专利名称：冷却塔和冷水机组联合供冷系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及建筑物中央空调系统的供冷系统，具体地说，涉及 一种通过冷却〗荅和;令水才几组联合供冷的方式达到节能P条4毛的供冷系 统，以及供冷系统的控制方法。
背景技术：
冷却塔供冷系统(又称免费供冷，free cooling)是一种用于建 筑物中央空调系统制冷站节能降耗的系统形式，适用于建筑物空调 系统在过渡季节和冬季仍有供冷需求，又无法或不适宜采用新风冷 源的场合。比如，对于采用风机盘管加新风系统的现代化办公楼，建筑物 的内区往往要求空调系统全年供冷，而在过渡季节或冬季，当室外 空气焓值低于室内空气设计焓值时又无法利用加大新风量来进行免 费供冷。又比如，对于全年室内冷负荷占主导的恒温恒湿型工业建筑物 (如巻烟厂)，由于正常生产时工艺设备产热量较大，冬季和过渡季 节生产车间仍可能存在供冷需求，采用加大新风量的冷却方式，可能导致空气加湿量的增加，并对车间内相对湿度控制4青度产生不利 影响。对此，釆用冷却i荅供冷才支术，通过水系统来利用室外自然冷源， 取代制冷站冷水机组运行的人工冷源，可起到很好的节能效果。6根据冷却塔的工作原理，冷却塔能将水温降低的原因在于当 i荅内的水与空气4妾触时， 一方面产生空气与水之间的直^妄^f专热(显 热交换)，另一方面由于水表面和空气之间存在水分子压力差，使水 表面的水分子向空气流动，产生蒸发现象，带走蒸发潜热(潜热交 换)。当冷却塔出水温度与空气湿球温度接近，即冷幅很小时，水在 冷却塔内的冷却降温主要靠水蒸发时的潜热交换，而水和空气的显 热交4吳量可忽略不计。冷却塔通常按照夏季水温和气温条件进行设计选型，i殳计工况 下，冷却塔的温降为At-5。C,流量不变时，冬季随着水和空气温度 的降低，水分子的运动动能减少，分子扩散能力降低，水蒸发量减 少，带走的热量将有所减少，不能获得与夏季相同的冷却量。冷却塔供冷通常按冷却水是否直接进入空调末端系统分成两大 类冷却塔直接供冷系统和冷却塔间接供冷系统。图l为典型的冷 却塔直接供冷系统流程图，图2为典型的冷却^^'司接供冷系统流程 图。冷却塔直接供冷系统的主要特点是系统形式较简单，没有中 间换热过程，因此在相同室外气象条件下可利用的冷水温度较冷却 塔间接供冷系统低；但由于冷却塔开式系统的冷却水易受大气污染， 在进入冷水系统后会造成系统内腐蚀或结垢，从而缩短系统使用寿 命，影响系统运行的稳定性，因此系统需要采用专门的水处理设备； 此外，冷却塔直接供冷系统运行时，整个空调水系统的阻力、流量 发生较大变化，因此，可能存在水泵性能与管路阻力、冷却塔循环7K量不匹配的i见象。冷却;荅间4妾供冷系统的主要特点是冷却水环^各与冷冻水环3各 通过换热交换器4皮此相互独立，保证了冷冻水管i 各的卫生条件；因 为存在一个换热过程，与冷却塔直接供冷系统相比，若达到同样的 供冷效果，要求冷却水温度更〗氐一些，一^:相差1 2。C;增加了换 热i殳备和较多管道，系统形式相对复杂。目前常井见的空调工程中， 为保障制冷系统运行的可靠性，多选4奪冷却塔间接供冷系统。冷却塔(直接或间接)供冷系统的节能技术和设计方案已在国 内外众多的文献资料中叙述，其节能效果已在国内外众多的工程实践中纟寻到5全iiE。但是，综观这些文献和工程应用，冷却塔(直接或间接)供冷 运^亍一莫式和常身见冷水才几组供冷运行模式均纟皮作为4皮此独立的两种运 行模式各自使用。实际运行时，两种运行模式根据室外气象条件的 变化和空调末端系统的冷负荷需求变化，按季节进行切换运行。