一种超高能效冷热联产区域能源供应方法及系统与流程

本发明涉及能源技术领域，特别是一种超高能效冷热联产区域能源供应方法及系统。

背景技术：

常规空调系统主要由制冷剂循环、冷却水(或空气)循环、冷冻水(或空气)循环组成。空调房间的冷负荷通过蒸发器进入制冷剂循环,变成冷凝排热的一部分,再通过冷却水(或空气)循环排放到大气中去。因此,对于常规空调制冷机,空调系统的冷凝热直接排放到大气中而未加以利用。制冷机组在空调工况下运行时向大气环境排放大量的冷凝热,通常冷凝热可达到制冷量的1.15～1.3倍。大量的冷凝热直接排入大气,白白散失掉,造成较大的能源浪费,这些热量的散发又使周围环境温度升高,造成严重的环境热污染和大气温室效应。若将制冷机放出的冷凝热予以回收用来加热生活热水和生产工艺热水,不但可以减少冷凝热对环境造成的热污染,而且还是一种变废为宝的节能方法。

近年来,随着世界范围内能源与环境问题日趋严重,对空调系统冷凝热热回收的研究与应用也越来越多。

现有的冷凝热热回收技术是将需加热的生活热水代替冷却介质直接通入冷凝器并反复循环提高水温，这样造成了冷凝压力波动大，严重影响制冷机的稳定运行，既增加了压缩机的功耗，又减少了压缩机的寿命。同时制取的生活热水往往温度不够高，需要采取其他的技术措施，如利用热泵技术（空气源或者水源）与电加热技术或燃气等作为热回收系统的辅助，若热泵热水器会增加大量初投资。若采用电加热器或燃油燃气锅炉不但会增加初投资，而且使用电、燃油或燃气供热，如提供生活热水，则会导致整个系统的一次能源使用效率降低。而单纯的提高冷凝温度会使制冷系统的效率降低。

因此，需要进一步加强对冷凝热热回收型空调系统的整体优化匹配的理论与实验研究，制定和完善空调制冷系统热回收技术标准和规范。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种效率高，运行稳定，节约成本，节能效果显著的超高能效冷热联产区域能源供应方法及系统。

本发明的技术方案是：

本发明之一种超高能效冷热联产区域能源供应方法，包括以下步骤：

（1）制冷剂回路：对蒸发器输出的低温气态制冷剂进行气液分离和热交换，形成低温低压过热制冷剂蒸汽，再经低压压缩机压缩成中温中压过热制冷剂蒸气，并分别进入低温侧分路和高温侧分路中；

（2）高温侧分路：较高冷凝温度下运行，降低中温中压过热制冷剂蒸气的过热度以满足高压压缩机的过热度要求，再经高压压缩机压缩成高温高压制冷剂蒸汽，高温高压制冷剂蒸汽经高温冷凝器冷凝、过冷器再次降温，再由膨胀阀降压至低温侧的压力后，与低温侧分路的制冷剂汇合形成制冷剂气液混合物，制冷剂气液混合物与蒸发器输出的低温蒸汽进行热交换，以使低压压缩机吸入具有一定过热度的蒸气；

（3）低温侧分路：较低冷凝温度下运行，中温中压过热制冷剂蒸气进入低温冷凝器中冷凝后，与高温侧分路的制冷剂汇合形成制冷剂气液混合物，制冷剂气液混合物与蒸发器输出的低温蒸汽进行热交换，以使低压压缩机吸入具有一定过热度的蒸气。

进一步，所述制冷剂气液混合物与蒸发器输出的低温蒸气进行热交换后，经膨胀阀膨胀后，形成低温低压制冷剂，并进入蒸发器进行蒸发，如此循环。

进一步，所述蒸发器输出的低温气态制冷剂进入带回热的气液分离器中进行气液分离，且高温侧分路的制冷剂与低温侧分路的制冷剂在气液分离器的回热器内汇合与气液分离器中分离后的液体进行热交换，使高压液体制冷剂过冷，同时使低压压缩机吸入具有满足过热度要求的蒸气。

进一步，所述低温侧分路中，低温冷凝器内经热交换升温后的冷却水通过第一循环水泵和阀门输送至生活用水或卫生用水区域进行回收利用。

进一步，还包括热回收水管路的操作步骤，具体为：

生活热水给水从市政给水进入热水给水箱，热水在热回收水管路和热水给水箱之间循环，热水通过过冷器、过热回收器和高温冷凝器依次加热，或者热水通过过冷器和高温冷凝器依次加热；温度由低到高，且热水流向与换热介质逆流布置。

