CN102901169B - 采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调，包括与压缩机串联的冷凝器和蒸发器，蒸发器的出口连接至压缩机的入口，压缩机的出口分出两条支路，其中一路依次串联有冷凝器、第一电动阀和工质循环泵；另一路上依次串联有第二电动阀和相变蓄热器；工质循环泵的出口和相变蓄热器的出口并联至节流阀，节流阀连接至蒸发器的入口；冷凝器的出口与相变蓄热器的入口之间连接有第三电动阀；相变蓄热器中采用相变温度为30℃的石蜡作为相变蓄热材料。本发明可以获得相对稳定的室外环境，空调工况变化小，同时，减小了现有传统风机散热负荷和空调外机所占用的空间，运行费用低、能量利用率高。

Description

采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调及控制方法

技术领域

本发明属于蒸汽压缩式制冷空调，尤其涉及一种蒸汽压缩式制冷与相变蓄热器组合制冷系统。 

背景技术

传统的蒸汽压缩式制冷空调可以理解为将室内的热量实时泵到室外环境中去，这样当室外温度很高时空调冷凝器就会有很大的冷凝压力，同时由于冷凝温度的升高导致了系统的cop（制冷量与压缩机耗功量之比，简称能效比）下降。然而通过调研夏季温度，可以发现夏季室外环境温度有10℃左右的昼夜温差，如果能够将白天冷凝器要往室外环境散的热存储起来，到晚上再释放的话可以有效的降低冷凝温度，并且使空调的工况更加稳定。 

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调，可以获得相对稳定的室外环境，空调工况变化减小，系统工作更加稳定，既减小了现有传统风机散热负荷，还减小了空调外机所占用的空间，具有运行费用低和能量利用率高等优点，具有明显的节能与环保效果和广阔的应用前景。 

为了解决上述技术问题，本发明一种采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调予以实现的技术方案是：包括与压缩机串联的冷凝器和蒸发器，所述蒸发器的出口连接至压缩机的入口，所述压缩机的出口分出两条支路，其中一条支路上依次串联有所述冷凝器、第一电动阀和工质循环泵；另一条支路上依次串联有第二电动阀和一相变蓄热器；所述工质循环泵的出口和所述相变蓄热器的出口并联至一节流阀，所述节流阀连接至所述蒸发器的入口；所述冷凝器的出口与所述相变蓄热器的入口之间连接有一第三电动阀；所述相变蓄热器中采用相变温度为30℃的石蜡作为相变蓄热材料。 

本发明采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调的控制方法是，通过控制第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀的通断，分别实现以下四种控制过程： 

当室外环境温度为30-35℃时，关闭第一电动阀和第二电动阀，打开第三电动阀；管道中的工质依次经过压缩机、冷凝器、第三电动阀、相变蓄能器、节流阀和蒸发器后返回压缩机，从而完成一次蓄热制冷循环； 

当室外环境温度高于35℃时，关闭第一电动阀和第三电动阀，打开第二电动阀，管道 中的工质依次经过压缩机、第二电动阀、相变蓄热器、节流阀和蒸发器后返回压缩机，从而完成一次蓄热制冷循环； 

当室外环境温度为25-30℃时，关闭第二电动阀和第三电动阀，打开第一电动阀；管道中的工质依次经过压缩机、冷凝器、第一电动阀、工质循环泵、节流阀和蒸发器后返回压缩机，从而完成一次蒸汽压缩式制冷循环； 

当室外环境温度低于25℃时，关闭第三电动阀，打开第一电动阀和第二电动阀以及工质循环泵，管道中的工质依次经过相变蓄能器、第二电动阀、冷凝器、第一电动阀和工质循环泵后返回相变蓄热器，从而完成一次放热循环。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

（1）由于本发明采用相变温度为30℃的相变蓄热材料存储空调冷凝器白天向室外传递的热量，有利于降低冷凝温度，能有效提升空调系统的cop，节能减排，降低运行费用； 

（2）系统工况变化较小，效率较高，使用寿命较长； 

（3）在夜间将热量散到室外，一般夜间为低谷电价，机组能起到一定的削峰填谷作用，相比于传统空调，运行费用再次下降； 

（4）相变蓄热调节余量大，系统可满足较多工况下制冷； 

（5）本系统具有设备紧凑、性价比高的特点。 

附图说明

附图是本发明采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调的整体结构示意简图； 

图中： 

11-第一电动阀         12-第三电动阀         13-第二电动阀 

2-冷凝器              3-压缩机              4-蒸发器 

5-节流阀              6-相变蓄热器          7-工质循环泵 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 

如附图所示，本发明一种采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调，包括与压缩机3串联的冷凝器2和蒸发器4，所述蒸发器4的出口连接至压缩机3的入口，所述压缩机3的出口分出两条支路，其中一条支路上依次串联有所述冷凝器2、第一电动阀11和工质循环泵7；另一条支路上依次串联有第二电动阀13和一相变蓄热器6；所述工质循环泵7的出口和所述相变蓄热器6的出口并联至一节流阀5，所述节流阀5连接至所述蒸发器4的入口；所述冷凝器2的出口与所述相变蓄热器6的入口之间连接有一第三电动阀12；所 述相变蓄热器6中采用相变温度为30℃的石蜡作为相变蓄热材料。 

