一种环保空调系统的制作方法

本发明涉及空调领域，特别涉及一种环保空调系统。

背景技术：

随着国民经济和科学技术的发展，人们对生活质量的要求日益提高，空调已经成为人们日常的必备品。无论是在私人住宅、写字楼、商业大厦、室内旅游景点、文教建筑还是厂矿、医院、车站、影院，到处可见空调的身影，为人们的工作、生活带来舒适的温度体验。空调属于热泵的一种，在为人们带来凉爽或者温暖的过程中，需要消耗大量的能源。据统计，在中国，供暖、通风、空调系统的能耗能占到建筑物总能耗的40～60％，在加拿大占到59％，马来西亚则占到了55％左右，其中空调系统，特别是处于制冷模式的空调系统，是耗电最大的设备。在空调制冷使用率最高的夏天，家用空调的集中使用甚至会造成供电网络处于超负荷运转的状态而导致后者崩溃。为了防止供电系统崩溃，有时候不得不要求一些生产单位进行限电停产，对国民经济造成的影响不言而喻。为此，探索新型的制冷降温方法，降低空调的能耗，减少温室气体排放，是建设绿色、可持续性发展的和谐社会的重要课题。

目前空调领域的主流制冷技术为压缩机制冷，其原理为：合适的工质在低压下汽化吸收热量，然后在高压下液化放出所吸收的热量的过程，然后工质循环回到低压处，重复该过程，从而实现将热量不断地从较低温度的地方转移到较高温度的地方。目前常用的工质有氟利昂制冷剂、碳氢化合物制冷剂、无机化合物制冷剂及共沸混合物制冷剂，其中应用最为普遍的是氟利昂制冷剂。氟利昂是一系列含氟有机物的统称，凝固点较低，在较低压下容易汽化，在较高压力下则容易液化，具有最优的综合性能。但是，众所周知的，氟利昂对大气臭氧层具有严重的破坏作用，会导致臭氧层失去对紫外线的屏障作用，最终对地球上的生物造成致命伤害。此外，某些氟利昂产品也是温室气体，会像二氧化碳一样加重气候变暖。目前，会严重破坏臭氧层的氟利昂产品在国际上已经被禁止作为空调制冷剂使用，甚至已经禁止生产。还在使用的氟利昂制冷剂均经过了一定程度的改良，在保证其作为空调工质的可接受的性能的前提下，尽量降低其对环境、人体的危害。但是总体来说，作为一种人工合成的化学物质，在生产和使用过程中，氟利昂对环境和人体潜在的危害仍然存在。

空调行业的另外一大类制冷技术可归纳为非压缩机技术。该类技术实际上也是利用了工质在蒸发相变的过程中的吸热效应，但是蒸发通常在常压下或负压的条件下发生，蒸发后的工质不使用压缩的方法进行液化。由于省掉了最耗能的压缩机，非压缩机空调有可能可以实现更低的运行能耗，特别是在大功率空调领域，具有特别的优势。该类制冷空调设备通常以水或者水溶液作为工质，因此还避免了使用对环境有潜在危害性的氟利昂。非压缩机空调可分为直接蒸发冷却方式和节流膨胀方式。直接蒸发式非压缩机空调操作时通常以干空气吹扫的方式或者抽真空的方式促进工质的蒸发以提高效率。节流膨胀式非压缩机空调以溴化锂吸收机组为代表，运行时需要额外热源先让工质蒸发，提供压力，再利用外部冷源使工质蒸汽在较高的压力下液化，然后让液化的水进行节流膨胀从而实现汽化降温。

