CN208920425U - 一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，包括：供水系统、回水系统，回水系统包括：回水管道、第一制冷机、制冷换热器，回水系统的回水依序流经第一制冷机进行一级降温、制冷换热器进行二级降温后汇入蓄冰装置内部进行三级降温。本实用新型通过调节末端混水加压泵的混水比（进入混水泵的二次网回水流量和一次网供水流量之比）调节供水温度，最大限度的提高了空调系统的总回水温度。而三级串联制冷系统则最大限度的降低了供水温度，两系统联合作用，尽可能的增大了供回水温差，最大限度的减小了空调冷冻水的供水量。系统初投资较小，运行能耗和费用低，具有简单，运行、调节、管理简便，稳定性强的优点。

Description

一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统

技术领域

本实用新型涉及暖通空调领域，尤其涉及一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统。

背景技术

传统的空调系统中，由末端设备对冷冻水供回水温度和温差的要求，冷冻水的供回水温度大都为7/12℃左右，供回水温差约为5℃左右。空调制冷系统通常为单级制冷机系统，直接提供7℃左右冷冻水；冰蓄冷空调系统有二级串联的形式，即蓄冰槽与双工况制冷机串联，通过设置中间换热器的方式进行间接连接，将12℃左右空调系统回水的温度降低到7℃左右，极个别的空调制冷系统也有二级制冷机串联的形式，将12℃左右的空调系统回水逐级降温到7℃左右，或者两台制冷机并联，其中有一台为高温制冷机，两台制冷机分别提供不同温度的冷冻水，然后通过两套输送系统，供给不同的末端设备。

通过逆卡诺循环分析，提高制冷机的蒸发温度，即提高冷冻水供水温度，能提高制冷机的COP（性能系数）。据统计，制冷机的蒸发温度每提高1℃，即冷冻水供水温度每提高1℃（制冷机蒸发温度比冷冻水供水温度一般低1℃左右），COP平均提高3%～5%左右。这就是高温制冷机COP明显大于常规制冷机的原因。

随着我国城市建设的发展，城市土地资源越来越紧缺，城市建筑密度越来越大。近几年全国各地纷纷建设CBD（中央商务区），作为城市的地标性建筑群。CBD中的建筑多为大体量商业综合体，高层甚至超高层很多，建筑密度很大，建筑功能复杂多样，空调系统负荷较大，运行能耗较高。区域供冷技术在CBD中应用的比较广泛，但是从目前的正在运行的一些区域供冷项目中不难发现，某些系统的综合能效并不是很高。究其原因，主要包括以下两点：一是因为制冷系统在部分负荷运行工况的时间较长，小负荷运行调节非常困难，导致制冷系统能效偏低；二是因为冷冻水输送系统的能耗偏高，特别是远距离输送。当然也包括自动控制系统的不完善和管理制度的不健全等等。

近年来，鉴于空调系统负荷小、系统初投资低、节能、舒适、室内空气品质高等优点，温湿度独立控制空调系统的理念被广泛的接受并进行了大范围的应用。在温湿度独立控制空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调系统，分别控制、调节室内的温度与湿度。（1）排除余热可以采用多种方式实现，只要媒介的温度低于室温即可实现降温效果，可以采用间接接触的方式（辐射末端等），又可以通过低温空气的流动置换来实现。（2）排除余湿的任务、排除CO2、室内异味与其它有害气体的任务，通过低湿度、低浓度的空气与房间空气的置换来实现。由于除湿的任务由独立的湿度控制系统承担，因而处理显热系统的冷冻水供水温度不再需要常规冷凝除湿空调系统中的7ºC，而可以提高到16～18ºC，从而为天然冷源的使用提供了条件，即使采用常规电制冷方式，制冷机的性能系数也有大幅度的提高。余热消除末端装置可以采用辐射末端、干式风机盘管等多种形式。由于温湿度独立控制空调系统将室内排热和排湿过程分开，避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。同时可以满足房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高（或过低）的现象。

