可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統的製作方法

2023-12-04 23:45:26 3

本發明為可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統，屬於能源領域和空調技術領域。

背景技術：

目前工程應用中，空調水系統有蓄能式和大溫差式，但是沒有熱泵或制冷機組的串聯梯級利用的實用形式。

蓄能利用對於存在峰谷電價的前提下，可以大幅節省運行費用、可以易峰填谷、減小主機容量和供電設備容量等好處；對於沒有峰谷電價的情況，假如使用蓄能罐，事實上也能起到的是對冷熱負荷的削峰填谷的作用，並且使主機可在高效率工況下穩定運行，低負荷時向蓄能罐蓄能，高負荷時調用蓄能罐的能量，並且調用蓄能罐的能量可以減少主機的運行時間，因此在沒有峰谷電價的情況下使用蓄能式可以起到緩衝、暫存冷熱負荷、負荷削峰填谷，能夠實現節能和減小裝機容量，主機間歇啟動高效運行等作用，而且可以小負荷情況下靠儲能運行，解決值班、加班、部分住宿等負荷很小情況下的運行問題。

大溫差式能夠減小水泵能耗，當前應用的系統中採用大溫差熱泵機組，多臺熱泵機組是並聯連接。根據研究資料表明，決定冷熱源主機設備的能效比的主要是出水溫度高低，回水溫度高低影響小，顯然串聯連接冷熱源主機，能夠使得前面的主機生產較低品位的冷熱水，有利於提高主機能效。也有人提出了冷熱源主機串聯，採用常規的冷熱源主機，可以實現大溫差，冷熱源實現了梯級使用，但是主機簡單串聯增加了水路總阻力，增加了水泵揚程，而且僅一級主機運行時二級主機仍需要過水，檢修也困難。因此設計出一種每級冷熱源可以獨立運行，既可以相互串聯梯級利用，又可以單級停機以後與系統隔離，停機隔離後不增加阻力、可檢修可備用，這是一種比較理想的串聯大溫差模式。

隨著當前環境危機和能源革命的到來，可再生能源越來越得到重視，對於空調的冷熱源來說，自然界的天然冷熱源，比如我國地下淺層(地表下200米以內)的巖土、地下水溫度通常在5--20℃，可認為是天然的空調冷源，只是存在一個地下溫度場的地域分布與空調冷負荷的地域需求相反的問題。地下按照平均每百米溫度升3℃的話，那麼地下300～400米以下的溫度超過30℃即可能成為空調天然熱源。其它的如海水、汙水等也是存在成為空調天然冷源可能的。再如太陽能的跨季節蓄能，也可蓄出天然熱源。在天然冷熱源品味較低、不能完全滿足空調冷熱源的情況下，就存在梯級冷熱源在大溫差模式利用的需求。常規的風機盤管完全利用地下水製冷，在大多地區不能滿足，但是在大溫差模式下利用為初級冷源，在很多地區是可行的，再配合上制冷機組做二級冷源，就能夠滿足。而且冷負荷很大部分處於50％以下，絕大部分處於70％以下，因此節能效果會很好。當前在新建建築中，有採用輻射冷熱末端、冷梁及乾式風機盤管等的情況，增大末端投入，就減小了對冷熱源溫度品味的要求，地下天然冷源基本可以完全滿足，但是經濟上需要合理比較初投資與回收期，適當配備冷水機組作為二級冷源，以大幅減少末端投入、並大幅減少對地下冷源的需求，甚至在天然冷源不足的情況下，可能是更合理的方案。事實上地下水出水量只有在地下水文條件很好的情況下才是能大量抽灌，很多地點下地下水並不豐富，因此減少對天然冷熱源的需求對工程來說更有可行性、更安全。

也有人提出雙冷源空調系統，即較高溫度的空調冷水來滿足顯熱負荷，採用低溫空調冷水僅作為除溼用。相對於本發明的梯級冷熱源系統的區別是，雙冷源空調系統是兩套獨立使用的2種冷源，實質上就是溫溼度獨立控制系統的一個方案，不是逐級提升的梯級冷熱源生產方式，這是與本發明的不同。本發明並沒有溫溼度獨立控制的意圖，不是溫溼度獨立控制系統，但是由於溼度的高低往往與氣候溫度的高低同步，比如冬季氣溫低氣候乾燥，春秋季氣溫適中溼度適中，夏季也通常是溫度最高的天數裡溼度最大，因此，本系統由於是梯級冷熱源，可以通過控制冷水供水溫度高低來實現除溼量的高低，製冷能力與除溼能力同步，與室外環境溼負荷同步，可以達到獨立溫溼度獨立控制的節能效果，而又不額外增加一套系統，空調的舒適度可能會更高。相對來說系統簡單、投資少，總體效果未必比獨立溫溼度控制差。獨立溫溼度控制系統，通常不是大溫差系統，而是小溫差水循環(比如供回水溫度16--19℃)，增加了循環泵的功耗、末端風機功耗。

