中央空调水系统的节能方法及微能耗水系统

摘要

一种中央空调水系统的节能方法，用水在液相和气相之间的相变过程向空调中的制冷剂、作为负载的室内的空气和用作冷源或热源的室外空气吸取热量和释放热量，完成热量在空调主机和末端设备之间的传递：将空调水系统做成封闭管路系统，将封闭回路内的空气排出，充入气-液两相水。根据以上中央空调水系统的节能方法设计的一种中央空调微能耗水系统，包括蒸发换热器(20)、冷凝换热器(30)和将它们串连成封闭回路的管道(10)，这种封闭回路可以做为冷(热)媒水系统和冷却水系统、热源水系统。本发明的冷媒水在循环中发生液-气相的相变，传递同样的热量所需水量和水泵功率不到现有技术的1/100，整个空调系统中水系统的能耗几乎可以略去不计，一套中央空调平均每天可节约水泵电费近千元，且尺寸大大减小，一次性设备投资也大大减少、效率可显著提高。所以，本发明可为中央空调技术带来重大变革。

说明书

技术领域

本发明涉及中央空调的水系统，特别是利用水的相变过程来传递热量包括冷量的空调水系统。

背景技术

现有的中央空调的水系统包括冷(热)媒水系统和冷却水系统，其作用是传递热量，其工作原理是：冷媒水和冷却水在各自的管道中循环流动，冷媒水在空调主机中向蒸发器释放热量而自身被冷却降温(至7℃左右)，低温水流入空调负载端(空调房)的换热器(表冷器)，与被处理的空气进行热交换，吸收空气的热量而升温(至12℃左右)，然后再流回到主机中，如此不断循环，把主机中产生的冷量传递到负载端；相反，冷却水则是在空调主机中吸收冷凝器释放出来的热量而自身被升温，高温冷却水流入室外换热器(冷却塔)，与外界空气进行热交换而降温，然后再流回到主机中，如此不断循环，把主机中产生的热量传递到室外空气中去。以上热量的传递是由水的态变来完成的，即冷媒水在一次循环中温度约变化5K，则每kg水传递的热量为5kcal。传递的热量越多所需的水量就越大。此外，冷媒水需送到高楼的各楼层，需克服水的自重和管道阻力，水还需要一定的压力。所以循环管路中必需有水泵来提供一定压头的循环水量，一般的中央空调系统的水泵组的功率达数百千瓦，其消耗的运行电费占到空调总电费的很大一部分，可高达20％。一套中央空调系统一天用于水泵的运行费用可能高达千元以上，成为加剧能源危机的一个重要因素。近来，人们在中央空调节能方面进行了大量的研究与实践，水系统的节能是其中最重要的部分，其方法几乎都是水泵电机的变频控制，用于在空调处于轻负荷时降低水泵转速以便减少输水流量，从而减少电能消耗，有的达到很好的效果，最多可节约水泵耗电的40％，即使这样，水系统的能耗仍然十分可观，中央空调能耗问题仍未根本解决。

发明内容

本发明的目的是为克服现有空调水系统能耗高的问题而提供一种中央空调水系统的新的节能方法，并按此方法设计一种新的空调水系统，以便进一步大幅度地降低现有空调水系统的耗电量。

为实现上述目的，本发明提出一种中央空调水系统的新的节能方法：用水在液相和气相之间的相变过程向外界介质吸取热量和释放热量，完成热量在空调主机和末端设备之间的传递；具体技术方案是：将空调水系统做成封闭管路系统，所述封闭管路系统中包括蒸发换热器、冷凝换热器和将它们串连成封闭回路的管道，将封闭回路内的空气排出，充入气-液两相水：在两换热器内为气-液两相水共存，连接它们下端口的管道内充满液相水，此段管道为水管，连接两换热器上端口的管道内充满饱和水蒸汽，此段管道为蒸汽管。