但是，在温湿度独立控制空调系统中，可能同时存在多种形式的末端设备，所要求的冷冻水供水温度不同，比如14ºC、16ºC、18ºC或者其他的温度。如果采用常规的制冷系统，有两种解决办法：（1）制冷机房提供同一温度的冷水，然后在末端设备机房内加多个换热器，使二次侧出水温度满足不同末端设备的需求。（2）在制冷机房内制备出满足不同末端设备的冷水，通过多套管网供给各个末端设备。显然，这两个方案都存在系统初投资高，运行能耗和费用大，系统复杂，调节、控制和管理不便的缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，采用三级串联制冷的形式达到降低供水温度的目的。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，包括：将蓄冰装置内的冷冻水输送至空调末端设备的供水系统、将空调末端设备内的回水输送至蓄冰装置内进行降温的回水系统，所述回水系统包括：回水管道、设置在回水管道上的第一制冷机、制冷换热器，所述回水系统的回水依序流经第一制冷机进行一级降温、制冷换热器进行二级降温后汇入蓄冰装置内部进行三级降温，所述蓄冰装置将二级降温后的回水处理成冷冻水，该冷冻水进入供水系统供空调末端设备再次使用。

作为本实用新型的进一步改进，还包括第二制冷机，所述蓄冰装置内放置有蓄冰盘管，该蓄冰盘管与第二制冷机连通；所述蓄冰盘管浸没在蓄冰装置内，用于冷冻蓄冰装置内的水。

作为本实用新型的进一步改进，所述蓄冰盘管与第二制冷机之间设有供冷管路和回冷管路，所述蓄冰盘管、供冷管路、回冷管路、第二制冷机之间形成用来循环低温载冷剂的循环回路；

所述供、回冷管路还连接有制冷换热器，制冷换热器与蓄冰装置是并联关系，流经所述制冷换热器内的低温载冷剂与流经所述制冷换热器的回水进行热交换，以降低回水的温度。

作为本实用新型的进一步改进，所述供冷管路与回冷管路之间连接有连接管路，所述连接管路上设有切换阀。

作为本实用新型的进一步改进，所述空调末端设备包括一级用冷设备和二级用冷设备，所述一级用冷设备所需的冷冻水温度低于二级用冷设备所需的冷冻水温度，所述一级用冷设备和二级用冷设备串联，使得冷冻水流过一级用冷设备后才进入二级用冷设备。

作为本实用新型的进一步改进，所述一级用冷设备的两端还并联有供水侧旁通管，自供水系统主管输出的冷冻水可与一级用冷设备的出水混合后进入二级用冷设备，供二级用冷设备使用。

作为本实用新型的进一步改进，所述二级用冷设备的两端还并联有回水侧旁通管，一级用冷设备的回水可部分流过回水侧旁通管进入回水系统主管。

作为本实用新型的进一步改进，所述一级用冷设备包括第一用冷用户、第二用冷用户，所述第一用冷用户与第二用冷用户并联；

所述二级用冷设备包括第三用冷用户、第四用冷用户，所述第三用冷用户与第四用冷用户并联。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后供二级用冷设备使用，第三用冷用户的回水与第四用冷用户的回水汇集后流入回水系统。

作为本实用新型的进一步改进，自供水系统输出的冷冻水流入第一用冷用户供该第一用冷用户使用；

自供水系统输出的冷冻水与第二用冷用户自身的回水混合成第二用冷用户所需的温度后流入第二用冷用户，供该第二用冷用户使用；

第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后流入第三用冷用户供该第三用冷用户使用；

第一用冷用户的回水、第二用冷用户的回水、第四用冷用户的回水混合成第四用冷用户所需的温度后，供第四用冷用户使用。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用三级串联制冷系统，较高温度的水冷空调回水依次流经第一制冷机、制冷换热器和蓄冰装置，使得第一制冷机的出水温度提高，第一制冷机和第二制冷机的性能系数都得到了有效的提升，本实用新型的三级串联制冷系统与常规制冷系统相比，性能系数提高20%以上，大大降低了制冷系统的运行能耗和费用；

2、本实用新型采用一级用冷设备和二级用冷设备串联的形式，使冷冻水供、回水温差增大，供、回水温差增大使得供、回水量大幅度降低，因此水冷空调中循环泵的功率随之降低，整个水冷空调的输送能耗降低。