采用空气吹扫方式的直接蒸发式非压缩空调设备，最经典的就是冷却塔，其特点就是：工艺简单，处理量可以做的很大，造价低廉，但是通常效果不够好。在夏天时段，国内很多地方的普通凉水塔极限出水水温均超过28℃，并不能直接作为中央空调用水，只能作为工业工艺冷却水，需要辅助使用压缩空调制冷设备进一步冷却达到空调要求的温度。吹扫式直接蒸发设备最重要的限制因素是吹扫空气的相对湿度(或者对应的湿球温度)，相对湿度过高、湿球温度过高(即高温高湿的环境下)，该类设备制冷效果差；相对湿度越低，湿球温度越低，该类设备越容易获得低的温度。为提高该类设备的制冷效果，通常需要对吹扫气进行除湿。如专利cn207849601u所描述的一种数据机房热回收高效冷却空调系统，新风经过溶液吸收池除湿后，经过间接蒸发换热、直接蒸发换热，再与数据机房回风换热升温，达到数据机房的要求温湿度后，给数据机房供风。间接蒸发、直接蒸发的工质均为水。溶液吸收池除湿工质为溶液类干燥剂，工作过程中利用数据机房回风进行加热吹扫进行脱水再生。整个系统工作过程中需要按时往蒸发换热池中补水。而专利cn104154611a则描述了一种太阳能除湿型蒸发式冷却空调机组，该机组设置了转轮除湿机，新空气经转轮除湿机处理后得到干燥空气，其中一部分干燥空气进入喷水室增湿降温，与另外一部分未经增湿降温的干燥空气混合得到符合处理要求的空气，供给建筑物使用。该机组工作过程中，将建筑物回风经太阳能集热器加热后供给转轮除湿机用于除湿材料脱水再生。如上所述两个专利方案的核心关键都是除湿环节，如果除湿效果不好，空调降温的效果就达不到预期。此外，除湿环节的能耗指标也是至关重要的，甚至决定了该类降温空调的经济可行性。专利cn207849601u为解决该问题采用的是机房回风吹扫的方式，但通常机房回风温度一般不会太高，对干燥剂的再生能力要求会非常苛刻，专利cn104154611a则采用了太阳能集热的方式，但是在很多地方太阳能并不是那么的可靠。由此可见，目前的吹扫降温方式还是存在一定的缺陷。此外，该两个方案，水都是直接排到尾气中去，使用过程中需要大量消耗水，并不利于节约水资源。

采用抽真空方式的直接蒸发式非压缩空调设备以液体平衡蒸汽压与蒸发室绝压差作为蒸发的推动力，理论上可以不受外部环境的影响，只要蒸发室绝压足够低、蒸发时间足够大，就可以将工质温度降到足够低的程度。该领域已经有众多专利发表。如专利cn101922769b，描述了一种水蒸发式环保制冷空调及其制冷方法，即利用排风风机形成一定的负压，将空气抽入内设帘式吸水结构的蒸发腔体内，在负压环境下水分蒸发到空气中，同时使水及空气降温，降温增湿后的空气经过排风机排到需要降温的环境中。专利cn201811365u则描述了一种节能环保的中央空调，由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流器、真空泵、喷洒装置及连接配管组成封闭式主机系统，真空泵与压缩机分别与蒸发器连接，彼此之间不相连，真空泵提供真空环境，喷洒装置喷洒工质水蒸发降温，蒸发的水蒸气则由压缩机压缩后升温升压达到过饱和状态在冷凝器通过喷洒冷水降温冷凝，冷凝水则由中央空调配套的冷却塔冷却后部分返回蒸发器。专利cn203907841u描述了一种水制冷空调，包括储水罐、膨胀阀、蒸发器、真空抽吸机和电控系统，储水罐与蒸发器相连，中间设置膨胀阀，真空抽吸机与蒸发器相连，直接将蒸发器中的水蒸气抽到大气中，从而实现降温的目的。专利cn204717946u描述了一种太阳能真空空调，设置了太阳能电池板、蒸发器、水环真空泵、风机、蒸汽冷凝仓阻气排液阀等，利用太阳能转变成电，驱动水环真空泵，将蒸发器中的水低压蒸发降温，水蒸气排到蒸汽冷凝仓用风机冷下来，然后再返回到蒸发器里。以上专利均存在一定的缺陷，其中专利cn101922769b实际仍为吹扫式蒸发空调，较之后者的提高并不明显；专利cn201811365u真空泵和压缩机同时工作，蒸汽冷凝需要的能耗实际上只是转移到了冷却塔上，一点都没有节省，还额外增加了压缩机做工增加的热能需要转走，还没有考虑真空泵和压缩机的电耗，因此是不可行的；专利cn203907841u完全靠真空抽吸机对蒸发的水汽进行抽吸排到大气中，在常规的降温目标(约20℃)、可接受的效率下，真空泵的功耗将非常大，远远大于常规压缩空调的电耗；专利cn204717946u与专利cn203907841u一样，需要非常大的抽气能耗，方案中尝试了采取太阳能发电的方式来获取廉价能源以期解决该问题，但并没有从根本上解决制冷效率的问题，更何况太阳能的可靠性本身就是个问题。此外专利cn101922769b、cn203907841u所述工艺均存在工质水的损耗。因此现有的抽真空辅助蒸发的工艺仍普遍存在制冷效率过低、水损耗的问题，限制了方案的实际应用。

