CN113639349A - 一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统。它对传统冷水机组+热泵机组构建的空调系统流程进行改良，使用四管制能量提升机替换普通的热泵机组，同时通过设置两级共3组空调冷、热水集分水器及切换阀门的方式，构建一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统。本发明克服了传统冷水机组+锅炉构建的空调系统、冷水机组+热泵机组构建的空调系统的不足，提供一种经济、健康、舒适、绿色、环保、节能的系统，它适用于夏热冬暖地区大型公共建筑，特别适用于大型医院类项目。

Description

一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调 系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种空调系统，尤其涉及一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统及其使用方法。

背景技术

夏热冬暖地区的大型公共建筑，全年的负荷特征呈现为夏季冷负荷较大，冬季室外温度相对较高、热负荷相对较小；由于建筑规模大、进深大，空调内、外分区非常明显，空调系统外区在夏季存在冷负荷、冬季存在热负荷，内区则全年存在冷负荷。这类建筑要求空调系统在夏季供冷，冬季能够同时为内、外区分别供冷、供热。

而上述公共建筑中的大型医院类项目，由于手术部等洁净区域夏季空气深度冷却除湿后存在再热需求，需要供热，因此，大楼的空调系统要求全年能够同时供冷供热。

传统常用冷水机组+锅炉作为冷热源的空调系统或者为洁净区域单独设置一套采用四管制能量提升机作为冷热源的空调系统来满足这一要求。前者构建的空调系统可满足全年同时供冷供热，但初投资较大、运行费用较高、占用机房面积较大，且锅炉房存在发生安全事故的可能性；后者构建的空调系统也可满足全年同时供冷供热，但是四管制能量提升机夏季制冷能效比远低于冷水机组、全年运行费用高，且独立于大楼的空调系统为洁净区域另外设置一套空调系统，不仅初投资较大，而且会导致大楼整体的空调水系统管路变得复杂。

发明专利ZL201510631865.2公开了一种热泵机组耦合冷水机组的双集分水器四管制空调系统及其使用方法，它虽然解决了冬季同时为建筑内、外区分别供冷、供热的技术问题，却仍存在以下问题：1.无法满足大型医院类项目(含手术部等洁净区)空调系统全年均需要同时供冷供热的要求；2.冬季采用冷水机组进行供冷、采用热泵机组进行供热，两套设备须同时运行，且冷水机组大马拉小车、能耗仍然较高，管路相对复杂、需要专业人员进行阀门切换操作。

专利申请号为CN202011024494.9的发明公开了一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的双集分水器空调系统及其使用方法，它虽然能够实现夏季供冷，冬季同时为建筑内、外区分别供冷、供热，却仍存在以下问题：夏季无法提供洁净区域空气深度冷却除湿后需要的再热量，无法满足大型医院类项目(含手术部等洁净区)空调系统全年均需要同时供冷供热的要求，导致洁净区域需要另外单独设置一套空调系统，不仅初投资较大，而且会导致大楼整体的空调水系统管路变得复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服传统冷水机组+锅炉构建的空调系统、发明专利ZL201510631865.2构建的空调系统以及专利申请号为CN202011024494.9发明的不足，提供适用于夏热冬暖地区大型公共建筑，特别是大型医院类项目(含手术部等洁净区)的一种经济、健康、舒适、绿色、环保、节能的四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统及其使用方法。

本发明所采用的技术方案是：对传统冷水机组+热泵机组构建的空调系统流程进行改良，使用四管制能量提升机替换普通的热泵机组，同时通过设置两级共3组空调冷、热水集分水器及切换阀门的方式，构建一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统。

它包括冷水机组1、四管制能量提升机2、室外侧换热系统3、第一空调冷水循环泵4、第二空调冷水循环泵5、一级冷水集水器6、一级冷水分水器7、空调冷水系统定压装置8、空调热水循环泵9、一级热水集水器10、一级热水分水器11、空调热水系统定压装置12、二级冷/热水集水器13、二级冷/热水分水器14、切换阀门、压差旁通阀组；

