CN113819548A

CN113819548A - 一种冷冻水热回收空调系统及其使用方法

Info

Publication number: CN113819548A
Application number: CN202111261521.9A
Authority: CN
Inventors: 曹华明; 肖剑仁; 陈震宇; 池兰; 曾骁
Original assignee: Fujian Provincial Institute Of Architectural Design And Research Co ltd
Current assignee: Fujian Provincial Institute Of Architectural Design And Research Co ltd
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2021-12-21

Abstract

本发明为一种冷冻水热回收空调系统及其使用方法，通过在制冷机房内增加一台热回收用的水源热泵机组，直接将空调冷冻水系统的回水作为水源热泵机组的热源侧，进行热量回收，为建筑生活热水系统提供预热或者将自来水直接加热为可以使用的生活热水，同时将免费产生的冷量返回给冷冻水系统，从而构建适用于大型公共建筑，特别是大型酒店、医院等全年需要供冷、同时全年有生活热水需求建筑的一种经济、健康、绿色、环保、节能的水源热泵与冷水机组耦合的冷冻水热回收空调系统。

Description

一种冷冻水热回收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，尤其涉及一种冷冻水热回收空调系统及其使用方法。

背景技术

在国家“碳达峰、碳中和”的目标下，有效提高制冷机房的能效成为暖通空调行业从业人员的一个重要努力方向。对于全年同时有冷、热需求的大型公共建筑，提高制冷机房的能效，除了设备优化、管路优化、选用高效控制系统等手段外，将建筑的供冷供热系统高效耦合，也是提高机房能效的一个重要方法。

夏热冬暖以及夏热冬冷地区的大型公共建筑，由于建筑规模大、进深大，空调系统内、外分区明显，外区空调冷、热负荷随着季节交替变化，夏季为冷负荷、冬季为热负荷，内区则是全年存在冷负荷。而且酒店、医院等类型的大型公共建筑，全年又存在生活热水的需求，因此，建筑全年都同时存在供冷、供热的需求。

常规空调系统制冷时，通过空调冷冻水吸收目标房间的余热，然后在冷水机组冷凝器中把吸收的余热转移到冷却水系统中，再通过冷却塔等设备向室外环境排出。大量的冷凝热直接排入大气，白白散失掉，造成较大的能源浪费，而这些排出的热量又会使周围环境温度升高，造成严重的环境热污染。如果能够将这些热量回收，用来满足建筑的供热需求，既可以减少环境热污染，又可以有效降低建筑的整体能耗，实现节能减排。

传统的热回收空调系统，主要分为间接式和直接式，直接式又分为全热回收和部分热回收。间接式利用冷凝器出来的37℃左右的水换热来对生活热水进行预热，由于要增加较多的设备，换热后的出水温度低，换热效率比较低，因此间接式的经济效益低，投资回收周期长。

全热回收直接利用压缩机出口的制冷剂蒸汽显热和潜热，虽然回收热量大，但是会导致冷凝器的压降比较大，从而降低冷水机组的效率，增加冷水机组耗电量，使得建筑整体的节能量打折扣。部分热回收仅回收压缩机出口的制冷剂蒸汽显热，回收量不大，一般不超过整体冷凝热的20％，且提供的热水温度不高。另外，直接式热回收系统，不管是全热回收还是部分热回收，热回收受冷水机组运行状况影响很大，当热回收型冷水机组因为调节停机或者检修停机时，就无法进行热回收；而且，要实现连续的热回收，就需要热回收型冷水机组持续使用，增加了冷水机组的故障率，缩短了其使用寿命，影响了建筑冷源系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服传统热回收空调系统的不足，进一步提高制冷机房的能效，降低建筑能耗，提供一种适用于大型公共建筑，特别是酒店、医院等全年需要供冷、同时全年有生活热水需求建筑的经济、健康、绿色、环保、节能的水源热泵与冷水机组耦合的冷冻水热回收空调系统及其使用方法。

本发明通过如下技术方案实现：一种冷冻水热回收空调系统。它包括冷水机组1、水源热泵机组2、室外侧换热系统3、生活热水侧换热系统4、第一循环泵5、第二循环泵6、第三循环泵7、冷水集水器8、冷水分水器9、空调冷水系统定压装置10、若干切换阀门以及压差旁通阀组；

