CN112594954A - 全工况双蓄冷暖空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种全工况双蓄冷暖空调系统。1、在复叠式空调高温系统中增加翅管换热器，通过电磁两通阀对翅管换热器与管壳换热器的切换，实现空调高温系统冷热工况的改变，使空调高温系统与空调低温系统中的双压缩机系统复叠运行与双压缩机系统并联运行工况模式的重组；2、双压缩机系统之间增加两个三介质换热器，一个是三介质板式换热器可以实现氟氟、氟水交换，另一个三介质壳管换热器用于氟水交换，通过电磁两通阀对管翅换热器三介质板式换热器与三介质壳管换热器的切换，实现双压缩机系统并联运行时蓄冰工况与冷暖工况模式的改变。具体地说通过空调机组控制系统通过对电磁两通阀控制，实现双压缩机系统串并联模式切换、三介质板式换热器与三介质壳管换热器切换实现不同工况模式输出，从而实现‑5.6度、7度、45度及70度以上的多工况输出所需要的温度。

Description

全工况双蓄冷暖空调系统
技术领域
本发明专利涉及：1、在复叠式热泵系统的基础上增加高温系统翅管换热器（18），通过电磁两通阀对翅管换热器（18）与管壳换热器（14）的切换，实现双压缩机系统并联运行与双压缩机系统复叠运行工况模式的重组；2、双压缩机系统之间设两个换热器，其中一个是三介质板式换热器（5）可以实现氟-氟、氟-水交换，另一个三介质壳管换热器（8）用于氟水交换，通过电磁两通阀对三介质板式换热器（5）与三介质壳管换热器（8）的切换，实现双压缩机系统并联运行时蓄冰工况与冷暖工况模式的转换。3、该系统有三个独立的输出端，分别实现不同的输出温度范围。具体地说通过空调机组控制系统对相关电磁两通阀控制，实现双压缩机系统复叠式与并联模式切换，实现三介质板式换热器（5）与三介质壳管换热器（8）切换，得到不同工况模式，从而是一套机组在-25度至40度的环境温度下，可输出-5.6度至80度不同温度的冷热源，大幅度提升空调系统输出温度的冷热范围，并使整个系统的两台压缩机在最佳的稳定状态运行。
背景技术
随着工业发展和人民物质文化生活水平的提高，空调的普及率逐年增长，电力消耗增长迅速，高峰时电力紧张，用电峰谷差日趋扩大。尤其是在大型商场、宾馆、饭店、银行、办公楼、写字楼或工厂等场所，这些场所夏季空调冷负荷相当大，空调制冷负荷持续在白天工作时间内运行，给电网带来巨大的负荷压力。如据电力部门相关报道，现在多地夏天空调负荷量已占到当地总用电量的40%以上，甚至有些地区空调降温负荷占高达50％以上，已超过全网负荷一半，并且大多数都集中在峰段电价阶段。而在谷段电价阶段大部分空调系统停止运行，所发电量又无法使用，又造成电网资源浪费，造成电网的极大不稳定因素。为了能够实现一套空调机组解决这些问题，在谷电价阶段把峰段时间所需要的冷热源以廉价的方式存储起来，在峰段时间进行释放，既可以节约运行成本，又可平衡电网负荷，同时可以作为普通的冷暖空调使用。现在市面上没有一种空调可以同时完成这些所有工况，因此我们针对上诉需求并结合峰谷电政策设计开发了全工况双蓄冷暖空调系统。
全工况双蓄冷暖空调系统技术是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电动压缩机制冷或制热，利用蓄能介质的显热或潜热特性，用一定的方式将冷热能量储存起来;在电力负荷较高的用电高峰期，把储存的冷热能量释放出来，以满足建筑物内温度调节的需要。与常规空调相比，双蓄空调系统可均衡电网峰谷负荷，优化电网结构，在峰谷分时电价政策下，用户可节省运行费用，从而使各行业受益，具有重要的企业经济效益和社会效益。
现在冷热蓄能系统的方式主要是夏季使用双工况蓄冰制冷机组配合蓄冰装置完成谷电价蓄冷，冬季使用电锅炉加热配合蓄热水箱或相变储能设备完成谷电价蓄热，不仅系统控制复杂操作繁琐，而且还存在投资成本高，占用场地面积大，还存在电锅炉加热蓄热储能时能效比低，运行成本高的缺点。本发明专利可以实现一套设备既可以满足夏季谷电价蓄冰，还可以在冬季严寒的夜间以高于电锅炉两倍的效能比蓄热，节约能耗减少了重复投资。并且还可以在没有蓄冰或蓄热的情况下即开即用，获得常规的制冷或采暖的工况。
