CN111981709A - 利用自然能的储能装置和二氧化碳热泵耦合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用自然能的储能装置和二氧化碳热泵耦合系统及方法。本发明提供的利用自然能的储能装置，包括二氧化碳循环系统、保温罐、蓄热介质、光能集热器、集热管和换热件，所述蓄热介质设置在所述保温罐内部，所述集热管包括集热端和换热端，所述换热端位于所述保温罐内；所述换热件设置在保温罐内，所述换热件的两端分别与二氧化碳循环系统连接，低温二氧化碳通过所述换热件后，与所述蓄热介质换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，进而使整个系统具有较高的制热系数。其特征在于：把光能集起来的热能通过相变蓄能材料以相变形式储存于保温罐体中，在空调制热时，蓄热介质产生相变放热。

Description

利用自然能的储能装置和二氧化碳热泵耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及空调领域，特别涉及利用自然能的储能装置和二氧化碳热泵耦合系统及方法。
背景技术
近年来，相变储能成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能技术可以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效手段。在我们生活的自然界中，太阳能资源储存量非常丰富，而在中国的西北地区干空气能储存量也非常可观，充分利用这些可再生能源为我们的生活生产服务，能够在很大程度上缓解能源紧张及能源消耗居高不下的问题，这非常值得去探讨和研究。
空调能耗在建筑能耗中占有相当大的比例。每年冬、夏季节都是空调使用频繁的时候，在当今能源紧张而能源消耗居高不下、环境污染问题突出的情况下，节能减排是社会持续发展的必需。
随着国际社会对节能减排、环境保护方面的关注度不断加强，氟利昂制冷剂的淘汰步伐也随之加快，二氧化碳作为一种安全、环保的制冷剂，具有广泛的应用前景和可观的经济价值。以二氧化碳作为介质的空调系统，是本行业研究从新方向，如果仅仅依靠二氧化碳压缩机和传统换热器产生的热量，将加大二氧化碳压缩机的负荷，并增加了能耗，和如何解决二氧化碳制热的效率问题，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、利用光能和空气能的利用自然能的储能装置。本发明还提供了耗能低、热量供应充分的二氧化碳热泵耦合系统。
本发明提供的利用自然能的储能装置，其技术方案为：
一种利用自然能的储能装置，包括二氧化碳循环系统、保温罐、蓄热介质、光能集热器、集热管和换热件，所述蓄热介质设置在所述保温罐内部，所述集热管包括集热端和换热端，所述换热端位于所述保温罐内，所述集热端获得所述光能集热器接受光线照射后转换的热能，所述集热管内的集热介质在集热端和换热端循环，将热量传递给蓄热介质；所述换热件设置在保温罐内，所述换热件的两端分别与二氧化碳循环系统连接，低温二氧化碳通过所述换热件后，与所述蓄热介质换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，从而使整个系统具有较高的制热系数。
优选地，二氧化碳入口和/或二氧化碳出口的管道上设置有第一电子膨胀阀。
优选地，所述集热管内的集热介质是乙二醇；所述蓄热介质是水。
优选地，所述保温罐具有内层和外层，内层和外层之间设置有隔热材料；所述蓄热介质是相变储能材料；所述集热管具有倾斜角度。
优选地，所述储能装置包括空气能集热器，所述空气能集热器的一端位于所述保温罐内，另一端位于所述保温罐外，与热风进行换热，所述空气能集热器内的集热介质循环后将风热传递给蓄热介质。
本发明还提供了一种二氧化碳热泵耦合系统，所述耦合系统包括依次相连通的二氧化碳压缩机、末端换热器、储液罐和室外换热器，所述室外换热器包括闪蒸换热装置和储能装置，所述耦合系统包括两个循环，第一个循环依次为二氧化碳压缩机、末端换热器、储液罐和闪蒸换热装置，第二个循环依次为二氧化碳压缩机、末端换热器和储能装置；所述储能装置是上述的利用自然能的储能装置。
优选地，所述储液罐进口端的管道上设置有单向溢流阀；所述室外换热器与所述储液罐之间的管道上设置有第三电子膨胀阀；所述末端换热器的管道上串接有第四电子膨胀阀组。