系统运行时，二相水在封闭回路中循环流动并发生气-液二相的相互转变：在蒸发换热器内，液相水吸取外界介质的热量汽化为气相，气相水从蒸汽管流到冷凝换热器内，在其中向外界介质释放出汽化热而凝结为液相，液相水从水管进入蒸发换热器再次汽化，如此不断循环，通过相变过程不断地把热量从蒸发换热器传递到冷凝换热器；在系统运行的动态过程中，两换热器内呈液-气二相水共存状态。

所述中央空调水系统是制冷循环中的冷媒水系统或冷却水系统，当空调按制热循环工作时则是热媒水系统或热源水系统；所述外界介质是中央空调中的制冷剂、作为负载的室内的待处理空气和用作冷源或热源的室外空气。

根据以上中央空调水系统的节能方法设计的一种中央空调微能耗水系统，是一个封闭管路系统，包括蒸发换热器20、冷凝换热器30和将它们串连成封闭回路的管道10，管道10包括水管11和蒸汽管12，水管11包括总水管111和支水管112，它们的端口与蒸发换热器20的下端口21、冷凝换热器30的下端口31连接，蒸汽管12包括总汽管121和支汽管122，它们的端口与蒸发换热器20的上端口22、冷凝换热器30的上端口32连接；将封闭回路内的空气排出，在其中充入气-液二相水：在两换热器内为气-液两相水共存，水管11内充满液相水，蒸汽管12内充满饱和水蒸汽；系统运行时，二相水在封闭回路中循环流动并发生气-液二相的相互转换。

在按制冷工况运行的空调内，所述水系统是冷媒水系统，它的蒸发换热器20是空调负载端的表冷器20a，表冷器是沸腾式换热器，包括带翅片的竖管21a、密封地连接竖管下端口的液相连通管22a、密封地连接竖管上端口的气相连通管23a、和向翅片送风的风机24a，管内通以冷媒水；表冷器20a也可以是风机盘管或翅管式换热器；与蒸发换热器内的冷媒水换热而使之蒸发的外界介质是在管外流动的作为负载的室内的待制冷的空气；冷媒水系统的冷凝换热器30同时又是空调主机的蒸发器30a，结构型式为壳管式，包括内部充满气相冷媒水的封闭壳体33a和通过壳体中的带有换热翅片的盘管34a，盘管内部通以空调主机的待蒸发的制冷剂，在冷凝换热器30中与气相冷媒水换热而使之冷凝的外界介质是空调主机内的制冷剂。

为得到尽可能高的换热效率，所述蒸发换热器20中水位应设定在上部或顶部的气相连通管23a内，水面以上只需留有必要的空间用于汇聚蒸发出来的水蒸汽即可。为保持水位的这一设定高度，需安装一个水位控制阀50，处于同一楼层、安装高度相同的多个蒸发换热器共用一个水位控制阀。水位控制阀50包括节流减压阀51和安装于水面处的水位传感器52，水位传感器52发出的水位信号控制节流减压阀51的开度，从而控制水流量，保持水位一定。

所述节流减压阀51包括阀芯511和调节阀芯开度的电磁调节器512，水位传感器52包括带磁铁的浮子521和接近开关522，接近开关根据浮子的高度发出调节指令控制电磁调节器动作，从而调节阀芯511的开度。

水位控制阀50也可以用纯机械的浮球式结构。

上述系统中若空调主机安装在高楼的下层，则所述蒸发换热器20安装位置高于冷凝换热器30，在所述水管11中还应串接一个用于将水从冷凝换热器送至蒸发换热器的水泵40，水泵40为柱塞泵，也可以是叶片泵或离心泵。若空调主机安装在楼顶，所述蒸发换热器20安装位置低于冷凝换热器30，所述二相水在封闭回路中循环流动靠两相水的重量差来驱动。

