CN104121651B - 一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，包括：涡流管；涡流管的入口连通的空压机；对空压机提供电能的风力发电装置；带有冷冻换热器的冷冻室；带有冷藏换热器的冷藏室；带有热水换热器的热水箱；设置在建筑房屋内房间采暖换热器、房间供冷换热器；所述涡流管的冷端出口出来的冷流体分为两路，一路依次通过冷冻换热器、冷藏换热器分别对冷冻室和冷藏室提供冷量；另一路通过房间供冷换热器对建筑房屋提供冷量；所述涡流管的热端出口依次通过热水换热器、房间采暖换热器对热水箱和建筑房屋提供热量。本发明利用风能发电实现海边居民房屋内舒适的空气品质；可以实现食物的冷冻冷藏保存；可以满足居住在多风海边生活居民的生活用热水。

Description

一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统

技术领域

本发明涉及一种风能综合利用系统，特别是一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统。

背景技术

风能是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源。由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电的发展受到全球性的广泛关注和高度重视。风能是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式。风能可用于发电、助航、提水灌溉、制热供暖等方面，目前主要用于风力发电，利用风轮收集风能，将其转变为旋转的机械能，通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能。

目前生活在偏远海边或海岛的居民由于环境所致，食物的变质及居住环境舒适还有待进一步改善。目前很多研究人员提出了一些不同的措施来改善那里的生活环境。

比如专利文献CN102506476A公开了一种水源热泵与风力发电联合制冷系统及其调度方法，用户采用制冷风机盘管和热泵耗电两种方式制冷，用户采用制冷风机盘管和空调器电两种方式制冷，通过综合调度控制装置在检测一段时间的供能和用户的耗能情况后，对未来一段时间做出预测；在保证满足电力供给和制冷供给的条件下，减少供给制冷集中式热吸收式制冷机的热水流量，其缺少的制冷量由消耗电力制冷来补偿，耗电制冷既可以补偿冷水制冷的不足，也可以增加电力低谷时段的负荷；根据风力发电、热电综合起来，将风力发电的波动性调整热电的出力和用户耗电负荷情况的变化，以相等的检测周期和调节周期，从而实现风电等效的在用户侧的平滑出力。该专利文献通过控制装置来调节在系统工作过程中水源热泵和风力发电的负荷分配之比。

专利文献CN101158522A提出了一种利用风力机组驱动的热泵系统，该系统通过风力发电装置将风能转变为电能，进而驱动热泵系统实现供热、制冷、净水、干燥等功能模块。

以上专利文献在很大程度上为偏远海边或海岛生活的居民利用风能提供了有价值的参考。但上述专利文献中提供的制冷和供暖的系统或者热泵系统，功能较为单一，无法满足生活在偏远海边或海岛的居民的各种对冷量和热量的需要。

发明内容

本发明提供了一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，在偏远的海边、海岛地区，风能资源丰富，本发明在借助于这些地区特殊的环境条件，通过利用风能驱动空压机，然后由涡流管将空气进行冷热分离并加以多功能利用，解决了冷冻冷藏、房间的空气调节、生活热水的利用等有益于生活条件提高的关键技术问题。

一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，包括：涡流管；出口与涡流管的入口连通的空压机；对空压机提供电能的风力发电装置；带有冷冻换热器的冷冻室；带有冷藏换热器的冷藏室；带有热水换热器的热水箱；设置在建筑房屋内的房间采暖换热器、房间供冷换热器；