进一步，当高温冷凝器的进水温度达到设定温度低值时，第二循环水泵开启，同时打开市政给水的阀门，使部分给水进入太阳能蓄热水箱，经过第二循环水泵提升进入屋顶的太阳能集热器吸收热量后，回到太阳能蓄热水箱，再进入热水给水箱，用于生活热水给水；当高温冷凝器的进水温度达到设定温度高值时，第二循环水泵停止，同时减小市政给水的阀门开度或者关闭太阳能热水系统。

进一步，还包括润滑油管路的操作步骤，具体为：中温中压过热制冷剂蒸气经高压压缩机压缩成高温高压制冷剂蒸汽，高温高压制冷剂蒸汽进入油分离器，分离出高温高压制冷剂蒸汽中的润滑油，分离出的润滑油进入油冷却器进行冷却；冷却后的润滑油再进入高压压缩机进行循环利用。

本发明之一种超高能效冷热联产区域能源供应系统，包括制冷剂回路系统、高温侧分路系统和低温侧分路系统；

所述制冷剂回路系统包括：

蒸发器，用于通过制冷剂蒸发，吸收被冷却物的热量，从而达到制冷，制冷剂进入带回热的气液分离器；

带回热的气液分离器，用于使制冷剂的气液混合物进行分离，以防止液体进入压缩机产生液击，并利用分离器中分离后的液体再蒸发时的制冷量，使高压液体制冷剂过冷，减小节流损失；

低压压缩机，用于抽吸所述低温低压过热制冷剂蒸汽，将其压缩成中温中压过热制冷剂蒸气，并分别进入低温侧分路系统和高温侧分路系统中；

所述高温侧分路系统包括：

过热回收器，用于降低所述中温中压过热制冷剂蒸气的过热度以满足高压压缩机的过热度要求；

高压压缩机，用于将中温中压过热制冷剂蒸气压缩成高温高压制冷剂蒸汽；

高温冷凝器，用于对高温高压制冷剂蒸汽进行冷凝；高温冷凝器还依次与过冷器、膨胀阀和带回热的气液分离器管路连接；

所述低温侧分路系统包括：

低温冷凝器，用于对所述中温中压过热制冷剂蒸气进行冷凝，低温冷凝器还与带回热的气液分离器管路连接，用于与高温侧分路系统输出的制冷剂在带回热的气液分离器内汇合，并与蒸发器输出的低温蒸汽进行热交换，使低压压缩机吸入具有一定过热度的蒸气。

其中，制冷剂回路系统与低温侧分路系统和高温侧分路系统之间通过电动三通阀连接；或者每条分路与冷剂回路系统之间均设有电动阀。

进一步，能源供应系统还包括热回收水管路系统，所述热回收水管路系统包括热水给水箱，热水给水箱的入水口管道连接市政给水系统；或者市政给水系统经太阳能热水辅助系统连接热水给水箱的入水口；热水给水箱的出水口依次与过冷器、过热回收器和高温冷凝器管道连接；或者热水给水箱的出水口依次与过冷器和高温冷凝器管道连接；所述热水给水箱的出水口管道连接生活热水给水系统；所述高温冷凝器的出水口经第二循环水泵连接热水给水箱，高温冷凝器的出水口处设有温度传感器。

进一步，所述低温冷凝器内经热交换升温后的冷却水通过第一循环水泵和阀门输送至生活用水或卫生用水区域进行回收利用。

本发明的工作原理为：

从蒸发器出来的低温气态制冷剂，在进入低压压缩机前先经过一个带回热的气液分离器，在回热器中低温蒸气与来自高温冷凝器的高温制冷剂进行热交换，以使低压压缩机吸入具有一定过热度的蒸气，低压压缩机吸入一定量的低温低压过热制冷剂蒸气，压缩成中温中压过热制冷剂蒸气后，进入电动三通阀，由电动三通阀根据生活热水需求量调节高温侧与冷凝侧制冷剂流量。

在高温侧分路中，中温中压的过热制冷剂蒸气先经过过热回收器降低过热度，达到饱和状态，降低过热度的同时放热给生活热水。再被高压压缩机吸入进行温度和压力的再次提升，然后进入高温冷凝器中被冷凝，通过过冷器，接着由膨胀阀节流降压至低温侧的高压后与低温侧制冷剂汇合进入带回热的气液分离器。

