CN215892613U - 超高效相变蓄能变负荷中央空调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，包括制冷主机组、相变蓄能器；制冷主机组将会在最高的制冷效率COP下运作，如此时的制冷量高于负荷需求，则通过相变蓄能器实现相变蓄能，相反当制冷量不能满足负荷需求时，相变蓄能器释放蓄能，以补充制冷机组不足够的制冷量。用户可以根据正常的用量统计，制定制冷主机组的运行策略，在相变蓄能器的配合下使制冷主机组高效运行，从而有效提高系统运作的能效，节约能源，相对于现有中央空调系统节约40%‑70%以上。

Description

超高效相变蓄能变负荷中央空调系统

技术领域

本实用新型涉及中央空调系统，尤其是一种利用相变蓄能技术的超高效变负荷中央空调系统。

背景技术

评价一台制冷机组的耗电(功)指标是其制冷循环的COP（Coefficient ofPerformance）值。所谓COP是指制冷机组在完成一个制冷循环后，其输出冷量(功)与耗电(功)量之比，即机组的制冷效率。不同类型的制冷机组其制冷效率是不同的。制冷机组按照其主要部件压缩机的种类通常可分为三大类:活塞式、螺杆式、离心式。

其中活塞式制冷机组用于冷量需求较小的场合，螺杆式制冷机组应用于中型企业，离心式制冷机组用于中、大型企业。由于压缩机在原理和结构上的不同，导致三者之间的COP有较大的差别。以目前的技术水平，活塞式制冷机组的COP在标准工况下约3-4。螺杆式制冷机组的COP可达到4-5左右，而离心式制冷机组的COP最高可达5-6。因此相对而言，离心式制冷机组的效率是最高的。一般商业大厦中央空调水冷式离心机加上水泵和水塔，实际录得平均COP最多只有4。

从图2可以看出COP随着冷凝温度的下降以及负荷的上升而变大。由此可见，在通常情况下，为了使机组的COP能够达到最高，用户总是希望制冷主机能够尽可能的满负荷运转。但是实际使用当中，受到天气的影响，往往在全年大部分时间里制冷主机并不需要满负荷运转。多数运转于部分负荷之间，因此其制冷效率相对它所能够达到的最高效率是比较低的。离心式制冷机组的运行特性有别于活塞式和螺杆式。在采用变速马达后，其COP特性曲线会再很大改变。如上图左半部分所示，在部分负荷之间，机组的COP相对普通离心机组有了较大提高。应该说，这已是不小的突破·但是仔细观察上图，可以发现利用变速马达所能提高的COP值有一定的限制。负荷必须在40%-60%之间才能达到最高的COP值。但是作为空调系统来说，全年高大量时间段并非运行于该区间内，所以单纯运用变速马很难达到最佳效果。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，通过使用相变蓄能器，运用非平衡策略法使制冷主机组既能够在部分负荷状态加高效运行，又能保证总体负荷要求。

本实用新型是这样实现上述目的的：

超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，包括制冷主机组、相变蓄能器，所述制冷主机组的冷水出口经过产冷循环水泵连接至第一级冷水输送管路，第一级冷水输送管道中还串装有冷量输送变频泵，冷量输送变频泵的出口再通过第二级冷水输送管路输送至用户的送风系统，送风系统的出口连接至回水输送管路，回水输送管路连接至制冷主机组的进水口；所述相变蓄能器一端通过管路连接至产冷循环水泵与冷量输送变频泵之间的第一级冷水输送管路，相变蓄能器一端通过管路连接至回水输送管路；系统会根据需要控制制冷主机组的制冷量、产冷循环水泵及冷量输送变频泵的流量实现相变蓄能器进行蓄能及释放蓄能，具体如下:

相变蓄能器蓄能时，减少冷量输送变频泵的输送量和/或增大制冷主机组的冷水出口的流量，使得第一级冷水输送管管路内的水压大于回水输送管，第一级冷水输送管路内的冷水通过管路流入至相变蓄能器中使相变蓄能器内蓄能材料产相变蓄能，冷水水温升高并经另一端流出相变蓄能器进入回水输送管路；

相变蓄能器释放蓄能时，增大冷量输送变频泵的输送量和/或减少制冷主机组的冷水出口的流量甚至关闭制冷主机组，使得回水输送管管路内的水压大于第一级冷水输送管，回水输送管路的水通过管路流入至相变蓄能器中相变蓄能器的蓄能材料产生相变释放蓄能使回水变冷后经另一端流出相变蓄能器进入第一级冷水输送管路，再由冷量输送变频泵加压后进入第二级冷水输送管路输送至用户的送风系统。

