CN113803816A - 一种耦合全年供冷系统的水源vrf空调系统及其使用方法 - Google Patents

一种耦合全年供冷系统的水源vrf空调系统及其使用方法 Download PDF

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陈震宇
曾骁
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Abstract

本发明的目的在于提供一种全年供冷系统耦合的水源VRF空调系统及其使用方法。它包括闭式冷却塔、开式冷却塔、全年供冷冷水机组、水‑水换热器、水源VRF空调室外机、水源VRF空调室内机、冷却水环路循环水泵、冷冻水环路循环水泵、水源VRF空调水环路循环水泵、管路阀件等；水源VRF空调室外机通过冷媒管与水源VRF空调室内机；通过将上述部件有序连接构建水源VRF空调水环路、冷却水环路、冷冻水环路并控制三个水环路的通断，实现供冷工况和同时供冷供热工况的转换，使得当冬季水源VRF空调水环路需要额外补充热量时，充分利用全年供冷冷水机组冬季“免费散热量”，实现热量在不同空调系统之间互补调配转移，提高能源利用效率。

Description

一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及属于空调系统技术领域，具体涉及一种耦合全年供冷系统的水源 VRF空调系统及其使用方法。
背景技术
我国大型公共建筑用能系统能效较低、能源浪费严重，而其中空调能耗占 公共建筑总能耗的60％以上，为公共建筑的能耗大户，因此打造绿色高效的空调 系统是推行绿色建筑、实现节能减排的重要举措。
公共建筑的面积规模大，功能复杂，建筑进深增加使其空调内、外区的区 别越来越明显。其中内区需要空调系统全年供冷；外区则存在夏季供冷、冬季 供热的差异性空调需要；此外数据中心、冷库等区域则有全年供冷需求。对于 此类既有全年供冷需求且具有舒适性空调的综合性建筑，传统的空调方式是直 接或间接的消耗一次能源(例如燃煤、燃油燃气锅炉)给外区供热，同时再消 耗一定的能源(如冷却塔、冷水机组电耗)等来为内区及数据机房或冷库等供 冷。这种方式忽略了系统内部散热量的可再利用性，从而造成能源浪费。因此， 深入探究冷热负荷互补调配方式，开拓空调系统节能设计理念，是实现公共建筑绿色低碳化目标的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于克服传统空调系统缺少对系统内部冷热负荷的互补再利 用的不足，提供一种健康、舒适、高效、绿色、低碳的与全年供冷系统耦合的 水源VRF空调系统。
本发明通过如下技术方案实现：一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系 统，它包括闭式冷却塔1、开式冷却塔2、全年供冷冷水机组3、水-水换热器4、 水源VRF空调室外机5、水源VRF空调室内机6、冷却水环路循环水泵7、冷冻 水环路循环水泵8、水源VRF空调水环路循环水泵9、管路阀件、分水器11、集 水器12；
其中，全年供冷冷水机组3包括冷凝器3-1和蒸发器3-2，水-水换热器4 包括供热侧4-1以及吸热侧4-2，管路阀件包括三通调节阀10-1第二开关阀 10-2、第三开关阀10-3；水源VRF空调室外机5通过冷媒管与水源VRF空调室 内机6；
闭式冷却塔1、第三开关阀10-3、水源VRF空调水环路循环水泵9、分水器 11、水源VRF空调室外机5、集水器12、依序排列并通过管道连接形成第一循 环管路；
吸热侧4-2、第二开关阀10-2、水源VRF空调水环路循环水泵9、分水器 11、水源VRF空调室外机5、集水器12、依序排列并通过管道连接形成第二循 环管路；
开式冷却塔2、冷却水环路循环水泵7、冷凝器3-1、三通调节阀10-1依序 排列并通过管道连接形成冷却水循环管路；
在三通调节阀10-1上引出一条管道与供热侧4-1进水端连接，供热侧4-1 出水端连接至开式冷却塔2，形成开式冷却塔2、冷却水环路循环水泵7、冷凝 器3-1、三通调节阀10-1、供热侧4-1依序排列的冷却水支路循环管路；
蒸发器3-2、冷冻水环路循环水泵8与全年供冷空调末端设备依序排列并 通过管路连接形成冷冻却水循环管路。
一项所述的一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统的使用方法，其特 征在于：它分为供冷工况和同时供冷供热工况：
(a)所述的供冷工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵7、冷冻水环路循环水泵8、水源VRF空调水环路 循环水泵9，控制三通调节阀10-1、关闭第二开关阀10-2和水-水换热器4、开 启第三开关阀10-3；使得第一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路 启用，而第二循环管路、冷却水支路循环管路停用；
(b)所述的同时供冷供热工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵7、冷冻水环路循环水泵8、水源VRF空调水环路 循环水泵9、第二开关阀10-2、水-水换热器4，停用第三开关阀10-3，控制三 通调节阀10-1；使得第一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路、冷 却水支路循环管路全部启用，第二循环管路停用。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