冷水机组1第一蒸发器21的供水管和四管制能量提升机2冷水侧23的冷水供水管均接入一级冷水分水器7；同时，一级冷水分水器7接出两路冷水供水支管，一路接全年供冷环路的空调末端冷水供水管，一路接二级冷/热水分水器14；

有两路冷水回水支管接入一级冷水集水器6，一路为全年供冷环路的空调末端冷水回水管，一路为从二级冷/热水集水器13接出的回水管；

从一级冷水集水器6接出两路冷水回水管，一路通过第一空调冷水循环泵4加压回流至冷水机组1的第一蒸发器21并经换热后成为空调冷水供水；一路通过第二空调冷水循环泵5加压，回流至四管制能量提升机2的冷水侧23并经换热后成为空调冷水供水；

冷水集水器6与冷水分水器7间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；冷水集水器6与空调冷水系统定压装置8连接；

四管制能量提升机2热水侧24的热水供水管接入一级热水分水器11；同时，一级热水分水器11接出两路热水供水支管，一路接全年供热环路的空调末端热水供水管，一路接二级冷/热水分水器14；有两路热水回水支管接入一级热水集水器10，一路为全年供热环路的空调末端热水回水管，一路为从二级冷/热水集水器13接出的回水管；

从一级热水集水器10接出一路支管通过空调热水循环泵9加压，回流至过四管制能量提升机2的热水侧24并经换热后成为空调热水供水；

一级热水集水器10与一级热水分水器11间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；一级热水集水器10与空调热水系统定压装置12连接；

二级冷/热水集水器13接空调末端冷/热水回水管，二级冷/热水分水器14接空调末端冷/热水供水管；

冷水机组1的第一冷凝器22接接室外侧换热系统3。

一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统的使用方法，它分为夏季工况、冬季工况和过渡季工况：

夏季工况的工作流程如下：

冷水机组1供冷、四管制能量提升机2同时供冷供热、室外侧换热系统3运行、第一空调冷水循环泵4、第二空调冷水循环泵5运行、空调热水循环泵9、空调冷水系统定压装置8运行、空调热水系统定压装置12、切换阀门中第二阀门32和第四阀门34打开、切换阀门中第一阀门31和第三阀门33关闭；

冬季、过渡季工况的工作流程如下：

优先四管制能量提升机2同时供冷供热(冷量不足时开启冷水机组1供冷)、第二空调冷水循环泵5运行(冷量不足时开启第一空调冷水循环泵4运行)、空调热水循环泵9、空调冷水系统定压装置8运行、空调热水循环泵9运行、空调热水系统定压装置12运行、切换阀门中第一阀门31和第三阀门33打开、切换阀门中第二阀门32和第四阀门34关闭。

本发明的整体设计理念为：对传统的冷水机组+热泵机组的空调系统进行改良，使用四管制能量提升机替换普通风冷热泵机组，同时通过设置两级共3组空调冷、热水集分水器及切换阀门的方式，构建适用于夏热冬暖地区大型公共建筑，特别是大型医院类建筑的一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统。主机采用冷水机组加四管制能量提升机的组合形式；根据建筑不同区域不同季节的冷热需求，设置两级共3组集分水器。一级分集水器共2组，一组为冷水分、集水器，为全年需要供冷的区域和二级分、集水器提供冷水，一组为热水分、集水器，为全年需要供热的区域和二级分、集水器提供热水；二级分、集水器共1组，为冷/热水分、集水器，通过冷热切换，对于夏季有冷负荷，冬季有热负荷的区域分季节提供冷、热水。