发明专利内容
1、本发明的目的是要从技术上提供了一种全工况双蓄冷暖空调系统，解决了如何实现第一压缩机系统与第二压缩机系统通过不同的电磁阀及换热器的转换，使两套压缩机系统不同的模式相互转换相互配合，完成不同工况的组合，形成空调系统多种工况模式运行，不同的工况模式可以用于制取不同温度的冷热源。实现蓄冰、蓄热、制冷、采暖、蓄冰+制冷五种工况模式的切换，达到各个温度输出所需要的工况。
2、所述第一压缩机系统组成包括第一压缩机（1）、第一四通阀（2）、电磁两通阀（3）、电磁两通阀（4）、三介质板式换热器（5）、电磁两通阀（6）、电磁两通阀（7）、三介质壳管换热器（8）、第一膨胀阀（9）、第一翅管换热器（10）和设置在器件之间的连通管构成； 所述第二压缩机系统包括第二压缩机（11）、第二四通阀（12）、电磁两通阀（13）、管壳式换热器（14）、电磁两通阀（15）、电磁两通阀（16）、电磁两通阀（17）、第二翅管换热器（18）、第二膨胀阀（19）、电磁两通阀（20）、电磁两通阀（21）、电磁两通阀（22）、电磁两通阀（23）、和设置在器件之间的连通管构成。详见图1、全工况双蓄冷暖空调系统结构原理图。
3、所述的全工况双蓄冷暖空调系统有3个用户输出端，第一输出端是第一压缩机系统与第二压缩机系统单级循环双机并联运行时，由三介质壳管换热器（8）联合输出作为制冷输出端或第一压缩机系统单机独立采暖输出端，此输出端夏季可以输出7度的空调冷冻水源，冬季可以输出45度的空调采暖热水源。第二输出端是第一压缩机系统与第二压缩机系统单级循环双机并联运行时，由三介质板式换热器（5）作为联合蓄冰输出端，此输出端是可输出的-5.6度低温冷冻水用于蓄冰，以盐水类物质溶液、乙二醇溶液等物质的其中一种介质作为载冷剂。第三输出端是第一压缩机系统与第二压缩机系统复叠式热泵循环串联运行时，由管壳式换热器（14）作为高温热水输出端，此输出端是可输出80度以上的高温热水用于水蓄热或相变蓄热，以水为介质。
4、所述的第一压缩机系统，主要运营工况为：1、夏季环境温度35度工况时可制取7度的空调冷冻水，2、夏季环境温度28度工况时可制取-5.6度的超低温冷冻水，3、冬季环境温度-12度工况时制取45度的空调采暖水。4、冬季环境温度-12度工况时作为复叠式空调系统的低温机组，通过三介质板式换热器（5）为第二压缩机系统提供25-30度冷凝的中间热源。
所述的第二压缩机系统，主要运营工况为：1、夏季环境温度35度时可制取7度的空调冷冻水，2、夏季环境温度28度时可制取-5.6度的超低温冷冻水，3、冬季环境温度-12度低温时作为复叠式空调系统的高温机组，通过三介质板式换热器（5）提取第一空调系统提供25-30度冷凝的中间热源，由管壳式换热器（14）制取70度以上的热水。
5、所述的全工况双蓄冷暖空调系统制冷工况模式运行时，关闭电磁阀（3）、（4）、（13）、（15）、（22）、（23），开启电磁阀（6）、（7）、（16）、（17）、（20）、（21），第一翅管换热器（10）与第二翅管换热器（18）均作为冷凝器，三介质壳管换热器（8）作为两套压缩机系统的蒸发器，冷媒通过第一膨胀阀（9）与第二膨胀阀（19）的调节，在三介质壳管换热器（8）中蒸发，冷量通过三介质壳管换热器（8）进行氟-水换热，给第三载冷介质水降温，由水泵（29）循环载冷介质供给用户端（28）实现制冷。此工况时，第一压缩机系统冷媒工质循环线路为：第一压缩机（1）→第一阀四通（2）→第一翅管换热器（10）→第一膨胀阀（9）→电磁两通阀（7）→三介质壳管换热器（8）→电磁两通阀（6）→第一四通阀（2）→第一压缩机（1），第二压缩机系统冷媒工质循环线路为：第二压缩机（11）→第二四通阀（12）→电磁两通阀（16）→第二翅管换热器（18）→电磁两通阀（17）→第二膨胀阀（19）→电磁两通阀（20）→三介质壳管换热器（8）→电磁两通阀（21）→第二膨胀阀（12）→第二压缩机（11）。详见图2、全工况双蓄冷暖空调系统制冷模式的冷媒流向控制示意图。
