接至冷冻水返回管道；所述分支应用还包括热交换器，所述热交换器布置成接收来自分支供应管道的水并且将水排出至分支返回管道；其中，热交换器布置成向室外提供定点冷却。
在第二方面中，本发明提供了两级冷却系统，该两级冷却系统包括风机盘管冷却单元；以及蒸发冷却单元；其中，所述冷却系统布置成将环境空气输送至风机盘管冷却单元，并且随后将冷气输送至蒸发冷却单元。
在第三方面中，本发明提供了用于冷却的方法，该方法包括以下步骤：从区域冷却系统中的冷冻水返回管道接收冷冻水；将冷冻水供应至热交换器；以及使所供应的冷冻水回流至区域冷却系统中的冷冻水返回管道，其中，热交换器布置成在不封闭的区域处使空气冷却。
在第四方面中，本发明提供了用于使空气冷却的方法，该方法包括以下步骤：引导环境空气穿过风机冷却的盘管，所述盘管具有流经所述盘管的水；并且因此产生风机盘管冷气；引导风机盘管冷气通过蒸发冷却系统；并且因此产生冷气。
因此，本发明提供了来自冷冻水返回管道的分支应用。在由供应管道供水的情况下，区域冷却系统将冷冻水提供至一系列终端用户。在将冷冻水输送至特定的终端用户后，冷冻水通过返回管道返回。返回管道向分支应用提供冷冻水。
在一种实施方式中，分支应用可以被改造，并且因此可以在区域冷却系统的安装和试运行后添加。
室外冷却应用的特征在于，在不满足用以符合本质上是为了室内舒适空调目的的ASHRAE标准55的所有必要条件的情况下进行冷却。室外冷却用于在没有诸如墙壁、屋顶等室内空间应该具有的物理界限的区域中提供定点冷却。因为缺少物理界限，所以诸如相对湿度一类的一些空调过程参数难以有效地保持。因此，在室外冷却的背景下考虑相对湿度及此类参数没有意义。
用于提供室外定点冷却的冷却设备需要非常低的流量。这些为室外活动提供定点冷却的冷却设备通常总共需要总的区域冷却系统冷冻水流量的不到1％。使用来自区域冷却系统的返回冷冻水具有在对区域冷却机组没有额外能量消耗的情况下提供室外定点冷却的优点。
分支应用可以具有接合部、比如分配点，以促进被许可的操作员与分支应用之间的连接。接合部可以布置成连接热交换器，并且因此连接至分支供应管道和分支返回管道。替代性地，分配点可以越过热交换器，并且因此提供接合部以将空气供应连接至被许可的操作员。
热交换器可以布置成提供空气至室外冷却单元，以将冷气分配至所需位置内的通风口。
附图说明
参照示出了本发明的可能的布置的附图将方便地进一步描述本发明。本发明的其他布置是可能的，并且因此，附图的特殊性不应被理解为取代本发明的前述描述的一般性。
图1是根据本发明的一种实施方式的区域冷却系统的示意图；
图2是根据本发明的另一实施方式的区域冷却系统的示意图；
图3A是根据本发明的一种实施方式的一级热交换器的示意图；
图3B是根据本发明的一种实施方式的两级热交换器的示意图，以及；
图4是基于图3B的两级热交换器绘制温度和湿度的组合变化的湿度图。
具体实施方式
如本领域技术人员将理解的，应当理解的是参照ASHRAE标准55是就居住者的“舒适”而言表达环境条件的手段。因此，术语“舒适”并非是一个随意的度量，我们用该术语来限定对建筑设计、并且更具体的是对冷却系统的设计的明确要求。提供了作为在工业中使用的特定工具的图4的湿度图和ASHRAE标准55中来表达该信息。
图1示出了区域冷却系统5，其具有冷冻水供应管道10和冷冻水返回管道15。该系统5布置成传递冷能以服务于具有终端用户阵列25的区域20，每个终端用户需要区域冷却系统来为比如办公楼、会议空间或酒店中的每个居住者提供热舒适度等级。为此，每个用户25包括接收冷冻水50、40的空气处理单元30的集合，该冷冻水在使供给物返回35、45至冷冻水返回管道15从而将热负荷运送至冷冻站之前在空气处理单元(AHU)中被使用。供水温度和返回温度将根据设计条件变化，但是，举例来说，冷冻水供应可以最佳地以4.5℃提供并且将返回温度设计为13℃。