空调系统尚未运行时，所述封闭管路内的温度等于室温，则其内的水蒸汽的绝对压力相当于该气温下的饱和水蒸汽压。当空调主机开始运行后，所述冷凝换热器30(也即主机的蒸发器)内两相水的温度开始降低，水蒸汽开始冷凝为水。若设定冷媒水的额定工作温度为10℃(实际系统中此设定温度可视具体情况在7-12℃范围内选取)，则10℃为冷凝换热器的平衡工作点，此时对应的封闭管路内的绝对压力为0.0125ata(标准大气压)。10℃的冷媒水进入空调房内的蒸发换热器，在其中吸收待冷却的外界热空气的热量而蒸发为水蒸汽，再沿蒸汽管进入冷凝换热器，实现冷媒水的工作循环。若封闭管道保温良好，整个循环中二相水接近等温相变过程，温度变化很小。

上述空调如果是热泵式，则在冬季按制热工况运行，所述水系统则是热媒水系统，空调负载端的散热器30b也就成了冷凝换热器30，但它的结构可以完全保持与上述系统不变，包括带翅片的竖管31b、密封地连接竖管下端口的液相连通管32b、密封地连接竖管上端口的气相连通管33b、向翅片送风的风机34b，管内通以气相热媒水，它在管内冷凝成水后靠自重流入液相连通管32b，然后再流入与冷凝换热器连接的支水管112中，此时需在支水管112中串连一个用于防止液相水倒流入的单向阀35b；散热器也可以是气暖式暖气片。与冷凝换热器内的气相热媒水换热而使之冷凝的外界介质是在管外流动的作为负载的室内的待加热的空气；热媒水系统的蒸发换热器20同时也是空调主机的冷凝器20b，结构型式也可以与上述按制冷工况运行时的空调主机的蒸发器30a完全相同，即为壳管式，包括内部充满热媒水的封闭壳体21b和通过壳体中的盘管22b，盘管内部通以空调主机的待冷凝的制冷剂，在蒸发换热器中与水换热而使之蒸发的外界介质是空调主机内的制冷剂，也需设置水位控制阀，水位控制阀的水位传感器设置在蒸发器的顶部。

在制热工况时，若设定热媒水的工作温度设定为40℃，则所述封闭管路中的水蒸汽的工作压力为0.075ata左右。

所述水系统也可用于冷却水系统，在制冷工况时，它的冷凝换热器30是水冷式空调室外端的冷却塔30c，包括带翅片的竖管、密封地连接竖管下端口的液相连通管、密封地连接竖管上端口的气相连通管和向翅片送风的风机，管内通以气相冷却水；散热器也可以是气暖式暖气片，与冷凝换热器中的气相冷却水换热而使之冷凝的外界介质是在管外流动的作为冷源的的室外的空气；冷却水系统的蒸发换热器20同时又是空调主机的冷凝器20c，结构型式为壳管式，包括内部充满冷却水的封闭壳体21c和通过壳体中的盘管22c，盘管内部通以待冷凝的制冷剂，与蒸发换热器中的水换热而使之蒸发的外界介质是空调主机内的制冷剂。

上述空调如果是热泵式，则在制热工况时，所述水系统是热源水系统，它的蒸发换热器20是空调室外端的换热器20d，可以与以上制冷工况的冷凝换热器30完全相同，包括带翅片的竖管、密封地连接竖管下端口的液相连通管、密封地连接竖管上端口的气相连通管和向翅片送风的风机，管内通以热源水；蒸发换热器也可以是风机盘管或翅管式换热器；与蒸发换热器内的热源水换热而使之蒸发的外界介质是在管外流动的作为热源的室外空气；热源水系统的冷凝换热器30同时又是空调主机的蒸发器30d，结构型式也与上述制冷工况运行的蒸发换热器完全相同，为壳管式，包括内部充满气相热源水的封闭壳体和通过壳体中的带有换热翅片的盘管，盘管内部通以空调主机的待蒸发的制冷剂，与冷凝换热器中的气相热源水换热而使之冷凝的外界介质是空调主机内的制冷剂。

