一种冰水混合物蓄冷空调系统及其控制方法与流程

本发明涉及蓄冷空调技术领域，尤其涉及一种冰水混合物蓄冷空调系统及其控制方法。

背景技术

冰蓄冷中央空调系统是一种理想的“移峰填谷”平衡城市昼夜电能峰、谷不均衡的有效措施。在夜间低谷电价时段，冰蓄冷中央空调的制冷系统制冰储冷，虽然制冰能耗比制冷冻水的能耗高，但由于低谷电价通常只有白天高峰电价的四分之一，仍可以节省部分空调费用。在白天用电高峰时段，空调冷量来自夜间所储的冰融化释冷，空调系统只运行冷量输送水泵，空调系统电耗低，减轻城市白天供电压力。

目前冰蓄冷的制冰换热过程由多种工作介质和多个中间热交换回路的组成。在夜间蓄冰时，主要供冷过程要经过两个换热回路，即制冷机组的制冷剂与中间介质热交换回路和中间介质与蓄冰槽内部的低温水热交换回路。具体的是，常规中间介质为乙二醇水溶液，首先是低温制冷机组蒸发器内的制冷剂与乙二醇水溶液换热，将乙二醇水溶液温度降至-10℃以下，然后低温乙二醇水溶液由输送泵输送到蓄冰槽内部的盘管中与蓄冰槽内部的低温水换热，将低温水逐渐冻结成冰。另外，随着蓄冰槽内部的盘管外冰层逐渐增厚，盘管内的乙二醇水溶液与冰层的换热强度愈来愈低，制冷机组能耗随之愈来愈高(即获取1公斤冰的能耗是随着冰层的厚度增加而增加)。在白天融冰时，主要供冷过程也要经过两个换热回路，即乙二醇水溶液与蓄冰槽内部的冰进行热交换回路和低温乙二醇水溶液与空调末端的冷冻水进行热交换回路。例如中国专利cn101082434a公开了一种自循环式蓄冷空调系统，该系统在蓄冷时可省去低温载冷剂(如盐水或乙二醇溶液等)，但是其蓄冷时的主要供冷过程仍然需要经过上述两个换热回路，而且在蓄冷过程中并没有将已冻结在换热盘管外的冰层脱除，而且蓄冷介质一直处于静止状态，其热交换形式为热传导，因而随着冰层的厚度增加，该系统的能耗会随之增加。又例如中国专利cn104279667a公开了一种相变蓄能空调系统，该系统在蓄冷时的主要供冷过程仍然需要经过上述两个换热回路，其中间介质为冷冻水，首先是低温制冷机组蒸发器内的制冷剂与冷冻水换热，将冷冻水变成低温冷冻水，然后低温冷冻水由输送泵输送到蓄冰槽内部与蓄冰槽内部的固液相变材料换热，使固液相变材料逐渐凝固，但是该系统在蓄冷过程中并没有将凝固的相变材料脱离两种介质的换热表面，而且该固液相变材料一直处于静止状态，其热交换形式为热传导，因而随着凝固层厚度的增加，该系统的能耗也会随之增加。