在低温侧分路中，通过电动三通阀的制冷剂蒸气直接进入低温冷凝器中被冷凝，然后与高温侧的制冷剂汇合后进入带回热的气液分离器。

汇合的制冷剂气液混合物，在带回热的气液分离器中与蒸发器出口的低温蒸气进行热交换，使得进入膨胀阀e的高温高压制冷剂具有一定的过冷度，在膨胀阀中进行一个不可逆绝热膨胀过程，膨胀终了的低温低压液体进入蒸发器进行蒸发。如此循环，完成一个超高能效的冷热联产循环。

对于太阳能热水辅助系统，根据补水需求量调节市政管网进水阀门开度，需加热的水进入太阳能蓄热水箱，接着进入太阳能集热器吸收热量，升高温度，再进入生活热水箱与冷凝热回收系统制取热水混合。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供不同的冷凝温度，适用于需要不同热源温度的场合；可回收制冷系统冷凝热达50%-70%，有效地解决冷凝热额外排放造成的能源浪费及环境问题；而且可以降低制备生产、生活热水所需的高品位能耗。

（2）本发明不需要采取热泵，燃气，电等技术措施进行热水温度的二次提升，采用太阳能热水进行补充，清洁，高效；虽初投资较高，但运行费用比电辅助减少约50%。

（3）本发明采用双压缩机双冷凝器制冷循环，可提供不同的冷凝温度，适用于需要不同热源温度的场合；由于不同的冷凝温度对应不同的压力，双压缩机可采用不同的压缩比，高低压差越大，节能效果越明显。

（4）高温侧与低温侧的高低压压缩机的压缩比合理搭配，可以减少过热损失，能有效减少压缩机的总耗功量。

（5）采用太阳能热水系统作为辅助热源，不对冷凝热回收系统制取的生活热水进行温度的二次提升，而是在用水需求大时直接补充70-80℃热水；太阳能作为可再生能源，储量大，而且对环境无污染。

（6）热水给水箱的出水口依次与过冷器、过热回收器和高温冷凝器管道连接，或者热水给水箱的出水口依次与过冷器和高温冷凝器管道连接；当排气温度过高时，较多较低温度的水流经过热回收器，当排气温度过低时，大部分较低温度的水不流经过热回收器进行换热，从而保证热回收系统的稳定运行。

（7）带热回收的气液分离器，来自蒸发器的低温制冷剂，在进入压缩机前先经过带热回收的气液分离器，利用分离器中分离后的液体再蒸发时的制冷量，使高压液体制冷剂过冷，减少节流损失，并保证低压压缩机吸入具有一定过热度的蒸汽；

（8）需要加热的热水管路依次经过过冷器，过热回收器，高温冷凝器，温度由低到高，逐步被加热，且热水流向与换热介质逆流布置，加大传热效率。

（9）系统结构简单，而且可对现有制冷系统进行改造，只需增加高温侧管路与设备即可完成生活热水的制备，大大节约成本；

（10）合理地回收了各部分的热量，减少了高低温冷凝器的换热面积，提高系统总能效率5%-10%。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

附图标记：

1-蒸发器；2-气液分离器；3-低压压缩机；4-电动三通阀a；5-过热回收器；6-高压压缩机；7-油分离器；8-高温冷凝器；9-过冷器；10-膨胀阀d；11-低温冷凝器；12-膨胀阀e；13-电动三通阀b；14-油冷却器；15-循环水泵a；16-电动三通阀c；17-散热水体；18-蓄热水体；19-热水给水箱；20-太阳能蓄热水箱；21-太阳能集热器；22-循环水泵b；23-温度控制器；24-市政给水；25-生活热水给水；26-市政给水。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

一种超高能效冷热联产区域能源供应系统，包括蒸发器、低压压缩机、高压压缩机、高温冷凝器、低温冷凝器、膨胀阀、电动三通阀、循环水泵、温度传感器、带热回收的气液分离器、太阳能集热器和太阳能蓄热水箱，形成双压缩机双冷凝器与太阳能热水辅助系统。充分利用了冷热联产区域能源供应系统的余热，使总能系统的效率提高5%-10%。回收制冷系统冷凝热达50%-70%。综合利用高压和低压压缩机与高温和低温冷凝器之间的配合，实现了冷凝热的全热回收，使生活热水出水温度达70-80℃，不需要结合热泵机组，燃气，燃煤锅炉或者电辅助这种高品位热源进行二次升温。其中，上述设备的功能为：