节流膨胀式非压缩机空调目前已经实现了商业化应用，根据外部热源种类通常分为蒸汽型、直燃型、热水型和太阳能型。由于需要额外的热源，该种类的空调只适合于用在具有廉价的、稳定的蒸汽或者热水作为热源的或者电力供应不稳定的、燃料供应充足的区域，以及太阳能充足的区域。随着国家对碳排放的控制愈加严格，该类空调的适用范围在不断缩减。同时该类空调由于使用的是卤盐溶液作为循环工质，对设备的腐蚀也是一个无法避免的巨大挑战。

综上所述，无论是压缩空调制冷技术还是非压缩空调制冷技术，均还存在不够完美的地方。压缩空调制冷技术已经经过了多年的发展和使用，优点和缺点都已经很固化，实现技术上革命性的突破已经不容易。非压缩空调，特别是以水为工质的直接蒸发式非压缩空调，在工质的安全性、易得性上较之压缩机空调有着本质上的优势，如果能切实可行地提高其制冷效率，必然能在空调制冷领域带来一场革命。

如前所述，以水/水溶液为工质的直接蒸发式非压缩机空调是空调制冷行业发展的最有希望的突破点之一，但是其距离大规模使用还有诸多难题需要跨越。水/水溶液为工质的直接蒸发式非压缩机空调应用的如下几个关键性的技术问题：

1、制冷效率的问题

如前所述，制冷效率是决定以水/水溶液为工质的直接蒸发式水空调(能否实际大规模使用的核心性问题。在彻底解决该问题之前，水空调只能作为一种辅助的、有限的空调降温技术，必须辅以额外的热源，才能有有限的应用空间。本发明通过工艺过程的设计与优化，可以实现水空调在不需要额外热源辅助的前提下，达到甚至超过普通压缩机空调的制冷效率。

2、工质的再生问题

如前所述，目前的直接蒸发水空调方案难以实现工质水的再利用，都直接随着吹扫气排入大气中，不能循环利用。

3、对额外的热源或者冷源的依赖性问题

如前所述，带脱水装置的水空调，往往需要额外的能源进行吸附质的再生，有些还必须配置额外的冷源，如凉水塔、深井水等。

4、制热功能及效率问题

如前所述，目前的直接蒸发式水空调，都只考虑了降温问题。

5、整体流程优化的问题

考虑到不同的季节和地域环境的条件都不同，能耗会增大。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种环保空调系统，其能够节约水资源，投入成本低，可以实现较高效率的制热，克服了之前水空调不能兼顾制热的弊端。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种环保空调系统，包括真空蒸发系统、真空冷凝系统及凉水循环系统，其特征在于，所述真空蒸发系统包括真空蒸发器和冷水罐，所述真空蒸发器上设有循环水入口，凉水出口及水蒸汽出口，所述凉水出口与冷水罐通过管道连通，所述真空蒸发器的的循环水入口通过管道连接有补水罐且在真空蒸发器与补水罐之间的管道上设有补水阀；

所述真空冷凝系统主要包括二级真空泵、加热器、冷凝器、一级真空泵、暖风机和冷凝液罐，所述二级真空泵的入气口与真空蒸发器的蒸汽出口通过管道连接，所述二级真空泵的出气口与加热器相连，所述加热器的出口与冷凝器入口相连，所述冷凝器的出口分别与一级真空泵的进气口和冷凝液罐的进液口相连接，所述一级真空泵的排气口直接对着大气，所述冷凝液罐的出液口与真空蒸发器的循环水入口相连接，所述一级真空泵与冷凝液罐之间的管道上设有用于降温的喷淋罐；

所述凉水循环系统包括供水泵、气液换热器、冷风机及泄压阀，所述供水泵与冷水罐出水口相连后与气液换热器入口相连，所述气液换热器出口经泄压阀后与真空蒸发器循环水入口相连。

作为改进，所述真空蒸发器为填料塔、斜板塔或带喷淋装置的罐类容器，或者是具有多孔结构的疏水膜蒸发装置，以及优先透过水蒸气的无孔膜装置等能保持必要的真空度且有利于创造出丰富的工质蒸发需要的气液相界面的设备。

