CN202747502U - 一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统 - Google Patents

Abstract

一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统，主要包括蓄冷槽、冷却塔、温度感应器、温度传感器、冷水机组、冷却水泵、冷却水管、湿球温度传感器、调节阀等组成。夏季，在夜间室外温度较低时，该冷却水系统通过蓄冷槽中的相变材料把低温冷却水的冷量贮存起来，在白天室外温度较高导致冷却塔效率低下时，释放贮存在蓄冷槽中的冷量，用来冷却空调冷却水。该冷却水系统不仅能够利用夜间蓄冷，高效、稳定的冷却空调冷却水，提高冷却塔效率和制冷机组能效比COP，还可以利用夜间廉价的电力，起到移峰填谷的效果。该冷却水系统具有结构简单、易于安装、节约能源、便于现有冷却水系统改造等优点。

Description

一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统

 技术领域

本实用新型涉及一种采用相变材料蓄冷技术的冷却水系统，属于蓄能空调技术领域。

背景技术

在当今世界能源形势日益紧张的局面下，对节能技术与节能措施的研究具有重要的实际意义和应用价值。随着人们对室内环境的舒适度要求愈来愈高，空调普及程度逐渐提高。空调系统已成为一个耗能大户，对空调系统蓄能、节能技术的开发与运用已成为当前的热点问题之一。

而相变材料，作为其中的代表，近年来越来越多的被研究与运用。由于相变材料具有独特的潜热性能，在降低建筑能耗、减少空调负荷、蓄冷节能方面，具有广阔的应用前景。

现有空调系统将热量经冷凝器与冷却水进行热交换，依靠冷却塔使冷却塔出水温度在32℃左右。但夏季，当室外大气环境温度较高时，建筑负荷增大，空调系统冷却水温升高。而此时冷却塔由于室外大气温度的升高，其冷却能力将下降，不能够完全充分冷却循环冷却水，使得冷却塔出水温度升高，相应的冷凝压力也升高。而冷凝压力是制冷效能的关键参数，其取决于冷凝水温，与能效比COP值成反比。所以随着冷却塔出水温度升高，冷凝压力升高，空调系统的能效比COP下降，即能源利用率下降，浪费的能源越多，不利于系统节能。此时空调系统的也制冷量下降，满足不了建筑所需冷量，影响室内热舒适。而现有的冰蓄冷空调，不仅运行效率低，制冷主机制冷能效比（COP）低；还增加了蓄冷设备费用及其占用的空间，增加水管和风管的保温费用。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种利用相变材料蓄冷技术的冷却水系统。在夜间室外温度较低时，该冷却水系统通过蓄冷槽中的相变材料把低温冷却水的冷量贮存起来，在白天室外温度较高导致冷却塔效率低下的时候，释放贮存的冷量用来冷却空调系统冷却水。该冷却水系统不仅能够利用夜间蓄冷，高效、稳定的冷却空调系统的冷却水，进而显著的提高冷却塔的效率和制冷机组的COP，使空调系统能够提供足够的冷量，维持房间热舒适并有利于空调系统节能；还可以利用夜间廉价的峰谷电力，起到移峰填谷的效果。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统，它包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔、温度感应器、蓄冷槽、调节阀A、调节阀B、调节阀C、调节阀D、冷却水管、冷水机组旁通管、蓄冷槽旁通管、湿球温度传感器、温度传感器、换热管、气液相变材料、液位传感器。冷水机组、冷却水泵、冷却塔和蓄冷槽上均设有进出水管。冷水机组出水管与冷却水泵进水管通过冷却水管连接，冷却水泵出水管与冷却塔进水管通过冷却水管连接，冷却塔出水管与蓄冷槽进水管通过冷却水管连接，蓄冷槽出水管与冷水机组进水管通过冷却水管连接。冷水机组的进出水管上接有冷水机组旁通管。冷水机组旁通管上装有调节阀A，冷水机组旁通管与冷水机组之间的进水管上装有调节阀B。蓄冷槽的进出水管上接有蓄冷槽旁通管，蓄冷槽旁通管上装有调节阀C，蓄冷槽旁通管与蓄冷槽之间的进水管上装有调节阀D。所述调节阀的开度均可以从1到0进行连续调节，开度为1时全开，开度为0时全关。

