一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統及運行方法與流程

本發明涉及空調系統領域，尤其涉及一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統及運行方法。

背景技術：

全球能源供應日益緊張，能源節約及綜合利用問題受到世界各國的普遍關注，節能工作是一個長期而艱巨的任務。其中，建筑節能是整個節能工作的重要組成部分，而建筑空調系統的能耗在建筑運行能耗中又占有很大比例，所以降低建筑空調系統的能耗是減少建筑用能浪費的重要措施。

對于具有空調系統的大中型建筑，建筑的周邊區域受室外氣象條件影響較大，冬季需及時供熱，夏季需及時供冷，并且每天的冷熱負荷也隨室外氣溫及太陽輻射熱的變換呈周期性變化，周邊區域不同朝向的區域冷熱負荷也有一定區別；而建筑的內部區域由于機器設備、工作人員等會產生熱量使得常年有余熱存在，其與周邊區域的冷熱負荷具有很大區別。正是由于此種原因，大型建筑內不同位置對空調的調節需求往往有一定的差異；更有甚者，例如在天變冷的情況下，會出現建筑周邊區域停止供冷或已開始供熱，而內部區域仍需供冷的現象。在面對此種狀況時，傳統的空調系統需要對空氣進行再熱處理然后對建筑周邊區域進行供熱，這樣勢必造成能源浪費。

而且，許多大中型建筑受辦公時間和個人供暖供冷需求的影響，部分區域空調系統使用率不高，尤其是在過渡性季節，熱泵機組或冷水機組對應的負荷率很低，遠遠偏離高效運行點，COP值（即制熱量或制冷量與輸入功率的比值）遠小于設計工況，存在“大馬拉小車”的現象。

另外，對于建筑空調系統而言，風機是根據空調系統的設計工況下進行選型的，對于全空氣系統，由于需要空氣直接送入室內，空氣的比熱遠小于水，導致需要較大的風量才能承載室內所需要的負荷，基于此，全空氣系統中的風機亦能造成較大能耗。

基于以上，行業有待提供一種有效的解決手段以實現大中型建筑空調系統的節能。

技術實現要素：

本發明旨在至少解決現有技術存在的技術問題之一，為實現上述發明目的，本發明提供了一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統及運行方法，其具體設計方式如下。

一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統，包括冷卻水總線子系統及變負荷調節子系統，其特征在于，所述冷卻水總線子系統包括循環水管道、循環水泵，所述循環水管道內部具有冷卻水，所述循環水管道包括循環水干路管道及與所述循環水干路管道連通的若干并聯的循環水支路管道，所述循環水支路管道上設置有水源熱泵機組；所述每個水源熱泵機組對應的設置有一個所述變負荷調節子系統，所述變負荷調節子系統包括空氣處理機組及送風模塊，所述送風模塊包括送風管道、風機及變風量箱VAVbox，所述送風模塊用于將空氣輸送至與所述送風管道終端連通的空間以滿足所述空間的溫度和/或濕度需求；每條所述循環水支路管道上的所述水源熱泵機組與相應所述變負荷調節子系統的空氣處理機組聯動實現空氣與冷卻水的熱量交換，進行熱量交換后，所述空氣經由所述送風管道進入與所述送風管道終端連通的空間，若干循環水支路管道中所述冷卻水在循環水干路管道中匯合。

進一步，所述一體化系統用于按不同冷熱需求劃分為不同類型區域的建筑物，以在不同類型區域同時實現供冷和/或供熱。

進一步，所述水源熱泵機組分層設置，同一層次包含有若干所述水源熱泵機組，每一所述水源熱泵機組與建筑物的同一類型區域相匹配。

進一步，所述變負荷調節子系統包括一個空氣處理機組及若干個變風量箱VAVbox。

進一步，所述變風量箱VAVbox根據各類型區域的負荷調整閥門的開度。

進一步，所述風機為變頻風機，所述風機的頻率根據所述變風量箱VAVbox的閥門開度進行調整。

進一步，所述水源熱泵機組根據所述送風管道的送風溫度及所述循環水管道中冷卻水回水溫度自動調節輸出功率。一更為具體的方式，所述水源熱泵機組通過調節其內部壓縮機的運行數量以實現。