比如，对于某一特定的建筑物中央空调系统，当室外空气湿球 温度低于某个值，冷却塔(或换热器二次侧)出水温度低于空调末 端系统的冷冻供水温度需求，此时系统切换到冷却塔供冷运行才莫式， 反之，切换到常规冷水机组供冷运行模式。此外，目前冷却塔供冷系统在设计和实际工程运行时，常常忽 略了冷却塔的散热负荷对出水温度的影响，尤其在多台冷水机组、 水泵和冷却i答组成的制冷站系统中，i殳计者或运营商有时为了片面追求降低水泵和冷却塔风扇运行能耗的目标，冷却塔供冷运行模式 往往采取较少台数的冷却塔和冷却水泵投入运行，结果冷却塔常常 在高散热负荷工况下运^f亍。根据本发明人对冷却塔在供冷运行模式下的热工性能研究，发 现冷却塔运行时散热负荷越低，在相同的空气湿球温度条件下，8其出水温度越低，冷却塔在全年可以供冷的时间也就越长，节能效 果也就越好。
图3为某冷却i荅在额定流量工况下、不同冷却水温差十青况时的
热工性能曲线。从图3中可以看出，当室外湿球温度为26。C时(夏 季设计工况)，按照5。C温降要求，冷却塔出水温度可达到28.5。C(冷 幅为2.5。C)，进水温度为33.5°C。当室外湿^求温度达到5。C时，蒸 发传热减少，如果流量不变且仍要求5。C降温，则冷却》荅出水温度 达15。C (冷幅为10°C )，进水温度为2(TC，与夏季冷水供回水温度 有显著差异。同时，对应上述同样的5。C室外湿球温度，如果流量 不变但冷却塔只承担2。C温降时(散热负荷减少60% ),冷却塔出水 温度可达10°C (冷幅为5°C)，进水温度为12°C。因此，冷却塔运 行时所承担散热负荷的下降，可使冷却塔获得更低的出水温度。
图4为我国南方某i^市某冷却塔在压缩式电制冷系统中不同散 热负荷下的热工特性曲线，乂人图4可以看出，无i仑是冷 K才几组供冷 运行(chiller on)模式，还是冷却塔供冷运行(chiller off)模式， 在同样的空气湿球温度下，冷却塔半负荷运行工况所获得的出水温 度明显低于满负荷运行工况下的出水温度。假如空调末端系统在过 渡季或冬季的供冷需求温度为14°C，冷却塔在满负荷运行工况下所 需的空气湿球温度为5°C,而在半负荷运4于工况下所需的空气湿球 温度为10°C,冷却塔在该城市的两种运行工况下的全年供冷时间相 差1785小时(4斤合74.4天)。
同时，本发明人对不同台数的冷却塔(含对应水泵)供冷运行 下的制冷站总能耗进行对比分析，发现保证冷却塔的低出水温度 以获取更长的冷却塔供冷时间，对制冷站的总节能效果远远优于减 少冷却塔和冷却水泵运行台数所带来的节能效果。总之，目前工程上通常采用的冷却塔供冷系统在方案i殳计、运 行调节等方面有待于进一步加以改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够进一步降低能耗的冷却;荅和冷水 机组联合供冷系统，本发明的目的还在于提供冷却塔和冷水机组联 合供冷系统的控制方法。
为此，本发明^是供了一种冷却塔和冷水才几组耳关合供;令系统，包
括制冷机组，用于向空调末端系统提供冷冻水；换热器，用于向 空调末端系统4是供冷却水；多台冷却i荅，用于选择性地向^:热器和 制冷机组提供冷却水；温度检测装置，至少用于检测多台冷却塔的 出水温度和/或换热器的冷却水温度、以及空调末端系统的冷水需求 温度和回水温度；以及控制装置，根据温度检测装置检测的各温度 之间的关系，用于控制多台冷却塔的冷却水同时供给换热器和制冷 才几组、或者单独地供纟会换热器或制冷才几组。