所述涡流管的冷端出口出来的冷流体分为两路，一路依次通过冷冻换热器、冷藏换热器分别对冷冻室和冷藏室提供冷量；另一路通过房间供冷换热器对建筑房屋提供冷量；

所述涡流管的热端出口依次通过热水换热器、房间采暖换热器对热水箱和建筑房屋提供热量。

本发明的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统的工作过程如下：

风力发电装置在风力的驱动下，通过内部的发电设备把风能转变为电能。该电能通过整流、调压等设备转变为空压机所需要的电能；

在空压机内部，空气被压缩到高压状态，然后高压空气通入涡流管中从而被分为冷流体和热流体。冷流体从涡流管的冷端流出。冷端通路分成两个管路，其中一路依次通过冷冻室和冷藏室为其提供所需要的冷量。另一路根据需要送入房间，实现房间的降温和除湿。热流体从涡流管的热端流出以后通过热水箱内的盘管，加热水箱内的水，从而实现提供热水的功能。经过热水箱出来的中温空气可根据需要被引入房间，对室内空气进行加热。

由于涡流管的独特工作原理，进入到涡流管中的高压的气体能够实现冷流体与热流体的分离，且冷流体与热流体的流量分配可以按照需求进行调节。同时，涡流管成本低，维护费用少，工作过程中不需要运动部件，进入其内部的气体能够迅速的实现冷流体与热流体的分离。

为实现对建筑房屋内空气湿度和温度调整，作为优选，所述涡流管的冷端出口通过管路与所述供冷换热器入口连通，该管路上设有第一调节阀。通过第一调节阀可实现进入房间供冷换热器内冷流体的流量，进而实现对室内温度和湿度的调整控制。

所述的涡流管输出的冷流体，可根据需要调节所连接的冷冻室和冷藏室温度。作为优选的方案，所述风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统还包括与所述冷冻换热器并联设置的第一旁通管路，该第一旁通管路上设有第二调节阀。通过第二调节阀可实现对进入冷冻换热器冷流体的流量，进而实现对冷冻室内冷冻温度的控制。

作为另一种优选的技术方案，所述风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统还包括与所述冷藏换热器并联设置的第二旁通管路，该第二旁通管路上设有第三调节阀。通过第三调节阀可实现对进入冷藏换热器冷流体的流量，进而实现对冷藏室内冷冻温度的控制。

所述的涡流管输出的热流体，可根据需要调节所连接的热水箱水温。作为进一步优选，所述涡流管的热端出口通过管路与所述热水换热器的入口连通，热水换热器并联设置有第三旁通管路，该第三旁通管路上设有第四调节阀。进而实现对热水箱内水热温度的控制。

为实现对室内空气温度的控制，作为优选，还包括与所述房间采暖换热器并联设置的第四旁通管路，该第四旁通管路上设有第五调节阀。通过调整第五调节阀的开度，可实现对进入房间采暖换热器的冷流体流量的控制，进而实现对室内空气温度的调整控制。

为满足室内各种制冷和制热需要，作为优选，所述涡流管的冷端出口通过管路与所述供冷换热器入口连通，该管路上设有第一调节阀；还包括与所述冷冻换热器并联设置的第一旁通管路，该第一旁通管路上设有第二调节阀；还包括与所述冷藏换热器并联设置的第二旁通管路，该第二旁通管路上设有第三调节阀；所述涡流管的热端出口通过管路与所述热水换热器的入口连通，还包括与所述热水换热器并联设置的第三旁通管路，该第三旁通管路上设有第四调节阀；还包括与所述房间采暖换热器并联设置的第四旁通管路，该第四旁通管路上设有第五调节阀。利用上述多功能制冷空调系统，能够顺利实现冷冻室、冷藏室等的冷量供应、提供生活热水、房间的温度调节等功能。

为实现室内温度的自动控制，作为优选，所述风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统还包括：

用于检测建筑房屋内空气温度的室内温度传感器、用于检测室内湿度的室内湿度传感器；

控制器，根据室内温度传感器和室内湿度传感器的温度和湿度信号，实时调整第一调节阀或第五调节阀的开度大小。

为实现冷冻室和冷藏室内温度的自动控制，作为优选，所述风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统还包括：

用于检测冷冻室内空气温度的冷冻传感器、用于检测冷藏室内空气温度的冷藏传感器；

所述控制器同时接收冷冻传感器和冷藏传感器的温度信号，实时控制第二调节阀或第三调节阀的开度大小。

为提高自动控制过程中灵敏度，作为优选，所述第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀均为电磁阀，同时接收来自控制器的控制电信号。