進一步，所述冷卻水總線子系統還包括冷卻塔、鍋爐，所述冷卻塔、鍋爐并聯的設置在所述循環水干路管道上。

進一步，所述一體化系統還包括有控制子系統、膨脹水箱、盤管，其中，所述控制子系統用于控制所述一體化系統的運行，所述膨脹水箱用于收容和補償系統中水的脹縮量，所述盤管用于實現所述一體化系統中冷量或熱量的交換。

另外，本發明還提供了一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統的運行方法，其包括以下步驟：

a、在需要供冷的類型區域內，相應的所述水源熱泵機組按制冷方式運行，空氣通過空氣處理機組將熱量傳給循環水支路管道中的冷卻水；

b、在需要供冷的類型區域內，相應的所述水源熱泵機組按制熱方式運行，空氣通過空氣處理機組將冷量傳給循環水支路管道中的冷卻水；

c、a與b兩步驟中的冷卻水在所述循環水干路管道中匯合；

d、檢測經過匯合后循環水干路管道中冷卻水的實際溫度，將其與冷卻水的設定溫度范圍進行對比，若冷卻水的實際溫度高于設定溫度范圍上限時，冷卻塔啟用，冷卻水通過冷卻塔進行降溫至溫度處于設定溫度范圍內；若冷卻水的實際溫度低于設定溫度范圍下限時，鍋爐啟用，冷卻水通過鍋爐進行加熱至溫度處于設定溫度范圍內。

基于以上設計，本發明具有以下有益效果：

1）在同時對建筑不同區域進行供冷和供熱時，在冷卻水總線子系統中，不同區域的冷卻水通過循環水干路管道匯合，以實現不同循環水支路管道中冷卻水冷量和熱量的相互抵消，從而相應的減少循環水干路管道上冷卻塔或鍋爐所承擔的負荷；2）所述水源熱泵機組能夠根據需求實現功率的調整，如此使得水源熱泵機組在滿足用戶端需求的前提下保持高效率運行，避免了因低負荷運行而導致COP值下降的情況；3）本發明中風機根據室內負荷自動改變頻率調整送風量，保證室內負荷需求的前提下極大地降低了風機的功耗。

附圖說明

圖1為本發明中所涉及建筑的一種分區示意圖；

圖2為本發明中冷卻水總線子系統主要組成結構的一種實施例示意圖；

圖3為本發明變負荷調節子系統主要組成結構的一種實施例示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖所示的各實施方式對本發明進行詳細描述，參照圖1至圖3所示，其展示的為本發明的一些較佳實施方式。

圖1所示為建筑的一種分區示意圖，本實施例為了較為簡單的展示本發明的意圖，僅將建筑內部在平面空間上分為內部區域及外部區域，在其它一些實施例中，可以將建筑內部分設為更多的區域。

與圖1所示分區建筑相匹配，圖2所示為本發明中冷卻水總線子系統主要組成結構的一種實施例示意圖，圖3所示為本發明變負荷調節子系統主要組成結構的一種實施例示意圖。

結合附圖所示，本實施例中的基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統，包括冷卻水總線子系統及變負荷調節子系統。

其中，冷卻水總線子系統基本結構如圖2所示，其包括循環水管道、循環水泵（圖中未示出，用于驅動循環水在循環水管道中循環流通），循環水管道內部具有冷卻水，循環水管道包括循環水干路管道及與循環水干路管道連通的若干并聯的循環水支路管道。參考圖2所示，3條循環水支路管道上均設置有一套水源熱泵機組。

參考圖3所示，每個水源熱泵機組對應的設置有一個變負荷調節子系統，變負荷調節子系統包括空氣處理機組（簡化為AHU）及送風模塊，其中，送風模塊包括送風管道、風機（圖中未示出，用于驅動送風管道內部空氣流通）及變風量箱VAVbox，送風模塊用于將空氣輸送至特定空間以滿足空間的溫度和/或濕度需求。如圖3所示，由新風及回風構成的空氣經過空氣處理機組（AHU）后經由送風模塊送入建筑內部與送風管道終端連通的的空間（即圖中所示房間）。