可选地，上述控制装置在换热器提供的冷却水温度小于空调末 端系统的回水温度时，用于控制多台冷却塔的冷却水同时供给制冷 机组和换热器；在换热器提供的冷却水温度小于空调末端系统的冷 水需求温度时，用于控制多台冷却塔的冷却水单独供给换热器。
可选地，上述控制装置在多台冷却^荅的出水温度小于空调末端 系统的回水温度一预定值时，用于控制多台冷却塔的冷却水同时供 给制冷机组和换热器；在换热器提供的冷却水温度小于空调末端系 统的冷水需求温度时，使多台冷却塔的冷却水单独提供给换热器。
优选地，上述换热器为板式换热器。优选地，上述多台冷却塔通过多台冷却水泵l是供冷却水，板式 才灸热器的一次侧回^各与多台冷却i荅的多台;令却7JC泵相连。
优选地，上述板式换热器的一次侧回路设有旁通回3各，旁通回
if各:没置有流量调节阀。
优选地，上述控制装置包括控制器以及设置于各管路上的控制阀。
另外，本发明还提供了 一种冷却塔和冷水枳^组联合供冷系统的 控制方法，供冷系统包括制冷机组，用于向空调末端系统才是供冷 冻水；换热器，用于向空调末端系统提供冷却水；以及多台冷却塔， 用于选择性地向换热器和制冷机组提供冷却水，控制方法包括以下 步骤使多台冷却塔在小于满负荷的工况下提供冷却水；当多台冷 却塔的出水温度低于空调末端系统的回水温度时，使多台冷却塔的 冷却水同时供给换热器和制冷机组；当多台冷却塔的出水温度低于 空调末端系统的冷水需求温度时，使多台冷却^荅的冷却水单独供给 换热器。
优选地，在多台冷却;荅的出水温度低于空调末端系统的回水温 度2。C时，使多台冷却塔的冷却水同时供给换热器和制冷才几组。
优选地，当多台冷却塔的供给换热器的冷却水的流量大于换热 器所需的流量时，使多余的冷却水直接流回多台冷却塔。
与目前常规的冷却塔(直接或间接)供冷系统相比，本发明采 用冷却塔和冷水机组联合供冷方式，具有冷却塔供冷的能量利用率
更高、供冷时间更长、节能效果更好的优点。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的 目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明的其它的目的、特征 和效果作进一步详细的说明。
构成本i兌明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了 本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图 中
图1是典型的冷却纟荅直接供冷系统流禾呈图； 图2是典型的冷却塔间接供冷系统流程图3是额定流量下冷却塔在不同冷却7K温差工况的热工特性曲
线；
图4是在不同负荷下压缩式制冷系统的冷却塔出水温度与湿球 温度的对应关系图5是根据本发明的冷却塔与冷水机组联合供冷系统的结构示 意图；以及
图6是根据本发明的冷却塔与冷水机组联合供冷系统的方框图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可 以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。在附图中相同的部 件用相同的标号表示。
12在实施中央空调系统的制冷站系统的过程中，本发明人发现 只要冷却塔(或换热器二次侧)出水温度低于空调末端系统的冷冻 回水温度时，冷却塔提供的冷水即可开始分担空调末端系统的冷负 荷需求，以减少制冷站冷水机组的运行负荷，从而达到节能效果。 这一点，是目前两种冲莫式4皮此独立切才奐运4亍方案所无法实现的。