优选地，所述耦合系统包括第一四通阀和第二四通阀，所述第一四通阀的四个接口分别与二氧化碳压缩机吸气端、二氧化碳压缩机排气端、室外换热器、末端换热器连接；所述第二四通阀的四个接口分别与室外换热器、储液罐进液口、储液罐出液口、末端换热器连接。
优选地，所述中央空调还包括压力调节装置，所述压力调节装置包括压力调节罐，所述压力调节罐与所述储液罐通过管道相连通，所述压力调节罐与所述二氧化碳压缩机吸气端管道连接；所述压力调节罐与所述二氧化碳压缩机吸气端管道之间设置有第三电子膨胀阀。
本发明还提供了上述的一种二氧化碳热泵耦合系统的控制方法，在制热模式下，二氧化碳经过二氧化碳压缩机的压缩产生高温二氧化碳，然后流经末端换热器进行制热，之后低温二氧化碳流经储液罐，与储液罐连接的压力调节罐和第二电子膨胀阀能够控制储液罐内压力恒定，从储液罐出来的低温二氧化碳通过闪蒸换热装置和/或储能装置，回到二氧化碳压缩机吸气端完成制热循环。
优选地，闪蒸换热装置包括气溶胶产生装置和换热管，气溶胶产生装置的气溶胶进入换热腔，气溶胶在负压的作用下与换热管内二氧化碳进行换热；气溶胶产生装置包括封闭壳体、抽气设备和水雾化装置，抽气设备用于在封闭壳体中形成负压，水雾化装置用于将液态水雾化为更大比表面积的水雾，雾化水和空气在负压的作用下在封闭壳体内形成气溶胶，气溶胶由气溶胶进口进入换热管进行换热，换热完成的水不循环，不回收，通过气溶胶出口直接排放到大气中；
当有光线照射的时候，集热管收集光能集热器产生的热能；
当外界空气与保温罐内的蓄热介质存在温差时，空气能集热器收集空气热；
集热管内的集热介质循环将集热端的热量换到换热端，将热能储存在蓄热介质中；需要利用储能装置制热时，打开第一电子膨胀阀，低温二氧化碳与蓄热介质相变换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，从而使整个系统具有较高的制热系数；系统制冷时，关闭第一电子膨胀阀。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明中，把光能集起来的热能通过相变蓄能材料以相变形式储存于保温罐体中，在空调制热时，低温二氧化碳通过换热件，蓄热介质产生相变放热，将低温二氧化碳变成高温二氧化碳，经压缩机抽吸后循环到制暖空间制暖。由于蓄热介质相变时会释放大量的热量，因此可以将光能转换的热能存储在保温罐中，需要说明的是，可以将白天的太阳能储存在保温罐中，夜晚通过相变放热的方式使用热能。
本发明的二氧化碳热泵耦合系统，在阳光充足时可以利用太阳能进行制热，绿色环保，并且可以将白天的太阳能储存起来晚上使用，当储能装置的热量不够用时，再启动闪蒸换热装置，保证了换热的正常进行。
能够保证在压缩机制热时，不管有没有太阳光，水的相变潜热使其制热效率稳定在较高的状态。只要有光线，就会制热，冻融循环使得换热更充分，在光照充分的地方，蓄热介质如果能够达到20℃，其蒸发压力将在55KG以上，制热效率大概能达到10。
附图说明
图1为本发明实施例1的利用自然能的储能装置结构示意图。
图2为本发明实施例1的一种二氧化碳热泵耦合系统结构示意图。
图3为本发明实施例2的利用自然能的储能装置结构示意图。
图中：1、保温罐；2、隔热材料；3、蓄热介质；4、光能集热器；5、集热管；6、换热件；7、第一电子膨胀阀；8、二氧化碳入口；9、二氧化碳出口；10、二氧化碳压缩机；11、末端换热器；12、储液罐；13、闪蒸换热装置；14、储能装置；15、单向溢流阀；16、压力调节罐；17、第二电子膨胀阀；18、第三电子膨胀阀；19、第四电子膨胀阀组；20、换热管；21、气溶胶进口；22、气溶胶出口；23、第一四通阀；24、第二四通阀；25、空气能集热器。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