1.构建与全年供冷系统相耦合的水源VRF空调系统框架，当冬季水源VRF 空调水环路需要额外补充热量时，充分利用全年供冷冷水机组冬季“免费散热 量”，实现热量在不同空调系统之间互补调配转移，提高能源利用效率；
2.全年供冷冷水机组服务于有全年供冷需求的建筑区域，其供冷能效随着 冷却水温度下降而升高，为水源VRF空调系统补热的过程能有效降低冷却水温 度，提高冷水机组能效，进一步降低整体能耗水平；
3.本案全年供冷冷水机组采用水冷型冷凝器，制冷时冷凝温度低于传统空 气源VRF空调系统，较其制冷运行工况能效比更高，装机功率更低；
6.水源VRF空调系统末端控制灵活，可应对各空调区域对室内温湿度的差 异性需求，促进其行为节能；
5.同一水环路内的不同水源VRF空调机组存在同时供冷、供热的情况时， 可以在水源VRF空调水环路中先行实现冷、热负荷相互抵消中和的作用，降低 运行能耗；
6.水源VRF空调系统设备占用空间小，布置灵活。本系统将主要高噪音或 散热设备(闭式冷却塔、开式冷却塔、全年供冷冷水机组、水泵)集中设置在 屋面、设备机房或水泵房内，有效整合利用设备空间，相较于传统空气源VRF 系统而言，更加绿色高效的同时，得以营造更加安静怡人的建筑环境。
附图说明
图1一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统流程原理图
图2一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统供冷工况原理图；
图3一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统同时供冷供热工况原理图。
标号说明：1冷却塔、2开式冷却塔、3全年供冷冷水机组、3-1冷凝器、 3-2蒸发器、4水-水换热器、4-1供热侧、4-2吸热侧、5水源VRF空调室外机、 6水源VRF空调室内机、7冷却水环路循环水泵、8冷冻水环路循环水泵、9水 源VRF空调水环路循环水泵、10-1三通调节阀、10-2第二开关阀、10-3第三开 关阀管路阀件、11分水器、12集水器。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做详细说明：
如图1所示：一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统，它包括闭式冷 却塔1、开式冷却塔2、全年供冷冷水机组3、水-水换热器4、水源VRF空调室 外机5、水源VRF空调室内机6、冷却水环路循环水泵7、冷冻水环路循环水泵 8、水源VRF空调水环路循环水泵9、管路阀件、分水器11、集水器12；
其中，全年供冷冷水机组3包括冷凝器3-1和蒸发器3-2，水-水换热器4 包括供热侧4-1以及吸热侧4-2，管路阀件包括三通调节阀10-1第二开关阀 10-2、第三开关阀10-3；水源VRF空调室外机5通过冷媒管与水源VRF空调室 内机6；
闭式冷却塔1、第三开关阀10-3、水源VRF空调水环路循环水泵9、分水器 11、水源VRF空调室外机5、集水器12、依序排列并通过管道连接形成第一循 环管路；
吸热侧4-2、第二开关阀10-2、水源VRF空调水环路循环水泵9、分水器 11、水源VRF空调室外机5、集水器12、依序排列并通过管道连接形成第二循 环管路；
开式冷却塔2、冷却水环路循环水泵7、冷凝器3-1、三通调节阀10-1依序 排列并通过管道连接形成冷却水循环管路；
在三通调节阀10-1上引出一条管道与供热侧4-1进水端连接，供热侧4-1 出水端连接至开式冷却塔2，形成开式冷却塔2、冷却水环路循环水泵7、冷凝 器3-1、三通调节阀10-1、供热侧4-1依序排列的冷却水支路循环管路；
蒸发器3-2、冷冻水环路循环水泵8与全年供冷空调末端设备依序排列并通 过管路连接形成冷冻却水循环管路。
本发明中第一循环管路和第二循环管路中的空调循环水可以通过分水器 11、集水器1)分配至多个空调分区的水源VRF空调室外机5。本发明中的VRF 英文全称为Variablerefrigerant Flow，即变制冷剂流量。
进一步的，本发明还包括定压装置13，所述冷冻却水循环管路、第一循环 管路、第二循环管路均连接有定压装置13。
所述定压装置13为高位膨胀水箱定压、补给水泵定压、气体定压罐定压中 的任意一种。
从图1中可以看出本发明的循环管路根据功能用途，大致可以分为三类；
第一类为水源VRF空调水环路(包括了第一循环管路和第二循环管路)。
所述的水源VRF空调水环路的循环水供水经过空调水环路循环水泵9加压， 通过分水器11分配至各空调分区的水源VRF空调室外机5进行换热，换热后成 为循环水回水，汇流至集水器12。在集水器12分出两路分支，一路支管连接闭 式冷却塔，并在管路上设置对应的电动开关阀10-3(该路支管对应第一循环管 路)。另一路支管连接水-水换热器4的吸热侧4-2，并在管路上设置对应的电 动开关阀10-2(该路支路对应第二循环管路)。经过闭式冷却塔1或水-水换热 器4的吸热侧4-2处理后的循环水成为供水，两路支管汇流后，回到空调水环 路循环水泵9，形成水源VRF空调水环路。空调水环路循环水泵9入口设置定压 装置13；
第二类冷却水环路(包括了冷却水循环管路和冷却水支路循环管路)。
所述的冷却水环路的冷却水供水经过冷却水环路循环水泵7加压，经过全 年供冷冷水机组3的冷凝器3-1成为回水，经过电动三通调节阀10-1分别接两 路支管：一路连接水-水换热器4的供热侧4-1(对应冷却水支路循环管路)； 一路为旁通管(对应冷却水循环管路)；两路合并后，接至开式冷却塔2换热 后成为供水，再回到冷却水环路循环水泵7，形成冷却水环路；
