專利名稱：：一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統及其實現方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及建筑物空調系統的高效節(jié)能技術，具體是指一種適合用于區(qū)域供冷的冷量逐級利用的高效節(jié)能空調系統及其實現方法。
背景技術：
：目前，我國經濟快速發(fā)展，能源需求急劇增長，能源的供需矛盾日益尖銳。而另一方面的現實是我國能源利用效率遠低于發(fā)達國家。因此，解決當前我國能源困境的有效辦法是提高能源利用效率。我國建筑能耗約占全國總能耗的30%，單位能耗遠高于發(fā)達國家；建筑使用能耗中暖通空調系統能耗約占65%，暖通空調系統的節(jié)能不僅是建筑節(jié)能的關鍵，而且也是我國實現節(jié)約型社會的關鍵。區(qū)域供冷系統是指為了滿足某一特定區(qū)域內多個建筑物的冷負荷需求，由專門的空調制冷站集中制造冷凍水，通過冷凍水輸配管網向各用冷建筑物輸送，從而提供制冷服務的系統。其中，專門的空調制冷站稱為區(qū)域供冷站，區(qū)域供冷站到用戶之間的冷凍水輸配管網稱為冷凍水二次管網，區(qū)域供冷站內為制冷主機服務的冷凍水泵稱為冷凍水一次泵，將冷凍水由區(qū)域供冷站通過二次管網輸送至各用戶的冷凍水泵稱為冷凍水二次泵。區(qū)域供冷系統具有節(jié)能、環(huán)保、經濟等特點，從20世紀60年代問世以來，在世界各地的應用很廣泛。近年來，我國的區(qū)域供冷技術也呈現良好的發(fā)展勢態(tài)。區(qū)域供冷系統中，冷凍水二次管網與二次泵的初投資、二次泵的能耗是其優(yōu)勢能否充分發(fā)揮的關鍵。在輸送相同的冷量時，冷凍水供回水溫差越大，冷凍水流量越?。欢鋬鏊喂芫W及二次泵的初投資、二次泵的能耗均隨冷凍水流量的減少而降低。因此通過增加冷凍水二次管網的供回水溫差，可以使得區(qū)域供冷系統更具優(yōu)勢。除特殊設計的制冷主機外，目前，市場上的制冷主機在額定工況下的冷凍水供回水溫度為7/12"C，溫差5"C。因此，現有的空調系統通常采用5'C作為其冷凍水的供回水溫差。當冷凍水為5'C溫差時，夏季采用冷凝除濕方式對空氣進行降溫與除濕，同時去除空調建筑的顯熱與潛熱負荷。而且，無論是對新風、回風、還是新風與回風的混合風都是采用7"C左右的冷凍水進行處理。實際上，對于除去室內的顯熱負荷，冷凍水溫度為1619'C就可以滿足要求，只有除濕時才需要較低溫度的冷凍水。這樣，就造成了高品位冷量利用上的浪費。冷源是指為空調系統提供冷量的設備。不采用蓄冷技術時，區(qū)域供冷系統由制冷主機提供全部所需冷量。制冷主機通過消耗電能或熱能來生產冷能，其中以電力作為驅動能源的稱為電制冷主機，以熱能作為驅動能源的稱為吸收式制冷主機。當區(qū)域供冷系統中冷凍水二次管網采用5-C的供回水溫差時，區(qū)域供冷站內制冷主機的供回水溫差也為5°C;制冷主機臺數超過1時，制冷主機采用并聯布置方式，所有的制冷主機的供回水溫度均相同。通常電制冷主機冷凍水最低出口溫度為4°C，吸收式制冷主機的最低出口溫度為5°C。當不采用冰蓄冷時，對于冷凍水供回水溫度7/12°C(At=5°C)的情況，通過將供水溫度降低23t:，回水溫度提高37'C，可使冷凍水二次管網供回水溫差加大至1415。C。在冷凍水二次管網供回水溫差增加，而且是回水溫度升高較多的情況下，該采用什么形式的空調系統來利用冷凍水所輸送的冷量，如何生產出大溫差的冷凍水，是現有的空調系統無法解決的問題，必須開發(fā)新的空調系統才有可能實現。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，該空調系統可增加冷凍水二次管網供回水溫差，降低二次管路的投資與二次泵的能耗，能科學地利用大溫差的冷凍水所輸送的冷量。本發(fā)明的另一目的在于提供上述用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統的實現方法。