图5是根据本发明的冷却塔与冷水机组联合供冷系统的流程 图。如图5所示，在本优选实施例中，示出了3台冷水机组组成的 供冷系统，在其它实施例中，供冷系统可以具有其它台凄丈的冷水枳j 组。冷水机组可以是压缩式电制冷机，也可以是溴化锂吸收式制冷机。
在本优选实施例中，冷却塔与冷水机组联合供冷系统是在常规 制冷站系统的基础上，增设板式换热器1 、板式换热器一次侧回路2、 板式换热器二次侧回路3、板式换热器一次侧旁通回路4、冷水机组 ;令却7jc旁通回^各5、 6和7、；令7K才几组;令冻水旁通回3各8和9、及只寸 应的季节转换蝶阀10 (或采用三通调节阀)、各水路系统上的温度 4专感器11、 12、 13、 14、 15和16。
板式换热器一次侧旁通回路4上设电动调节阀17。板式换热器 1的一次侧回路2、板式换热器二次侧回路3分别与冷却水总管、冷 冻水总管进行交汇，并在交汇前各自设置止回阀18。
冷水才几组的冷却水旁通管^各5、 6、 7和冷水才几组的冷却水入口 处i殳置季节转换蝶阀(或三通调节阀)10，当某台冷水4几组4亭止运 行时，其循环冷却水经季节转换阀切换后，流经换热器的一次侧。
冷 K才几组的;令冻7jc旁通管^各8 、 9和冷7K4几纟且的,令冻？K入口处i殳 置季节转换蝶阀(或三通调节阀)10。当冷却^荅供冷运^亍沖莫式启动后，与之匹配的冷冻水经季节转:换阀切纟奂后，流经才反式4奂热器的二 次侧。
多台冷却Jt荅供冷时，多余的循环冷却水经换热器一次侧的旁通 管3各4流回冷却Jt荅，旁通流量调节通过换热器一次侧流量需求(或 出水温度)控制旁通电动调节阀17的开度实现。
换热器二次侧出水管路与冷水机组的冷冻供水总管在交汇前各
自设置止回阀18,同样，换热器一次侧出水管路与冷水机组的冷却 水总管在交汇前各自i殳置止回阀18,如此可防止回流。
温度传感器11用于监测冷却塔的出水温度，温度传感器12用 于监测板式换热器1 二次侧的出水温度，温度传感器13用于监测空 调末端系统的冷水需求温度，温度传感器14用于监测空调末端系统 的冷冻回水温度、温度传感器15用于监测冷水机组冷冻供水总管的 温度，温度传感器16用于监测一反式换热器1 一次侧的出水温度。
在本优选实施例中，采用了板式换热器1，在其他实施例中， 也可以是其他类型的换热器。换热器在设计选型时，其换热量按冷 季空调末端冷负荷需求进行设计，典型情况为制冷站总装备冷量的 30%左右。换热器一次侧与冷凝器、换热器二次侧与蒸发器在阻力、 流量方面应进^f于匹配i更计。^换热器一次侧与其旁通管道(含电动调 节阀)的流量、压降应进行匹配设计。
在本优选实施例中，根据冷却塔在不同负荷率下的热工特性， 在换热器的一次侧设置旁通管路和电动调节阀，并设置多台冷水机 组的冷却水、冷冻水旁通回路及对应的季节转换蝶阀(或三通调节 阀)，以方便更多台数的冷却塔可以投入供冷模式运行，保证每台冷 却塔在较低负荷率工况下运行，从而获取更低的冷却塔出水温度和 更长的冷却i荅全年供冷时间。
14的方框 图。结合参照图5和图6，控制装置根据温度检测装置的检测结果， 用于控制系统的供冷模式。
其中，温度检测装置至少包括用于监测冷却塔的出水温度的温 度传感器11,用于监测板式换热器1 二次侧的出水温度的温度传感 器12，用于监测空调末端系统的冷水需求温度的温度传感器13，以 及用于监测空调末端系统的回水温度的温度传感器14。
其中，控制装置包括控制器和多个控制阀。这些控制阀为板式 才灸热器一次侧回^各2、才反式4奐热器二次侧回路3、 一反式4灸热器一次侧 旁通回3各4、冷水才几组冷却水旁通回^各5、 6和7以及冷水4几组冷冻 水旁通回^各8和9所对应的季节转换蝶阀IO(或采用三通调节阀)。
