CN111486531B - 多源梯级换热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多源梯级换热方法，包括如下步骤：将需要冷却或加热的介质定义为使用介质，将能提供低温冷源介质的机器称为制冷机组，将能提供高温热源介质的机器为制热机组，低温冷源介质或高温热源介质统称为源介质，源介质与使用介质通过换热器进行热量交换，把制冷机组或制热机组、与之对应的换热器及制冷机组或制热机组与换热器连接的管路称为换热单元；单级换热系统，制冷时，由制冷机组提供固定温度为TW1或由制热机组提供固定温度为TR1、流量为G的源介质，通过单级换热器，将使用介质由温度T1处理到目标温度T2，交换的热量为Q；本发明具有冷源温度提高或热源温度降低的分级系统效率得到了提高，提高了人体的舒适性的特点。

Description

多源梯级换热方法
技术领域
本发明涉及空调机组或空调系统技术领域，尤其是涉及一种多源梯级换热方法。
背景技术
现有的空调机组或空调系统是采用单一恒定冷源或热源温度的，例如现在民用空调系统的供水温度一般为供水温度7℃，回水温度为12℃；数据中心空调系统供水温度一般为12℃，回水温度为18℃；民用空调供暖供水温度为45℃，回水为40℃。虽然目前有部分学者在研究采用双冷源梯级冷却系统用于新风的处理，但未提供具体方法，并没有针对随室外温度变化而改变冷、热源温度变化的应对方法。例如，夏季向秋季的过渡时间里，燥热较多，不需要除湿，但现有的空调机组或系统是以夏季除湿工况而设置的恒定冷源温度，使得除湿量过大，送风湿度很低，形成燥冷现象，导致人体舒适性差，不节能。特别是对有些需全年供冷的场所，单一恒定的供冷温对充分利用自然冷源不利。如果能随季节变化，提高部分冷源温度，不但可以节省制冷压缩机的功耗，还可以延长自然免费供冷时间，节能更为显著。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的空调产品或空调系统系统采用单一恒定的冷源或热源温度出现的能耗高、舒适性差、自然冷源利用不充分的不足，提供了一种多源梯级换热方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多源梯级换热方法，包括如下步骤：
(1-1)将需要冷却或加热的介质定义为使用介质，将能提供低温冷源介质的机器称为制冷机组，将能提供高温热源介质的机器为制热机组，低温冷源介质或高温热源介质统称为源介质，源介质与使用介质通过换热器进行热量交换，把制冷机组或制热机组、与之对应的换热器及制冷机组或制热机组与换热器连接的管路称为换热单元；
(1-2)单级换热系统，制冷时，由制冷机组提供固定温度为TW1或由制热机组提供固定温度为TR1、流量为G的源介质，通过单级换热器，将使用介质由温度T1处理到目标温度T2，交换的热量为Q；
多源梯级换热系统将单级换热系统要完成的换热量Q，分成N个源介质温度递增或递减的换热单元，对使用介质进行逐级换热，N＞2，将使用介质由初始温度T1处理到目标温度TN＝T2，Tn为第n级换热器出口使用介质温度，N为多源梯换热级系统中的换热单元的总级数，n为从1到N的换热单元级序号；
每级换热器对应不同源介质温度的制冷机组或制热机组，每级换热单元中的换热器面积与采用单级换热系统时的换热器面积相等，结构形式相同；
(1-3)使用介质以串联形式通过每级换热器，通过每级换热器的使用介质的质量流量相等，第一级换热单元源介质的流量
Figure BDA0002440894890000021
其它各级换热单元源介质的流量均为G；
(1-4)制冷情况下，多源梯级换热系统各级换热单元的换热量
Figure BDA0002440894890000031
随着换热单元级序号的增大，各个换热单元的冷源介质温度由低至高排列，以Tw1为第一级换热单元的冷源介质温度，其它各级冷源介质温度
Figure BDA0002440894890000032
(1-5)制热情况下，多源梯级换热系统的各级换热单元的换热量
Figure BDA0002440894890000033
随着换热单元的级序号的增大，各个换热单元的热源温度由高到低排列，TR1为第一级换热单元的热源介质温度，其它各级热源介质温度
Figure BDA0002440894890000034