本发明的有益效果：

(1)可以利用风能发电实现海边居民房屋内舒适的空气品质；

本发明提出的一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，高压空气在进入涡流管后被分为一路热流体和一路冷流体，这两路流体的综合作用能够很好的实现海边居民房屋内舒适的空气品质，其具体的工作原理为：从涡流管冷端出口的冷空气在经过升温后，被引入到房间中，由于冷空气的温度低于房间内的空气温度，房间内的空气温度在换热后首先保持含湿量不变并降低到露点温度，然后保持相对湿度不变(此状态下的相对湿度为100％)降低含湿量。然后房间内的空气在涡流管热端出口的热流体的作用下升温。房间内空气降温后的含湿量和升温后的状态参数(相对湿度、温度)可以通过房间的初始状态和控制冷热流体的进口参数进行调整。因此本发明能够很好的实现海边居民房屋内舒适的空气品质。

(2)可以实现食物的冷冻冷藏保存；

从涡流管出口的冷空气其中一路被引入到冷冻室和冷藏室中，通过换热器把冷冻室和冷藏室的温度降低到到设定的温度。同时冷冻室和冷藏室的冷负荷还可以分别通过第二调节阀和第三调节阀的开度进行调整。由于通过调整空压机出口处的空气参数，可以使得涡流管的冷端出口的温度可以达到-40℃以下，因此冷冻室和冷藏室的温度可以满足肉类(一般保存温度为-16℃)，蔬菜类(保存温度0～5℃)等的保鲜。因此本发明能够很好的实现海边居民的食物的冷冻和冷藏。

(3)可以满足居住在多风海边生活居民的生活用热水；

涡流管出口的高温空气有一路被用来实现生活热水的供应，把高温的空气通入到热水箱中对水进行加热，热水的温度和质量可以通过控制热水换热器并联设置的第三旁通管路上的第四调节阀进行调节。涡流管出口处的空气温度可达80℃以上，因此能够提供60℃～70℃左右的生活用温水供应。因此本发明可以很好的满足居住在多风海边生活居民的生活用热水。

附图说明

图1为本发明的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统的结构示意图。

图1中：

1为风力发电装置、2为空压机、3为涡流管、4为冷冻室、5为冷藏室、6为热水箱、7为建筑房屋、8为房间采暖换热器、9为房间供冷换热器、10为冷冻换热器、11为冷藏换热器、12为热水换热器、V1第一调节阀、V2为第二调节阀、V3为第三调节阀、V4为第四调节阀、V5为第五调节阀。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统包括：风力发电装置1、空压机2、涡流管3、冷冻室4、冷藏室5、热水箱6，建筑房屋7内的房间采暖换热器8和房间供冷换热器9。

风力发电装置1在风力的驱动下，通过内部的发电设备把风能通过整流、调压等设备分别转变为空压机所需要的电能。风力发电装置1可采用现有的装置，其结构和工作原理等均为现有技术。

空气被空压机2压缩空气到高压状态，然后通入涡流管3中从而被分为冷流体和热流体，低温空气从涡流管3的冷端流出，高温空气从涡流管3的热端流出。空压机2的工作原理和结构液位现有技术。

涡流管3冷端流出的低温空气分成两路，分别从两个管路流出，其中一路低温空气依次通过冷冻室4的冷冻换热器10和冷藏室5的冷藏换热器11，同时为冷冻室4和冷藏室5提供所需要的冷量，另一路低温空气通过第一调节阀V1进入房间供冷换热器9。

从涡流管3热端出来的高温空气首先通过热水箱6内的热水换热器12与水进行热交换，然后进入房间的采暖换热器8后与建筑房屋7内空气进行热交换，由涡流管3冷端出来的一部分冷空气进入房间供冷换热器9与建筑房屋7内空气进行热交换以对房间进行降温，实现房间的除湿和制冷。