附图说明

图1为空调冷冻水系统的原理图。

图中，1、基载循环泵；2、第一制冷机；3、制冷换热器；4、蓄冰装置；5冷冻水循环泵；6、第二制冷机；7、溶液循环泵；8、一级用冷设备； 10、二级用冷设备；12、第一加压泵；13、第一加压混水泵；14、第二加压泵；15、第二加压混水泵；16、供水侧旁通管；17、回水侧旁通管。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型创造中的具体含义。

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，包括：将蓄冰装置4内的冷冻水输送至空调末端设备的供水系统、将水冷空调内的回水输送至蓄冰装置内进行降温的回水系统、向蓄冰装置4输送载冷剂以完成蓄冰装置4内冷冻水降温的第二制冷机6，回水系统包括：回水管道、设置在回水管道上的第一制冷机2、制冷换热器3，回水系统的回水依序流经第一制冷机进行一级降温、制冷换热器3进行二级降温后汇入蓄冰装置4内部进行三级降温，蓄冰装置4将二级降温后的回水处理成冷冻水，该冷冻水进入供水系统供空调末端设备再次使用。蓄冰装置4内放置有蓄冰盘管，该蓄冰盘管与第二制冷机6连通；蓄冰盘管浸没在蓄冰装置4内，用于将蓄冰装置4内的水冷冻成冰。

本实施例的回水系统采用三级串联制冷的形式，一级制冷采用第一制冷机2，二级制冷采用制冷换热器3，三级制冷采用蓄冰装置4，通过三级制冷，达到降低供水温度的目标，此系统可实现1～2ºC供水。

在本实施例中，第一制冷机2为高温制冷机，主要起基载机的作用，对空调系统回水起到一级降温的作用，COP（性能系数）较高，同时还能满足低负荷（主要在夜间）运行时的高能效和控制、调节方便等要求。

在本实施例中，蓄冰盘管与第二制冷机6之间设有供冷管路和回冷管路，蓄冰盘管、供冷管路、回冷管路、第二制冷机6之间形成用来循环低温载冷剂的循环回路；供、回冷管路还连接有制冷换热器3，制冷换热器3与蓄冰装置4是并联关系，流经所述制冷换热器3内的低温载冷剂与流经所述制冷换热器3的回水进行热交换，以降低回水的温度。

在本实施例中，所述供冷管路与回冷管路之间连接有连接管路，所述连接管路上设有切换阀。优选切换阀为二通阀，回冷管路上设置有电动两通阀，电动两通阀位于连接管路与回冷管路连接的后端。在蓄冰状态时，切换阀打开，电动两通阀关闭，第二制冷机6只进行蓄冰；在供冷状态时，电动两通阀打开，切换阀关闭，第二制冷机6供冷。

在本实施例中，蓄冰装置4优选开式蓄冰槽，开式蓄冰槽采用的是盘管蓄冰开式外融冰方式，经二级制冷的回水通过水分布器进入开式蓄冰槽，与开式蓄冰槽内蓄存的冰直接接触，进行换热，蓄冰槽的冷冻水出水温度接近冰点，通常为1～2ºC左右。

本实施例采用了开式外融冰直供的方式，省掉了很多中间换热器、软水系统、补水定压系统等，而且由于空调冷冻水的供、回水量大幅度降低，使管网管径和阀门型号等大幅度减小，再加上室外管沟节省的土建成本，与传统空调水系统相比，可节省15%以上的初投资。

本实施例还公开了一种多级串联制冷的空调冷冻水方法，包括以下步骤：

步骤一、空调系统的回水经降温回路降温后供给空调末端系统，降温回路为：由流体输送装置将回水先输送至第一制冷机2进行一级降温，再进入制冷换热器进行二级降温，最后汇入蓄冰装置4内部进行三级降温，将降温后的冷水供给空调末端系统；