更為具體的，每條循環水支路管道上的水源熱泵機組與相應變負荷調節子系統的空氣處理機組（AHU）聯動實現空氣與冷卻水的熱量交換，進行熱量交換后，空氣經由送風管道進入與所述送風管道終端連通的空間，若干循環水支路管道中所述冷卻水在循環水干路管道中匯合。

在一些更為具體的系統運行過程中，水源熱泵機組與空氣處理機組（AHU）聯動的具體方式為：需要供冷的區域對應的水源熱泵機組按制冷方式運行，空氣在空氣處理機組（AHU）中將熱量傳給冷凍水，最終又將熱量傳給冷卻水循環管道中的循環水；而需要供熱的區域對應的水源熱泵機組按制熱方式運行，并最終也將空氣的冷量傳給冷卻水循環管道中的循環水。

本發明的一體化系統適用于按不同冷熱需求劃分為不同類型區域的建筑物（不限于圖1所示分區方法），其包括辦公大樓、商業建筑、綜合型辦公大樓等大中型建筑，采用本發明的一體化系統能夠在不同類型區域同時實現供冷和/或供熱（即所有區域同時供熱、同時供冷或部分區域供熱部分區域供冷）。

本發明中的水源熱泵機組分層設置，對于高層建筑而言，即每層樓均設置有一定數量的水源熱泵機組，作為一種優選方式，每一層中的每一臺水源熱泵機組對應建筑物內同一類型區域（同一類型區域即表示該區域只需供熱或只需供冷）。如圖2所示，每一水源熱泵機組只與內部區域或外部區域相匹配，不存在同一水源熱泵機組與內部、外部區域同時匹配；換而言之，水源熱泵機組所對應的區域在某個特定的時間內就不會出現同時供熱和供冷的情況。

在一具體實施例中，本發明的變負荷調節子系統包括一個空氣處理機組及若干個變風量箱VAVbox，其中，變風量箱VAVbox根據各類型區域的負荷調整閥門的開度。如圖3所示，每一個水源熱泵機組對應一個變負荷調節系統，其作為一個整體承擔同一區域多個房間的負荷。在傳統的空調系統中，一個水源熱泵機組對應多個空氣處理機組，由于每個空氣處理機組對應的區域需要的負荷量不同，所以需要的水溫也不同，而一個水源熱泵只能提供一種水溫，使得某些區域所需要的冷量或者熱量得不到滿足，有時只能采用其他極為耗能的方式（比如再熱）解決；而本發明采用每個水源熱泵對應一個變負荷調節系統的形式，較好地解決了該問題。

作為本發明的優選方案，本發明中的風機為變頻風機，風機的頻率根據變風量箱VAVbox的閥門開度進行調整。相對于定風量系統，該方式可以實現不同房間溫度個性化設置；另外，傳統的定靜壓控制是根據管道某點的靜壓調節風機的轉速，然而靜壓點的選取和靜壓值的設定的問題仍然存在，通常的解決辦法是選取更高的靜壓設定值來保證負荷的需求，然而當負荷需求較低時，該系統的運行狀態為閥門開度很小，同時風機為保證靜壓設定值仍然需要保持一定的轉速，此時的能耗都消耗在了閥門上，使得系統效率較低。而本實施例中采用變靜壓方式，其可以根據末端閥門的開度來調節風機的轉速，從而使得閥門盡可能地開大，風機在盡可能低的轉速下保證風量的需求，從而實現了最大限度的節能。

另外，本發明的水源熱泵機組可根據送風管道的送風溫度及循環水管道中冷卻水回水溫度自動調節輸出功率。一更為具體的方式，水源熱泵機組通過調節其內部壓縮機的運行數量以實現輸出功率調節。

根據以上實施方式，本發明中的冷卻水總線子系統還包括冷卻塔、鍋爐，所涉及的冷卻塔、鍋爐并聯的設置在循環水干路管道上，從而實現對冷卻水進行選擇性的加熱或制冷。此外，為了便于整個一體化系統的正常運行，本發明的一體化系統還包括有控制子系統、膨脹水箱、盤管等，其中，控制子系統用于控制所述一體化系統的運行（用于實現系統的自動或手動控制），膨脹水箱用于收容和補償系統中水的脹縮量，盤管用于實現一體化系統中熱量（或冷量）的交換。在一些更為具體的實施方式中，本發明中的送風管道、盤管、閥門等部件均為一體化設計制造，以便于快速安裝，從而在全新項目或改造項目中具有極大的安裝優勢。