本发明的优点如下：

1.与传统的冷水机组+热泵机组构建的空调系统相比，冷水机组一致，使用四管制能量提升机替换传统的热泵机组，同时构建两级分集水器来进行空调冷热水的分配。第一级为冷水分、集水器和热水分、集水器，分别为全年需要供冷的区域、二级分集水器提供冷水和全年需要供热的区域和二级分、集水器提供热水；第二级为冷/热水分、集水器，通过冷热切换，对于夏季有冷负荷，冬季有热负荷的区域分季节提供冷、热水。这样既可充分发挥四管制能量提升机全年可同时供冷供热的特点，克服了传统的冷水机组+热泵机组构建的两管制空调系统不能同时供冷供热的缺点，准确控制各空调区的温度，提高室内舒适度。

2.与传统的冷水机组+锅炉构建的四管制空调系统相比，初投资更省、占用机房面积更小。用热泵进行供热比用锅炉供热能效更高、运行费用更省，且摒除了锅炉房发生安全事故的可能性。

3.与ZL201510631865.2专利相比，能够全年同时供冷供热，满足大型医院类项目(含手术部等洁净区)普通非洁净区域与洁净区域全年不同的冷热需求；冬季使用四管制能量提升机同时供冷、供热，且同时供冷供热的综合能效比高，运行更加节能，解决了ZL201510631865.2专利冬季运行，冷水机组大马拉小车、能耗仍然较高的问题。

4.与专利申请号为CN202011024494.9的发明相比，对于大型医院类项目(含手术部等洁净区)，普通非洁净区域与洁净区域合设一套空调系统，无需为洁净区域另外设置一套采用四管制能量提升机作为冷热源的空调系统，节省造价；由于冷水机组夏季制冷能效比远高于四管制能量提升机，全年能耗低、运行费用低。

5.本系统在使用四管制能量提升机替换传统的热泵机组的同时，增加了两对集分水器及些许切换阀门，搭建了一种新型的经济、健康、舒适、绿色、环保、节能的热泵机组耦合冷水机组的两级集分水器空调系统。

附图说明

图1一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统原理图；

图2一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统夏季工况原理图；

图3一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统冬季和过渡季工况原理图。

标号说明

1冷水机组、2四管制能量提升机、3室外侧换热系统、4第一空调冷水循环泵、5第二空调冷水循环泵、6一级冷水集水器、7一级冷水分水器、8空调冷水系统定压装置、9空调热水循环泵、10一级热水集水器、11一级热水分水器、12空调热水系统定压装置、13二级冷/热水集水器、14二级冷/热水分水器、21第一蒸发器、22第一冷凝器、23第二蒸发器、24第二冷凝器、31第一阀门、32第二阀门、33第三阀门、34第四阀门。

具体实施方式

为了使本发明的结构更加清楚完整，下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示：一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统，它包括冷水机组1、四管制能量提升机2、室外侧换热系统3、第一空调冷水循环泵4、第二空调冷水循环泵5、一级冷水集水器6、一级冷水分水器7、空调冷水系统定压装置8、空调热水循环泵9、一级热水集水器10、一级热水分水器11、空调热水系统定压装置12、二级冷/热水集水器13、二级冷/热水分水器14、切换阀门、压差旁通阀组；

冷水机组1第一蒸发器21的供水管和四管制能量提升机2第二蒸发器23的冷水供水管均接入一级冷水分水器7；同时，一级冷水分水器7接出两路冷水供水支管，一路接全年供冷环路的空调末端冷水供水管，一路接二级冷/热水分水器14；

有两路冷水回水支管接入一级冷水集水器6，一路为全年供冷环路的空调末端冷水回水管，一路为从二级冷/热水集水器13接出的回水管；

从一级冷水集水器6接出两路冷水回水管，一路通过第一空调冷水循环泵4加压回流至冷水机组1的第一蒸发器21并经换热后成为空调冷水供水；一路通过第二空调冷水循环泵5加压，回流至四管制能量提升机2的第二蒸发器23并经换热后成为空调冷水供水；