另外一個技術關鍵點就是蓄能裝置本身，其結構的合理性決定著蓄能能量的利用率。對於水蓄冷、蓄熱來說，減小蓄能罐的冷熱交換，減少進出水的冷熱量共混，就越能保證蓄能的利用率。減小蓄能水體的冷熱對流率、減小冷熱水間傳熱率、散熱率，是蓄能裝置的結構構造目標。通常的做法是採用圓柱形罐體，減小對外散熱面積，但是增加對流和熱傳導，即使內置隔板，減小對流能力有限，而且較難減少熱傳導。採用水平長距離大直徑管道作為蓄能罐體，會增大對外界散熱面積，但是對流和內部熱傳導較小。綜合來看，再加上工程上的實現難易程度，蓄能體形狀為長距離大直徑管道更為有利。長距離大直徑管道作為蓄能罐體可以地埋、可以沿地下室及車庫周邊設，相對比較隱蔽且不佔建築面積，應該更為實用。

技術實現要素：

1.可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統，包括：冷熱調蓄容器(1)、冷熱末端及其輸配裝置(2)、單向流閥體、冷熱源系統(4)；其特徵在於至少包含下述技術特徵的一個：

技術特徵一，冷熱源系統(4)中包含至少2級冷熱源分系統，冷熱源分系統可進行製冷、制熱的至少一種，並且各級冷熱源分系統可以制出不同溫度品位冷熱水或其它冷熱載體，各級冷熱源分系統可以表示為冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)，n表示大於等於2的數字；冷熱源系統指供熱、熱水、製冷、空調等的冷熱源側部分，通常包含冷熱源主機、冷熱源輸配裝置、連接管道及其它配套設施，其中各級冷熱源分系統的冷熱源主機可以為地源熱泵、空氣源熱泵、水冷冷水機組、風冷冷水機組、鍋爐、換熱機組和其它形式的冷熱源主機的一種或多種組合，各級冷熱源分系統中的冷熱源主機和冷熱源輸配裝置可以表示為冷熱源主機1級(4-1a)～冷熱源主機n級(4-na)及冷熱源輸配裝置1級(4-1b)～冷熱源輸配裝置n級(4-nb)，n表示大於等於2的數字；

技術特徵二，冷熱源系統(4)中當進出各級冷熱源主機的冷熱載體為水等單相流體時，各級冷熱源分系統與整個系統連接時，是通過單向流管路連接的，有四種管路連接模式：連接模式一，單路單向流管路連接，冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)中，每級冷熱源分系統內的冷熱源主機(4-1a)～(4-na)與冷熱源輸配裝置(4-1b)～(4-nb)在每級冷熱源分系統內串聯，然後通過供回管道依次獨立與單向流管路(3)的不同管段並聯，並且在與各級冷熱源分系統並聯的每個單向流管路(3)管段上設置單向閥體(5-1)～(5-n)，形成各自獨立的n個串接冷熱源環路，單向流管路(3)的進出水端即是1～n各級冷熱源系統進出水總管；連接模式二，雙路單向流管路連接，冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)中，每級冷熱源分系統內的冷熱源主機(4-1a)～(4-na)與冷熱源輸配裝置(4-1b)～(4-nb)在每級冷熱源分系統內串聯，然後通過供回管道依次獨立與單向流管路(3)的不同管段並聯，並且與各級冷熱源分系統並聯的每個單向流管路(3)管段上設置單向閥體(5-1)～(5-n)，再把1～n各級冷熱源分系統的進水管通過帶有單向閥(6)的輔助單向流管路(8)相連接，其中相鄰兩級冷熱源分系統的進水管之間的兩個單向流閥體其中之一可取消並且斷開此處管段，單向流管路(3)的出水端即是冷熱源系統(4)出水端，輔助單向流管路(8)的進水端即是冷熱源系統(4)進水端；連接模式三，另一種雙路單向流管路連接，冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)中，每級冷熱源分系統內的冷熱源主機(4-1a)～(4-na)與冷熱源輸配裝置(4-1b)～(4-nb)在每級冷熱源分系統內串聯，然後通過供回管道依次獨立與單向流管路(3)的不同管段並聯，並且與各級冷熱源分系統並聯的每個單向流管路(3)管段上設置單向閥體(5-1)～(5-n)，再把1～n各級冷熱源分系統的出水管通過帶有單向閥(6)的輔助單向流管路(8)相連接，其中相鄰兩級冷熱源分系統的出水管之間的兩個單向流閥體其中之一可取消並且斷開此處管段，輔助單向流管路(8)的出水端即是冷熱源系統(4)出水端，單向流管路(3)的進水端即是冷熱源系統(4)進水端；連接模式四，多路單向流管路連接，冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)中，高一級冷熱源分系統的進水管與緊鄰的下一級冷熱源分系統的出水管均有不少於一個管路連通，每級冷熱源分系統的出水管和進水管均有不少於一個帶有單向流閥體的管路連通，不同級冷熱源分系統的出水管、進水管可以用任意多個帶有單向流閥體的管路連通，其中相鄰兩級冷熱源分系統的出水管或進水管之間的單向流閥體至少保留一個外其它均可取消並且斷開連接管段；四種管路連接模式中所有單向流閥體流向均為冷熱源系統(4)的總進水端流向總出水端；