本發明還提供了一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統的運行方法，其包括以下步驟：

a、在需要供冷的類型區域內，相應的水源熱泵機組按制冷方式運行，空氣通過空氣處理機組將熱量傳給循環水支路管道中的冷卻水；

b、在需要供冷的類型區域內，相應的水源熱泵機組按制熱方式運行，空氣通過空氣處理機組將冷量傳給循環水支路管道中的冷卻水；

c、a與b兩步驟中的冷卻水在循環水干路管道中匯合；

d、檢測經過匯合后循環水干路管道中冷卻水的實際溫度，將其與冷卻水的設定溫度范圍進行對比，若冷卻水的實際溫度高于設定溫度范圍上限時，冷卻塔啟用，冷卻水通過冷卻塔進行降溫至溫度處于設定溫度范圍內；若冷卻水的實際溫度低于設定溫度范圍下限時，鍋爐啟用，冷卻水通過鍋爐進行加熱至溫度處于設定溫度范圍內。

結合圖1至圖3，具體展開如下：

當大環境氣溫降低時（例如天剛轉涼），會面臨如圖1所示建筑的外部區域需要供熱，內部區域由于具有余熱而需要繼續供冷的情況。此時，系統向建筑物內部區域供冷，內部區域的水源熱泵機組按制冷方式運行，新風與回風混合后在空氣處理機組（AHU）中將熱量傳給冷凍水，并最終傳遞給冷卻水；外部區域的水源熱泵機組按制熱方式運行，空氣中的冷量最終也傳遞給冷卻水，而后冷卻水在循環水干路管道中匯合，使得前述所獲得的熱量和冷量實現部分或全部抵消，從而極大的減少了冷卻塔或鍋爐所需承擔的負荷。在系統正常運行時，系統的冷卻水的溫度維持在設計范圍內，通常為15-35℃，當系統冷卻水溫度高于設計上限35℃時，冷卻塔開啟，循環水通過冷卻塔進行散熱；當系統冷卻水溫度低于設計下限15℃時，鍋爐投入使用，對循環水進行加熱，由此保證冷卻水溫度維持在設計范圍內。

與此同時，不同房間的用戶可以根據自己熱舒適的需要設定溫度，風閥根據設定溫度與室內實際溫度的差值改變開度，風機根據風管靜壓或者閥門的開度改變轉速，實時實現風量與所需求負荷的匹配，在保證負荷需求的情況下盡可能地降低了風機的能耗。

另外，為了更好的理解本發明，進一步作以下內容補充：

首先，在過度型季節，由于每個人對溫度有不同的熱舒適感受，在相同的室外溫度條件下，只有部分人選擇開啟空調。對于傳統的空調系統，整棟大樓采用的是集中大型冷機，在此種情況下必然會在低效率點運行。而通過本發明提供的一種基于冷卻水總線的變負荷調節一體化系統，僅僅在空調開啟區域對應的水源熱泵機組自動開啟，而其它的水源熱泵機組則關機，由于此水源熱泵的容量較小，負荷率相對較高，同時水源熱泵可以根據供水溫度可以控制壓縮機的個數，從而保證水源熱泵能在高能效點的工況下運行。基本發明提供的一體化系統能夠保證系統全年都在較高效率區間運行，從而減少能源的消耗，

其次，針對變負荷調節子系統，變風量箱VAVbox可根據室內設定溫度和室內實際溫度自動改變閥門的開度。對于夏季，當室內溫度高于設定溫度時則開大閥門，而當室內溫度低于設定溫度值時則關小閥門。對于冬季，當室內溫度高于設定溫度時則關小閥門，而當室內溫度低于設定溫度值時則開大閥門。同時系統根據各閥門的開度自動調整風機的頻率，從而保證風機在盡可能低的頻率下滿足室內所需要的風量，亦能最大限度實現節能。

應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。