除此之外，由于热交换回路多，循环水泵组、管路、阀门部件也多，因此冰蓄冷中央空调系统占用的空间大，初期投资成本高。

综上所述，目前冰蓄冷空调系统存在蓄冰和融冰过程换热环节多、综合热阻大、能耗越高以及初期投资成本高的缺点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种冰水混合物蓄冷空调系统及其控制方法，该系统省去了中间介质与蓄冷介质的换热环节及多组循环水泵，大幅减少系统所涉及的设备和投资成本，通过对流传热、及时脱冰来降低热交换热阻，提高换热效率，降低系统的能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种冰水混合物蓄冷空调系统，包括制冰供冷系统、低温水循环系统和末端冷冻水循环系统；制冰供冷系统包括压缩机、换向装置、冷却装置、贮冷器、蒸发器、第一节流机构和第二节流机构，所述换向装置分别与所述压缩机的排气口、所述压缩机的吸气口、所述冷却装置的冷媒进口和所述蒸发器的出口连接，所述冷却装置的冷媒出口分别与所述第一节流机构的进口和所述第二节流机构的出口连接，所述蒸发器的进口分别与所述第一节流机构的出口和第二节流机构的进口连接，所述贮冷器内部装有蓄冷介质，所述蒸发器浸没在所述蓄冷介质内；低温水循环系统包括吸水器、低温水循环水泵、第一调节阀、布水器和第一连接管，所述吸水器和所述布水器安装在所述贮冷器内，且吸水器和布水器分别位于所述蒸发器的上方和下方，所述第一连接管设置在所述贮冷器外部，所述第一连接管一端与所述吸水器出口连接，另一端与所述布水器进口连接，所述低温水循环水泵和所述第一调节阀设置在所述第一连接管上；所述低温水循环系统在所述蒸发器的周围及其换热元件之间建立一个低温水循环区，所述低温水循环区内的水流方向一致、流速稳定且水流状态为层流态或者为层流与紊流的临界态；末端冷冻水循环系统包括末端、冷冻水循环水泵、第一三通阀和合流三通阀，所述末端的进口和出口连接的管道上依次设有所述冷冻水循环水泵、第一三通阀和合流三通阀，所述冷冻水循环水泵的出口与所述第一三通阀的进口连接，所述第一三通阀的第一出口与所述贮冷器的进口连接，所述第一三通阀的第二出口与所述合流三通阀的第一进口连接，所述合流三通阀的第二进口与所述贮冷器的出口连接。

作为上述技术方案的改进，所述第一节流机构的进口端还设置有第一截止阀，所述第二节流机构的进口端还设置有第二截止阀，所述第一截止阀和第二截止阀均为常闭式电磁阀。

作为上述技术方案的改进，所述换向装置为四通阀。

作为上述技术方案的改进，所述冷却装置为风冷式冷凝器或水冷式冷凝器或蒸发冷式冷凝器。

作为上述技术方案的改进，所述蒸发器为片式换热器。

作为上述技术方案的改进，所述第一节流机构和第二节流机构均为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

作为上述技术方案的改进，所述蓄冷介质为水。

作为上述技术方案的改进，所述第一三通阀为比例积分分流三通阀。

作为上述技术方案的改进，所述压缩机为离心式压缩机或螺杆式压缩机或涡旋式压缩机。

一种冰水混合物蓄冷空调系统控制方法，用于控制上述一种冰水混合物蓄冷空调系统，所述方法包括：当所述蒸发器换热表面冰层厚度小于3mm时，系统执行制冰模式，所述换向装置将所述压缩机排出的高压高温制冷剂气体送入冷却装置中；当所述蒸发器换热表面冰层厚度达到3～5mm时，系统执行脱冰模式，所述换向装置切换所述压缩机的吸排气方向，将所述压缩机排出的高压高温制冷剂气体送入蒸发器中，使得紧贴蒸发器换热表面的冰部分融化脱落。

本发明的有益效果有：

本系统蓄冰时通过低温水循环系统在蒸发器周围建立低温水循环区，使得制冷剂与水进行对流换热制冰，同时低温水循环区还能加快蒸发器制冰速度。另外，本发明还提供了控制方法，以在蓄冰过程中及时将冰层脱离出蒸发器，使制冷机组的制冷剂与水的换热强度维持在最佳状态，从而提高换热效率，降低能耗。由于省去了中间介质与蓄冷介质的换热环节及多组循环水泵，还可以大幅减少系统所涉及的设备和投资成本。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的制冰模式结构示意图；

图3是本发明实施例的脱冰模式结构示意图；

图4是本发明实施例的单独融冰释冷模式结构示意图；

图5是本发明实施例的非蓄冰供冷模式结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种冰水混合物蓄冷空调系统，包括制冰供冷系统1、低温水循环系统2和末端冷冻水循环系统3。