6、所述的全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰工况模式运行时，关闭电磁两通阀（6）、（7）、（20）、（21）、（15）、（13），开启电磁两通阀（3）、（4）、（16）、（17）、（22）、（23），第一翅管换热器（10）与第二翅管换热器（18）均作为冷凝器，三介质板式换热器（5）作为两套压缩机系统的蒸发器，冷媒通过第一膨胀阀（9）与第二膨胀阀（19）的调节，在三介质板式换热器（5）中蒸发，冷量通过三介质板式换热器（5）进行氟-水换热，给第三载冷介质乙二醇溶液冷却，由水泵（26）循环载冷介质供给蓄冰装置（27）实现制冰蓄冷。此工况时，第一压缩机系统冷媒工质循环线路为：第一压缩机（1）→第一阀四通（2）→第一翅管换热器（10）→第一膨胀阀（9）→电磁两通阀（4）→三介质板式换热器（5）→电磁两通阀（3）→第一四通阀（2）→第一压缩机（1），第二压缩机系统冷媒工质循环线路为：第二压缩机（11）→第二四通阀（12）→电磁两通阀（16）→第二翅管换热器（18）→电磁两通阀（17）→第二膨胀阀（19）→电磁两通阀（22）→三介质板式换热器（5）→电磁两通阀（23）→第二膨胀阀（12）→第二压缩机（11）。详见图3、全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰模式的冷媒流向控制示意图。
7、所述的全工况双蓄冷暖空调系统制热取暖工况模式运行时，开启第一压缩机（1）电源，关闭第二压缩机（11）电源，关闭电磁阀（3）、（4）、（20）、（21）、（22）、（23），开启电磁阀（6）、（7），第一管翅换热器（10）作为第一压缩机系统蒸发器，三介质壳管换热器（8）作为第一压缩机系统冷凝器，冷媒通过第一膨胀阀（9）的调节，在三介壳管式换热器（8）换热得到所需热量传递给载热介质水，由水泵（29）循环载热介质水供用户端（28）实现采暖。此工况时，第一压缩机系统冷媒工质循环线路为：第一压缩机（1）→第一阀四通（2）→电磁两通阀（6）→三介质壳管换热器（8）→电磁两通阀（7）→第一膨胀阀（9）→第一翅管换热器（10）→第一四通阀（2）→第一压缩机（1），第二压缩机系统停止工作。详见图4、全工况双蓄冷暖空调系统制热采暖模式的冷媒流向控制示意图。
8、所述的全工况双蓄冷暖空调系统高温热水蓄热工况运行时，关闭电磁阀（6）、（7）、（16）、（17）、（20）、（21），开启电磁阀（3）、（4）、（13）、（15）、（22）、（23），第一管翅换热器（10）作为蒸发器，三介质板式换热器（5）作为第一压缩机系统的冷凝器同时作为第二压缩机系统的蒸发器，壳管式换热器（14）作为第二压缩机系统的冷凝器，冷媒通过第一膨胀阀(9)与第二膨胀阀(19)的调节，在壳管式换热器（14）得到所需高温热水，由水泵（24）循环载热介质水，输出80度以上的高温热水供蓄热装置（25）用于热水储能或相变储能。此工况模式下空调系统复叠式制热可在-30°C的环境工况下稳定工作输出80°C以上热水。此工况时，第一压缩机系统冷媒工质循环线路为：第一压缩机（1）→第一阀四通（2）→电磁两通阀（3）→三介质板式换热器（5）→电磁两通阀（4）→第一膨胀阀（9）→第一翅管换热器（10）→第一四通阀（2）→第一压缩机（1），第二压缩机系统冷媒工质循环线路为：第二压缩机（11）→第二四通阀（12）→电磁两通阀（13）→壳管式换热器（14）→电磁两通阀（15）→第二膨胀阀（19）→电磁两通阀（22）→三介质板式换热器（5）→电磁两通阀（23）→第二膨胀阀（12）→第二压缩机（11）。详见图5、全工况双蓄冷暖空调系统高温热水蓄热模式的冷媒流向控制示意图。