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，包括制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器、新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、用戶冷凍水循環(huán)泵、全熱交換器；所述制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器冷側通過冷凍水管依次封閉連接，構成區(qū)域供冷站內及區(qū)域供冷站到用戶的冷凍水環(huán)路；所述新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、板式換熱器熱側、用戶冷凍水循環(huán)泵也通過冷凍水管依次封閉連接，構成用戶內部的冷凍水環(huán)路。采用制冷主機串聯，兩級制冷的方法來生產溫差較大的冷凍水。具體來說就是將2臺制冷主機串聯連接，每臺制冷主機實現一部分冷凍水溫差，冷凍水的供、回水溫差可達1415t:。當區(qū)域供冷系統內制冷主機的臺數超過2臺時，可采用先將每2臺制冷主機串聯，而后再將串聯后的制冷主機并聯的布置方式來獲得大溫差的冷凍水。區(qū)域供冷系統內的制冷主機臺數必須為偶數。一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統的實現方法，包括下述步驟冷源部分通過串聯的制冷主機兩級制冷生產出大溫差的冷凍水，然后將大溫差的冷凍水輸送至設置在用戶建筑內的板式換熱器，通過板式換熱器對用戶建筑物內部的冷凍水回水進行冷卻；末端部分將新風與室內回風分開進行處理，新風與回風處理設備的冷凍水溫度不同；其中新風三級換冷室外新風先通過全熱交換器與室內的排風換冷；其次，從全熱交換器出來的新風進入新風預處理設備，與回風處理設備的流出的冷凍水回水換冷；第三，經新風預處理設備冷卻后的新風進入新風處理設備，利用溫度較低的冷凍水對新風進行除濕降溫，最后處理好的新風送入空調房間；室內回風通過回風處理設備進行處理，回風處理設備的冷凍水入口溫度為新風處理設備的冷凍水出口溫度。所述大溫差的冷凍水的溫差范圍是1415°C。本發(fā)明的理論基礎是基于熱力學第二定律和鄉(xiāng)經濟學優(yōu)化的科學用能原理，其主要實現空調系統的冷量逐級利用，在同樣的室內熱、濕負荷，并維持相同的舒適性的前提下，本空調系統通過制冷主機串聯，末端冷量逐級利用，實現了冷凍水回水溫度升高，供、回水溫差加大，冷凍水流量降低。本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果本發(fā)明是從科學用能的角度，通過制冷主機串聯兩級制冷、末端設備革新的用冷方法來加大冷凍水二次管路的供回水溫差、減小其流量，從而降低二次泵的能耗以及二次管網的初投資；由于回水溫度升高更接近環(huán)境溫度，使二次管路中冷凍水與環(huán)境溫度的差值縮小，因而冷損降低；回水溫度較高，可以提高串聯制冷主機中，處理較高溫差的上游制冷機組的COP。這樣，采用本空調系統后，更能發(fā)揮區(qū)域供冷系統的優(yōu)勢，進一步提高經濟效益與能源利用效率，節(jié)能環(huán)保效果明顯。圖1是本發(fā)明一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統的結構示意圖。圖2是本發(fā)明一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統另一結構的示意圖。