冷水集水器6与冷水分水器7间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；冷水集水器6与空调冷水系统定压装置8连接；

四管制能量提升机2第二冷凝器24的热水供水管接入一级热水分水器11；同时，一级热水分水器11接出两路热水供水支管，一路接全年供热环路的空调末端热水供水管，一路接二级冷/热水分水器14；

有两路热水回水支管接入一级热水集水器10，一路为全年供热环路的空调末端热水回水管，一路为从二级冷/热水集水器13接出的回水管；

从一级热水集水器10接出一路支管通过空调热水循环泵9加压，回流至过四管制能量提升机2的第二冷凝器24并经换热后成为空调热水供水；

一级热水集水器10与一级热水分水器11间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；一级热水集水器10与空调热水系统定压装置12连接；

二级冷/热水集水器13接空调末端冷/热水回水管，二级冷/热水分水器14接空调末端冷/热水供水管；

冷水机组1的第一冷凝器22接接室外侧换热系统3。

四管制能量提升机又叫四管制风冷热泵，采用双压缩机设计，内设辅助热平衡换热器，不仅可以在供冷时进行热量的回收，也可以在供热时进行冷量的回收，多余的冷量或热量则通过辅助热平衡换热器散发到室外。因此，其同时制冷制热的综合能效比极高，可以随时灵活应对不同比例的供冷与供热需求，冬季只需开启这一套设备即可良好地弥补发明专利ZL201510631865.2的不足，更节能、高效、便捷、灵活应对冬季的供冷与供热需求。

与冷水机组1相连的室外侧换热系统3包括与室外介质连接的室外换热管道以及介质储蓄装置，通过选取室外换热介质，设置对应的室外侧换热系统3：

当a在地下水水量充足、水质水温适宜、允许直接取地下水的地区，室外侧换热系统3可采取直接取地下水作为换热介质；

b在地表水水量充足、水质水温适宜、允许直接取地表水的地区，室外侧换热系统3可采取直接取地表水作为换热介质；

c在水量不足、水质水温不适宜、水体不允许直接取用的地区，所述的室外换热管道为地埋管，介质储蓄装置为冷却塔，室外侧换热冷系统3采取地埋管与冷却塔结合的方式；

d所述的介质储蓄装置为冷却塔，室外侧换热系统(3)采用室外空气作为换热介质。

所述的空调冷水系统定压装置8、空调热水定压装置12为膨胀水箱定压、气压罐定压、变频补水定压中的任意一种。

所述的接全年供冷环路的空调末端冷水供水管和空调末端冷水回水管、接全年供热环路的空调末端热水供水管和空调末端热水回水管、接冷热切换环路的空调末端冷/热水供水管和空调末端冷/热水回水管数量分别为至少一路，二级冷/热水分水器以及二级冷/热水集水器至少为一组。

一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统通过设备启停、切换阀门启闭可实现夏季工况、冬季工况和过渡季工况三种工况的切换。具体切换方式如下：

夏季工况原理图如图2所示：

冷水机组1供冷、四管制能量提升机2同时供冷供热、室外侧换热系统3运行、第一空调冷水循环泵4、第二空调冷水循环泵5运行、空调热水循环泵9、空调冷水系统定压装置8运行、空调热水系统定压装置12、切换阀门中第二阀门32和第四阀门34打开、切换阀门中第一阀门31和第三阀门33关闭。

冬季、过渡季工况的工作流程如图3所示：

优先四管制能量提升机2同时供冷供热(冷量不足时开启冷水机组1供冷)、第二空调冷水循环泵5运行(冷量不足时开启第一空调冷水循环泵4运行)、空调热水循环泵9、空调冷水系统定压装置8运行、空调热水循环泵9运行、空调热水系统定压装置12运行、切换阀门中第一阀门31和第三阀门33打开、切换阀门中第二阀门32和第四阀门34关闭。

以下为一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统的具体应用(该系统的整体布局和连接关系未对外公开)：