其中，两台制冷主机的经串联连接形成一组制冷主机链，一组或以上的制冷主机链并联后形成所述制冷主机组。

其中，所述产冷循环水泵设有一组或以上，产冷循环水泵之间并联连接，其入口并联连接至制冷主机组的总冷水出口，其出口并联至第一级冷水输送管道。

其中，所述制冷主机链中的两台制冷主机串联，分为高温制冷主机及低温制冷主机，具体为：对于蒸发器回路，回水输送管路连接至高温制冷主机的蒸发器回路的入水口，高温制冷主机的蒸发器回路的出水口连接至低温制冷主机蒸发器回路的入水口，低温制冷主机蒸发器回路的出水口连接至产冷循环水泵；对于冷凝器回路，冷却塔经冷凝水管连接至冷却水泵，冷却水泵的出口经冷凝水管连接至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口，低温制冷主机的冷凝器回路的出水口连接至高温制冷主机冷凝器回路的入水口，高温制冷主机冷凝器回路的出水口连接至冷却塔。

其中，所述冷却水泵设有一组或以上，冷却水泵水泵之间并联连接，其入口并联连接至冷却塔的出口，其出口并联至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口。

其中，系统对相变蓄能器进行蓄能及释放蓄能的控制策略包括:

蓄能策略，当制冷需求负荷较低时，制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于蓄能工作状态，使制冷主机组产生的制冷量存储在相变蓄能器中；

释放蓄能策略，当制冷需求负荷较高并大于制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作所产生的负荷时，制冷主机组依然按照负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于释放蓄能的工作状态，使系统能够满足制冷需求负荷；或当制冷主机组处于停机时，设定相变蓄能器运作于释放蓄能的工作状态，由相变蓄能器提供并满足制冷需求负荷。

其中，所述控制策略还包括：

低成本蓄能策略，根据供电成本，当处于供电成本的较低值时，制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于蓄能工作状态，使制冷主机组产生的制冷量存储在相变蓄能器中。

本实用新型的有益效果：通常的制冷主机的运行模式是根据负荷变化来调整制冷主机的输出冷量，因此当负荷处于较低值时，制冷主机的制冷效率COP会迅速降低。为实现整个制冷系统在不同负荷，即变负荷的条件下，维持制冷主机的高效运转，在系统中加入了相变蓄能器来实现相变蓄能及释放蓄能；制冷主机组将会在最高的制冷效率COP下运作，如此时的制冷量高于负荷需求，则通过相变蓄能器实现相变蓄能，相反当制冷量不能满足负荷需求时，相变蓄能器释放蓄能，以补充制冷机组不足够的制冷量。用户可以根据正常的用量统计，制定制冷主机组的运行策略，在相变蓄能器的配合下使制冷主机组高效运行，从而有效提高系统运作的能效，节约能源，相对于现有中央空调系统节约40%-70%以上。另外，用户还可以根据电力成本，在夜间廉价电力的时段保持制冷主机组继续高效运作，并将制冷量存储于相变蓄能器中，到日间再释放出来，从而进一步降低运作的电费。而且本实用新型的中央空调系统中的相变蓄能器的整体设计更为简单和高效，只需要通过产冷循环水泵与冷量输送变频泵的流量或者工作压力的配合即可实现相变蓄能器工作在蓄能或释放蓄能的不同工作状态，简化设计并减少所需要的控制阀门，可使系统运作更加稳定可靠，减少故障的发生，从而降低了系统运作的维护成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的制冷主机在不同冷水水温下的负荷-能效COP曲线图。

具体实施方式

如图1所示，超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，包括制冷主机组、相变蓄能器。制冷主机组的主机可以采用现有的中央空调制冷机，如活塞式、螺杆式或离心式等。相变蓄能器的内部由大量的相变热蓄能板组成，热蓄能板内填充有共晶盐蓄冷材料，热蓄能板还设铺设有冷水流通的通道，在其内部流动并与热蓄能板进行热交换，使共晶盐蓄冷材料实现相变完成蓄能或释放蓄能的功能。