参见图1所示，本实施例提供的一种利用自然能的储能装置14，包括二氧化碳循环系统、保温罐1、蓄热介质3、光能集热器4、集热管5和换热件6，所述蓄热介质3设置在所述保温罐1内部，所述集热管5包括集热端和换热端，所述换热端位于所述保温罐1内，所述集热端获得所述光能集热器4接受光线照射后转换的热能，所述集热管5内的集热介质在集热端和换热端循环，将热量传递给蓄热介质3；所述换热件6设置在保温罐1内，所述换热件6的两端分别与二氧化碳循环系统连接，低温二氧化碳通过所述换热件6后，与所述蓄热介质3换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，从而使整个系统在冬季具有较高的制热系数。所述保温罐1是圆形，所述换热件6是盘管；所述集热管5是圆管。
具体地，二氧化碳入口8和/或二氧化碳出口9的管道上设置有第一电子膨胀阀7。所述集热管5内的集热介质是乙二醇；所述蓄热介质是水。0℃的水变成0℃的冰需要放出大量热量，水是一种价廉环保的物质，进一步降低了成本。所述保温罐1具有内层和外层，内层和外层之间设置有隔热材料2；所述蓄热介质3是相变储能材料；所述集热管5具有倾斜角度。
本发明中，把光能集起来的热能通过相变蓄能材料以相变形式储存于保温罐1体中，在空调制热时，低温二氧化碳通过换热件6，蓄热介质3产生相变放热，将低温二氧化碳变成高温二氧化碳，经压缩机抽吸后循环到制暖空间制暖。由于蓄热介质3相变时会释放大量的热量，因此可以将光能转换的热能存储在保温罐1中，需要说明的是，可以将白天的太阳能储存在保温罐1中，夜晚通过相变放热的方式使用热能。
集热端的集热介质在集热端吸收光能的热量，温度会变高，同时密度会变小，换热端的集热介质与蓄能介质换热后温度会变低，同时密度会变大，不同密度的集热介质能够自动的完成循环，源源不断的将光能的热量转换为蓄热介质3的相变能储存起来。
参见图2所示，本实施例还提供了一种二氧化碳热泵耦合系统，所述耦合系统包括依次相连通的二氧化碳压缩机10、末端换热器11、储液罐12和室外换热器，所述室外换热器包括闪蒸换热装置13和储能装置14，所述耦合系统包括两个循环，第一个循环依次为二氧化碳压缩机10、末端换热器11、储液罐12和闪蒸换热装置13，第二个循环依次为二氧化碳压缩机10、末端换热器11和储能装置14；所述储能装置14是上述的利用自然能的储能装置14。具体地，所述储液罐12进口端的管道上设置有单向溢流阀15；所述室外换热器与所述储液罐12之间的管道上设置有第三电子膨胀阀18；所述末端换热器11的管道上串接有第四电子膨胀阀组19。单向溢流阀15只能够单向流通，还同时具有压力调节作用，可使中央空调中的压力始终保持在适宜的范围内，确保系统高效运行。电子膨胀阀具有节流降压的作用。所述耦合系统包括第一四通阀23和第二四通阀24，所述第一四通阀23的四个接口分别与二氧化碳压缩机10吸气端、二氧化碳压缩机10排气端、室外换热器、末端换热器11连接；所述第二四通阀24的四个接口分别与室外换热器、储液罐12进液口、储液罐12出液口、末端换热器11连接。
参见图2所示，所述中央空调还包括压力调节装置，所述压力调节装置包括压力调节罐16，所述压力调节罐16与所述储液罐12通过管道相连通，所述压力调节罐16与所述二氧化碳压缩机10吸气端管道连接；所述压力调节罐16与所述二氧化碳压缩机10吸气端管道之间设置有第三电子膨胀阀18。随着系统的运行，储液罐12的压力会升高，如果储液罐12内的压力高于临界值，那么储液罐12中为非液体的高密度气体，制冷能力大大降低，压力升高还会降低系统的安全性；另一方面，还需要提供更耐压的零部件，也增加了制造成本，通过上述结构，当储液罐12压力过高时，储液罐12、压力调节罐16、二氧化碳压缩机10、室外换热器构成一个小循环，能够将储液罐12内的压力降低，并进一步制冷。此外，设置的压力调节罐16能够储存液态冷媒，使得液态冷媒不会进入高速旋转的二氧化碳压缩机10内，避免造成二氧化碳压缩机10损坏。压力调节罐16的第二个作用是：当中央空调在夏季长时间停机时，储液罐12液体由于吸热密度发生变化，如停机时储液罐12是28℃的液体(此时密度约为655.28kg/m3)，压力为对应的饱和压力，长时间停机或环境热辐射时，管内压力达到35℃、80bar时，密度约为419.09kg/m3，根据质量守恒，需要额外的空间来储藏这部分膨胀的流体。通过设置压力调节罐16，解决停机时液体膨胀的问题。所述压力调节罐16与所述二氧化碳压缩机10吸气端管道之间设置有第三电子膨胀阀18。通过设置第三电子膨胀阀18，能够精确控制储液罐12内的压力在临界点以下，罐内温度为罐压对应的饱和温度或有一定过冷温度，系统运行更高效。具体地，所述压力调节罐16的底部与所述储液罐12的顶部连通，如此连接，使得储液罐12内的气体更容易进入压力调节罐16中。所述压力调节罐16的顶部与所述二氧化碳压缩机10吸气端管道连接。