蒸发器，通过制冷剂蒸发，吸收被冷却物的热量，从而达到制冷。

低压压缩机，抽吸来自蒸发器的低温低压气态制冷剂使之增压，提高其饱和温度，使其达到设定值。

高压压缩机，抽吸通过过热回收器的加压气态制冷剂使之再次增压，饱和温度再一次提高，使其达到设定值。

过热回收器，使低压压缩机的排气温度冷却至饱和状态。

低温冷凝器，将低压压缩机排出的中温中压气态制冷剂在较低的冷凝温度下予以冷却，使之液化，以便制冷剂在系统中循环使用。

高温冷凝器，将高压压缩机排出的高温高压气态制冷剂在较高的冷凝温度下予以冷却，使之液化，以便制冷剂在系统中循环使用。

膨胀阀d，使中温高压的液体制冷剂节流，使之与低温冷凝器出口处的制冷剂压力一致。

膨胀阀e，一是使中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，然后制冷剂湿蒸汽在蒸发器中吸收热量达到制冷效果；二是调节供入蒸发器的制冷剂流量，以适应蒸发器热负荷变化。

电动三通阀，用于调节蒸汽或冷热水的流量；其中：

电动三通阀a，根据季节变化，对生活热水的需求量不同，调节通过低压压缩机与高压压缩机的制冷剂流量；

电动三通阀b，控制高压压缩机的排气温度，根据高压压缩机的排气温度调节通过过热回收器的水流量；例如：当排气温度过高时，较多较低温度的水流经过热回收器，当排气温度过低时，大部分较低温度的水从电动三通阀旁通，不流经过热回收器进行换热，从而保证热回收系统的稳定运行。

循环水泵，用于输送流体或使其增压的设备。

油分离器，用于将高压压缩机排出的高压蒸汽中的润滑油进行分离，以保证装置安全高效地运行；根据降低气流速度和改变气流方向的分油原理，使高压蒸汽中的油粒在重力作用下得以分离。

油冷却器，使具有一定温差的两种流体介质实现热交换，从而达到降低油温，保证系统正常运行的目的。

气液分离器，使制冷剂的气液混合物进行分离，以防止液体进入压缩机产生液击，并利用分离器中分离后的液体再蒸发时的制冷量，使高压液体制冷剂过冷，减小节流损失，提高系统的性能系数。

过冷器，是一种换热器，通过制冷剂自身节流蒸发吸收热量从而使另一部分制冷剂得到过冷，可以使循环的单位制冷量和制冷系数增大，同时采用液体过冷，还可以防止制冷剂液体在节流机构前汽化，保证节流机构工作稳定。

下面将以某矿坑生态修复利用工程冰雪世界项目为例，讲述利用本超高能效冷热联产区域能源供应系统进行冷凝热回收。

工程概况：

本工程为冰雪世界项目，属公共文体娱乐建筑，建筑功能为大型冰雪乐园，室外雪乐园及其配套的门厅，更衣休息厅，餐饮等，其中雪乐园建筑面积为9.1万m²，室外水乐园建筑面积约为10000m²。雪乐园主体部分建筑面积约为3.7万m²，为单层24m净高空间；公共配套区域地下2层，地下2-3层，建筑总高度约14.5m。室外水乐园由屋顶水乐园，入口上区水乐园以及坑底下区水乐园三大主题分区组成。

本系统用于回收室内雪乐园的冷凝热量，室内雪乐园采用工艺氨制冷机，氨制冷机的冷凝热回收除了供雪乐园防冻和融霜外有大量富裕量，大部分时间从700-3700kw不等。对这部分热量进行冷凝热回收，制取生活热水。

本项目中冰雪世界内餐饮，员工淋浴，洗衣房，水乐园餐饮，水乐园游客淋浴都需大量生活热水。其中冰雪世界内餐饮，员工淋浴，洗衣房等处热水需求量全年基本相当，冬季略高。而水乐园餐饮与水乐园游客淋浴所需热水则在夏季达到峰值，相比春秋冬三季涨幅明显，因而夏季能充分利用太阳能热水辅助系统。