作为改进，所述一级真空泵为水环泵、悬片泵、无油立式泵及爪式泵中的任一种类型的真空泵。

作为改进，所述一级真空泵为优选无油立式往复真空泵。

作为改进，所述二级真空泵优选罗茨真空泵。

作为改进，所述冷凝器为空气表冷器、列管换热器、板式换热器、螺旋缠绕管式换热器或螺旋板式换热器中的任意一种或者多种的组合。

作为改进，所述冷凝器优选空气表冷器。

作为改进，所述气液换热器可以是表冷器、列管换热器、板式换热器、螺旋管式换热器中的任意一种。

作为改进，所述气液换热器优选表冷器。

本发明的有益效果为：

本发明采用两级真空泵贯序组合来组成真空系统，在两级真空泵序列的某两个真空泵之间进行蒸发工质的冷凝，并通过冷凝液罐与真空蒸发器的位置设置来实现冷凝液自动补回真空蒸发罐，只需要采用软化水或者纯净水作为工质，且绝大部分工质用水可以循环利用，节约了水资源；在冷凝器前面设置加热装置，能够实现蒸汽提温，以便将蒸汽用于加热，能够实现循环风的更新、冷暖循环风的切换，通过附设喷淋罐，实现较低温、干燥工况下直接采用空气吹扫实现降温；不需要额外的有偿热能或者冷能供应，只要有水、有电即可达到降温的目的；可以实现较高效率的制热，克服了之前水空调不能兼顾制热的弊端。

附图说明

图1为本发明的系统总流程图；

图2为本发明的冷暖风循环示意图；

图3为本发明的冷暖风切换流程示意图.

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-3所示，一种环保空调系统,包括真空蒸发器、冷水罐、供水泵、气液换热器、减压阀、补水罐、补水阀、冷风机、暖风机、喷淋罐、二级真空泵、加热器、冷凝器、一级真空泵和冷凝液罐，分为真空蒸发系统，真空冷凝系统和凉水循环系统三大部分。

所述真空蒸发系统主要包括真空蒸发器和冷水罐，真空蒸发器应设有循环水入口，凉水出口及水蒸汽出口三个连接口。冷水罐包含凉水入口和凉水出口，位于真空蒸发器下方。工质水或者水溶液(经节流减压或者不经节流减压)进入真空蒸发器后，工质中的部分水分在较高真空状态下发生瞬间汽化，汽化过程工质自身温度降低，获得较低温度的凉水，凉水依靠自身重力，流入冷水罐。真空蒸发器可以是但不限于填料塔、斜板塔、或者其它带喷淋装置的罐类容器，也可以是具有多孔结构的疏水膜蒸发装置，或者是优先透过水蒸气的无孔膜装置，只要能保持必要的真空度且有利于创造出丰富的工质蒸发需要的气液相界面即可。真空蒸发器凉水出口与冷水罐凉水入口通过管道连接。也可以将真空蒸发器与冷水罐做成一体式的，相当于将真空蒸发器分成真空蒸发段和存液段，此种情况下则没有真空蒸发器凉水出口和冷水罐凉水入口。