其中，所述冷水机组1包括第一冷凝器11和第一蒸发器12；水源热泵机组2包括第二冷凝器21和第二蒸发器22；

第一蒸发器12的供水端接入冷水分水器9，所述冷水分水器9分出一路接空调末端冷水供水管；所述冷水集水器8分出一路接空调末端冷水回水管；

所述冷水集水器8分出三路管路；第一路连接第一循环泵5和第一蒸发器12，并经第一蒸发器12换热成为空调冷水供水后流入冷水分水器9；第二路连接第二循环泵6、第二蒸发器22，并经第二蒸发器22换热后接入第一循环泵5、第一蒸发器12，再经第一蒸发器12换热成为空调冷水供水流入冷水分水器9；第三路连接第三循环泵7、第二蒸发器22并经第二蒸发器22换热后成为空调冷水供水流入冷水分水器9；所述切换阀门设置再以上三路管路的主路以及支路上；

所述冷水集水器8与冷水分水器9间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；冷水集水器8与空调冷水系统定压装置10连接；

所述第一冷凝器11接室外侧换热系统3；所述第二冷凝器21接生活热水侧换热系统4。

一种冷冻水热回收空调系统的使用方法，它分为夏季工况和冬季工况：

夏季工况的工作流程如下：

冷水机组1运行、水源热泵2运行、室外侧换热系统3运行、生活热水侧换热系统4运行，第一循环泵一5运行、第二循环泵6运行、空调冷水系统定压装置10运行，第三循环泵7关闭，通过控制切换阀门，使得第一路和第二路中的设备参与运作和循环，第三路的设备不参与运作和循环；

冬季工况的工作流程如下：

水源热泵2运行、生活热水侧换热系统4运行，空调冷水循环泵三7运行、空调冷水系统定压装置10运行，第一循环泵一5关闭、第二循环泵6关闭、冷水机组1关闭，通过控制切换阀门，使得第三路的设备参与运作和循环；第一路和第二路中的设备不参与运作和循环。

本发明的整体设计理念为：在制冷机房内增加一台热回收用的水源热泵机组，直接将空调冷冻水系统的回水作为水源热泵机组的热源侧，进行热量回收，为建筑生活热水系统提供预热或者将自来水直接加热为可以使用的生活热水，同时将免费产生的冷量返回给冷冻水系统，从而构建适用于大型公共建筑，特别是大型酒店、医院等全年需要供冷、同时全年有生活热水需求建筑的一种经济、健康、绿色、环保、节能的水源热泵与冷水机组耦合的冷冻水热回收空调系统。

本发明的优点如下：

1.与不进行热回收的常规空调系统相比，在制冷机房内增加一台热回收用的水源热泵机组，将排入大气的冷凝热回收利用，减少了建筑供热的能耗；同时，将产生的免费冷量直接返回给冷冻水系统，降低了冷水机组承担的冷负荷，而且由于冷水机组供回水温差减小，机组能效也大幅提高，从而大幅降低了冷水机组的耗电量，减少建筑供冷能耗。经济效益高，投资回收周期短。

2.与传统的冷凝水热回收空调系统相比，热回收用的水源热泵机组与冷水机组分开，热回收不受冷水机组运行状况影响，增加了热回收时长，降低了建筑全年能耗。增加的水源热泵机组在供热的同时产生免费冷量，对于五星级酒店等冷源保障率要求较高的建筑，在一台冷水机组损坏或者维修的时候，可以补充部分制冷量，增加了冷源系统的保障率。

3.与传统的冷凝水热回收空调系统相比，水源热泵机组在吸收制冷系统中热量的同时，也将产生的免费冷量直接返回给冷冻水系统，降低了冷冻水回水温度，从而降低了冷水机组承担的冷负荷，而且由于冷水机组供回水温差减小，机组能效比也大幅提高。因此，制冷机房整体能效得到了较大幅度提高。

4.与传统的冷凝水热回收空调系统相比，由于冷水机组耗电量减少，机组散热量减少，从而冷却水系统承担的散热量减小，通过减小冷却水循环流量等措施，可以进一步降低制冷机房能耗。

5.本系统在增加一台热回收用的水源热泵机组的同时，增加了些许切换阀门，搭建了一种新型的经济、健康、舒适、绿色、环保、节能的水源热泵与冷水机组耦合的冷冻水热回收空调系统。

附图说明

图1一种冷冻水热回收空调系统原理图；

图2一种冷冻水热回收空调系统夏季工况原理图；

图3一种冷冻水热回收空调系统冬季工况原理图。

标号说明：1冷水机组、11第一冷凝器、12第一蒸发器、2水源热泵机组、21第二冷凝器、22第二蒸发器、3室外侧换热系统、4生活热水侧换热系统、5第一循环泵、6第二循环泵、7第三循环泵、8冷水集水器、9冷水分水器、10空调冷水系统定压装置、31第一阀门、32第二阀门、33第三阀门、34第四阀门、35第五阀门。