步骤二、蓄冰装置内的冰融化成冷冻水后，通过冷冻水循环装置将冷冻水供给空调末端系统。

上述步骤二中冷冻水与空调末端系统自身的回水混合并达到空调末端系统自身所需的供水温度后，供给空调末端系统。空调末端系统包括低温用户8和高温用户10，低温用户8与高温用户10串联，低温用户8的回水与高温用户10的回水混合成高温用户10所需的供水温度后供给高温用户10，高温用户10的回水混合后还通过第一制冷机2、制冷换热器3、蓄冰装置4三级降温变成冷冻水后再次供给低温用户8和高温用户10。

实施例2：

与实施例1的不同之处，在于本实施例的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统还包括输配系统，输配系统采用动力分散式多级泵输配方式，制冷机房内设有冷冻水循环泵5，末端设备机房内设三级泵，三级泵包括末端加压泵和末端混水加压泵，三级泵的功能包括加压、混水和混水加压等，起到调节供水温度和调节供水压力的作用。末端用户根据能量梯级利用的指导思想，采用一级用冷设备（低温用户）和二级用冷设备（中高温用户）串联的形式。当然也可以根据系统的特点，将二级用冷设备（中温用户）和三级用冷设备（高温用户）串联，构成三级用户串联系统。通过调节末端混水加压泵的混水比（进入混水泵的二次网回水流量和一次网供水流量之比）来调节供水温度，这样就最大限度的提高了空调系统的总回水温度。而三级串联制冷系统则最大限度的降低了供水温度，两系统联合作用，尽可能的增大了供回水温差，最大限度的减小了空调冷冻水的供水量。

制冷机房内的冷冻水循环泵5，满足机房内压头和必要的外网扬程，不通过中间换热器，直接将1～2ºC左右的空调冷冻水通过一套输配管网输送至末端设备。

优选的，末端设备机房内设置的三级泵，包括末端加压泵和末端混水加压泵，其功能包括加压、混水和混水加压等，根据末端用户对供水温度和供水压力的不同需求，选择不同的供水形式。

如图1所示，空调末端设备包括一级用冷设备8和二级用冷设备10，所述一级用冷设备8所需的冷冻水温度低于二级用冷设备10所需的冷冻水温度，所述一级用冷设备8和二级用冷设备10串联，使得冷冻水流过一级用冷设备后才进入二级用冷设备10。一级用冷设备8包括第一用冷用户、第二用冷用户，所述第一用冷用户与第二用冷用户并联，自供水系统输出的冷冻水流入第一用冷用户供该第一用冷用户使用；自供水系统输出的冷冻水与第二用冷用户自身的回水混合成第二用冷用户所需的温度后流入第二用冷用户，供该第二用冷用户使用，第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后供二级用冷设备使用。二级用冷设备10包括第三用冷用户、第四用冷用户，所述第三用冷用户与第四用冷用户并联，第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后流入第三用冷用户供该第三用冷用户使用；第一用冷用户的回水、第二用冷用户的回水、第四用冷用户的回水混合成第四用冷用户所需的温度后，供第四用冷用户使用，第三用冷用户的回水与第四用冷用户的回水汇集后流入回水系统。

一级用冷设备8的两端还并联有供水侧旁通管16，自供水系统主管输出的冷冻水可与一级用冷设备8的出水混合后进入二级用冷设备10，供二级用冷设备10使用。二级用冷设备10的两端还并联有回水侧旁通管17，一级用冷设备8的回水可部分流过回水侧旁通管17进入回水系统主管。供水侧旁通管路和回水侧旁通管路是用来调节进入二级用冷设备10的冷冻水温度和流量的。比如一级用冷设备的出水温度高于二级用冷设备所需温度，则需要供水侧旁通管补入低温冷水，又如一级用冷设备的出水流量高于二级用户所需流量，则需要从回水侧旁通管直接回到主回水管内一部分。供水侧旁通管路和回水侧旁通管这两条管路上都应该设置电动调节阀。

末端设备根据能量梯级利用的指导思想，采用一级用冷设备8、二级用冷设备10串联的形式，并通过调节末端混水加压泵的混水比来调节冷冻水供水温度，能很好地满足不同末端用户对冷冻水供水温度的需求，实现仅使用一套管网即可满足不同冷冻水供水温度的要求，广泛适用于末端设备对冷冻水供水温度有多样性要求的系统，初投资小、适用性强。