本发明对现有的单级换热系统进行了改进，将原来的单一冷源或热源的单级换热系统改为多个冷源或热源的多级换热系统，各冷源或热源温度逐级升高或降低，每个冷源或热源承担设定比例的冷负荷或热负荷，以达到原单级换热系统的相同换热量，根据室外环境及室内热湿负荷与人体舒适性要求进行换热级数调节，优先使用高能效级别换热系统。相比单一冷源度或热源温度换热系统，冷源温度提高或热源温度降低的分级系统效率得到了提高；同时可以根据不同的季节需求通过减少换热级数达到减少送风温差的目的，提高了人体的舒适性。
作为优选，在N＝2的双源梯级换热系统中，第二级换热器承担换热量比例是总换热量Q的λ倍，0≤λ≤1，则第二级换热单元源介质温度，制冷时Tw2＝T1-λ(T1-Tw1)，制热时TR2＝T1+λ(TR1-T1)。
作为优选，采用热泵机组供热时，可以近似按热源介质温度TR1约等于制热机组的冷凝温度To1计算。采用直膨式机组供冷时，可以近似按冷源介质初始温度Tw1约等于直膨式制冷机组的蒸发温度Te1计算。
作为优选，制冷工况时，优先开启冷源介质温度最高的第N级换热单元，当返回的使用介质温度大于设定温度Tmaxh时，则依次开启N-1级的换热单元，N-2级的换热单元，…，直至开启第1级换热单元；
当返回的使用介质温度小于设定温度Tmaxh时，依次关闭第1级换热单元，第2级制冷换热单元，…，直至关闭第N级制冷换热单元。
作为优选，制热工况时，优先开启热源介质温度较低的第N级换热单元，当返回的使用介质温度小于设定温度Tminh时，依次开启热源温度较高的N-1级换热单元，N-2级换热单元，…，直至开启第1级换热单元；当返回的使用介质温度大于设定温度Tminh时，依次关闭冷源介质温度最高的第1级换热单元，第2级换热单元，…，直至关闭第N级换热单元。
因此，本发明具有如下有益效果：冷源温度提高或热源温度降低的分级系统效率得到了提高，自然冷源得到更充分的利用；同时可以根据不同的季节需求通过减少换热级数达到减少送风温差的目的，提高了人体的舒适性。
附图说明
图1本发明的单级换热系统的一种结构图；
图2是本发明的一种单级冷却过程图；
图3是本发明的一种三级梯级换热系统结构图；
图4是本发明的一种三级梯级冷却过程图；
图5是本发明的一种制冷过程蒸发温度逐级升高压焓图；
图6是本发明的一种单级加热过程图；
图7是本发明的一种三级梯级加热过程图；
图8是本发明的一种制热过程冷凝温度逐级升高压焓图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一：使用介质为风，源介质为水的多源梯级冷却换热系统
如图1所示，单级冷却换热系统由制冷机组1-1、换热器1-2、风机2及箱体3组成，换热器1-2的换热面积为F，其换热量为Q，将质量为m的风量由温度值T1冷却到温度值T2，假设T1-T2＝10℃，T1＝32℃，冷源介质温度Tw1＝12℃，空气处理过程如图2所示，在一定时间t内空气由状态点1被冷却到状态点2。冷源介质的质量流量为G。
为提高系统的节能效，减少能耗，将单级冷却换热系统分成3级的多源梯级冷却换热系统，总换热量Q，风量m均不变，除第1级换热单元供水量
Figure BDA0002440894890000051
外、，其它每级供水流量均为G，每级换热单元承担的换热量为
Figure BDA0002440894890000052
系统结构如图3所示，由空气处理机组3，换热器1-2、换热器2-2、换热器3-2、制冷机组1-1、制冷机组2-1、制冷机组3-1、风机4及箱体5组成。换热器1-2对应制冷机组1-1，换热器2-2对应制冷机组2-1，换热器3-2对应制冷机组3-1，回风依次经过换热器3-2、2-2、1-2，最后由风机4送出，在一定时间t内，风侧的温度值由图4中的1点依次经过2点、3点、降至终状态点4。
多源梯级冷却换系统中的换热器1-2与换热器2-2及换热器3-2的换热面积均为F。
第三级换热单元的制冷机组3-1为换热器3-2提供的冷源介质温度为Tw3＝25.3℃，空气冷却到第2状态点的温度为T3＝28.7℃。
第二级换热单元的制冷机组2-1为换热器2-2提供冷源介质温度为Tw2＝28.7-6.7＝22℃，空气冷却到第3状态点的温度为25.4℃。
第一级换热单元的制冷机组1-1为冷却器1-2提供冷源介质温度与单级系统的冷源温度相同，为Tw1＝12。空气冷却到第4状态点的温度为22℃。