本发明采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调的控制方法，是通过控制第一电动阀11、第二电动阀13和第三电动阀12的通断，分别实现“部分蓄热”、“完全蓄热”、“不蓄热”和“放热”四种工况，由此构成了相变蓄热多工况空调系统。 

“部分蓄热”工况是指，当室外环境温度为30-35℃时，关闭第一电动阀11和第二电动阀13，打开第三电动阀12；管道中的工质依次经过压缩机3、冷凝器2、第三电动阀12、相变蓄能器6、节流阀5和蒸发器4后返回压缩器3，从而完成一次蓄热制冷循环；由于本发明中采用30℃相变的石蜡作为相变蓄热材料，白天室外环境温度高于30℃，且高于相变蓄热材料相变温度5℃以内时，采用上述部分蓄热（环境温度35℃以内），工质从压缩机3的出口出来进入冷凝器2进行初步冷凝，工质部分冷凝之后再进入进入相变蓄热器6进一步冷凝与相变蓄热材料进行换热，并且将固态的相变蓄热材料熔化成液态，熔化相变蓄热材料的同时对工质进行过冷，然后工质经过节流、蒸发、压缩三个过程再进入冷凝器2冷凝完成一个部分蓄热制冷循环。 

“完全蓄热”工况是指，当室外环境温度高于35℃时，关闭第一电动阀11和第三电动阀12，打开第二电动阀13，管道中的工质依次经过压缩机3、冷凝器2、第二电动阀13、相变蓄能器6、节流阀5和蒸发器4后返回压缩器3，从而完成一次蓄热制冷循环；当室外环境温度高于相变蓄热材料相变温度5℃以上时采用完全蓄热模式（环境温度35℃以上），工质从压缩机3的出口出来直接进入相变蓄热器6通过换热管路与相变蓄热材料换热，熔化相变蓄热材料同时对工质冷凝，工质冷凝之后依次经过节流、蒸发、压缩完成一次蓄热制冷循环。 

“不蓄热”工况是指，当室外环境温度为25-30℃时，关闭第二电动阀13和第三电动阀12，打开第一电动阀11和工质循环泵7；管道中的工质依次经过压缩机3、冷凝器2、第一电动阀11、工质循环泵7、节流阀5和蒸发器4后返回压缩机3，从而完成一次蒸汽压缩式制冷循环；当室外环境温度低于相变蓄热材料的相变温度时，没必要使用相变蓄热材料进行蓄热，直接将热量散到室外环境更加有利，此时采取不蓄热的运行方式（环境温度在30℃以内），工质从压缩机3的出口出来进入冷凝器2冷凝，然后依次经过节流、蒸发、压缩完成一次蒸汽压缩式制冷循环，即系统与蒸汽压缩式制冷循环完全等效，工质在蒸发器4中从室内吸热，在冷凝器2中向室外环境放热。 

“放热”工况是指，当室外环境温度低于25℃时，关闭第三电动阀12，打开第一电动阀11和第二电动阀13以及工质循环泵7，管道中的工质依次经过相变蓄能器6、第二电动阀13、冷凝器2、第一电动阀11和工质循环泵7后返回相变蓄热器6，从而完成一次放热循环。在夜间室外环境温度低于相变材料相变温度时进行放热过程，工质在冷凝器2中冷 凝成液态，然后流入相变蓄热器6蒸发成气态吸收相变蓄热器的热量，再流回冷凝器2中冷凝成液体完成一个对室外环境的放热循环，工质在冷凝器2与相变蓄热器6之间进行小循环，将热量传递到室外。另外，可以根据蓄热量的多少选择是否开启冷凝器2的风机，如果白天温度在30-32℃，即蓄热量不大，则可不开启冷凝器2的风机，凭借自然对流将热量传递出去，相反，如果白天温度较高或者夜晚温度较高则需要开启冷凝器的风机进行散热。 

应用实例： 

在上午或者刚入夜，环境温度低于30℃时，本发明采取不使用蓄热模式运行，第二电动阀13、第三电动阀12关闭，第一电动阀11连通，使得本发明的制冷空调与蒸汽压缩式制冷循环完全等效，工质在蒸发器4中从室内吸热，在冷凝器2中向室外环境放热。 

在中午或者黄昏温度高于30℃，但未到35℃时，本发明采取部分蓄热模式运行，第二电动阀13和第一电动阀11关闭，第三电动阀12接通，工质在冷凝器2中初步冷凝之后进入相变蓄热器6进一步冷凝，并且将固态的相变蓄热材料熔化成液态。然后工质经过节流、蒸发、压缩三个过程再进入冷凝器2冷凝完成一个部分蓄热制冷循环。 