所述温度感应器安装在冷却塔的出水管上，用来感应冷却塔的冷却水出水温度。对温度感应器温度进行预先设定为设定温度T1。设定温度T1在冷却水充分冷却时冷却塔进出口温度的范围内的前提下，根据用户的要求，尽量使系统COP升高（如33℃）。

所述的温度传感器安装在冷水机组的进水管上，用来感应冷水机组的冷却水进水温度。

所述湿球温度传感器安装在冷却塔顶部，用来感应室外大气的湿球温度。

所述蓄冷槽的蓄冷量为Q，蓄冷量Q根据当地气候情况而定，其大小应能满足白天使冷却塔高效率下运行的同时保证系统冷却水充分冷却，在经济条件和机房面积允许的前提下，Q越大越好。蓄冷槽放置在空调机房内，其内有气液相变材料和换热管。蓄冷槽的容积在建筑规模、资金成本、机房面积、建筑所在地的气象参数的基础上确定，应尽量大。蓄冷槽具有密闭性好、保温隔热、耐腐蚀、易于安装等特点。

所述气液相变材料应保证其相变潜热大，相变温度T2应大于当地夜间最低湿球温度并小于设定温度T1（如27℃），其相变压力接近大气压力。在蓄冷槽容积允许的条件下，气液相变材料可以用其他热容量较大的介质替代。

所述换热管应具有较强的换热能力，使流经其中的冷却水能很好的与蓄冷槽内的气液相变材料进行换热。

所述液位传感器安装在蓄冷槽上，用来感应蓄冷槽内液态相变材料的液位。通过液位反映气液相变材料的相变情况，进而反映蓄冷槽的蓄冷情况。当蓄冷槽完全蓄冷时，即气液相变材料均相变为液态，液位传感器反应，停止蓄冷。

本实用新型在现有的空调冷却水系统的基础引入相变材料蓄冷技术。夜间，室外温度较低，空调系统在部分负荷下运行或不运行的情况时，系统冷却水温度较低。此时通过蓄冷槽内的气液相变材料以液态相变材料的形式把冷却水系统中的低温冷却水的冷量贮存在蓄冷槽中，在白天室外温度较高，建筑负荷又较大，冷却塔不能独立充分冷却循环冷却水时释放冷量，用来冷却循环冷却水，使冷却水充分冷却，满足空调系统的使用要求。

本实用新型具体运行及控制为，在夏季，白天当室外大气环境温度较低时，冷却塔在冷却能力下运行，可以充分冷却空调系统的冷却水。此时冷却塔出水温度低于温度感应器的设定温度T1，调节阀C开启，调节阀D关闭。循环冷却水流经冷却塔和蓄冷槽旁通管，循环冷却水全部由冷却塔充分冷却，使空调系统提供足够的冷量保证建筑的室内热舒适。随着室外大气温度的升高，建筑负荷增大，冷却水温升高。当室外温度升高到一定程度时，冷却塔冷却能力下降，无法充分冷却循环冷却水。此时冷却塔出水温度升高，当冷却塔出水温度升高达到温度感应器设定温度T1时，调节阀C关闭，调节阀D开启。调节阀C和调节阀D开度根据温度传感器感应的冷水机组进水温度来定。此时冷却塔与蓄冷槽串联，蓄冷槽把夜间贮存的冷量释放出来，与冷却塔共同冷却循环冷却水，使循环冷却水充分冷却。直到蓄冷槽的蓄冷量Q完全释放出来后，调节阀C开启，调节阀D关闭，冷却塔独立冷却循环冷却水。此时，室外温度已经经过峰值处于较低状态，室外温度大小在蓄冷槽开始释放冷量时的室外温度左右。冷却塔将在其冷却能力下运行，能够独立充分冷却空调系统的冷却水，使空调系统提供足够的冷量供建筑使用，维持室内热舒适。这样，在室外温度较高且建筑负荷也较大的时间里，该冷却水系统仍可以充分的冷却循环冷却水，进而使空调系统能够提供足够的冷量，满足房间热舒适的要求。