冰雪世界工程设计条件：

营业时间：09:00-22:00；

造雪和维护时间：22:00-07:00；

室外温度（夏季）：干球温度：35.7℃，湿球温度：27℃；

室外温度（冬季）：干球温度：-6℃，2.3g/kghr；

室内滑雪区空气温度:-1~-3℃，相对湿度：70%r.h；

室内滑雪区附属房间：23-26℃，相对湿度：50%r.h；

氨制冷系统蒸发温度：-15℃；

氨制冷系统冷凝温度：40℃。

如图1所示，系统制冷剂回路的工作流程具体为：

进入夏季运行工况时，从蒸发器1出来的低温气态制冷剂，在进入低压压缩机3前先经过一个带回热器的气液分离器2，在回热器中低温蒸气与来自高温冷凝器8的高温制冷剂进行热交换，以使低压压缩机3吸入具有一定过热度的蒸气，低压压缩机3吸入一定量的低温低压过热制冷剂蒸气，压缩成中温中压过热制冷剂蒸气后，进入电动三通阀a，夏季工况下由于恒温游泳馆水体晚上需要热量，因而根据游泳馆所需热量来调节电动三通阀a的开度，由此来控制高温侧与低温侧制冷剂流量。

在高温侧分路中，中温中压的过热制冷剂蒸气先经过过热回收器5降低过热度，达到饱和状态，降低过热度的同时放热给生活热水；再被高压压缩机6吸入进行温度和压力的再次提升，提升后的高温高压制冷剂蒸汽进入油分离器7，分离出高温高压制冷剂蒸汽中的润滑油，分离出的润滑油进入油冷却器14进行冷却，降低油温；冷却后的润滑油再进入高压压缩机6进行循环利用。而分离后的高温高压制冷剂蒸汽进入高温冷凝器8中被冷凝，通过过冷器9，接着由膨胀阀d10节流降压至低温侧的压力后与低温侧制冷剂汇合进入带回热器的气液分离器2。

在低温侧分路中，通过电动三通阀a4的制冷剂蒸气直接进入低温冷凝器11中被冷凝，然后与高温侧的制冷剂汇合后进入带回热器的气液分离器2。其中低温冷凝器采用两种冷却水装置，包括蓄热水体18和散热水体17。低温冷凝器内经热交换升温后的冷却水通过循环水泵a15和电动三通阀c进入蓄热水体18和散热水体17实现冷却水的热回收。其中蓄热水体18为泳池水侧，在夏季夜晚需要加热。散热水体17为矿坑深水池，作为辅助，在满足生活热水与蓄热水体所需热量后，若还有热量剩余，则通过散热水体排出，确保制冷系统高效运行。

汇合的制冷剂气液混合物，在带回热的气液分离器2中与蒸发器1出口的低温蒸气进行热交换，使得进入膨胀阀e12的高温高压制冷剂具有一定的过冷度，在膨胀阀e12中进行一个不可逆绝热膨胀过程，膨胀后的低温低压液体进入蒸发器1进行蒸发。如此循环，完成一个超高能效的冷热联产循环。

系统生活热水的工作流程具体为：

生活热水给水从市政给水24进入热水给水箱19，热水在热回收水管路和热水给水箱19之间循环，通过热水给水箱重力自流给水。电动三通阀b13开启后，热水通过过冷器9、过热回收器5、高温冷凝器8依次加热，温度由低到高，且热水流向与换热介质逆流布置，加大了传热效率。

循环水泵b22的启停控制方式：当高温冷凝器8的进水温度达到设定温度低值70℃时，循环水泵b22开启，同时打开市政给水26的阀门，使部分给水进入太阳能蓄热水箱20，经过循环水泵b22提升进入屋顶的太阳能集热器21吸收热量后，回到太阳能蓄热水箱20，再进入热水给水箱19，达到生活热水的补充作用，即可提供生活热水给水25。当高温冷凝器8的进水温度达到设定高值75℃时，循环水泵b22停止，同时减小市政给水26的阀门开度或者关闭太阳能热水系统。

冬季与过渡季工况下，因水乐园使用率低，水乐园淋浴用水大量减少，主要维持后勤餐饮与洗衣房所需热水，经计算制冷系统冷凝热量回收已基本满足生活热水需求量，因而在冬季与过渡季节，太阳能资源不足对本项目没有影响，太阳能热水系统可选择关闭或者部分运行。

本实施例的超高能效冷热联产区域能源供应系统使总能系统的效率提高8%，回收制冷系统冷凝热达60%；实现了冷凝热的全热回收，使生活热水出水温度达75℃，取得效果满足工程需求。

此外，需要说明的是，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种更改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明专利的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明专利的保护范围。