9、所述的全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰+制冷工况运行时，关闭电磁阀（6）、（7）、（13）、（15）、（22）、（23），开启电磁阀（3）、（4）、（16）、（17）、（20）、（21），第一翅管换热器（10）与第二翅管换热器（18）均作为冷凝器，三介质板式换热器（5）作为第一压缩机系统的蒸发器，冷媒通过第一膨胀阀（9）的调节，在三介质板式换热器（5）中蒸发，冷量通过三介质板式换热器（5）传递给载冷介质乙二醇溶液，由水泵（26）提供载冷介质循环，连接到蓄冰设备实现蓄冰功能；三介壳管式换热器（8）作为第二压缩机系统的蒸发器，冷媒通过第一膨胀阀（19）的调节，在三介质壳管换热器（8）中蒸发，冷量通过三介质壳管换热器（8）传递给载冷介质水，由水泵（29）提供载冷介质水循环，连接到用户端实现基载制冷功能。此工况时，第一压缩机系统冷媒工质循环线路为：第一压缩机（1）→第一阀四通（2）→第一翅管换热器（10）→第一膨胀阀（9）→电磁两通阀（4）→三介质板式换热器（5）→电磁两通阀（3）→第一四通阀（2）→第一压缩机（1），第二压缩机系统冷媒工质循环线路为：第二压缩机（11）→第二四通阀（12）→电磁两通阀（16）→翅管式换热器（18）→电磁两通阀（17）→第二膨胀阀（19）→电磁两通阀（20）→三介质壳管换热器（8）→电磁两通阀（21）→第二膨胀阀（12）→第二压缩机（11）。详见图6、全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰+制冷同时输出的冷媒流向控制示意图。
10、实施本发明专利带来的有益效果：通过在同一套空调系统中的两个压缩机系统运行模式的转换，既可以实现双压缩机系统单级并联运行，又可以实现双压缩机系统复叠式运行，空调系统设置3个出水侧换热器，可提供3个循环水路，每路循环水路可制取不同种类冷热源，满足不同季节、不同场所的需求，可即开既用又可在谷电期间蓄冰蓄热储能，达到一机多用的目的。同时使用复叠式空调模式制热时的能效比可以达到电锅炉的两倍以上，降低了冬季蓄热的运行费用，并且设备的整体使用率得到了提升，解决了现有设备使用单一所造成的资源浪费。
用户可以根据自身的实际投资情况，前期采购全工况双蓄冷暖空调系统作为普通冷暖空调使用，后期根据需求在不对整体空调系统改造和增加投资的情况下，添加相应容量的蓄热蓄冰设备进行谷电阶段储能，当蓄热蓄冰设备所输出负荷冷热量不足时，可随时开启空调系统制冷或制热功能补充需要的冷热负荷量。
11、在国家大力支持峰谷用电差异化的今天，该发明专利有效的解决了现有的大多数空调系统输出冷热水温度范围窄的现状，普通空调机组只能提供7度的冷冻水和45度的采暖热水，不能利用谷段电价蓄冰蓄热储能，而双工况蓄冰机组只能提供-5.6度的制冰水和7度的冷冻水不能提供采暖，采暖还需要增加一套能效比低的电锅炉或接入费用高昂的市政供暖管线。该全工况双蓄冷暖空调系统既可以自成体系，脱离市政供暖，又可以享受峰谷电价差异化的政策红利。利用谷电时段进行蓄热蓄冰，有效的降低电网白天的负荷，平衡电网结构。把白天省下来的电力更多的供给工商业用户，可有效地提高工业生产总值，促进国民经济发展。提高人民生活水平，改善人民生活环境，降低生活成本做出贡献。
附图说明
图1、全工况双蓄冷暖空调系统结构原理图。
图2、全工况双蓄冷暖空调系统制冷模式的冷媒流向控制示意图。
图3、全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰模式的冷媒流向控制示意图。
图4、全工况双蓄冷暖空调系统制热采暖模式的冷媒流向控制示意图。
图5、全工况双蓄冷暖空调系统高温热水蓄热模式的冷媒流向控制示意图。