所述真空冷凝系统主要包括二级真空泵、加热器、冷凝器、一级真空泵、暖风机和冷凝液罐。二级真空泵的入气口与真空蒸发器的蒸汽出口通过管道连接，二级真空泵的出气口与加热器相连，加热器相应的出口与冷凝器入口相连，冷凝器的出口分别与一级真空泵的进气口和冷凝液罐的进液口相连接，一级真空泵的排气口直接对着大气，冷凝液罐的出液口与真空蒸发器的循环水入口相连接。一级真空泵与二级真空泵共同提供真空蒸发器所需要的真空度且整个真空系统中真空蒸发器中的真空度最高，绝对压强最低，约为2000pa。二级真空泵选用在较高真空度下具有较大抽气量的真空泵，优选罗茨真空泵。一级真空泵可选择水环泵、悬片泵、无油立式泵、爪式泵等任一种类型的真空泵，优选无油立式往复真空泵。真空蒸发器中的气体绝大部分为真空蒸发形成的水蒸气。该水蒸气经过二级真空泵后，由于二级真空泵做功，温度有一定提高，同时绝对压强提高到约6000pa左右，在一级真空泵的牵引下进入冷凝器。在该压强下的水蒸气的凝结温度约为35℃。在制冷模式下冷凝器采用温度低于35℃的外来冷媒对该水蒸气进行降温，使得绝大部分的水蒸气凝结成液态水，流入冷凝液罐中。剩余的未凝结水蒸气和不凝气经由一级真空泵后变成常压，直接排到大气中。冷凝器可选用空气表冷器、列管换热器、板式换热器、螺旋缠绕管式换热器以及螺旋板式换热器等类型，优选空气表冷器；冷媒可以选择自然空气、加湿降温空气、深井水、自来水等温度低于35℃的冷媒，优选自然空气。在优选情况下暖风机将空气直接驱动吹扫经过表冷器，将水蒸汽降温冷凝。在干球温度高于35℃但湿球温度低于35℃的使用场合，可设置一喷淋装置，对吹扫空气进行加湿降温。一级真空泵和二级真空泵的冷却水用量较少，可用本发明方案设备所产凉水或者直接用补充软化水进行冷却。使用后的冷却水收集到补水罐用于真空蒸发器补水。在制热模式下，加热器开启，将经过加热器的水蒸汽被加热到35℃以上，然后进入冷凝器并在该温度下冷凝，将水蒸汽中的热焓释放到空气中。此时热风机直接将建筑物内的空气牵引吹扫经过冷凝器，获得暖风再供给建筑物。可以在风机前面设置一新风入口，部分新风与排风进行换热后进入暖风循环系统。暖风循环系统与冷风循环系统共用一个通风管道，中间设置阀门避免其在使用过程中互相干扰。制热模式下将一级真空泵及二级真空泵出来的冷却降温水直接引到真空蒸发器作为蒸发工质，充分利用该部分热量用于蒸发，不足部分通过冷风机吹扫气液换热器从大气中获取(见图3)，从而制备出足够的低压蒸汽。冷凝液罐内的气体压力高于真空蒸发器，设置冷凝液罐最低液位点低于真空蒸发器循环水入口连接点约0.5m，设备运行过程中冷凝液罐中的冷凝液自动补充进入真空蒸发器。

凉水循环系统包括供水泵、气液换热器、冷风机、泄压阀。供水泵与冷水罐出水口相连后与气液换热器入口相连。供水泵设置位置低于冷水罐，以便提供足够的汽蚀高度。供水泵可选离心泵、涡流泵、管道泵等的任意一种。气液换热器出口经泄压阀后与真空蒸发器循环水入口相连。凉水经由供水泵提压后泵入气液换热器。气液换热器可以是表冷器、列管换热器、板式换热器、螺旋管式换热器等的任意一种，只要能有效将凉水的冷量传递给循环空气即可，优选表冷器。制冷模式下，冷风机将封闭建筑物中的空气驱动吹过气液换热器，凉水中的冷量转到空气中，空气中的热量转移到凉水中，从而实现空气的降温。经降温后的空气通过通风管道供给封闭建筑物。可以在风机前面设置一新风入口，部分新风与建筑物排风进行换热后进入凉风循环系统。如前所述，凉风循环系统与暖风循环系统共用一套通风管道，通过一些列的阀门设计实现凉风与暖风的相互隔离。从气液换热器出来的凉水，温度已经升高，经泄压阀再次通过真空蒸发器的循环入水口进入真空蒸发器进行蒸发降温。泄压阀可以是专门的阀门，也可以是具有泄压作用的管路。经过泄压阀后，凉水的压力降低到真空蒸发器的工作压力。在制热模式下，冷风机进风完全采用大气空气，排风直接排到空气中，从而实现从空气中收集热量。冷风机也可以设置在建筑物中的每一个房间，此时风路适当改变。

对于空气比较干燥的工况，可以将干燥空气采用附设的喷淋罐对冷却水冷却达到要求的温度后，经由供暖循环风系统供给建筑物，从而进达到一步节能的目的。喷淋罐也可以设置成常规的凉水塔。

实施例：

采用1个直径1m、高度2m、内设喷淋管的真空蒸发器，配套功率7.5kw的一级真空泵一台，功率为37kw的二级真空泵一台，表冷空气换热器一个及配套设备若干，按本发明方案组成空调，对循环水进行制冷，循环水入口温度为24℃，产出凉水温度为18℃，凉水循环量22吨/h，综合制冷效率约为3.3，达到2级节能空调的指标。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。