涡流管3是一种能量分离特性元件，它将来自空压机的高压空气在涡流管内进行冷热分离以实现对冷热空气的有效利用。

空压机2的空气来自于周围环境中的空气，在进入空压机前经过一定的过滤处理以防影响空压机的运行寿命。

由涡流管3出来的一路低温空气在进入房间供冷换热器9之前增加一个第一调节阀V₁，以便于按照不同季节调节用于建筑房屋内所需要的冷量。

在冷冻室4的冷冻换热器10加一个带第二调节阀V₂的旁通，用来调整冷冻室温度。在冷藏室5的冷藏换热器11上加一个带第三调节阀V₃的旁通，用来调整冷藏室温度。

在热水箱6的热水换热器12加一个带第四调节阀V₄的旁通，以便调节热水箱水温。

在建筑房屋7的采暖换热器8加一个带第五调节阀V₅的旁通，以便调节房间加热温度。

V1第一调节阀、V2为第二调节阀、V3为第三调节阀、V4为第四调节阀、V5为第五调节阀均可采用手动阀，也可采用电动阀或者电磁阀。例如，V1第一调节阀、V2为第二调节阀、V3为第三调节阀、V4为第四调节阀、V5为第五调节阀均可采用自动控制的电磁阀，与温度传感器、控制芯片等联合使用，以实现对建筑房屋内所需要的冷量和热量、热水所需热量、冷冻室所需冷量、冷藏室所需冷量等的自动控制。

设定工况及相关参数的选择

一般海岛年平均风速均可以保持在6.0m/s以上(离地10米高)，年有效风时(3～25m/s)超过300天，风力发电机组以金风科技S43/600KW为例。此实施例将说明该发明提出的装置能够很好的实现海边居民家庭的食品冷冻、冷藏、房间除湿等生活需求。

从产品参数中可以看出，该风力发电装置的额定电压为690V，通过变压装置可以把输出变为380V和220V，以便于满足380V的空压机和220V的日常用电需求。

由于一般家用空调的24小时的耗电量约为1kWh，取其能效比为3.0，一般家庭的食品冷冻所需要的功率假定为50W。同时，设定居民的房屋的大小为4m×4m×4.5m，屋内居住有3人，屋内的温度为22℃，平均每个成人的散湿量取为150g/h，房间内没有其他的湿源。假设涡流管进口压力(图1中a点压力)为2Mpa，涡流管的冷流比为0.33，则热端出口的温度为80℃，冷端出口温度为-40℃。在冷端空气的回路中，空气先在冻室进行换热，假设冷冻室的冷量为50W，冷冻室出口的温度为-16℃，冷藏室出口的温度为5℃，则冷藏室的冷量为43.6W。在热端空气回路中，涡流管热端出口的温度为80℃，经过生活热水以后的温度为65℃，随后一部分被引入到房间中，温度为40℃。空压机处空气进口处的状态点为温度20℃，0.1Mpa。各状态点的参数设定如表1所示。

表1 实施例中各点的工作状态

点	温度(℃)
		a	20
b	-40
		c	80
d	-16
		e	5
f	80
		g	40
h	10

则针对本发明所提出的装置：

1)冷冻室和冷藏室所需要的空气流量为：

$V=\frac{Q_d}{C_p\mathrm{\Δt\ρ}}=\frac{50}{1.01\×24\×1.4}=1.47m^3/\mathrm{ks}=5.3m^3/h$

Q_d＝VC_pΔtρ＝1.47×1.01×21×1.4＝43.6W

2)房间除湿的空气流量计算：

冷空气进入室内时的温度为10℃，出口处温度为20℃。室内温度为22℃，相对湿度为55％，每小时内产生的湿量为450g，由焓湿图可以查出此时的空气含湿量为9.06g/kg干空气，空气的焓值为h₁＝45.24kJ/kg。房间内空气的总质量为：

m=ρV=1.25kg/m³×4×4×4.5=90kg

故所需要的除湿量为每小时5g/kg干空气。假设单独经过冷空气处理后的室内空气含湿量为100％，则此时对应的焓值为h₂＝11.17kJ/kg干空气。则除湿过程中需要的冷量为：