图6、全工况双蓄冷暖空调系统蓄冰+制冷同时输出的冷媒流向控制示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明专利作进一步详细说明。全工况双蓄冷暖空调系统的实现关键主要因素：1、取决于压缩机的性能及运行参数的范围。2、三介质换热器的换热方式。3、由于第二压缩机是高温压缩机，在制冷时要解决任何提高第二压缩机的制冷效率的问题。针对这些关键的因素点，制定了相应的解决方案。
1、第一压缩机（1）选用机型范围为包括但不限于涡旋压缩机、螺杆压缩机、活塞压缩机、离心压缩机等机型。压缩机运行时，冷凝温度参数应满足在25度至55度的运行范围，蒸发温度参数应满足-30度至15度的运行范围，由此参数可知该压缩机可选范围非常广。第二压缩机（11）选用机型范围为包括但不限于涡旋压缩机、螺杆压缩机、活塞压缩机、离心压缩机等机型。压缩机运行时，冷凝温度参数应满足在35度至85度的运行范围，蒸发温度参数应满足-15度至20度的运行范围，由此参数可知该压缩机可选范围为高温型压缩机。
2、三介质板式换热器（5）采用了钎焊式板式换热器，该类换热器换热效率高，有较高的耐温耐压性能，三介质板式换热器(5)的换热器内部为水-氟-氟-水的换热结构，既可以发生氟氟交换，又可以发生氟水交换。在第一压缩机（1）与第二压缩机（11）进行复叠式运行时三介质壳管换热器（5）内部氟与氟之间热交换，此时水路不流动，不会与氟路之间产生热交换。由于氟路之间是单面热交换，因此要计算换热面积以保障有足够的换热量。在第一压缩机（1）与第二压缩机（11）进行并联式运行时三介壳管式换热器（5）内部两路氟同时与水路之间进行热交换，由于氟此时都处于蒸发状态温度接近，因此两个氟路之间热交换量可以忽略不计。
3、全工况双蓄冷暖空调系统拥有三组水路接口独立输出端，超低温蓄冰水接口接的是（27），该输出端是用来接蓄冰设备，该输出端工作时工况在零度以下温度，使用乙二醇作为载冷剂用于谷电存储冷源。常规冷暖空调的冷热水接口接的是（28），该接口以水为介质，可以直接接空调管路用以制冷或采暖。高温热水接口接的是（25），输出70度以上高温热水，用于冬季夜间谷电蓄热或者给用户提供生活热水。

Claims (5)

1.全工况双蓄冷暖空调系统，是使用一套空调系统可以实现5种工况：1、蓄冰工况，2、蓄热工况，3制冷工况，4、采暖工况，5、蓄冰+制冷同时工况运行。
2.该系统中有三个独立的输出端，1、蓄冰运行工况输出端，2、制冷采暖运行工况输出端，3、高温热水运行工况输出端，根据工况不同开启对应的输出端水泵，实现该空调系统所有功能。
3.全工况双蓄冷暖空调系统中，是在复叠式空调机组的原理基础上，给第二压缩机系统（高温机组）输出端并联一套第二翅管换热器，通过电磁阀对氟路的切换，实现第二翅管换热器作为第二压缩机系统（高温机组）的冷凝器与蒸发器的转换，实现第二压缩机系统在全工况双蓄冷暖空调系统中复叠式高温制热机组转换为制冷机组，完成多功能化，使其功能达到最大限度的发挥；本专利所指的翅管换热器包括但不限于翅管换热器，包括所有类型的换热器。
4.全工况双蓄冷暖空调系统中，是在复叠式空调机组的原理基础上，将原有的两介质换热器换成三介质板式换热器，即可实现氟-氟交换，又可实现氟-水交换，即可同时作为第一压缩机系统（低温机组）和第二压缩机系统（高温机组）的蒸发器，又可转换为第一压缩机系统（低温机组）的冷凝器和第二压缩机系统（高温机组）的蒸发器，进而完成第一压缩机系统与第二压缩机系统双机并联与串联复叠的转换；本专利所指的三介质板式换热器包括但不限于板式换热器，包括所有类型的换热器。
5.根据权利要求(2)所述的本全工况双蓄冷暖空调系统中的第一压缩机包括但不限于涡旋机、螺杆机、活塞机、离心机等适合设计工况的机型，冷媒使用包括但不限于R22、R407、R410、R123a、R404等适用中温工况的制冷剂；第二压缩机括但不限于涡旋机、螺杆机、活塞机、离心机等适合设计工况的机型，冷媒使用包括但不限于R142b、R134a、R123a、R245fa等适用本机工况的制冷剂。
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