另一方面，到了夜间，室外温度较低，建筑负荷较少，空调系统在部分负荷下运行或者停机不运行。通过调节调节阀A和调节阀B的开度控制流经冷水机组的冷却水量。调节阀A和调节阀B的开度根据空调系统夜间负荷确定（当空调系统不运行时调节阀A全开，调节阀B全关）。夜间室外湿球温度最低点出现在t1时刻，设定蓄冷槽开始的时间点为t2时刻，t2比t1大约提前1个小时，具体提前多少时间根据当地气象情况而定。夜间t2时刻之前，当安装在冷却塔顶部的湿球温度传感器感应到室外湿球温度低于气液相变材料的相变温度T2时，蓄冷槽开始蓄冷。若到夜间t2时刻时，室外湿球温度仍高于气液相变材料的相变温度T2，此时蓄冷槽也将开始蓄冷。蓄冷槽开始蓄冷时，调节阀C关闭，调节阀D开启,蓄冷槽与冷却塔串联。此时由于室外温度较低，空调系统在部分负荷下运行或不运行，冷却水系统中的冷却水温较低，经冷却塔冷却后冷却水温进一步降低。这样低温的冷却水进入蓄冷槽释放冷量，使气液相变材料相变为液态，这样冷量就以液态相变材料的形式贮存在蓄冷槽中，供白天室外温度较高时使用。当液位传感器动作，表明蓄冷槽内的相变材料完全比为液态，表明蓄冷完全。或者当温度传感器感应到的冷水机组进水温度等于温度感应器感应到的冷却塔出水温度，也表明蓄冷槽蓄冷完全。蓄冷槽停止蓄冷，使调节阀C开启，调节阀D关闭。此时，若空调系统在部分负荷下运行，冷却水泵和冷却塔运行。若此时空调系统不运行，则关掉冷却水泵和冷却塔。这样就可以通过蓄冷槽内的气液相变材料的相变使蓄冷槽进行蓄冷与释放冷量的循环，把夜间低温冷却水的冷量贮存在蓄冷槽中，在白天室外温度较高，冷却塔效率较低，不能充分冷却冷却水时，释放冷量用来冷却高温冷却水。

本实用新型利用上述在现有的空调冷却水系统中引入相变材料蓄冷技术。在夏季，通过气液相变材料把夜间低温冷却水的冷量贮存起来，在白天室外温度较高时释放冷量冷却循环冷却水，不仅能够高效、稳定的冷却循环冷却水，使冷却塔的效率和空调系统COP提高，进而使空调系统提供足够的冷量供建筑使用，维持房间热舒适并有利于系统节能；还可以充分利用夜间廉价的电力，起到移峰填谷的效果。本实用新型不仅技术可行、结构简单、易于安装、成本低，而且还具有蓄能储能、节约能源、便于现有冷却水系统改造等优点。

附图说明

图1-本实用新型实施例结构示意图。

图2-本实用新型实施例蓄冷槽详图。

图3-本实用新型实施例室外大气湿球温度一天变化图。

图中，1-冷水机组；2-冷却水泵；3-冷却塔；4-温度感应器；5-蓄冷槽；6-调节阀A；7-调节阀B；8-调节阀C；9-调节阀D；10-冷却水管；11-冷水机组旁通管；12-蓄冷槽旁通管；13-湿球温度传感器；14-温度传感器；15-换热管；16-气液相变材料；17-液位传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

本实用新型提供的冷却水系统，具体结构参见图1和图2，包括冷水机组1、冷却水泵2、冷却塔3、温度感应器4、蓄冷槽5、调节阀A6、调节阀B7、调节阀C8、调节阀D9、冷却水管10、冷水机组旁通管11、蓄冷槽旁通管12、湿球温度传感器13、温度传感器14、换热管15、气液相变材料16、液位传感器17。

所述冷水机组1、冷却水泵2、冷却塔3和蓄冷槽5上均设有进出水管。冷水机组1出水管与冷却水泵2进水管通过冷却水管10连接，冷却水泵2出水管与冷却塔3进水管通过冷却水管10连接，冷却塔3出水管与蓄冷槽5进水管通过冷却水管10连接，蓄冷槽5出水管与冷水机组1进水管通过冷却水管10连接。冷水机组1的进出水管上接有冷水机组旁通管11。冷水机组旁通管11上装有调节阀A6，冷水机组旁通管11与冷水机组1之间的进水管上装有调节阀B7。蓄冷槽5的进出水管上接有蓄冷槽旁通管12，蓄冷槽旁通管12上装有调节阀C8，蓄冷槽旁通管12与蓄冷槽5之间的进水管上装有调节阀D9。所述调节阀的开度均可以从1到0进行连续调节，开度为1时全开，开度为0时全关。