制冷主机组的冷水出口经过产冷循环水泵连接至第一级冷水输送管路，第一级冷水输送管道中还串装有冷量输送变频泵，冷量输送变频泵的出口再通过第二级冷水输送管路输送至用户的送风系统，送风系统的出口连接至回水输送管路，回水输送管路连接至制冷主机组的进水口；所述相变蓄能器一端通过管路连接至产冷循环水泵与冷量输送变频泵之间的第一级冷水输送管路，相变蓄能器一端通过管路连接至回水输送管路。通常的制冷主机的运行模式是根据负荷变化来调整制冷主机的输出冷量，因此当负荷处于较低值时，制冷主机的制冷效率COP会迅速降低。而本系统为实现在不同负荷，即变负荷的条件下，维持制冷主机的高效运转，在系统中加入了相变蓄能器来实现相变蓄能及释放蓄能；制冷主机组将会在最高的制冷效率COP下运作，如此时的制冷量高于负荷需求，则通过相变蓄能器实现相变蓄能，相反当制冷量不能满足负荷需求时，相变蓄能器释放蓄能，以补充制冷机组不足够的制冷量。用户可以根据正常的用量统计，制定制冷主机组的运行策略，在相变蓄能器的配合下使制冷主机组高效运行，从而有效提高系统运作的能效，节约能源，相对于现有中央空调系统节约40%-70%以上。另外，用户还可以根据电力成本，在夜间廉价电力的时段保持制冷主机组继续高效运作，并将制冷量存储于相变蓄能器中，到日间再释放出来，从而进一步降低运作的电费。

系统会根据需要控制制冷主机组的制冷量、产冷循环水泵及冷量输送变频泵的流量实现相变蓄能器进行蓄能及释放蓄能，具体的运作过程如下:

相变蓄能器蓄能时，一种是在用户所需要的制冷量减少，如送风系统中的用户量减少或因环境温度降低而使送风系统减少使用负荷等，此时冷量输送变频泵的输送量也会相应减少；另一种是主动增加制冷主机组中制冷主机运作的数量，同时开启更多的产冷循环水泵，增加制冷主机组制冷量的输出。以上两种情况都会导致第一级冷水输送管管路内的水压大于回水输送管，第一级冷水输送管路内的冷水通过管路流入至相变蓄能器中使相变蓄能器内蓄能材料产相变蓄能，完成相变蓄能后的冷水水温升高并经另一端流出相变蓄能器进入回水输送管路，与送风系统的回水混合并流回至制冷主机组的蒸发器的进水口。

相变蓄能器释放蓄能时，一种情况是送风系统中的用户量减少突然增加而制冷主机组的制冷量无法满足需求，另一种情况是相变蓄能器存储有足够的蓄能满足供应，且制冷主机组已经彻底关闭。此时回水输送管管路内的水压大于第一级冷水输送管，回水输送管路的水通过管路流入至相变蓄能器中相变蓄能器的蓄能材料产生相变释放蓄能使回水变冷后经另一端流出相变蓄能器进入第一级冷水输送管路，再由冷量输送变频泵加压后进入第二级冷水输送管路输送至用户的送风系统。

从以上蓄能及释放蓄能的工作过程可见相变蓄能器的整体设计十分简单和高效，只需要通过产冷循环水泵与冷量输送变频泵的流量或者工作压力的配合即可实现相变蓄能器工作在蓄能或释放蓄能的不同工作状态，简化设计并减少所需要的控制阀门，可使系统运作更加稳定可靠，减少故障的发生，从而降低了系统运作的维护成本。

现有中央空调的制冷主机组通常都采用多个制冷主机并联的方式，每个制冷主机的蒸发器回路的冷水出口都分别设置一个产冷循环泵，用于控制每个制冷主机的冷水流量，同样每个制冷主机的冷凝器回路液同样分别设置冷却水泵。由于产冷循环泵以及冷却水泵在运作是都会产生一定的功耗，尤其是在制冷负荷较小时，以上功耗占整体功耗的比例会大幅提升。而且参照图2，根据负荷-能效COP曲线，制冷主机的工作效率与冷水水温相关，冷却水温越低，能效COP越高。为进一步提高制冷主机的能效，本实用新型优先采用两台制冷主机的经串联连接形成一组制冷主机链，一组或以上的制冷主机链并联后形成所述制冷主机组。具体为：