本发明的有益效果：

本发明的10℃的冷媒水在一次循环中，发生一次液-气相变，传递同样的热量所需水量只有传统空调的1/118，同压力的输水量与水泵功率理论上成正比例关系，所以本专利水系统消耗的功率不到现有技术的1/100，整个空调系统中水系统的能耗几乎可以略去不计，一套中央空调平均每天可节约水泵电费近千元，且尺寸大大减小，一次性设备投资也大大减少。此外，由于空调蒸发器中的工作温度由7℃提高到10℃，其效率可显著提高。所以，本发明可为中央空调技术带来重大变革。

附图说明

图1是本发明实施例1在制冷工况的系统原理图。

图2是本发明实施例1的蒸发换热器的原理图。

图3是本发明实施例1的冷凝换热器示意图。

图4是本发明实施例1的水位控制阀的原理图。

图5是本发明实施例1在制热工况的系统原理图。

图6是本发明实施例2在制冷工况的系统原理图。

图7是本发明实施例2在制热工况的系统原理图。

具体实施方式

实施例1

一种中央空调微能耗冷(热)媒水系统，如图1、2、3、4、5所示。它是一个封闭管路系统，包括蒸发换热器20、冷凝换热器30和将它们串连成封闭回路的管道10，管道10包括水管11和蒸汽管12，水管11包括总水管111和支水管112，它们的端口与蒸发换热器20的下端口21、冷凝换热器30的下端口31连接，蒸汽管12包括总汽管121和支汽管122，它们的端口与蒸发换热器20的上端口22、冷凝换热器30的上端口32连接；封闭回路内的空气全部排出，在其中充满气-液二相水，在蒸发换热器和水管内充满液相水，在冷凝换热器和蒸汽管内充满气相水即饱和水蒸汽；系统运行时，二相水在封闭回路中循环流动并发生气-液二相的相互转换。

图1是冷媒水系统，它的蒸发换热器20是空调负载端的表冷器20a，表冷器是沸腾式换热器，如图2所示，包括带翅片的竖管21a、密封地连接竖管下端口的液相连通管22a、密封地连接竖管上端口的气相连通管23a、和向翅片送风的风机24a，管内通以冷媒水；表冷器20a也可以是风机盘管或翅管式换热器；与蒸发换热器内的冷媒水换热而使之蒸发的外界介质是在管外流动的作为负载的室内的待制冷的空气；

冷媒水系统的冷凝换热器30同时又是空调主机60的蒸发器30a，结构型式为壳管式，如图3所示，包括内部充满气相冷媒水的封闭壳体33a和通过壳体中的带有换热翅片的盘管34a，盘管内部通以空调主机的待蒸发的制冷剂，在冷凝换热器30中与气相冷媒水换热而使之冷凝的外界介质是空调主机内的制冷剂。

为得到尽可能高的换热效率，所述蒸发换热器20中水位应设定在顶部的气相连通管23a内，水面以上只需留有必要的空间用于汇聚蒸发出来的水蒸汽即可。为保持水位的这一设定高度，需安装一个水位控制阀50，如图4所示。处于同一楼层、安装高度相同的多个蒸发换热器共用一个水位控制阀。水位控制阀50包括节流减压阀51和水位传感器52，水位传感器52发出的水位信号控制节流减压阀51的开度，从而控制水流量，保持水位一定；水位控制阀50也可以用纯机械的浮球式结构。

所述节流减压阀51包括阀芯511和调节阀芯开度的电磁调节器512，水位传感器52包括带磁铁的浮子521和接近开关522，接近开关根据浮子的高度发出调节指令控制电磁调节器动作，从而调节阀芯511的开度。

上述系统中若空调主机安装在高楼的下层，则所述蒸发换热器20安装位置高于冷凝换热器30，如图1所示，在所述水管11中还应串接一个用于将水从冷凝换热器送至蒸发换热器的水泵40，用于将低处的液相冷媒水提升到高处的蒸发换热器中去。冷媒水额定工作温度若设定为10℃，其相变潜热为591.8kcal/kg，而现有空调冷媒水在一次循环中温度约变化5K左右，每kg水传递的热量约为5kcal，所以，本发明的冷媒水在一次循环中，发生一次液-气相变，每kg传递的热量约为传统空调的的118倍，即传递同样的热量所需水量只有1/118，几乎可略去不计，只需一个微型水泵，可用柱塞泵，也可以用叶片泵或离心泵。