具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1圖1示出了本發(fā)明的具體結構，由圖1可見，本用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統包括制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器、新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、用戶冷凍水循環(huán)泵、全熱交換器;所述制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器冷側通過冷凍水管依次封閉連接，構成區(qū)域供冷站內及區(qū)域供冷站到用戶的冷凍水環(huán)路(冷源部分)；所述新風處理設備、回風處理設備，新風預處理設備、板式換熱器熱側、用戶冷凍水循環(huán)泵也通過冷凍水回水管依次封閉連接，構成用戶內部的冷凍水環(huán)路(末端部分)；所述制冷主機的數量為2臺，2臺制冷主機串聯連接，進行兩級制冷，每臺制冷主機承擔一部分冷凍水溫差，從而可生產出溫差較大的冷凍水，其溫差可達1415°C。本空調系統是這樣進行冷量逐級利用、提高冷凍水二次管網供回水溫差的冷源部分的制冷主機生產出的溫度為t^的冷凍水供水，經冷凍水二次泵輸送到各用戶建筑物內的板式換熱器，與用戶內部的冷凍水進行熱交換，溫度升高至trel后回到制冷機組。在用戶內部，溫度為的冷凍水供水首先進入新風處理設備與經新風預處理設備冷卻后的新風換熱，溫度升高至w，然后進入回風處理設備與回風換熱，溫度進一步升高至t^，接著再進入新風預處理設備與經全熱交換器處理后的新風換熱，最終將冷凍水的溫度升高至t^后返回板式換熱器與來自區(qū)域供冷站的冷凍水進行熱交換，將冷凍水由t^降低到供水溫度tsu2。本空調系統將新風與室內回風分開進行處理，新風與回風處理設備的冷凍水溫度不同。其中新風通過三級換冷處理到所需狀態(tài)送入房間首先，室外新風通過全熱交換器與室內的排風換冷；其次，從全熱交換器出來的新風在新風預處理設備內與從回風處理設備的流出的冷凍水換冷；第三，溫度較低的冷凍水在新風處理設備內對經新風預處理設備冷卻后的新風進行除濕降溫。室內回風通過回風處理設備進行冷卻除濕，回風處理設備的冷凍水入口溫度為新風處理設備的冷凍水出口溫度。本空調系統的具體設計參數及計算過程如下區(qū)域供冷系統的設計冷負荷為12700kW，供冷季節(jié)系統總供冷小數為3200h，折合滿負荷運行小時數1940h，冷凍水輸送距離800m。用戶室內設計參數干球溫度25t:，相對濕度60%。室外空氣設計參數為干球溫度34.2°C，濕球溫度27.8-C。用戶建筑物內的總新風量為827529m3/h，排風總量為新風總量的80%。1、冷凍水二次管網采用5'C溫差的區(qū)域供冷系統各參數冷源部分采用2臺額定制冷量7032kW的制冷主機并聯，每臺制冷主機的冷凍水進出口水溫均為11/6"C，溫差5"C，制冷主機的實際制冷量均為6350kW，COP均為5.73。冷凍水一次泵2臺，每臺流量1092m3/h，揚程18m，功率76kW。冷負荷變化時，冷凍水一次泵定流量運行。冷凍水二次管網的供水溫度為tsuu二6t:,回水溫度為treu二ll°C，供回水溫度差At^二5'C，冷凍水二次管網的內徑600mm，水的流速2.15m/s;二次泵2臺，每臺流量1092m3/11,揚程28m，功率118kW。冷負荷變化時，冷凍水二次泵變流量運行。用戶冷凍水系統供水溫度為tsu2，a-7"C，回水溫度為t^,a-12'C，供回水溫度差At2，a二5。C;用戶冷凍水循環(huán)泵2臺，每臺流量1092m3/11，揚程24m，功率100kW;用戶末端采用常規(guī)的風機盤管加新風系統，風機盤管與新風機組的冷凍水進出水溫度均為7/12°C。采用全熱回收設備使新風與排風換冷。用戶內部所有的新風機組的總有效傳熱面積為2476.0m2，處理回風的風機盤管的總有效傳熱面積為1066.5m2，用戶末端新風機組與風機盤管的總有效傳熱面積之和為13136.4m2。2、本發(fā)明的空調系統各參數如下冷源部分采用2臺額定制冷量7032kW的制冷主機串聯，經優(yōu)化后處于上游的制冷主機冷凍水進出口水溫為19/11.83。C，實際制冷量為6510kW，COP為6.70;處于下游的制冷主機冷凍水進出口水溫為11.83/5°C，實際制冷量為6190kW，COP為5.65。冷凍水二次管網的供水溫度為t^二5'C，回水溫度為t^-19T:，供回水溫度差Ati-14。C。用戶冷凍水系統供水溫度為t^二6。C，回水溫度為U2二20。