Q₁＝m(h₁-h₂)/3600＝0.85kW

所需要的冷空气的流量为：

${\stackrel{\·}{V}}^{\′}=\frac{Q_1}{c_p\mathrm{\ρt}}=\frac{850}{1.01\×1.2\×10}=252.5m^3/h$

综合1)和2)可知冷空气的流量需要257.8m³/h。根据本实施例设定的涡流管的冷流比为0.33，因此热端流体的流量为516m³/h，故总的空气流量为774m³/h。为了保持一定的余量，空气压缩机可以选用780RH空压机，其排气压力为2.1Mpa，排气量最大可为22.1m³/min。若假设水的初始温度为20℃，则热端流体所能加热60℃的热水的质量可用下式计算：

$m=\frac{Q_r}{C_p\mathrm{\Δt}}=\frac{516\×1.01\×15\×1.2}{4.2\×40}=55.8\mathrm{Kg}/h.$

Claims (10)

1.一种风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，包括：涡流管；出口与涡流管的入口连通的空压机；对空压机提供电能的风力发电装置；带有冷冻换热器的冷冻室；带有冷藏换热器的冷藏室；带有热水换热器的热水箱；设置在建筑房屋内的房间采暖换热器、房间供冷换热器；

所述涡流管的冷端出口出来的冷流体分为两路，一路依次通过冷冻换热器、冷藏换热器分别对冷冻室和冷藏室提供冷量；另一路通过房间供冷换热器对建筑房屋提供冷量；

所述涡流管的热端出口依次通过热水换热器、房间采暖换热器对热水箱和建筑房屋提供热量。

2.根据权利要求1所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，所述涡流管的冷端出口通过管路与所述供冷换热器入口连通，该管路上设有第一调节阀。

3.根据权利要求1或2所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，还包括与所述冷冻换热器并联设置的第一旁通管路，该第一旁通管路上设有第二调节阀。

4.根据权利要求1或2所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，还包括与所述冷藏换热器并联设置的第二旁通管路，该第二旁通管路上设有第三调节阀。

5.根据权利要求1或2所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，所述涡流管的热端出口通过管路与所述热水换热器的入口连通，还包括与所述热水换热器并联设置的第三旁通管路，该第三旁通管路上设有第四调节阀。

6.根据权利要求1或2所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，还包括与所述房间采暖换热器并联设置的第四旁通管路，该第四旁通管路上设有第五调节阀。

7.根据权利要求1所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，所述涡流管的冷端出口通过管路与所述供冷换热器入口连通，该管路上设有第一调节阀；还包括与所述冷冻换热器并联设置的第一旁通管路，该第一旁通管路上设有第二调节阀；还包括与所述冷藏换热器并联设置的第二旁通管路，该第二旁通管路上设有第三调节阀；所述涡流管的热端出口通过管路与所述热水换热器的入口连通，还包括热水换热器并联设置的第三旁通管路，该第三旁通管路上设有第四调节阀；还包括与所述房间采暖换热器并联设置的第四旁通管路，该第四旁通管路上设有第五调节阀。

8.根据权利要求7所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，还包括：

用于检测建筑房屋内空气温度的室内温度传感器、用于检测室内湿度的室内湿度传感器；

控制器，根据室内温度传感器和室内湿度传感器的温度和湿度信号，实时调整第一调节阀或第五调节阀的开度大小。

9.根据权利要求8所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，还包括：

用于检测冷冻室内空气温度的冷冻传感器、用于检测冷藏室内空气温度的冷藏传感器；

所述控制器同时接收冷冻传感器和冷藏传感器的温度信号，实时控制第二调节阀或第三调节阀的开度大小。

10.根据权利要求9所述的风能驱动的涡流管多功能制冷空调系统，其特征在于，所述第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀均为电磁阀，同时接收来自控制器的控制电信号。