制冷主机链中的两台制冷主机串联，分为高温制冷主机及低温制冷主机。

对于蒸发器回路，回水输送管路连接至高温制冷主机的蒸发器回路的入水口，高温制冷主机的蒸发器回路的出水口连接至低温制冷主机蒸发器回路的入水口，低温制冷主机蒸发器回路的出水口连接至产冷循环水泵。同样产冷循环水泵设有一组或以上，产冷循环水泵之间并联连接，其入口并联连接至制冷主机组的总冷水出口，其出口并联至第一级冷水输送管道。也就是冷循环水泵的开启数量只是根据供冷量的需要来决定，与制冷主机无关。

对于冷凝器回路，冷却塔经冷凝水管连接至冷却水泵，冷却水泵的出口经冷凝水管连接至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口，低温制冷主机的冷凝器回路的出水口连接至高温制冷主机冷凝器回路的入水口，高温制冷主机冷凝器回路的出水口连接至冷却塔。同样冷却水泵设有一组或以上，冷却水泵水泵之间并联连接，其入口并联连接至冷却塔的出口，其出口并联至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口。

为能够配合系统的硬件设置，实现中央空调系统在变负荷的前提下达至高效运作，实用新型人还制定了系统的运行策略，如下:

蓄能策略，当制冷需求负荷较低时，制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于蓄能工作状态，使制冷主机组产生的制冷量存储在相变蓄能器中。

释放蓄能策略，当制冷需求负荷较高并大于制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作所产生的负荷时，制冷主机组依然按照负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于释放蓄能的工作状态，使系统能够满足制冷需求负荷；或当制冷主机组处于停机时，设定相变蓄能器运作于释放蓄能的工作状态，由相变蓄能器提供并满足制冷需求负荷。

低成本蓄能策略，根据供电成本，当处于供电成本的较低值时，制冷主机组根据负荷-能效曲线中的指定能效值保持运作，并设定相变蓄能器运作于蓄能工作状态，使制冷主机组产生的制冷量存储在相变蓄能器中。

据实用新型人测试，本实用新型所提供的中央空调系统与现有空调系统对比，能效能够提高40%-70%以上，具体参考以下表1对比数据。

表1 不同中央空调系统能效与节能对比

空调类型	能效	能效增加值	功耗（万度电）	节能绝对量（万度电）	节能比例（%）
						旧式中央空调	2.0	0.0	300.0	0.0	0.0
新式中央空调	2.2	0,2	272.7	27.3	9.1
						能效在3.0的中央空调（目前酒店常用）	3.0	1.0	200	100	33.3
本实用新型设计的中央空调	7.0	5.0	85.7	214.3	71.4

Claims (5)

1.超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，其特征在于：包括制冷主机组、相变蓄能器，所述制冷主机组的冷水出口经过产冷循环水泵连接至第一级冷水输送管路，第一级冷水输送管道中还串装有冷量输送变频泵，冷量输送变频泵的出口再通过第二级冷水输送管路输送至用户的送风系统，送风系统的出口连接至回水输送管路，回水输送管路连接至制冷主机组的进水口；所述相变蓄能器一端通过管路连接至产冷循环水泵与冷量输送变频泵之间的第一级冷水输送管路，相变蓄能器一端通过管路连接至回水输送管路。

2.根据权利要求1所述的超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，其特征在于：两台制冷主机的经串联连接形成一组制冷主机链，一组或以上的制冷主机链并联后形成所述制冷主机组。

3.根据权利要求1所述的超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，其特征在于：所述产冷循环水泵设有一组或以上，产冷循环水泵之间并联连接，其入口并联连接至制冷主机组的总冷水出口，其出口并联至第一级冷水输送管道。

4.根据权利要求2所述的超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，其特征在于：所述制冷主机链中的两台制冷主机串联，分为高温制冷主机及低温制冷主机，具体为：对于蒸发器回路，回水输送管路连接至高温制冷主机的蒸发器回路的入水口，高温制冷主机的蒸发器回路的出水口连接至低温制冷主机蒸发器回路的入水口，低温制冷主机蒸发器回路的出水口连接至产冷循环水泵；对于冷凝器回路，冷却塔经冷凝水管连接至冷却水泵，冷却水泵的出口经冷凝水管连接至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口，低温制冷主机的冷凝器回路的出水口连接至高温制冷主机冷凝器回路的入水口，高温制冷主机冷凝器回路的出水口连接至冷却塔。

5.根据权利要求4所述的超高效相变蓄能变负荷中央空调系统，其特征在于：所述冷却水泵设有一组或以上，冷却水泵之间并联连接，其入口并联连接至冷却塔的出口，其出口并联至低温制冷主机的冷凝器回路的入水口。

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