使用返回冷冻水进行室外定点冷却可以有助于解决区域冷却系统运行中的两种情形。首先，如果冷冻水返回温度达到或略微高于设计值，由于规模效益，可以在不影响区域冷却系统的能量性能的情况下提供室外冷却。其次，如果冷冻水返回温度低于设计值，室外冷却将有助于利用未被区域内的建筑利用的冷能。
图1中示出了执行室外定点冷却的实施方式。可以通过提供辅助分支机构55、比如将热交换器60添加到联接至冷冻水返回管道15的管道回路65、70来更好地利用冷能。为此，分支管道65将一部分的返回冷冻水转移至热交换器60，该热交换器60然后可以为单独的应用75传递一部分的过量的冷能。在该实施方式中，冷能的传递是经由分配点72进行的，该分配点72用作将单独的应用“插入”74到分支应用55中的接合部。单独的应用75可以用于下述许可用户：其寻求创立临时活动并且因此寻求冷气以使其顾客感到舒适。为此，在分支应用将冷气提供至分配点的情况下，许可用户将比如说空气导管插入74到永久放置的分配点72中。
分支55可以仅引入总冷冻水流中的少部分，并且因此允许多个这样的分支应用，这些分支应用可以以各种方式应用于向公共空间供冷或其他永久或临时的应用。通过示例的方式，在区域冷却系统中，返回冷冻水流量可以是12000m3/h，而分支应用可能仅需要120m3/h的流量。因此，在返回冷冻水温度上的影响可能较小。因此，即使与设计回水温度相差很小，也可能为许多此类分支应用提供机会。
图2示出了一个这样的应用80，热交换器60由此将冷气运送至室外冷却单元(OCU)。这种室外冷却单元可以被便利地放置以用于包括室外活动的偶然的专用用途，由此，参加节日、室外展览等的大量人员可以得到本质上是室外空调的缓解作用。因此，根据本发明的区域冷却系统不仅替代了分离式空调系统，还通过使用来自低于设计温度的返回冷冻水的潜在的未被利用的冷能来使分支应用55、比如OCU具有提高环境中顾客的舒适度的机会，否则很难提供或者需要消耗大量能量提供这种机会。
本发明提供了室外使用的多个优点。首先，对于室外使用，不需要达到室内的热舒适度等级。提供的温度比环境温度低几度便是对室外用户提供了缓解作用。为此，温度的降低可能在1℃至5℃或1℃至10℃或5℃至10℃的范围内。
在另一实施方式中，分支应用55可以是永久的并且因此可能位于地下的专用服务管道中。替代性地，这种分支55可以是临时的并且可以根据需要安装成插入返回冷冻水管道中。
在又一实施方式中，分支55与应用80可以是半永久的，在这种情况下，室外冷却单元是临时附加件。为此，应用80可以位于地面之上，以便在需要时易于安装和拆除。这种应用可以用于对临时占用建成环境的活动进行室外冷却，并且因此可能需要被拆除以使建成环境恢复成其以前的状态。这种应用的示例可以是年度游行或室外展览。此外，在街道赛道上提供大量观众的赛车活动可以利用这种临时应用来提高这类观众的舒适度。
为此，在分支55与应用80之间的接合部可以易于安装和拆除，例如安装在建成环境中的配电箱可能是有效的，以便根据需求接纳临时应用而在拆除后又不会造成干扰。
鉴于这种分支应用可能需要用于区域冷却系统的返回冷冻水管道的不到1％的流量，这样的流量可能在用于返回冷冻水管道的流量计的测量误差范围内。这说明了这种分支应用可以对区域冷却系统具有极小影响的同时提高系统在使用这种应用时的整体效率。