该应用位于福州市，总建筑面积约226,969m2，为大型医院类建筑。本工程主要功能包括医疗综合楼，含门诊楼、医技楼、南病房楼、北病房楼、科研行政医学中心楼、配套用房楼，建筑面积220,400m2，地上11层，地下2层，建筑高度49.95m。感染楼建筑面积5,027m2，地上3层，建筑高度14.4m。

空调计算参数按福州(属于夏热冬暖地区)地区选取。其中，夏季空调室外计算干球温度35.9℃，湿球温度28℃；冬季空调计算温度4.4℃，相对湿度74％。空调冷负荷约为22883.5Kw，空调热负荷约为6760.7kw。

空调系统一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统。充分考虑洁净区域全年供冷供热、其他区域内区全年供冷及外区冷热切换等需求，空调水供给方式如下表：

空调冷热源采用超高效离心式冷水机组+四管制能量提升机的组合形式，水冷冷水机组设置在地下二层冷冻机房内，四管制能量提升机设置在北病房楼屋面。

该项目的配置如下：

1冷水机组：

定频离心式冷水机组，单台额定制冷量7034KW，共2台；

变频离心式冷水机组，单台额定制冷量3517KW，共1台；

2四管制能量提升机：

四管制能量提升机组，单台额定制冷量1337KW，单台额定制热量1674Kw，共4台；

3室外侧换热系统，冷水机组室外侧换热系统采用传统冷却塔系统：

单台冷却塔额定流量800m3/h，共5台；

四管制能量提升机室外侧换热系统采用风冷系统，按机组选配；

4第一空调冷水循环泵：

单台流量950m3/h，扬程35m，共3台，2用1备；

单台流量475m3/h，扬程37m，共2台，1用1备；

4第二空调冷水循环泵：

单台流量210m3/h，扬程37m，共5台，4用1备；

6一级冷水集水器：D900xL9200；

7一级冷水分水器：D9000xL9000；

8空调冷水系统定压装置：变频补水定压装置；

9空调热水循环泵：

单台流量250m3/h，扬程28m，共5台，4用1备；

10一级热水集水器：D700xL5800；

11一级热水分水器：D700xL5500；

12空调冷水系统定压装置：变频补水定压装置；13二级冷/热水集水器(1)：D800xL5000；

二级冷/热水集水器(2)：D800xL4600；14二级冷/热水分水器(1)：D800xL5000；

二级冷/热水分水器(2)：D800xL4600；31、32、33、33切换阀门：阀门共计4个。

Claims (5)

1.一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统，其特征在于：它包括冷水机组(1)、四管制能量提升机(2)、室外侧换热系统(3)、第一空调冷水循环泵(4)、第二空调冷水循环泵(5)、一级冷水集水器(6)、一级冷水分水器(7)、空调冷水系统定压装置(8)、空调热水循环泵(9)、一级热水集水器(10)、一级热水分水器(11)、空调热水系统定压装置(12)、二级冷/热水集水器(13)、二级冷/热水分水器(14)、切换阀门、压差旁通阀组；冷水机组(1)第一蒸发器(21)的供水管和四管制能量提升机(2)第二蒸发器(23)的冷水供水管均接入一级冷水分水器(7)；同时，一级冷水分水器(7)接出两路冷水供水支管，一路接全年供冷环路的空调末端冷水供水管，一路接二级冷/热水分水器(14)；

有两路冷水回水支管接入一级冷水集水器(6)，一路为全年供冷环路的空调末端冷水回水管，一路为从二级冷/热水集水器(13)接出的回水管；

从一级冷水集水器(6)接出两路冷水回水管，一路通过第一空调冷水循环泵(4)加压回流至冷水机组(1)的第一蒸发器(21)并经换热后成为空调冷水供水；一路通过第二空调冷水循环泵(5)加压，回流至四管制能量提升机(2)的第二蒸发器(23)并经换热后成为空调冷水供水；