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：一种冷冻水热回收空调系统，它包括冷水机组1、水源热泵机组2、室外侧换热系统3、生活热水侧换热系统4、第一循环泵5、第二循环泵6、第三循环泵7、冷水集水器8、冷水分水器9、空调冷水系统定压装置10、若干切换阀门以及压差旁通阀组；

需要说明的是三路管路上设有的切换阀门，是根据管路布设的需求进行分布，其重要目的是确保三路管路根据需求实现通断。目前本案给出是根据已经设计的方案进行切换阀门位置关系的布设，实际还可以根据具体的管路布设情况进行设计。

本案中，切换阀门设计由五个，分别是第一阀门31、第二阀门32、第三阀门33、第四阀门34、第五阀门35。其中第一阀门设在第一路的冷水集水器8和第一循环泵5之间，第二阀门32设置在第二路的冷水集水器8和第二循环泵5之间，第三阀门33设置在第二路的第二循环泵5和第一蒸发器12之间，第四阀门34设置在第三路的冷水集水器8和第三循环泵6之间，第五阀门设置在第三路第二蒸发器22和冷水分水器9之间(这里在第二蒸发器22和冷水分水器9设有一个支管，该支管和第二循环泵5以及第一蒸发器12并联，第五阀门就设置在支管上)。

其中，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：

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所述的室外换热管道为管道，介质储蓄装置为冷却塔，与冷水机组1相连的室外侧换热系统可采取冷却塔或直接采取室外空气。

进一步的，生活热水侧换热系统4包括蓄热装置、循环水泵及换热装置，其中蓄热装置可采用蓄热水箱，换热装置可采用水-水换热器。

进一步的，所述的空调冷水系统定压装置10为膨胀水箱定压、气压罐定压、变频补水定压中的任意一种。

所述的接空调末端冷水供水管和回水管数量分别为至少一路。

进一步的，第一循环泵5、第二循环泵6、第三循环泵7均为空调冷水循环泵。

如图2、3所示：一种冷冻水热回收空调系统的使用方法，它分为夏季工况和冬季工况：

如图2所示：夏季工况的工作流程如下：

冷水机组1运行、水源热泵2运行、室外侧换热系统3运行、生活热水侧换热系统4运行，第一循环泵一5运行、第二循环泵6运行、空调冷水系统定压装置10运行，第三循环泵7关闭；通过控制切换阀门，使得第一路和第二路中的设备参与运作和循环，第三路的设备不参与运作和循环；

如图3所示：冬季工况的工作流程如下：

水源热泵2运行、生活热水侧换热系统4运行，空调冷水循环泵三7运行、空调冷水系统定压装置10运行，第一循环泵一5关闭、第二循环泵6关闭、冷水机组1关闭；通过控制切换阀门，使得第三路的设备参与运作和循环；第一路和第二路中的设备不参与运作和循环。

结合本案具体的切换阀门位置以及附图我们可以看出各个工况工作过程中切换阀门具体的开关情况；

夏季工况原理图如图2所示：

冷水机组1运行、水源热泵2运行、室外侧换热系统3运行、生活热水侧换热系统4运行，第一空调冷水循环泵5运行、第二空调冷水循环泵6运行、空调冷水系统定压装置10运行，切换阀门中第一阀门31、切换阀门中第二阀门32和切换阀门中第三阀门33打开、第四阀门34关闭和第五阀门35关闭；

冬季工况原理图如图3所示：

水源热泵2运行、生活热水侧换热系统4运行，第三空调冷水循环泵7运行、空调冷水系统定压装置10运行，切换阀门中第一阀门31、切换阀门中第二阀门32和切换阀门中第三阀门33关闭、第四阀门34关闭和第五阀门35打开。

以下为一种冷冻水热回收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)：

该应用位于泉州市，总建筑面积约为70,475m²,地上三十五层、地下室两层，建筑主要功能为公寓和酒店。其中，酒店部分总面积约49,901m²，一层～六层为酒店裙房部分，主要为大堂、会议室、宴会厅、全日餐厅等，十九层～三十五层为酒店客房部分，主要为客房、泳池、SPA等。酒店部分采用一套集中空调系统。

空调计算参数按厦门地区选取。其中，夏季空调计算干球温度33.5℃，湿球温度为27.5℃；冬季空调计算干球温度6.6℃，冬季空调计算相对湿度79％。酒店部分空调冷负荷约为5000Kw，空调热负荷约为3700kw。

酒店空调冷源采用离心式冷水机组+螺杆式冷水机组的组合形式，冷水机组设置在地下一层冷冻机房内。本项目冷冻机房内设置有水源热泵机组，在降低冷冻水回水温度以提高冷水机组能效的同时，还可以为酒店生活热水系统提供预热或者热源。