其中，本发明的功能系统的可选择模式有多台冷却塔的冷却 水同时提供给板式换热器和制冷机组，以实现冷却塔和冷水机组联 合供冷的供冷模式；多台冷却塔的冷却水单独提供给板式换热器， 以实现冷却塔供冷模式；多台冷却塔停止运转，制冷机组供冷模式。
本发明的冷却》荅和冷水才几组耳关合供冷节能系统的控制过程如
下
系统运行时，根据冷却塔的出水温度ti(由温度传感器11测得) 和空调末端系统回水温度t3 (由温度传感器14测-彈)进4亍对比，当 冷却塔出水温度"低于某个值时，板式换热器1二次侧的出水温度 t4 (由温度传感器12测得)开始小于空调末端系统的回水温度t3, 此时冷却塔供冷开始4殳入运行，并与冷水才几组4关合(共同)为空调 末端系统提供冷源，其中冷却塔经板式换热器1间接为空调末端系 统提供冷源的流量为Gi (mVh)，冷水机组为空调末端系统提供冷 源的流量为G2 (m3/h)。当板式换热器1 二次侧的出水温度t4 ^氐于空调末端系统的需求 温度t2 (由温度传感器13测得)时，冷水机组停止运机，全部由冷 却塔供冷。
当某台冷水4几组4亭止运4亍时，其循环冷却水经季节转换阀10
切换后，流经板式换热器1的一次侧。多台冷却塔供冷时，多余的
循环冷却水经板式换热器1一次侧的旁通管路4流回冷却塔，旁通
流量调节通过4反式^:热器1 一次侧的温度传感器16测得的出水温度
控制旁通电动调节阀17的开度实现。
冷却塔的出水温度"和板式换热器1 二次侧的出水温度t4的对
应关系取决于板式换热器l的选型，工程上可近似i人为trt一 ( i ~
2°C )。优选地，系统运行时，当"〈t3-2 ( °C )时，可启动冷却》荅 与冷水才儿组联合供冷运4于才莫式。
与目前常规的冷却塔(直接或间接)供冷系统相比，本发明采 用冷却Jt荅和冷水才几组Jf关合供冷方式，具有冷却^荅供冷的能量利用率 更高、节能效果更好的优点。
本发明在玲反式4奂热器的一次侧i殳旁通管^各和旁通调节阀，并i殳 置多台冷水才几组的冷却水、冷冻水旁通回3各及对应的季节4^l奂阀， 可实现每台冷却塔在低负荷工况下运行，以获取更低的冷却塔出水
温度和更长的冷却塔供冷时间。
另外，本发明具有系统结构简单，冷却水、冷冻水系统回路的 阻力、流量在不同供冷模式下不会发生较大的变化，因此系统运行 稳定可靠。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种冷却塔和冷水机组联合供冷系统，其特征在于，包括制冷机组，用于向所述空调末端系统提供冷冻水；换热器，用于向所述空调末端系统提供冷却水；多台冷却塔，用于选择性地向所述换热器和所述制冷机组提供冷却水；温度检测装置，至少用于检测所述空调末端系统的冷水需求温度和回水温度、以及所述多台冷却塔的出水温度和/或所述换热器的冷却水温度；以及控制装置，根据所述温度检测装置检测到的各温度之间的关系，控制所述多台冷却塔的冷却水同时供给所述换热器和所述制冷机组、或者单独地供给所述换热器或所述制冷机组。
2. 根据权利要求1所述的冷却塔和冷水机组联合供冷系统，其特 征在于，所述控制装置在所述换热器提供的冷却水温度小于所述 空调末端系统的回水温度时，用于控制所迷多台冷却i荅的冷却 水同时供给所述制冷机组和换热器，所述控制装置在所述换热器纟是供的冷却水温度小于所述 空调末端系统的冷水需求温度时，用于控制所述多台冷却塔的 冷却水单独供给所述换热器。