这种系统还可以是“使用支付”系统，最适合用于快闪餐厅、临时市场、VIP帐篷或者永久性、半永久性或临时提供的其他高级服务。在这种安排下，本发明可以实施为下述分支应用：该分支应用包括用以输送冷气的热交换器和接合部处的末端。这种接合部可以位于为专项活动构建的空间中以允许许可的用户建立临时的基础设施，这些临时的基础设施适于接合所述接合部，并且因此在不受控制的相对湿度下提供冷气。在许可期结束时，许可的操作器从根据本发明的接合部中“拔出”。
图3A示出了本发明的一种实施方式，作为一级冷却系统90，其包括风机冷却的盘管100，该风机冷却的盘管100具有由风机95导入110至盘管115中的空气。冷冻水被导入120至盘管中并且离开125，向流过的空气提供对流换热，并且因此产生冷气144。
图3B示出了具有两级冷却系统92的室外冷却定点冷却器的的替代性布置。两级冷却系统92基于蒸发冷却，已知蒸发冷却在湿度很低的条件下提供了冷却空气的有效方式。例如，在比如澳大利亚的沙漠的干燥干旱气候下，湿度相对较低，并且因此在干球温度与湿球温度之间的差别是相当大的。因此，蒸发冷却的冷却效果是非常有效的。在湿度更大并且因此干球温度与湿球温度之间的差别很小的环境下，比如在新加坡，仅具有蒸发系统的冷却器的用处较小。因此，图3A中所示的替代性实施方式用于在没有饮用水供应可用的地方实施不具有蒸发系统的室外定点冷却器，从而排除了蒸发冷却。
对本发明来说，冷却系统包括用于驱动空气通过冷却系统的风机95。与图3A中所示相似，第一级100涉及将冷冻水供给物120引入至水-气热交换器中。如图3A的冷却系统一样，水-气热交换器可以包括小直径的铜管盘管，该管盘管在热交换器115内从一侧延伸至另一侧。管盘管可以包括金属散热片以最大化水与空气介质之间的热传导。例如，可以从区域冷却系统的冷冻水返回管道中排出冷冻水。替代性地，当不与区域冷却系统关联时，可以为第一级提供返回冷冻水的另一来源。
第二级105使用蒸发冷却器，由此，来自供应处130的水被泵送125以施加至介质120。当空气经过介质120时，被输送140至介质的水蒸发，并且因此既使空气冷却又提高了相对湿度。
为了帮助第二级蒸发冷却器的水的供给和循环，可以将在第一级中形成的冷凝物进给到蒸发冷却器储液罐中。
空气流经两级冷却系统的每一级的结果可以通过一个示例来说明。
进入系统110的环境空气可能具有32℃的干球温度和26℃的湿球温度以及62.5％的相对湿度。经过第一级之后，离开第一级热交换器100的空气可能具有28℃的干球温度和24.4℃的湿球温度以及75％的相对湿度。然后，离开145第二级蒸发冷却器的空气可能具有100％的相对湿度并且因此饱和了。因此干球温度和湿球温度两者可能均为24.4℃。
图4中所示的湿度图示出了图3B的两级系统对温度和相对湿度的影响，正如每一级都绘制在图上。因此，进入的空气110在第一级风机盘管冷却单元中被调节以在较低的温度下以较高的相对湿度产生空气144，并且因此对应于“显冷加潜冷”的转换。对于比如图3中所示的一级冷却系统，这将是同样的效果。借助于之后流经第二级蒸发冷却单元，空气145转化为绝热加湿。
通过比较的方式，图4还示出了仅经历蒸发冷却的空气的最终结果150。在进入条件110下的环境空气仅经受蒸发冷却，并且因此经历对应于高温的绝热加湿。由于环境条件包括相对较高的湿度，因此效果较差。因此，两级冷却系统通过蒸发冷却产生温度较低但是湿度较高的空气，提高了终端用户的舒适度。在终端用户处于室外的应用中，高相对湿度在很大程度上无关紧要，而冷却效果是主要动机。因此，两级冷却系统非常适合于图1和图2的分支应用。当两级冷却系统与分支应用结合使用时，冷气向室外的顾客提供了缓解作用。