该项目酒店部分空调系统的具体配置如下：

1冷水机组：

变频离心式冷水机组，单台额定制冷量1760KW，共2台；

定频螺杆式冷水机组，单台额定制冷量1232KW，共1台；

2水源热泵机组：

单台额定制冷量800KW，共1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450m³/h，共2台；单台冷却塔额定流量300m³/h，共1台；

4生活热水侧换热系统：

闭式储水罐，有效容积3m³，共1个；单台流量150m³/h循环水泵，扬程15m，共2台，1用1备；板式换热器1个；

5第一循环泵：

单台流量350m³/h，扬程30m，共3台，2用1备；

单台流量250m³/h，扬程30m，共2台，1用1备；

6第二循环泵：

单台流量150m³/h，扬程10m，共2台，1用1备；

7第三循环泵：

单台流量150m³/h，扬程25m，共2台，1用1备；

8一级冷水集水器：D700xL6200；

9一级冷水分水器：D7000xL6200；

10空调冷水系统定压装置：变频补水定压装置；

31、32、33、33、35切换阀门：阀门共计5个。

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

1.一种冷冻水热回收空调系统，其特征在于：它包括冷水机组(1)、水源热泵机组(2)、室外侧换热系统(3)、生活热水侧换热系统(4)、第一循环泵(5)、第二循环泵(6)、第三循环泵(7)、冷水集水器(8)、冷水分水器(9)、空调冷水系统定压装置(10)、若干切换阀门以及压差旁通阀组；

其中，所述冷水机组(1)包括第一冷凝器(11)和第一蒸发器(12)；水源热泵机组(2)包括第二冷凝器(21)和第二蒸发器(22)；

第一蒸发器(12)的供水端接入冷水分水器(9)，所述冷水分水器(9)分出一路接空调末端冷水供水管；所述冷水集水器(8)分出一路接空调末端冷水回水管；

所述冷水集水器(8)分出三路管路；第一路连接第一循环泵(5)和第一蒸发器(12)，并经第一蒸发器(12)换热成为空调冷水供水后流入冷水分水器(9)；第二路连接第二循环泵(6)、第二蒸发器(22)，并经第二蒸发器(22)换热后接入第一循环泵(5)、第一蒸发器(12)，再经第一蒸发器(12)换热成为空调冷水供水流入冷水分水器(9)；第三路连接第三循环泵(7)、第二蒸发器(22)并经第二蒸发器(22)换热后成为空调冷水供水流入冷水分水器(9)；所述切换阀门设置在以上三路管路的主路以及支路上；

所述冷水集水器(8)与冷水分水器(9)间设置旁通管，旁通管上设置压差旁通阀组；冷水集水器(8)与空调冷水系统定压装置(10)连接；

所述第一冷凝器(11)接室外侧换热系统(3)；所述第二冷凝器(21)接生活热水侧换热系统(4)。

2.根据权利要求1所述的一种冷冻水热回收空调系统，其特征在于：

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)：

(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)所述的室外换热管道为管道，介质储蓄装置为冷却塔，与冷水机组(1)相连的室外侧换热系统可采取冷却塔或直接采取室外空气。

3.根据权利要求1所述的一种冷冻水热回收空调系统，其特征在于：生活热水侧换热系统(4)包括蓄热装置、循环水泵及换热装置，其中蓄热装置可采用蓄热水箱，换热装置可采用水-水换热器。

4.根据权利要求1所述的一种冷冻水热回收空调系统，其特征在于：所述的空调冷水系统定压装置(10)为膨胀水箱定压、气压罐定压、变频补水定压中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种冷冻水热回收空调系统，其特征在于：第一循环泵(5)、第二循环泵(6)、第三循环泵(7)均为空调冷水循环泵。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的一种冷冻水热回收空调系统的使用方法，其特征在于，它分为夏季工况和冬季工况：

夏季工况的工作流程如下：

冷水机组(1)运行、水源热泵(2)运行、室外侧换热系统(3)运行、生活热水侧换热系统(4)运行，第一循环泵一(5)运行、第二循环泵(6)运行、空调冷水系统定压装置(10)运行，第三循环泵(7)关闭，通过控制切换阀门，使得第一路和第二路中的设备参与运作和循环，第三路的设备不参与运作和循环；

冬季工况的工作流程如下：

水源热泵(2)运行、生活热水侧换热系统(4)运行，空调冷水循环泵三(7)运行、空调冷水系统定压装置(10)运行，第一循环泵一(5)关闭、第二循环泵(6)关闭、冷水机组(1)关闭，通过控制切换阀门，使得第三路的设备参与运作和循环；第一路和第二路中的设备不参与运作和循环。