制冰供冷系统1包括压缩机11、换向装置12、冷却装置13、贮冷器14、蒸发器15、第一节流机构16和第二节流机构17，所述换向装置12分别与所述压缩机11的排气口、所述压缩机11的吸气口、所述冷却装置13的冷媒进口和所述蒸发器15的出口连接，所述冷却装置13的冷媒出口分别与所述第一节流机构16的进口和所述第二节流机构17的出口连接，所述蒸发器15的进口分别与所述第一节流机构16的出口和第二节流机构17的进口连接，所述贮冷器14内部装有蓄冷介质，所述蒸发器15浸没在所述蓄冷介质内。

低温水循环系统2包括吸水器21、低温水循环水泵22、第一调节阀23、布水器24和第一连接管25，所述吸水器21和所述布水器24安装在所述贮冷器14内，且吸水器21和布水器24分别位于所述蒸发器15的上方和下方，所述第一连接管25设置在所述贮冷器14外部，所述第一连接管25一端与所述吸水器21出口连接，另一端与所述布水器24进口连接，所述低温水循环水泵22和所述第一调节阀23设置在所述第一连接管25上。

低温水循环系统2在所述蒸发器15的周围及其换热元件之间建立一个低温水循环区4，所述低温水循环区4内的水流方向一致、流速稳定且水流状态为层流态或者为层流与紊流的临界态。

末端冷冻水循环系统3包括末端31、冷冻水循环水泵32、第一三通阀33和合流三通阀34，所述末端31的进口和出口连接的管道上依次设有所述冷冻水循环水泵32、第一三通阀33和合流三通阀34，所述冷冻水循环水泵32的出口与所述第一三通阀33的进口连接，所述第一三通阀33的第一出口与所述贮冷器14的进口连接，所述第一三通阀33的第二出口与所述合流三通阀34的第一进口连接，所述合流三通阀34的第二进口与所述贮冷器14的出口连接。

为防止压缩机11停机时系统内制冷剂迁移，在本实施例中，所述第一节流机构16的进口端还设置有第一截止阀18，所述第二节流机构17的进口端还设置有第二截止阀19，所述第一截止阀18和第二截止阀19均为常闭式电磁阀，第一截止阀18和第二截止阀19在压缩机11停机时均处于关闭状态。

如图2所示，为使换向结构简单易操作，所述换向装置12为四通阀120，所述四通阀120包括第一进口121、第一出口122、第二出口123和第三出口124。

为适应不同的气候区域，满足当地的使用便利，在本实施例中，所述冷却装置13为风冷式冷凝器或水冷式冷凝器或蒸发冷式冷凝器。

为便于制冰、脱冰以及日常维护时清理水垢，在本实施例中，所述蒸发器15为片式换热器，所述片式换热器由若干片板状换热片并联连接而成，每片板状换热片内部设有一个进口和一个出口，在所述进口和出口之间还设有蛇形制冷剂通道以供制冷剂流通，其外部为蓄冷介质通道。

为便于精准控制压缩机吸气过热度，提高制冷系统的稳定性，在本实施例中，所述第一节流机构16和第二节流机构17均为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

为便于获取并能及时补充贮冷器14内的蓄冷介质，在本实施例中，所述蓄冷介质为水。

为便于调节进入末端31的冷冻水温度，使其在设定范围内，在本实施例中，所述第一三通阀33为比例积分分流三通阀。

为适应不同的应用场合、不同的环境工况以及不同的冷量需求，在本实施例中，所述压缩机11为离心式压缩机或螺杆式压缩机或涡旋式压缩机。

本发明还提供一种冰水混合物蓄冷空调系统控制方法，用于控制上述一种冰水混合物蓄冷空调系统，所述方法包括：当所述蒸发器15换热表面冰层厚度小于3mm时，系统执行制冰模式，所述换向装置12将所述压缩机11排出的高压高温制冷剂气体送入冷却装置13中；当所述蒸发器15换热表面冰层厚度达到3～5mm时，系统执行脱冰模式，所述换向装置12切换所述压缩机11的吸排气方向，将所述压缩机11排出的高压高温制冷剂气体送入蒸发器15中，使得紧贴蒸发器15换热表面的冰部分融化脱落。