所述温度感应器4安装在冷却塔3的出水管上，用来感应冷却塔3的冷却水出水温度。对温度感应器4的温度进行预先设定为设定温度T1。设定温度T1在冷却水充分冷却时冷却塔3进出口温度的范围内的前提下，根据用户的要求，尽量使系统COP升高（如33℃）。

所述的温度传感器14安装在冷水机组1的进水管上，用来感应冷水机组1的冷却水进水温度。

所述湿球温度传感器13安装在冷却塔3顶部，用来感应室外大气的湿球温度。

所述蓄冷槽5的蓄冷量为Q，蓄冷量Q根据当地气候情况而定，其大小应能满足白天使冷却塔3高效率下运行的同时保证系统冷却水充分冷却，在经济条件和机房面积允许的前提下，Q越大越好。蓄冷槽5放置在空调机房内，其内有气液相变材料16和换热管15。蓄冷槽5的容积在建筑规模、资金成本、机房面积、建筑所在地的气象参数的基础上确定，应尽量大。蓄冷槽5具有密闭性好、保温隔热、耐腐蚀、易于安装等特点。

所述气液相变材料16应保证其相变潜热大，相变温度T2应大于当地夜间最低湿球温度并小于温度感应器4的设定温度T1（如27℃），其相变压力接近大气压力。

所述换热管15应具有较强的换热能力，使流经其中的冷却水能很好的与蓄冷槽5内的气液相变材料16进行换热。

所述液位传感器17安装在蓄冷槽5上，用来感应蓄冷槽5内液态相变材料16的液位。通过液位反映气液相变材料16的相变情况，进而反映蓄冷槽5的蓄冷情况。当蓄冷槽5完全蓄冷时，即气液相变材料16均相变为液态，液位传感器17反应，停止蓄冷。

本冷却水系统在现有的空调冷却水系统的基础上引入利用相变材料16的蓄冷技术。在夜间室外温度较低，空调系统部分负荷下运行或不运行的情况时，通过蓄冷槽5内的气液相变材料16以液态的形式把冷却水系统中的低温冷却水的冷量贮存在蓄冷槽5中，在白天室外温度较高，冷却塔3不能独立充分冷却循环冷却水时释放冷量，用来冷却循环冷却水，使冷却水充分冷却，满足空调系统的使用要求。

本实用新型具体运行及控制，参见图3。图3为夏季室外大气湿球温度一天变化图。横坐标s表示时间，纵坐标T表示室外大气湿球温度。在夏季，白天当室外大气环境温度较低时，冷却塔3在冷却能力下运行，可以充分冷却空调系统的冷却水。此时冷却塔3出水温度低于温度感应器4的设定温度T1，调节阀C8开启，调节阀D9关闭。循环冷却水流经冷却塔3和蓄冷槽旁通管12，循环冷却水全部由冷却塔3充分冷却，使空调系统提供足够的冷量保证建筑的室内热舒适。随着室外大气温度的升高，建筑负荷增大，冷却水温升高。当室外温度升高到一定程度时，冷却塔3冷却能力下降，无法充分冷却循环冷却水。此时冷却塔3出水温度升高，当冷却塔3出水温度升高达到温度感应器4设定温度T1时，调节阀C8关闭，调节阀D9开启。调节阀C8和调节阀D9开度根据温度传感器14感应的冷水机组1的进水温度来定。此时冷却塔3与蓄冷槽5串联，蓄冷槽5把夜间贮存的冷量释放出来，与冷却塔3共同冷却循环冷却水，使循环冷却水充分冷却。直到蓄冷槽5的蓄冷量Q完全释放出来后，调节阀C8开启，调节阀D9关闭，冷却塔3独立冷却循环冷却水。此时，室外温度已经经过峰值处于较低状态，室外温度大小在蓄冷槽5开始释放冷量时的室外温度左右，如图3中M点左右。冷却塔3将在其冷却能力下运行，能够独立充分冷却空调系统的冷却水，使空调系统提供足够的冷量供建筑使用，维持室内热舒适。这样，在室外温度较高且建筑负荷也较大的时间里，该冷却水系统仍可以高效、稳定的冷却循环冷却水，进而使空调系统能够提供足够的冷量，满足房间热舒适的要求。