技術特徵三，冷熱源系統(4)中，當冷熱源主機(4-1a)～(4-na)的部分或者全部是製冷劑液管與氣管對外接口的熱泵機組或制冷機組時，稱作冷劑式冷熱源主機，各級冷劑式冷熱源主機的製冷劑液管與氣管分別連接到作為外置冷凝器或蒸發器用的各自對應的換熱器(9)的製冷劑接口端，換熱器(9)的水等載冷劑接口端有兩種連接方式，一種連接方式是串接入單向流管路(3)上，單向流管路(3)的進水端與冷熱源系統(4)中其它冷熱源分系統的出水端或冷熱源系統(4)的總進水端連接，單向流管路(3)的出水端與冷熱源系統(4)中其它冷熱源分系統的進水端或冷熱源系統(4)的總出水端連接；另一種連接方式是換熱器(9)串聯連接水泵等冷熱源輸配裝置(4-1b)～(4-nb)後與單向流管路(3)等的對應管段並聯連接，並且把換熱器(9)和冷劑式冷熱源主機一起作為水等單相流冷熱源主機，具體連接方式同技術特徵二所述四種管路連接模式；

技術特徵四，當空調系統的末端為空調水系統時，空調冷、熱水系統中設置冷熱調蓄容器(1)，連接方式為：冷熱末端及其輸配裝置(2)中的冷熱末端(2-1)與末端輸配裝置(2-2)串聯連接，然後與冷熱調蓄容器(1)通過管道並聯連接，然後再通過管道與冷熱源系統的進出水總管連接；冷熱調蓄容器(1)為具有一定容積的單個容器或者是多個容器通過管路、閥門等相連接的組合體，是水等冷熱載體的容蓄、緩存及調節作用的裝置，冷熱調蓄容器(1)可以是大直徑管道、罐體或水箱，也可以是容積式換熱器；冷熱調蓄容器(1)的一種高效蓄能的構造做法是：容器內充填防止冷熱對流的管束、通透的蜂窩狀多孔體等的至少一種，充填的管束的管徑為1～500mm或多孔體的單孔周長為1～1500mm，內充填體的材料為熱的不良導體，包括：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯及其它高分子材料；冷熱調蓄容器(1)，一種安裝位置為地源熱泵室外地埋管開挖的地溝內，沿地溝方向埋設大管徑的保溫直埋管道，比如直徑300～1600mm的保溫直埋管道，並可採用多個大管徑保溫直埋管段在地下串聯、並聯的至少一種，組成工程需要的容量；冷熱調蓄容器(1)的容量可以為0～24小時的末端空調水循環總流量，當冷熱調蓄容器(1)的容量為0時，即不設置冷熱調蓄容器(1)，亦可以作為一種空調系統形式。

2.冷熱源分系統1級(4-1)～冷熱源分系統n級(4-n)，每級冷熱源分系統環路可以各自獨立運行，也可以2級及以上同時運行，多級冷熱源分系統環路在同時開啟運行的情況下可以實現逐級提高單向流管路(3)中流體的冷熱溫度品位；各級冷熱源分系統的單向流管路(3)、輔助單向流管路(8)中的所有單向閥設置流向為冷熱源系統總進水管流向冷熱源系統總出水管；在輔助單向流管路(8)與單向流管路(3)之間的每級冷熱源分系統的進水管段連接管可以設置閥門(7)，並且與對應的冷熱源分系統聯動啟閉。