本发明的具体工作模式有：单独制冰蓄冷模式、单独融冰释冷模式和非蓄冰供冷模式。

如图2所示，在本实施例中，压缩机11为螺杆式压缩机，第一节流机构16和第二节流机构17均为电子膨胀阀，冷却装置13为水冷式冷凝器，所述水冷式冷凝器包括冷凝器131和凉水塔132。

如图2所示，在夜间低谷电价且建筑物不需要供冷时段，空调系统运行单独制冰蓄冷模式，该模式有两个分模式，一个是制冰模式，另一个是脱冰模式，无论执行哪个模式都需要关闭冷冻水循环水泵32，只运行制冰供冷系统1和低温水循环系统2。执行制冰模式时，低温水循环系统2的低温水循环水泵22驱动贮冷器内部吸水器21与布水器24之间的水不断循环流动，并通过第一调节阀23控制水流速稳定在1.1～1.2m/s，从而在蒸发器15的周围及其换热元件之间建立一个稳定的低温水循环区4，在低温水循环区4内的水流方向一致、流速稳定且水流状态为层流态或者为层流与紊流的临界态，并且低温水循环区4内的水不断循环掠过蒸发器15换热元件外部。与此同时，制冰供冷系统1的四通阀120的第一进口121与第一出口122连通，四通阀120的第二出口123与第三出口124连通，压缩机11排出的高压高温气态制冷剂通过四通阀120进入冷凝器131与低温冷却水换热之后变成高压低温液态制冷剂，从冷凝器131出来的高压低温液态制冷剂经过第一节流机构16节流成为低压低温气液两相制冷剂之后进入蒸发器15内与不断循环掠过蒸发器15换热元件外部的水进行对流换热，气液两相制冷剂吸收水的热量全部蒸发成低压低温气态制冷剂，并经过四通阀120重新回到压缩机11中进行压缩，从而完成一个制冷循环，同时蒸发器15表面上的水则会放热冻结成片冰附着在蒸发器15换热表面上，经过若干个制冷循环之后，冰层厚度会逐渐增加，通过冰层厚度传感器检测到冰层厚度小于3mm时，制冷循环会不断运行以不断增加冰层厚度。所述冰层厚度传感器设置在蒸发器15换热表面上，用于探测冻结在蒸发器15换热表面上的结冰程度，并发出冰层厚度信号。

与此同时，冷凝器131中的低温冷却水与高压高温气态制冷剂换热变成高温冷却水之后进入凉水塔132。在凉水塔132中，高温冷却水与大气环境进行换热后成为低温冷却水重新进入冷凝器131，从而完成一个冷却水循环。

在制冰的过程中，由低温水循环系统2建立的低温水循环区4使得蒸发器15的周围及其换热元件之间的水温比低温水循环区4之外的水温低，从而可以加快该区域的制冰速度，提高制冷机组的效率。

如图3所示，通过冰层厚度传感器检测到蒸发器15换热表面冰层厚度达到3～5mm时，系统执行脱冰模式。系统脱冰时，制冰供冷系统1的四通阀120的第一进口121与第三出口124连通，四通阀120的第二出口123与第一出口122连通，压缩机11排出的高压高温气态制冷剂通过四通阀120进入蒸发器15中迅速加热蒸发器换热表面，使得紧贴蒸发器15换热表面的冰部分融化并在不断循环掠过蒸发器15换热元件外部的水流带动下从蒸发器换热表面上脱离，脱离出来的片冰在浮力的作用下上浮至蒸发器15上方的区域。与此同时，进入蒸发器15内的高压高温气态制冷剂被冷却成为高压低温液态制冷剂，从蒸发器15出来的高压低温液态制冷剂经过第二节流机构节流成为低压低温气液两相制冷剂之后进入冷凝器131中与高温冷却水进行换热，气液两相制冷剂吸收冷却水的热量全部蒸发成低压低温气态制冷剂，并经过四通阀120重新回到压缩机11中进行压缩，从而完成一个制冷循环。