C,供回水溫度差At2-14。C。冷凍水供回水溫差由5X:加大到14'C后，制冷主機的電耗、二次管路的管徑與投資、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵的功率、用戶內部的冷凍水管路投資、用戶冷凍水循環(huán)泵的功率、用戶末端各處理設備的總有效傳熱面積都將發(fā)生變化，下面就這些方面進分析與計算。(1)制冷主機的電耗下表為冷凍水二次管網采用5'C溫差的區(qū)域供冷系統與本發(fā)明空調系統中制冷主機電耗的比較。表1冷凍水二次管網采用5'C溫差的區(qū)域供冷系統與本發(fā)明空調系統中制冷<table>complextableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(2)冷凍水一次泵功率當冷凍水的溫差由5-C升高到14"C后，由于制冷主機串聯布置，只設1臺冷凍水一次泵，泵的參數改變?yōu)榱髁?80m3/11，揚程26m，功率78kW。(3)冷凍水二次管路的管徑和投資冷凍水二次管路的局部阻力取沿程阻力的20%。當二次管路的流量變化時，設鋼管當量粗糙度不變，通過調整管徑的辦法維持管路的總阻力不變(即」/>產」尸2)。管徑與流量的變化關系可由流體力學的相關公式推導出<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage8</formula>設對應于Atu-5-C時的冷凍水的體積流量為L7(m3/s)，則當Ati-14""C時，其體積流量為丄2=0.357丄7(mVs),《=0.675力=0.675x600=405mm。因此，當冷凍水二次管路的溫度由5。C升高到14。C后，流量減少64.3%;通過調整管徑的方法維持總阻力不變，管徑減小32.5%。冷凍水二次管路的投資與管徑成正比，故冷凍水二次管路的投資也降低32.5%。(4)冷凍水二次泵功率當冷凍水的溫差由5t升高到14"C后，由于通過調整管徑的方法維持二次管網的總阻力不變，故二次泵的揚程與效率可按不變化來考慮。二次泵的電功率隨流量的減小而降低Mp2=0.357iV,w，即二次泵的功率減小64.3%。流量變化后還采用2臺二次泵，每臺泵的參數改變?yōu)榱髁?90m3/11，揚程28m，功率42kW。(5)用戶內部的冷凍水管路的投資以及用戶冷凍水循環(huán)泵功率本發(fā)明的空調系統中，用戶內部的冷凍水的供回水溫差也由At2,a^5"C加大到At2二14'C，變化規(guī)律與冷凍水二次管網的相同。因此，相對于冷凍水二次管網采用5t:溫差的區(qū)域供冷系統，用戶內部的冷凍水管路的管徑減小32.5%，其投資降低32.5%;用戶冷凍水循環(huán)泵的功率減小64.3%。流量變化后用戶冷凍水循環(huán)泵還采用2臺，每臺泵的參數改變?yōu)榱髁?90m3/h，揚程24m，功率35.7kW。(6)用戶末端各處理設備經計算，本發(fā)明空調系統中新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備各自的總有效傳熱面積分別為3629.6m2、10246.9m2、1050.2m2。用戶末端所有處理設備的總有效傳熱面積之和為14926.7m2，比冷凍水二次管網采用5t:溫差的區(qū)域供冷系統的用戶末端各處理設備總有效傳熱面積之和增加13.63%。3、采用本發(fā)明的空調系統與冷凍水二次管網采用5'C溫差的區(qū)域供冷系統的技術經濟比較下面對于實施例1分別采用本發(fā)明的空調系統與冷凍水二次管網采用5°C溫差的區(qū)域供冷系統進行技術經濟比較。為了便于對比，僅比較不同的部分，相同部分不列出。設電價為0.9元/(kWA)。(1)投資部分表2冷凍水二次管網采用5X:溫差的區(qū)域供冷系統與本發(fā)明空調系統投資<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(2)運行電耗及電費部分表3冷凍水二次管網采用5"C溫差的區(qū)域供冷系統與本發(fā)明空調系統運行電耗及電費對比<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表2、3可知，本發(fā)明的空調系統無論是在投資還是在運行電費方面都比現有技術更具優(yōu)勢。