3.冷熱源主機1級(4-1a)及其輸配裝置1級(4-1b)～冷熱源主機n級(4-na)及其輸配裝置n級(4-nb)，其中冷熱主機及輸配裝置可以為單臺也可以為多臺的組合；1～n各級冷熱源的部分或者全部，也可以為自然冷熱源、各種生產生活餘熱、餘冷直接利用或換熱後直供的系統，自然冷源的一種為地下0～300米深度範圍的自然冷源，包括土壤、地下水、地表水、海水等，另外還可用汙水、中水、給水等做冷源，自然熱源的一種為300～1000米深度乃至更深地層範圍的自然熱源，包括土壤、巖石、地下水等，通過地埋管換熱的方式或地下水體換熱的方式獲取天然冷熱量；各級冷熱源主機和其輸配裝置，部分或者全部可以包含冰蓄冷系統、水蓄冷系統。

4.冷熱末端(2-1)指風機盤管、空調機組、新風機組、地板輻射盤管、毛細管網冷暖末端、散熱器等空調末端、生活熱水加熱裝置、生活熱水給水設施及其它冷熱需求端裝置。

5.末端輸配裝置(2-2)及輸配裝置(4-1b)～(4-nb)，在水等單相流體管路中是指泵、流體管路，在冷劑式空調系統的製冷劑氣液兩相流管路中僅指製冷劑管路。

6.在各級冷源分系統環路的冷熱源主機進水管上可以增設串聯連接緩衝罐，緩衝罐是閉式的壓力容器，容積為所連接的冷熱源主機中冷熱流體0～0.5小時的流量。

7.一種節能的運行模式是，在空調部分負荷運行時，生產冷熱溫度品位較低的冷熱源分系統優先啟動運行。

8.本系統的管路根據工程需要可以增加必要的閥門、儀器儀表、定壓裝置以及其它設施；冷熱末端及其輸配裝置(2)也可以根據工程需要進行多環路並聯等；單向流管路(3)及輔助單向流管路(8)可以根據工程需要設置備用管路、備用閥門；單向閥體(5-1)～(5-n)和單向閥(6)可以為止回閥、倒流防止器、與水泵等聯動的在流體反向流動發生時自動關閉的電控閥以及其他能夠保證流體單向流動的閥體、閥體組合或其它設備等。

9.當系統的末端為冷熱水空調系統時，冷熱源系統(4)中的各級冷熱源分系統的進出水溫差可以為2～8℃範圍，總的進出水溫差可以為2～16℃範圍；當系統的末端為生活熱水加熱系統時，冷熱源系統(4)中的各級冷熱源分系統的進出水溫差可以為5～10℃範圍，總的進出水溫差可以為10～100℃範圍。

10.權利要求1和權利要求3所述的的全部或部分冷熱源設備及管路可以集成組裝成梯級冷熱源成套設備，製造成產品。

實現形式

1、第一種典型的實用實現形式為：存在峰谷電價的公共建築的中央空調，冷熱源側可採用大溫差梯級冷熱源+水蓄能，會明顯節能、節省運行費。

2、第二種典型的實用實現形式為：沒有峰谷電價的公共建築的中央空調，冷熱源側可採用大溫差梯級冷熱源，會明顯節能、節省一定量的運行費。

3、第三種典型的實用實現形式為：採用熱泵生產生活熱水時，多臺熱泵機組可採用梯級熱源連接形式，會明顯節能、節省一定量電費。

4、第四種典型的實用實現形式為：存在地下水且可以作為空調冷熱源時，地下水可作為第一級冷源直接冷卻空調冷水回水，冷水機組或者熱泵機組作為第二級冷源，會明顯節能、節省運行費。

5、低溫度品味級的冷熱源主機，可以是高溫冷水機組或者或者低溫熱泵機組，高能效比有利於節能。

附圖說明

附圖1可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示一

附圖2可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示二

附圖3可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示三

附圖4可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示四

附圖5可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示五

附圖6可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示六

附圖7可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示七

附圖8可蓄能可大溫差的梯級冷熱源系統圖示八

附圖標記：1.冷熱調蓄容器；2.冷熱末端及其輸配裝置；3.單向流管路；4.冷熱源系統；5.單向閥體(5-1)～(5-n)；6.單向閥；7.閥門；8.單向流管路；9.換熱器；2-1.冷熱末端；2-2.末端輸配裝置；4-1～4-n：冷熱源分系統1級～冷熱源分系統n級；4-1a～4-na：冷熱源主機1級～冷熱源主機n級；4-1b～4-nb：輸配裝置1級～輸配裝置n級。