改进后，第二级与第三级制冷机组2-1与3-1提供的冷源温度均比原来采用单级换热系统制冷机组提供的冷源介质温度得到提高，因此，制冷机组2-1与3-1制冷机组蒸发温度得到提高，如图5所示，在冷凝温度T。不变的情况下，为第二级换热器2-2提供冷却源的制冷机组2-1的蒸发温度由Te1提高到Te2，提高到了10℃；为第三级换热器3-2提供冷源介质的制冷机组3-1的蒸发温度由Te1提高到了Te3，提高了13.3℃。在冷凝温度不变蒸发温度提高，制冷系统能效提高，压缩机功耗减小，按蒸发温度每升高1度节能3％估算，该3级梯级冷却换热系统的制冷机机组，相比换热量相同量的单级冷却换热系统，制冷机组的节能率
Figure BDA0002440894890000061
对于全年供冷情况，在以上压缩机节能的基础上，制冷机组3-1切换到自然冷却温度，比制冷机组1-1切换到自然冷却温度高13.3℃，2-1切换到自然冷却温度，比制冷机组1-1切换到自然冷却温度高10℃，系统自然冷却时间得到延长，进一步节省制冷压缩制机的能耗。
系统控制：系统优先开启冷源介质温度较高的3-1制冷机组，当回风温度大于Tmaxh时，逐步开启冷源介质温度较低的制冷机组2-1，直至开启冷源介质温度最低的制冷机组1-1。当回风温度小于Tmaxh时优先停止冷源介质温度最低的制冷机组1-1，直至关闭冷源介质温度最高的3-2的制冷机组。除冷负荷峰值外，其它时间尽可能由高温冷源供冷，送风温差变小，增加舒适性。
实施例二：使用介质为风，源介质为水的多源梯级加热换热系统
单级加热换热系统与单级冷却换热系统结构相同，如图1所示，单级加热换热系统由制热机组1-1、换热器1-2、风机2及箱体3组成，换热器1-2的换热面积为F，其换热量为Q，将质量为m的风量由温度值T1加热到温度值T2，假设T2-T1＝10℃，T1＝20℃，TR1＝45℃，空气处理过程如图6所示，在一定时间t内空气由状态点1被加热到状态点2。热源介质的质量流量为G。
为提高系统的节能效，减少能耗，将单级加热换热系统分成3级多源梯级加热换热系统，总换热量Q，风量m均不变，除第1级供水量为
Figure BDA0002440894890000071
外，其它每级供水流量均为G，每级换热单元承担的换热量为
Figure BDA0002440894890000081
多源梯级加热系统与多源梯级供冷系统结构相同，如图3所示，3级多源梯级加热换热系统由空气处理机组3，换热器1-2、换热器2-2、换热器3-2、制热机组1-1、制热机组2-1、制热机组3-1、风机4及箱体5组成。换热器1-2对应制热机组1-1，换热器2-2对应制热机组2-1，换热器3-2对应制热机组3-1，回风依次经过换热器3-2、2-2、1-2，最后由风机4送出，在一定时间t内风侧的温度值由图6中的1点依次经过2点、3点、升高至终点4。
3级多源梯级加热换热系统中的换热器1-2与换热器2-2及换热器3-2的换热面积均为F，结构形式相同。
第一级制热机组1-1为换热器1-2提供热源的温度与采用单级系统的热源温度相同，为TR1＝45。图7中，第4点送风状态点温度为30℃。
第三级制热机组3-1为换热器3-2提供热源介质温度为TR3＝28.3℃，空气加热到第3状态点的温度为23.3℃。
第二级换热单元的制热机组2-1为换热器2-2提供的热源介质温度为TR2＝23.3+8.3＝31.6℃，空气加热到第2状态点的温度为26.7℃。
第二级换热单元与第三级换热单元制热机组2-1与制热机组3-1提供的热源温度均比原来单级加热换热系统提供的热源介质温度低，如果采用热泵压缩机供热，即冷凝温度得到大幅降低，如图8所示，在蒸发温度Te不变情况下，制热机组2-1的冷凝温度由To1降到了To2，降低了13.4℃；制热机组3-1的冷凝温度由To1降到了To3，降低了16.7℃。在蒸发温度Te不变的情下，冷凝温度T。降低，制热机组能效提高，压缩机功耗减小，按冷凝温度To每降低1度节能4％估算，则3级均分加热系统的制热机组比相同制热量的单级加热系统的制冷机组节能率
Figure BDA0002440894890000091
系统控制：优先开启制热机组3-1进行换热，当回风温度低于Tmaxh值，再开启制热机组2-1，直至开启制热机组1-1。当回风温度大于Tmaxh时，优先停止制热机组2-1，直至关闭热源温度最高的3-1的制热机组。
实施例三：使用介质为风，源介质为水的双源梯级换热系统
单级冷却系统如图1所示，该系统由制冷机组1-1、换热器1-2、风机2及箱体3组成，换热器1-2的换热面积为F，其制冷量为Q，将质量为m的风量由温度值T1冷却到温度值T2，假设T1-T2＝10℃，T1＝32℃，Tw1＝12℃，空气处理过程如图2所示，在一定时间t内空气由状态点1被冷却到状态点2。冷源介质的质量流量为G。