第二类冷冻水环路(即冷冻却水循环管路)。
所述的冷水机组侧冷冻水环路的冷冻水回水经过冷冻水环路循环水泵8加 压，经过全年供冷冷水机组3的蒸发器3-2换热后，成为供水，接至进入全年 供冷空调末端设备(室内空调末端)，换热后成为回水，回到冷冻水环路循环 水泵8，形成冷冻水环路，冷冻水环路循环水泵8入口设置定压装置13；
本发明所述一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统的使用方法，它分 为供冷工况和同时供冷供热工况：
如图2所示：所述的供冷工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵7、冷冻水环路循环水泵8、水源VRF空调水环路 循环水泵9，控制三通调节阀10-1、关闭第二开关阀10-2和水-水换热器4、开 启第三开关阀10-3，闭式冷却塔1、开式冷却塔2和全年供冷冷水机组3开启； 使得第一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路启用，而第二循环管 路、冷却水支路循环管路停用。
具体的说，供冷工况的工作状态下，水源VRF空调室外机5、水源VRF空调 室内机6供冷运行，空调水环路循环水泵8、闭式冷却塔1运行，对应管路上的 的电动开关阀10-3开启，水-水换热器4不运行，电动开关阀10-2关闭。冷却 水环路的开式冷却塔2、全年供冷冷水机组3、冷却水环路循环水泵7运行，水 -水换热器4不运行，经过电动三通调节阀10-1的水流全部经过旁通管。
如图3所示：所述的同时供冷供热工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵7、冷冻水环路循环水泵8、水源VRF空调水环路 循环水泵9、第二开关阀10-2、水-水换热器4、开式冷却塔2和全年供冷冷水 机组3；停用第三开关阀10-3和闭式冷却塔1；控制三通调节阀10-1；使得第 一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路、冷却水支路循环管路全部 启用，第二循环管路停用。
具体的说，同时供冷供热工况的工作状态下，水源VRF空调水环路的水源 VRF空调室外机5、水源VRF空调室内机6供热运行；空调水环路循环水泵8、 水-水换热器4运行，对应管路上的的电动开关阀10-2开启，闭式冷却塔1不 运行，电动开关阀10-3关闭。
冷却水环路的开式冷却塔2、全年供冷冷水机组3、冷却水环路循环水泵7运 行，水-水换热器4运行，经过电动三通调节阀10-1的水流按水源VRF空调水 环路的热需求通过水-水换热器4的供热侧4-1，其余水流经过旁通管。
以下为一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统的具体应用(整理管路 布局、原理等信息未对外公开)：
该应用位于福州市，总建筑面积35000㎡，建筑高度为94m，地上21层， 建筑功能主要为：一层为门厅；二层为数据中心；三层以上为办公及相关配套 用房。
空调计算参数按福州地区选取。数据中心机房区域工艺性空调冷负荷为 3611kW；其他办公区域夏季空调冷负荷为7447kW，冬季空调热负荷为1600kW。
空调系统采用全年供冷系统耦合水源VRF空调系统。所述系统具体组成形 式如下：
(1)数据中心机房IDC空调末端及办公区域舒适性空调新风机组采用集中 冷源供给，系统配置4台高效磁悬浮离心式冷水机组，任意一台故障时均足够 保障数据中心冷量需求。并在冷却水环路配置水-水换热器，冬季为水源VRF空 调水环路补充热量。
(2)办公区域舒适性空调室内负荷由水源VRF空调承担，由水源VRF空调 水环路将各个区域的水源VRF空调室外机并联在一起。夏季散热冷却采用闭式 冷却塔；冬季通过水-水换热器，从全年供冷系统的冷却水环路取热。
高效磁悬浮离心式冷水机组设置在一层设备机房内；空调水环路循环水泵、 冷冻水循环水泵及冷却水循环水泵设置在一层水泵房内；闭式冷却塔、开式冷 却塔、板式水-水换热器集中设置在主楼屋面，水源VRF空调室外机设置在各区 域设备平台。
该项目的配置如下：
(1)闭式冷却塔：
单台额定水量350m3/h，共4台；
(2)开式冷却塔
单台额定水量280m3/h，共4台；
(3)高效磁悬浮离心式全年供冷冷水机组：
单台容量为1300kW，输入功率194kW，共4台；
(4)水-水换热器：
采用板式水-水换热器，额定换热量为1630kW，共1台；
(5)水源VRF空调室外机：60套；
(6)水源VRF空调室内机：若干；
(7)冷却水环路循环水泵：
单台流量260m3/h，扬程24m，共5台，4用1备；
(8)冷冻水环路循环水泵：
单台流量280m3/h，扬程24m，共5台，4用1备；
(9)水源VRF空调水环路循环水泵：
单台流量245m3/h，扬程24m，共5台，4用1备；
(10)管路阀件：与上述设备配套设置；
(11)分水器，1台(12)集水器，1台；
(13)定压装置，2套。
尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应 当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此， 应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义 上的限制。