冷水集水器(6)与冷水分水器(7)间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；冷水集水器(6)与空调冷水系统定压装置(8)连接；

四管制能量提升机(2)第二冷凝器(24)的热水供水管接入一级热水分水器(11)；同时，一级热水分水器(11)接出两路热水供水支管，一路接全年供热环路的空调末端热水供水管，一路接二级冷/热水分水器(14)；

有两路热水回水支管接入一级热水集水器(10)，一路为全年供热环路的空调末端热水回水管，一路为从二级冷/热水集水器(13)接出的回水管；

从一级热水集水器(10)接出一路支管通过空调热水循环泵(9)加压，回流至过四管制能量提升机(2)的第二冷凝器(24)并经换热后成为空调热水供水；

一级热水集水器(10)与一级热水分水器(11)间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；一级热水集水器(10)与空调热水系统定压装置(12)连接；

二级冷/热水集水器(13)接空调末端冷/热水回水管，二级冷/热水分水器(14)接空调末端冷/热水供水管；

冷水机组(1)的第一冷凝器(22)接接室外侧换热系统(3)。

2.根据权利要求1所述的一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统，其特征在于：

与冷水机组(1)相连的室外侧换热系统(3)包括与室外介质连接的室外换热管道以及介质储蓄装置，通过选取室外换热介质，设置对应的室外侧换热系统(3)：

当(a)在地下水水量充足、水质水温适宜、允许直接取地下水的地区，室外侧换热系统(3)可采取直接取地下水作为换热介质；

(b)在地表水水量充足、水质水温适宜、允许直接取地表水的地区，室外侧换热系统(3)可采取直接取地表水作为换热介质；

(c)在水量不足、水质水温不适宜、水体不允许直接取用的地区，所述的室外换热管道为地埋管，介质储蓄装置为冷却塔，室外侧换热系统(3)采取地埋管与冷却塔结合的方式；

(d)所述的介质储蓄装置为冷却塔，室外侧换热系统(3)采用室外空气作为换热介质。

3.根据权利要求1所述的一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统，其特征在于：所述的空调冷水系统定压装置(8)、空调热水定压装置(12)为膨胀水箱定压、气压罐定压、变频补水定压中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种四管制能量提升机与冷水机组耦合的两级集分水器空调系统，其特征在于：所述的接全年供冷环路的空调末端冷水供水管和空调末端冷水回水管、接全年供热环路的空调末端热水供水管和空调末端热水回水管、接冷热切换环路的空调末端冷/热水供水管和空调末端冷/热水回水管数量分别为至少一路，二级冷/热水分水器以及二级冷/热水集水器至少为一组。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种四管制能量提升机与高效冷水机组耦合的两级集分水器空调系统的使用方法，其特征在于：它分为夏季工况、冬季工况和过渡季工况：

夏季工况的工作流程如下：

冷水机组(1)供冷、四管制能量提升机(2)同时供冷供热、室外侧换热系统(3)运行、第一空调冷水循环泵(4)、第二空调冷水循环泵(5)运行、空调热水循环泵(9)、空调冷水系统定压装置(8)运行、空调热水系统定压装置(12)、切换阀门中第二阀门(32)和第四阀门(34)打开、切换阀门中第一阀门(31)和第三阀门(33)关闭；

冬季和过渡季工况的工作流程如下：

优先四管制能量提升机(2)同时供冷供热(冷量不足时开启冷水机组(1)供冷)、第二空调冷水循环泵(5)运行(冷量不足时开启第一空调冷水循环泵(4)运行)、空调热水循环泵(9)、空调冷水系统定压装置(8)运行、空调热水循环泵(9)运行、空调热水系统定压装置(12)运行、切换阀门中第一阀门(31)和第三阀门(33)打开、切换阀门中第二阀门(32)和第四阀门(34)关闭。

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