冷却塔和冷水机组联合供冷系统及其控制方法

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。

说明书

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，涉及一种通过冷却塔和冷水机组联合供冷的方式达到节能降耗的供冷系统，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(如卷烟厂)，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精度产生不利影响。

对此，采用冷却塔供冷技术，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。

根据冷却塔的工作原理，冷却塔能将水温降低的原因在于：当塔内的水与空气接触时，一方面产生空气与水之间的直接传热(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换量可忽略不计。

冷却塔通常按照夏季水温和气温条件进行设计选型，设计工况下，冷却塔的温降为Δt＝5℃，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1为典型的冷却塔直接供冷系统流程图，图2为典型的冷却塔间接供冷系统流程图。

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、冷却塔循环水量不匹配的现象。

冷却塔间接供冷系统的主要特点是：冷却水环路与冷冻水环路通过换热交换器彼此相互独立，保证了冷冻水管路的卫生条件；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，要求冷却水温度更低一些，一般相差1～2℃；增加了换热设备和较多管道，系统形式相对复杂。目前常规的空调工程中，为保障制冷系统运行的可靠性，多选择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得到验证。

但是，综观这些文献和工程应用，冷却塔(直接或间接)供冷运行模式和常规冷水机组供冷运行模式均被作为彼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模式，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、水泵和冷却塔组成的制冷站系统中，设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行。

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，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为某冷却塔在额定流量工况下、不同冷却水温差情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℃时(夏季设计工况)，按照5℃温降要求，冷却塔出水温度可达到28.5℃(冷幅为2.5℃)，进水温度为33.5℃。当室外湿球温度达到5℃时，蒸发传热减少，如果流量不变且仍要求5℃降温，则冷却塔出水温度达15℃(冷幅为10℃)，进水温度为20℃，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℃室外湿球温度，如果流量不变但冷却塔只承担2℃温降时(散热负荷减少60％)，冷却塔出水温度可达10℃(冷幅为5℃)，进水温度为12℃。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为我国南方某城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，从图4可以看出，无论是冷水机组供冷运行(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℃，冷却塔在满负荷运行工况下所需的空气湿球温度为5℃，而在半负荷运行工况下所需的空气湿球温度为10℃，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(折合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设计、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塔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，本发明提供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、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机组、或者单独地供给换热器或制冷机组。

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塔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提供冷却水，板式换热器的一次侧回路与多台冷却塔的多台冷却水泵相连。

优选地，上述板式换热器的一次侧回路设有旁通回路，旁通回路设置有流量调节阀。

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机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提供冷冻水；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，使多台冷却塔的冷却水单独供给换热器。

优选地，在多台冷却塔的出水温度低于空调末端系统的回水温度2℃时，使多台冷却塔的冷却水同时供给换热器和制冷机组。

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。

附图说明

构成本说明书的一部分、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是典型的冷却塔直接供冷系统流程图；

图2是典型的冷却塔间接供冷系统流程图；

图3是额定流量下冷却塔在不同冷却水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；

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。

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，是目前两种模式彼此独立切换运行方案所无法实现的。

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数的冷水机组。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、冷水机组冷却水旁通回路5、6和7、冷水机组冷冻水旁通回路8和9、及对应的季节转换蝶阀10(或采用三通调节阀)、各水路系统上的温度传感器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。

冷水机组的冷却水旁通管路5、6、7和冷水机组的冷却水入口处设置季节转换蝶阀(或三通调节阀)10，当某台冷水机组停止运行时，其循环冷却水经季节转换阀切换后，流经换热器的一次侧。

冷水机组的冷冻水旁通管路8、9和冷水机组的冷冻水入口处设置季节转换蝶阀(或三通调节阀)10。当冷却塔供冷运行模式启动后，与之匹配的冷冻水经季节转换阀切换后，流经板式换热器的二次侧。

多台冷却塔供冷时，多余的循环冷却水经换热器一次侧的旁通管路4流回冷却塔，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设置止回阀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用于监测板式换热器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、流量方面应进行匹配设计。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塔全年供冷时间。

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。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、冷水机组冷却水旁通回路5、6和7以及冷水机组冷冻水旁通回路8和9所对应的季节转换蝶阀10(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。

本发明的冷却塔和冷水机组联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t₁(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测得)进行对比，当冷却塔出水温度t₁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投入运行，并与冷水机组联合(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G₁(m³/h)，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低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。

当某台冷水机组停止运行时，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，旁通流量调节通过板式换热器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t₁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1的选型，工程上可近似认为t₄＝t₁+(1～2℃)。优选地，系统运行时，当t₁＜t₃-2(℃)时，可启动冷却塔与冷水机组联合供冷运行模式。

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、节能效果更好的优点。

本发明在板式换热器的一次侧设旁通管路和旁通调节阀，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。