为提高系统的节能效，减少能耗，将单级冷却系统分成二级梯级冷却换热系统，总换热量Q，风量m均不变，第2级供水流量为G，第二级换热器承担的换热量为0.6Q，即λ＝0.6。第二级制冷机组的冷源温度为Tw2＝20℃，第二级冷源蒸发温度比第一级高8℃。
该换热系统的节能率P＝0.03×8×0.6×100％＝14.4％。
同理，单级换热系统改为双源梯级加热换热系统，换热量Q，风量m均不变，第二级换热器的供水流量为G，设第二级换热器承担的换热量为0.6Q，即λ＝0.6，按式(4)计第二级热源介质温度为35℃。如采用热泵机组供热，则第二级热源冷凝温度比第一级低10℃。
该换热系统的节能率P＝0.04×10×0.6×100％＝24％。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种多源梯级换热方法，其特征是，包括如下步骤：
(1-1)将需要冷却或加热的介质定义为使用介质，将能提供低温冷源介质的机器称为制冷机组，将能提供高温热源介质的机器为制热机组，低温冷源介质或高温热源介质统称为源介质，源介质与使用介质通过换热器进行热量交换，把制冷机组或制热机组、与之对应的换热器及制冷机组或制热机组与换热器连接的管路称为换热单元；
(1-2)单级换热系统，制冷时，由制冷机组提供固定温度为TW1或由制热机组提供固定温度为TR1、流量为G的源介质，通过单级换热器，将使用介质由温度T1处理到目标温度T2，交换的热量为Q；
多源梯级换热系统将单级换热系统要完成的换热量Q，分成N个源介质温度递增或递减的换热单元，对使用介质进行逐级换热，N＞2，将使用介质由初始温度T1处理到目标温度TN＝T2，Tn为第n级换热器出口使用介质温度，N为多源梯换热级系统中的换热单元的总级数，n为从1到N的换热单元级序号；
每级换热器对应不同源介质温度的制冷机组或制热机组，每级换热单元中的换热器面积与采用单级换热系统时的换热器面积相等,结构形式相同；
(1-3)使用介质以串联形式通过每级换热器，通过每级换热器的使用介质的质量流量相等，第一级换热单元源介质的流量
Figure FDA0003038618380000011
其它各级换热单元源介质的流量均为G；
(1-4)制冷情况下，多源梯级换热系统各级换热单元的换热量
Figure FDA0003038618380000021
随着换热单元级序号的增大，各个换热单元的冷源介质温度由低至高排列，以Tw1为第一级换热单元的冷源介质温度，其它各级冷源介质温度
Figure FDA0003038618380000022
(1-5)制热情况下，多源梯级换热系统的各级换热单元的换热量
Figure FDA0003038618380000023
随着换热单元的级序号的增大，各个换热单元的热源温度由高到低排列，TR1为第一级换热单元的热源介质温度，其它各级热源介质温度
Figure FDA0003038618380000024
制冷工况时，优先开启冷源介质温度最高的第N级换热单元，当返回的使用介质温度大于设定温度Tmaxh时，则依次开启N-1级的换热单元，N-2级的换热单元，…，直至开启第1级换热单元；
当返回的使用介质温度小于设定温度Tmaxh时，依次关闭第1级换热单元，第2级制冷换热单元，…，直至关闭第N级制冷换热单元；
制热工况时，优先开启热源介质温度较低的第N级换热单元，当返回的使用介质温度小于设定温度Tminh时，依次开启热源温度较高的N-1级换热单元，N-2级换热单元，…，直至开启第1级换热单元；当返回的使用介质温度大于设定温度Tminh时，依次关闭冷源介质温度最高的第1级换热单元，第2级换热单元，…，直至关闭第N级换热单元。
2.根据权利要求1所述的多源梯级换热方法，其特征是，在N＝2的双源梯级换热系统中，第二级换热器承担换热量比例是总换热量Q的λ倍，0≤λ≤1,则第二级换热单元源介质温度,制冷时Tw2＝T1-λ(T1-Tw1)，制热时TR2＝T1+λ(TR1-T1)。
3.根据权利要求1所述的多源梯级换热方法，其特征是，采用热泵机组供热时，可以按热源介质温度TR1等于制热机组的冷凝温度To1计算；采用直膨式机组供冷时，可以按冷源介质初始温度Tw1等于直膨式制冷机组的蒸发温度Te1计算。
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