Claims (4)

1.一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统，其特征在于：它包括闭式冷却塔(1)、开式冷却塔(2)、全年供冷冷水机组(3)、水-水换热器(4)、水源VRF空调室外机(5)、水源VRF空调室内机(6)、冷却水环路循环水泵(7)、冷冻水环路循环水泵(8)、水源VRF空调水环路循环水泵(9)、管路阀件、分水器(11)、集水器(12)；
其中，全年供冷冷水机组(3)包括冷凝器(3-1)和蒸发器(3-2)，水-水换热器(4)包括供热侧(4-1)以及吸热侧(4-2)，管路阀件包括三通调节阀(10-1)第二开关阀(10-2)、第三开关阀(10-3)；水源VRF空调室外机(5)通过冷媒管与水源VRF空调室内机(6)；
闭式冷却塔(1)、第三开关阀(10-3)、水源VRF空调水环路循环水泵(9)、分水器(11)、水源VRF空调室外机(5)、集水器(12)、依序排列并通过管道连接形成第一循环管路；
吸热侧(4-2)、第二开关阀(10-2)、水源VRF空调水环路循环水泵(9)、分水器(11)、水源VRF空调室外机(5)、集水器(12)、依序排列并通过管道连接形成第二循环管路；
开式冷却塔(2)、冷却水环路循环水泵(7)、冷凝器(3-1)、三通调节阀(10-1)依序排列并通过管道连接形成冷却水循环管路；
在三通调节阀(10-1)上引出一条管道与供热侧(4-1)进水端连接，供热侧(4-1)出水端连接至开式冷却塔(2)，形成开式冷却塔(2)、冷却水环路循环水泵(7)、冷凝器(3-1)、三通调节阀(10-1)、供热侧(4-1)依序排列的冷却水支路循环管路；
蒸发器(3-2)、冷冻水环路循环水泵(8)与全年供冷空调末端设备依序排列并通过管路连接形成冷冻却水循环管路。
2.根据权利要求1所述的一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统，其特征在于：它还包括定压装置(13)，所述冷冻却水循环管路、第一循环管路、第二循环管路均连接有定压装置(13)。
3.根据权利要求2所述的一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统，其特征在于：所述定压装置(13)为高位膨胀水箱定压、补给水泵定压、气体定压罐定压中的任意一种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种耦合全年供冷系统的水源VRF空调系统的使用方法，其特征在于：它分为供冷工况和同时供冷供热工况：
(a)所述的供冷工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵(7)、冷冻水环路循环水泵(8)、水源VRF空调水环路循环水泵(9)，控制三通调节阀(10-1)、关闭第二开关阀(10-2)和水-水换热器(4)、开启第三开关阀(10-3)，闭式冷却塔(1)、开式冷却塔(2)和全年供冷冷水机组(3)开启；使得第一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路启用，而第二循环管路、冷却水支路循环管路停用；
(b)所述的同时供冷供热工况的工作状态如下：
开启冷却水环路循环水泵(7)、冷冻水环路循环水泵(8)、水源VRF空调水环路循环水泵(9)、第二开关阀(10-2)、水-水换热器(4)、开式冷却塔(2)和全年供冷冷水机组(3)；停用第三开关阀(10-3)和闭式冷却塔(1)；控制三通调节阀(10-1)；使得第一循环管路、冷却水循环管路、冷冻却水循环管路、冷却水支路循环管路全部启用，第二循环管路停用。
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