由于空调冷冻水供、回水温差的增大使供、回水量大幅度降低，空调冷冻水循环泵5的功率随之降低，以2ºC供水18ºC回水为例，温差为16ºC，与常规的7ºC供水12ºC回水的5ºC温差相比，流量可减小70%左右，大幅度降低主泵功率，使系统输送能耗大幅度降低。而且此系统中省掉了很多换热器及调节阀，进一步降低了主泵功率，对系统输送能耗的降低帮助很大。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，包括：将蓄冰装置（4）内的冷冻水输送至空调末端设备的供水系统、将空调末端设备内的回水输送至蓄冰装置（4）内进行降温的回水系统，所述回水系统包括：回水管道、设置在回水管道上的第一制冷机（2）和制冷换热器（3），所述回水系统的回水先流经第一制冷机（2）进行一级降温、再流经制冷换热器（3）进行二级降温，最后汇入蓄冰装置（4）内部进行三级降温，所述蓄冰装置（4）将二级降温后的回水处理成冷冻水，该冷冻水进入供水系统供空调末端设备再次使用。

2.根据权利要求1所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，还包括第二制冷机（6），所述蓄冰装置（4）内放置有蓄冰盘管，该蓄冰盘管与第二制冷机（6）连通；所述蓄冰盘管浸没在蓄冰装置（4）内，用于冷冻蓄冰装置（4）内的水。

3.根据权利要求2所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述蓄冰盘管与第二制冷机（6）之间设有供冷管路和回冷管路，所述蓄冰盘管、供冷管路、回冷管路、第二制冷机（6）之间形成用来循环低温载冷剂的循环回路；

所述供、回冷管路还连接有制冷换热器（3），制冷换热器（3）与蓄冰装置（4）是并联关系，流经所述制冷换热器（3）内的低温载冷剂与流经所述制冷换热器（3）的回水进行热交换，以降低回水的温度。

4.根据权利要求3所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述供冷管路与回冷管路之间连接有连接管路，所述连接管路上设有切换阀。

5.根据权利要求1所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述空调末端设备包括一级用冷设备（8）和二级用冷设备（10），所述一级用冷设备（8）所需的冷冻水温度低于二级用冷设备（10）所需的冷冻水温度，所述一级用冷设备（8）和二级用冷设备（10）串联，使得冷冻水流过一级用冷设备（8）后才进入二级用冷设备（10）。

6.根据权利要求5所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述一级用冷设备（8）的两端还并联有供水侧旁通管（16），自供水系统主管输出的冷冻水可与一级用冷设备（8）的出水混合后进入二级用冷设备（10），供二级用冷设备（10）使用。

7.根据权利要求5所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述二级用冷设备（10）的两端还并联有回水侧旁通管（17），一级用冷设备（8）的回水可部分流过回水侧旁通管（17）进入回水系统主管。

8.根据权利要求5-7任一项所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述一级用冷设备（8）包括第一用冷用户、第二用冷用户，所述第一用冷用户与第二用冷用户并联；

所述二级用冷设备（10）包括第三用冷用户、第四用冷用户，所述第三用冷用户与第四用冷用户并联。

9.根据权利要求8所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，所述第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后供二级用冷设备（10）使用，第三用冷用户的回水与第四用冷用户的回水汇集后流入回水系统。

10.根据权利要求8所述的多级制冷及末端能量梯级利用的新型空调冷冻水系统，其特征在于，自供水系统输出的冷冻水流入第一用冷用户供该第一用冷用户使用；

自供水系统输出的冷冻水与第二用冷用户自身的回水混合成第二用冷用户所需的温度后流入第二用冷用户，供该第二用冷用户使用；

第一用冷用户的回水与第二用冷用户的回水汇集后流入第三用冷用户供该第三用冷用户使用；

第一用冷用户的回水、第二用冷用户的回水、第四用冷用户的回水混合成第四用冷用户所需的温度后，供第四用冷用户使用。