若空调主机安装在楼顶，所述蒸发换热器20安装位置低于冷凝换热器30，所述二相水在封闭回路中循环流动靠两相水的重量差来驱动，此时系统中不需水泵。

本例可用于热泵式空调，图5是图1所示系统在制热工况的示意图。所示的水系统是热媒水系统，其热媒水及蒸汽的流向与图1相反。空调负载端的散热器30b此时是冷凝换热器30，但它的结构可以完全保持与上述系统不变，包括带翅片的竖管31b、密封地连接竖管下端口的液相连通管32b、密封地连接竖管上端口的气相连通管33b、向翅片送风的风机，管内通以气相热媒水，它在管内冷凝成水后靠自重流入液相连通管32b，然后再流入与冷凝换热器连接的支水管112中，最后通过水管11流入冷凝器20b，此时需在支水管112中串连一个用于防止液相水倒流入的单向阀35b；散热器也可以是气暖式暖气片。与冷凝换热器内的气相热媒水换热而使之冷凝的外界介质是在管外流动的作为负载的室内的待加热的空气；热媒水系统的蒸发换热器20同时也是空调主机的冷凝器20b，结构型式也可以与上述按制冷工况运行时的空调主机的蒸发器30a完全相同，即为壳管式，包括内部充满热媒水的封闭壳体和通过壳体中的盘管，盘管内部通以空调主机的待冷凝的制冷剂，在蒸发换热器中与水换热而使之蒸发的外界介质是空调主机内的制冷剂，此工况下蒸发器内的水位和相应的水位控制阀50的水位传感器52应设置在顶部，保证水与盘管有较大的接触换热面积。此工况下蒸发换热器20内的工作温度宜设置在40℃以上，视系统的具体条件而定。

实施例2

一种中央空调微能耗冷却水系统，如图6、7所示，包括蒸发换热器20、冷凝换热器30和将它们串连成封闭回路的管道10，管道10包括水管11和蒸汽管12。图6所示为本例在制冷工况时的系统原理图，它的冷凝换热器30相当于空调室外换热器30c，其结构原理与图2所示的结构相同，也可采用现有风冷空调系统的室外散热器结构。与冷凝换热器中的冷却水蒸汽换热而使之冷凝的外界介质是在管外流动的作为冷源的的室外的空气。

冷却水系统的蒸发换热器20同时又是空调主机60的冷凝器20c，结构型式为壳管式，包括内部充满冷却水的封闭壳体21c和通过壳体中的盘管22c，盘管内部通以待冷凝的制冷剂，与蒸发换热器中的水换热而使之蒸发的外界介质是空调主机内的制冷剂，液态冷却水在封闭壳体21c内吸收制冷剂的热量气化为水蒸汽，然后经蒸汽管12进入冷凝换热器被室外空气冷却为液态，再经水管11回到蒸发换热器20c。

本系统也可用于热泵式空调，图7所示为本例在制热工况时的系统原理图，在制热工况时，所述水系统是热源水系统，它的蒸发换热器20是空调60室外端的换热器20d，可以与以上制冷工况的冷凝换热器30完全相同；与蒸发换热器内的热源水换热而使之蒸发的外界介质是在管外流动的作为热源的室外空气；热源水系统的冷凝换热器30同时又是空调主机的蒸发器30d，结构型式也与上述制冷工况运行的蒸发换热器完全相同，为壳管式，不过，盘管外壁应有翅片221c，以增大与蒸汽的接触面积，盘管内部通以空调主机的待蒸发的制冷剂，与冷凝换热器中的气相热源水换热而使之冷凝的外界介质是空调主机内的制冷剂，制冷剂在蒸发器30d吸收气相热媒水的热量气化为蒸汽后回到主机中去，同时气相热媒水释热凝结为液相经水管进入蒸发换热器，吸收外界空气的热量气化为水蒸汽再经蒸汽管回到蒸发器30d。