在午后温度超过35℃时，本发明采取完全蓄热模式运行，第三电动阀12、第一电动阀11关闭，第二电动阀13连通，工质从压缩机3的出口出来直接进入相变蓄热器进行冷凝，冷凝之后依次经过节流、蒸发、压缩完成一次完全蓄热制冷循环。 

在晚上温度低于或等于25℃，本发明采取放热模式运行，第三电动阀12关闭，第一电动阀11和第二电动阀13连通，同时打开工质泵7，工质在冷凝器与相变蓄热器之间进行小循环，将热量传递到室外。 

本发明中还可以增加设置一套温度分析系统，对白天温度变化情况作出分析，计算出本发明制冷空调在白天的蓄热量，夜间散热时，可按照夜间温度情况以及蓄热量选择是否开启冷凝器的风机，一级开启风机的时间和风机的运行工况，从而将热量充分、高效地散到室外。 

以R22制冷为例本发明制冷空调与传统空调的空调工况及cop可做如下对比： 

传统空调的工况蒸发温度t₁=5℃，冷凝温度t₂=40℃； 

本发明所涉及空调运作时在不同工况可以分别保持冷凝温度在35℃、30℃； 

单位质量理论压缩功为压缩机出口工质比焓值减去压缩机入口工质的比焓值即: 

w=h₂-h₁（h₁为压缩机入口工质比焓值，h₂为压缩机出口工质比焓值）； 

单位质量制冷量为蒸发器出口比焓值减去蒸发器入口比焓值即：q₀=h₁-h₃（h₃为蒸发器入口工质比焓值）； 

系统理论制冷系数 

根据蒸发温度、冷凝温度以及5℃的过冷度在R22冷媒压焓图中可以分别查出h₁、h₂、h₃，故此可以求出本发明制冷空调与传统空调的理论cop，略去数字计算对比结果如下表所示： 

由于本系统采用了相变蓄热，将传统空调的实时吸放热改成了在夜间温度较低是放热，降低了冷凝器工作的压力，同时降低了冷凝温度，能有效提升空调系统的cop，节能减排，降低运行费用，同时系统的工况变化较小，效率较高，使用寿命较长；本发明是在夜间将热量散到室外，而一般夜间为低谷电价，机组能起到一定的削峰填谷作用，若是用于大型中央空调机组更能起到一部分的削峰填谷作用，有较强的推广意义。相比于传统空调，运行费用再次下降；并且相变蓄热调节余量大，可满足较多工况下制冷；除此之外本发明还具有设备紧凑、性价比高的特点。 

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (1)

1.采用相变蓄热材料蓄热的蒸汽压缩式制冷空调的控制方法，其中，所用的蒸汽压缩式制冷空调的结构是：包括与压缩机(3)串联的冷凝器(2)和蒸发器(4)，所述蒸发器(4)的出口连接至压缩机(3)的入口，其特征在于，所述压缩机(3)的出口分出两条支路，其中一条支路上依次串联有所述冷凝器(2)、第一电动阀(11)和工质循环泵(7)；另一条支路上依次串联有第二电动阀(13)和一相变蓄热器(6)；所述工质循环泵(7)的出口和所述相变蓄热器(6)的出口并联至一节流阀(5)，所述节流阀(5)连接至所述蒸发器(4)的入口；所述冷凝器(2)的出口与所述相变蓄热器(6)的入口之间连接有一第三电动阀(12)；所述相变蓄热器(6)中采用相变温度为30℃的石蜡作为相变蓄热材料；

其特征在于，通过控制第一电动阀(11)、第二电动阀(13)和第三电动阀(12)的通断，分别实现以下四种控制过程：

当室外环境温度为30-35℃时，关闭第一电动阀(11)和第二电动阀(13)，打开第三电动阀(12)，关闭工质循环泵(7)；管道中的工质依次经过压缩机(3)、冷凝器(2)、第三电动阀(12)、相变蓄能器(6)、节流阀(5)和蒸发器(4)后返回压缩机(3)，从而完成一次蓄热制冷循环；

当室外环境温度高于35℃时，关闭第一电动阀(11)和第三电动阀(12)，打开第二电动阀(13)，关闭工质循环泵(7)；管道中的工质依次经过压缩机(3)、第二电动阀(13)、相变蓄热器(6)、节流阀(5)和蒸发器(4)后返回压缩机(3)，从而完成一次蓄热制冷循环；

当室外环境温度为25-30℃时，关闭第二电动阀(13)和第三电动阀(12)，打开第一电动阀(11)，开启工质循环泵(7)；管道中的工质依次经过压缩机(3)、冷凝器(2)、第一电动阀(11)、工质循环泵(7)、节流阀(5)和蒸发器(4)后返回压缩机(3)，从而完成一次蒸汽压缩式制冷循环；

当室外环境温度低于25℃时，关闭第三电动阀(12)，打开第一电动阀(11)、第二电动阀(13)和工质循环泵(7)，管道中的工质依次经过相变蓄能器(6)、第二电动阀(13)、冷凝器(2)、第一电动阀(11)和工质循环泵(7)后返回相变蓄热器(6)，从而完成一次放热循环。