本实施例还提供了上述二氧化碳热泵耦合系统的控制方法，在制热模式下二氧化碳经过二氧化碳压缩机10的压缩产生高温二氧化碳，然后流经末端换热器11进行制热，之后低温二氧化碳流经储液罐12，与储液罐12连接的压力调节罐16和第二电子膨胀阀17能够控制储液罐12内压力恒定，从储液罐12出来的低温二氧化碳通过闪蒸换热装置13和/或储能装置14，回到二氧化碳压缩机10吸气端完成制热循环。需要说明的是，本发明的制热系统可以是中央空调系统的一部分，通过调节第一四通阀23和第二四通阀24的连接关系就能够完成制冷，制冷时，所述第一四通阀23将二氧化碳压缩机10排气端和室外换热器吸气端导通，将蒸发器出口端与二氧化碳压缩机10吸气端导通；第二四通阀24将室外换热器出口端与储液罐12入口端导通，将储液罐12出口端与末端换热器11入口端导通，关闭第一电子膨胀阀7。
参见图2所示，闪蒸换热装置13包括气溶胶产生装置(图中未视出)和换热管20，气溶胶产生装置的气溶胶进入换热腔，气溶胶在负压的作用下与换热管20内二氧化碳进行换热；气溶胶产生装置包括封闭壳体、抽气设备和水雾化装置，抽气设备用于在封闭壳体中形成负压，水雾化装置用于将液态水雾化为更大比表面积的水雾，雾化水和空气在负压的作用下在封闭壳体内形成气溶胶，气溶胶由气溶胶进口21进入换热管20进行换热，换热完成的水不循环，不回收，通过气溶胶出口22直接排放到大气中；水不会污染环境，环保的同时，降低了成本。
当有光线照射的时候，集热管5收集光能集热器4产生的热能；集热管5内的集热介质循环将集热端的热量换到换热端，将热能储存在蓄热介质3中，需要利用储能装置制热时，打开第一电子膨胀阀7，低温二氧化碳与蓄热介质3相变换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，进而使整个系统具有较高的制热系数；系统制冷时，关闭第一电子膨胀阀7。
本发明的二氧化碳热泵耦合系统，在阳光充足时可以利用太阳能进行制热，绿色环保，并且可以将白天的太阳能储存起来晚上使用，当储能装置14的热量不够用时，再启动闪蒸换热装置13，保证了换热的正常进行。
实施例2
参见图3所示，本实施例的基于清洁能源的储能装置还包括空气能集热器25，所述空气能集热器25的一端位于所述保温罐1内，另一端位于所述保温罐1外，与空气能进行换热，所述空气能集热器25内的集热介质循环后将空气热传递给蓄热介质3。优选地，所述空气能集热器25设置在所述保温罐1的下部，利用相同物质在不同温度下具有不同的密度进行自动循环换热。空气能集热器25位于保温罐1内的换热端与光能集热器4位于保温罐1内的换热端连接，其中的乙二醇能够在空气能集热器25和光能集热器1中循环，所述空气能集热器25是由铜管和翅片构成的换热器。当外界空气与保温罐内的蓄热介质存在温差时，空气能集热器收集空气热。靠小温差辐射使辐射能近乎被完全吸收，辐射能公式为：
Figure BDA0002696220650000091
因此，利用温差辐射热能够收集热量用于二氧化碳热泵制热。
任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体，标准物体的发射率为1，真实物体的的辐射率介于0与1之间，我们可定义为“相对黑体”，本方案中的光能集热器和空气能集热器可理解为“相对黑体”，只要具备相应波长的光，光能集热器就能够收集热量，只要存在温差，空气能集热器就能收集热量。
其它技术方案同实施例1，不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (12)

1.一种利用自然能的储能装置，其特征在于：包括二氧化碳循环系统、保温罐、蓄热介质、光能集热器、集热管和换热件，所述蓄热介质设置在所述保温罐内部，所述集热管包括集热端和换热端，所述换热端位于所述保温罐内，所述集热端获得所述光能集热器接受光线照射后转换的热能，所述集热管内的集热介质在集热端和换热端循环，将热量传递给蓄热介质；所述换热件设置在保温罐内，所述换热件的两端分别与二氧化碳循环系统连接，低温二氧化碳通过所述换热件后，与所述蓄热介质换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，从而使整个系统具有较高的制热系数。