与此同时，冷凝器131中的高温冷却水与低压低温气液两相制冷剂换热变成低温冷却水之后进入凉水塔132。在凉水塔132中，低温冷却水与大气环境进行换热后成为高温冷却水重新进入冷凝器131，从而完成一个冷却水循环。

在脱冰的过程中，通过四通阀120换向排入蒸发器的高压高温制冷剂具有流速快的特点，在快速加热蒸发器15换热表面的冰的同时也能够将系统制冰过程时滞留在蒸发器15内部的压缩机冷冻油带回到压缩机11内部，不仅使压缩机11能够有效回油，还能够清理蒸发器15内部制冷剂通道内壁的油污，使制冷机组的制冷剂与水的换热强度维持在最佳状态，从而提高换热效率，降低能耗。

脱冰之后蒸发器15换热表面上的冰层厚度小于3mm，系统又会重新执行制冰模式。

上述制冰和脱冰过程为连续不断循环的过程，经过若干个制冰-脱冰循环周期之后，贮冷器内部就会蓄存大量片冰。

如图4所示，在白天高峰电价且建筑物需要供冷时段，空调系统运行单独融冰释冷模式，该模式需要开启冷冻水循环水泵32，只运行末端冷冻水循环系统3。此时贮冷器14内部蓄冷介质为冰水混合物，其温度不仅低而且还稳定，从末端31出来的高温冷冻水通过冷冻水循环水泵32进入第一三通阀33后分成两部分，一部分高温冷冻水从第一三通阀33的第一出口进入贮冷器14内部与片冰进行换热，这种直接热交换形式由于没有热交换热阻，换热强度大，释放冷量速度快效率高，因此这部分进入贮冷器14的高温冷冻水迅速降温成为低温冷冻水，另一部分高温冷冻水从第一三通阀33的第二出口出来与从贮冷器14出来的低温冷冻水在合流三通阀34混合成空调系统所需供冷温度的混合冷冻水，之后该混合冷冻水进入末端31中与热空气换热，混合冷冻水吸收热空气热量变成高温冷冻水后重新经过第一三通阀33分流入贮冷器14冷却降温，从而完成一个冷冻水循环，热空气则向混合冷冻水放热冷却后源源不断地送至建筑物室内，经过若干个冷冻水循环周期后即可达到建筑物室内恒温的目的。在本实施例中，第一三通阀33为比例积分分流三通阀，其可以根据高温冷冻水与低温冷冻水混合后的混合冷冻水温度来调节进入贮冷器14的高温冷冻水流量，以实现将混合冷冻水温度控制在设定温度范围内的目的。

进一步参见图5，在白天高峰电价且贮冷器14蓄冰无法满足建筑物空调所需的冷量时段，此时贮冷器14内的蓄冰已经完全融化，空调系统运行非蓄冰供冷模式，该模式需要同时运行制冰供冷系统1、低温水循环系统2和末端冷冻水循环系统3。当上述混合冷冻水温度大于设定值时，非蓄冰供冷模式启动，由于制冰供冷系统1的蒸发器15换热表面冰层厚度小于3mm，所以系统执行制冰模式；由低温水循环系统2建立的低温水循环区4的水温较该区域外的水温低，因此由水制成冰的速度快，使得系统供冷效率得以提高；通过第一三通阀33的第一出口分流进贮冷器14的高温冷冻水在贮冷器14内呈层流状态流动，把低温水循环区内的低温冷冻水挤出贮冷器14，而高温冷冻水则会在低温水循环区4内被蒸发器15冷却成低温冷冻水；从贮冷器14出来的低温冷冻水与第一三通阀33的第二出口分流出的高温冷冻水混合之后进入末端31中以向建筑物供冷。

以上所述，只是本发明的较佳实施方式而已，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。