實施例2本實施例的具體結構如圖2所示，除下述特征外同實施例1:所述制冷主機的數量為4臺，先將每2臺制冷主機串聯，而后再將串聯后的制冷主機并聯的布置方式來獲得大溫差的冷凍水。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。權利要求1、一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，其特征在于包括制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器、新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、用戶冷凍水循環(huán)泵、全熱交換器；所述制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器冷側通過冷凍水管依次封閉連接，構成區(qū)域供冷站內及區(qū)域供冷站到用戶的冷凍水環(huán)路；所述新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、板式換熱器熱側、用戶冷凍水循環(huán)泵也通過冷凍水管依次封閉連接，構成用戶內部的冷凍水環(huán)路。2、根據權利要求1所述的用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，其特征在于:所述制冷主機為多臺，每兩臺制冷主機串聯，而后再將串聯后的制冷主機并聯設置。3、根據權利要求2所述的用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，其特征在于:所述制冷主機為2臺，2臺制冷主機串聯連接。4、根據權利要求1所述的用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統的實現方法，其特征在于冷源部分通過串聯的2臺制冷主機兩級制冷生產出大溫差的冷凍水，然后將大溫差的冷凍水輸送至設置在用戶建筑內的板式換熱器，通過板式換熱器對用戶建筑物內部的冷凍水回水進行冷卻；末端部分將新風與室內回風分開進行處理，新風與回風處理設備的冷凍水溫度不同；其中新風三級換冷-首先，室外新風通過全熱交換器與室內的排風換冷；其次，從全熱交換器出來的新風進入新風預處理設備，與回風處理設備的流出的冷凍水回水換冷；第三，經新風預處理設備冷卻后的新風進入新風處理設備，利用溫度較低的冷凍水對新風進行除濕降溫，最后處理好的新風送入空調房間；室內回風通過回風處理設備進行處理，回風處理設備的冷凍水入口溫度為新風處理設備的冷凍水出口溫度。5、根據權利要求4所述的用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統的實現方法，其特征在于所述大溫差的冷凍水的溫差范圍是1415℃。全文摘要本發(fā)明提供一種用于區(qū)域供冷的高效節(jié)能空調系統，包括制冷主機、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、板式換熱器、新風處理設備、回風處理設備、新風預處理設備、用戶冷凍水循環(huán)泵、全熱交換器。本發(fā)明亦提供上述空調系統的實現方法。本發(fā)明基于熱力學第二定律和經濟學優(yōu)化的科學用能原理，通過制冷主機串聯兩級制冷、末端設備革新的冷量逐級利用的方法，實現了增加冷凍水二次管路的供回水溫度差、減小其流量。從而降低了冷凍水二次泵的能耗以及二次管網的初投資，提高其經濟效益與能源利用效率，進一步發(fā)揮區(qū)域供冷系統的優(yōu)勢。文檔編號F24F3/12GK101344291SQ20081003024公開日2009年1月14日申請日期2008年8月19日優(yōu)先權日2008年8月19日發(fā)明者賁華,康英姿申請人:華南理工大學