通过将本发明与常规的HVAC系统、或者区域冷却系统的供应侧的终端用户的需求进行区分，示出了如ASHRAE标准55提出的热舒适度要求155。可以看出，图3A的一级冷却系统或图3B的两级冷却系统不符合ASHRAE标准55的热舒适度，但是在基于现有技术的能量成本或基础设施成本为室外用户提供的情况下，仍然满足分支应用的要求。
在根据本发明的一级冷却系统和两级冷却系统提供了有用的好处的同时，其对于室外冷却的应用的重要性在于，在高湿度条件下通常无效的蒸发冷却被转换为有用的冷却系统。

Claims (13)

1.一种区域冷却系统，包括：
冷冻水供应管道，所述冷冻水供应管道用于将冷能从水冷冻站输送至多个终端用户；
冷冻水返回管道，所述冷冻水返回管道用于将热负荷从终端用户输送至冷冻站；
分支应用，所述分支应用包括分支供应管道和分支返回管道，所述分支供应管道和所述分支返回管道均连接至所述冷冻水返回管道；
所述分支应用还包括热交换器，所述热交换器布置成接收来自所述分支供应管道的水并且将水排出至所述分支返回管道；
其中，所述热交换器布置成向室外提供定点冷却。
2.根据权利要求1所述的区域冷却系统，其中，所述热交换器与室外冷却单元流体连通，所述室外冷却单元包括布置成提供冷气的通风口。
3.根据权利要求1或2所述的区域冷却系统，其中，所述热交换器与分配点流体连通，所述分配点提供接合部，所述接合部布置成接纳用于分配所述冷气的管道。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的区域冷却系统，其中，所述热交换器包括风机盘管冷却单元。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的区域冷却系统，其中，所述热交换器包括蒸发冷却单元。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的区域冷却系统，其中，所述热交换器是包括风机盘管冷却单元和蒸发冷却单元两者的两级冷却系统，所述热交换器布置成将环境空气输送至所述风机盘管冷却单元，并且随后将冷气输送至所述蒸发冷却单元。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的区域冷却系统，其中，所述冷气不符合热舒适度的要求。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的区域冷却系统，其中，所述分支应用需要所述冷冻水返回管道的不到1％的流量。
9.一种两级冷却系统，包括：
风机盘管冷却单元；以及
蒸发冷却单元，
其中，所述冷却系统布置成将环境空气输送至所述风机盘管冷却单元，并且随后将冷气输送至所述蒸发冷却单元。
10.根据权利要求9所述的两级冷却系统，其中，所述风机盘管冷却单元包括盘管，所述盘管布置成使水流经所述盘管，并且空气被布置成流过所述盘管以实现对流传热。
11.根据权利要求10所述的两级冷却系统，其中，所述水是冷却水或冷冻水。
12.一种用于冷却的方法，所述方法包括以下步骤：
从区域冷却系统中的冷冻水返回管道接收冷冻水；
将所述冷冻水供应至热交换器；以及
使所供应的所述冷冻水回流至所述区域冷却系统中的所述冷冻水返回管道，
其中，所述热交换器布置成在不封闭的区域处使空气冷却。
13.一种用于使空气冷却的方法，所述方法包括以下步骤：
引导环境空气穿过风机冷却的盘管，所述盘管具有流经所述盘管的水；
并且因此产生风机盘管冷气；
引导所述风机盘管冷气通过蒸发冷却系统；
并且因此产生冷气。
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