3. 冲艮据权利要求1所述的冷却塔和冷水机组联合供冷系统，其特 征在于，所述控制装置在所述多台冷却塔的出水温度小于所述空 调末端系统的回水温度一预定值时，用于控制所述多台冷却i荅 的冷却水同时供给所述制冷才几组和换热器，所述控制装置在所述换热器提供的冷却水温度小于所述空调末端系统的冷水需求温度时，用于控制所述多台冷却^荅的 冷却水单独供给所述换热器。
4. 纟艮据4又利要求1所述的冷却^荅和冷水才几组联合供冷系统，其特 征在于，所述换热器为板式换热器，所述多台冷却塔通过多台冷却 水泵提供冷却水，所述一反式换热器的一次侧回^各与所述多台冷 却^荅的多台;令却水泵相连。
5. 根据权利要求1所述的冷却塔和冷水机组联合供冷系统，其特 征在于，所迷控制装置包括设置于各管路上的控制阀以及控制各 所述控制阀开启的控制器。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的冷却塔和冷水机组联合供 冷系统，其特征在于，所述换热器的一次侧回路设有旁通回3各，所述旁通回路设 置有流量调节阀。
7. —种冷却塔和冷水机组联合供冷系统的控制方法，所述供冷系 统包括制冷才几《且，用于向所述空调末端系统l是供冷冻水； 换热器，用于向所述空调末端系统l是供冷却水；以及 多台冷却塔，用于选择性地向所述换热器和所述制冷才几组 提供冷却水，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤使所述多台冷却塔在小于满负荷的工况下提供冷却水；当所述多台冷却i荅的出水温度4氐于所述空调末端系统的 回水温度时，使所述多台冷却塔的冷却水同时供给所述换热器 和所述制,令一几纟且；当所述多台冷却i荅的出水温度^f氐于所述空调末端系统的 冷水需求温度时，使多台冷却i荅的冷却水单独供给所述换热器。
8. 根据权利要求7所述的冷却塔和冷水机组联合供冷系统的控 制方法，其特征在于，在所述多台冷却;荅的出水温度低于所述空调末端系统的 回水温度2。C时，使所述多台冷却塔的冷却水同时供给所述换 热器和所述制冷一几纟且。
9. 根据权利要求7所述的冷却塔和冷水机组联合供冷系统的控 制方法，其特;f正在于，还包括通过降低所述多台冷却塔的负荷以降低所述多台冷却塔 的出水温度的步-银。
10.才艮据4又利要求7所述的冷却塔和冷水才几组耳关合供冷系统的控 制方法，其特征在于，还包括当多台冷却塔的供给所述换热器的冷却水的流量大于所 述换热器所需的流量时，4吏多余的冷却水直4妻回流至所述多台 冷却塔的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种冷却塔和冷水机组联合供冷系统，包括制冷机组，用于向空调末端系统提供冷冻水；换热器，用于向空调末端系统提供冷却水；多台冷却塔，用于选择性地向换热器和制冷机组提供冷却水；温度检测装置，至少用于检测多台冷却塔的出水温度和/或换热器的冷却水温度、空调末端系统的冷水需求温度和回水温度；以及控制装置，根据温度检测装置检测的各温度之间的关系，用于控制多台冷却塔的冷却水同时或单独地供给换热器和制冷机组。本发明还公开了冷却塔和冷水机组联合供冷系统的控制方法，本发明采用冷却塔和冷水机组联合供冷方式，具有冷却塔供冷的能量利用率更高、供冷时间更长、节能效果更好的优点。
文档编号F24F3/06GK101650056SQ20091009230
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者敖顺荣 申请人:北京康孚环境控制有限公司