另一方面，到了夜间，室外温度较低，建筑负荷较少，空调系统在部分负荷下运行或者停机不运行。通过调节调节阀A6和调节阀B7的开度控制流经冷水机组1的冷却水量。调节阀A6和调节阀B7的开度根据空调系统夜间负荷确定（当空调系统不运行时调节阀A6全开，调节阀B7全关）。夜间室外湿球温度最低点出现在t1时刻，设定蓄冷槽5开始蓄冷的时间点为t2时刻，t2比t1大约提前1个小时，具体提前多少时间根据当地气象情况而定。夜间t2时刻之前，当安装在冷却塔3顶部的湿球温度传感器13感应到室外湿球温度低于气液相变材料16的相变温度T2时，蓄冷槽5开始蓄冷。若到夜间t2时刻时，室外湿球温度仍高于气液相变材料16的相变温度T2，此时蓄冷槽5也将开始蓄冷。蓄冷槽5开始蓄冷时，调节阀C8关闭，调节阀D9开启,蓄冷槽5与冷却塔3串联。此时由于室外温度较低，空调系统在部分负荷下运行或不运行，冷却水系统中的冷却水温较低，经冷却塔3冷却后冷却水温进一步降低。这样低温的冷却水进入蓄冷槽5释放冷量，使气液相变材料16相变为液态，这样冷量就以液态相变材料16的形式贮存在蓄冷槽中，供白天室外温度较高时使用。当液位传感器17动作，表明蓄冷槽5内的相变材料16完全比为液态，表明蓄冷完全。或者当温度传感器14感应到的冷水机组1进水温度等于温度感应器4感应到的冷却塔3出水温度，也表明蓄冷槽5蓄冷完全。蓄冷槽5停止蓄冷，使调节阀C8开启，调节阀D9关闭。此时，若空调系统在部分负荷下运行，冷却水泵2和冷却塔3运行。若此时空调系统不运行，则关掉冷却水泵2和冷却塔3。这样就可以通过蓄冷槽5内的气液相变材料16的相变使蓄冷槽5进行蓄冷与释放冷量的循环，把夜间低温冷却水的冷量贮存在蓄冷槽5中，在白天室外温度较高，冷却塔3效率较低，不能充分冷却冷却水时，释放冷量用来冷却高温冷却水。

Claims (3)

1.一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统，包括冷水机组（1）、冷却水泵（2）、冷却塔（3）、温度感应器（4）、蓄冷槽（5）、调节阀A（6）、调节阀B（7）、调节阀C（8）、调节阀D（9）、冷却水管（10）、冷水机组旁通管（11）、蓄冷槽旁通管（12）、湿球温度传感器（13）、温度传感器（14）、换热管（15）、气液相变材料（16）、液位传感器（17），其特征在于，冷水机组（1）、冷却水泵（2）、冷却塔（3）和蓄冷槽（5）上均设有进出水管。冷水机组（1）出水管与冷却水泵（2）进水管通过冷却水管（10）连接，冷却水泵（2）出水管与冷却塔（3）进水管通过冷却水管（10）连接，冷却塔（3）出水管与蓄冷槽（5）进水管通过冷却水管（10）连接，蓄冷槽（5）出水管与冷水机组（1）进水管通过冷却水管（10）连接，冷水机组（1）的进出水管上接有冷水机组旁通管（11），冷水机组旁通管（11）上装有调节阀A（6），冷水机组旁通管（11）与冷水机组（1）之间的进水管上装有调节阀B（7），蓄冷槽（5）的进出水管上接有蓄冷槽旁通管（12），蓄冷槽旁通管（12）上装有调节阀C（8），蓄冷槽旁通管（12）与蓄冷槽（5）之间的进水管上装有调节阀D（9）。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统，其特征在于，调节阀A（6）、调节阀B（7）、调节阀C（8）和调节阀D（9）的开度均可以从1到0进行连续调节，开度为1时全开，开度为0时全关。

3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料蓄冷的冷却水系统，其特征在于，冷却塔（3）顶部安装有湿球温度传感器（13）。

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