2.根据权利要求1所述的一种利用自然能的储能装置，其特征在于：二氧化碳入口和/或二氧化碳出口的管道上设置有第一电子膨胀阀。
3.根据权利要求1所述的一种利用自然能的储能装置，其特征在于：所述集热管内的集热介质是乙二醇；所述蓄热介质是水。
4.根据权利要求1所述的一种利用自然能的储能装置，其特征在于：所述保温罐具有内层和外层，内层和外层之间设置有隔热材料；所述蓄热介质是相变储能材料；所述集热管具有倾斜角度。
5.根据权利要求1所述的一种利用自然能的储能装置，其特征在于：所述储能装置包括空气能集热器，所述空气能集热器的一端位于所述保温罐内，另一端位于所述保温罐外，与空气能进行换热，所述空气能集热器内的集热介质循环后将空气热传递给蓄热介质。
6.根据权利要求5所述的一种利用自然能的储能装置，其特征在于：空气能集热器位于保温罐内的换热端与光能集热器位于保温罐内的换热端连接，其中的乙二醇能够在空气能集热器和光能集热器中循环。
7.一种二氧化碳热泵耦合系统，所述耦合系统包括依次相连通的二氧化碳压缩机、末端换热器、储液罐和室外换热器，其特征在于：所述室外换热器包括闪蒸换热装置和储能装置，所述耦合系统包括两个循环，第一个循环依次为二氧化碳压缩机、末端换热器、储液罐和闪蒸换热装置，第二个循环依次为二氧化碳压缩机、末端换热器和储能装置；所述储能装置是权利要求1-5任一所述的利用自然能的储能装置。
8.根据权利要求7所述的一种二氧化碳热泵耦合系统，其特征在于：所述储液罐进口端的管道上设置有单向溢流阀；所述室外换热器与所述储液罐之间的管道上设置有第三电子膨胀阀；所述末端换热器的管道上串接有第四电子膨胀阀组。
9.根据权利要求7所述的一种二氧化碳热泵耦合系统，其特征在于：所述耦合系统包括第一四通阀和第二四通阀，所述第一四通阀的四个接口分别与二氧化碳压缩机吸气端、二氧化碳压缩机排气端、室外换热器、末端换热器连接；所述第二四通阀的四个接口分别与室外换热器、储液罐进液口、储液罐出液口、末端换热器连接。
10.根据权利要求7所述的一种二氧化碳热泵耦合系统，其特征在于：所述中央空调还包括压力调节装置，所述压力调节装置包括压力调节罐，所述压力调节罐与所述储液罐通过管道相连通，所述压力调节罐与所述二氧化碳压缩机吸气端管道连接；所述压力调节罐与所述二氧化碳压缩机吸气端管道之间设置有第三电子膨胀阀。
11.一种二氧化碳热泵耦合系统的控制方法，其特征在于：在制热模式下，二氧化碳经过二氧化碳压缩机的压缩产生高温二氧化碳，然后流经末端换热器进行制热，之后低温二氧化碳流经储液罐，与储液罐连接的压力调节罐和第二电子膨胀阀能够控制储液罐内压力恒定，从储液罐出来的低温二氧化碳通过闪蒸换热装置和/或储能装置，回到二氧化碳压缩机吸气端完成制热循环。
12.根据权利要求11所述的一种二氧化碳热泵耦合系统的控制方法，其特征在于：闪蒸换热装置包括气溶胶产生装置和换热管，气溶胶产生装置的气溶胶进入换热腔，气溶胶在负压的作用下与换热管内二氧化碳进行换热；气溶胶产生装置包括封闭壳体、抽气设备和水雾化装置，抽气设备用于在封闭壳体中形成负压，水雾化装置用于将液态水雾化为更大比表面积的水雾，雾化水和空气在负压的作用下在封闭壳体内形成气溶胶，气溶胶由气溶胶进口进入换热管进行辐射换热，换热完成的水不循环，不回收，通过气溶胶出口直接排放到大气中；
当有光线照射的时候，集热管收集光能集热器产生的热能；
当外界空气与保温罐内的蓄热介质存在温差时，空气能集热器收集空气热；
集热管内的集热介质循环将集热端的热量换到换热端，将热能储存在蓄热介质中；需要利用储能装置制热时，打开第一电子膨胀阀，低温二氧化碳与蓄热介质相变换热，使二氧化碳处于较高的蒸发温度，进而使整个系统具有较高的制热系数；系统制冷时，关闭第一电子膨胀阀。
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WO2022156237A1 (zh) * 2021-01-21 2022-07-28 北京市京科伦工程设计研究院有限公司 一种基于辐射散热与辐射集热的冷热中央空调系统

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