CN112665214B - 一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法，该系统基于三级压缩、分级储能的CO2压缩制冷循环为冷端提供三个等级的常备冷量、为热端提供生活热水、采暖以及为消防端提供灭火剂CO2。系统通过新型的模块化工艺设计，实现了各级制冷循环的独立运行以及自由组合，以达到工况可调、输出灵活、能量高效利用之目的；结合液体CO2分级储能可实现系统用电的“柔性化”，并作为系统消防的常备安全模块参与到能源系统的安全运营之中，重点用于无人值守的机电设备、重要的电力电子设备以及数据机房等的安全防护以及火情的提早干预。
Description
技术领域
本发明属于制冷领域，涉及一种基于储能型CO2制冷循环的综合能量供应系统，特别涉及一种基于三级压缩、分级储能的CO2压缩制冷循环构成的三个等级的常备冷量供应、生活热水、采暖供应以及消防伺服系统及运行方法。
背景技术
压缩制冷循环是发展最为成熟、应用规模最为广泛的制冷技术，伴随在社会生产生活发展的各个环节。目前，高效制冷机组所使用的有机工质都有或大或小的破坏臭氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP），根据“蒙特利尔议定书”，大量传统有机工质将受到限制，但目前缺少高效的替代工质可供选择，面对巨大市场需求，自然工质的发展再次受到行业的关注。
在众多自然工质中，CO2具有无毒、不破坏臭氧层、不可燃不易爆炸以及密度大等优点，在制冷工质的替代中占有巨大优势。但其临界温度仅为31.1℃，临界压力却高达7.38MPa，CO2跨临界循环节流损失较大，系统能效偏低，限制了其推广应用。由于CO2的流通能力强，通过回热技术以及膨胀设备的改进，CO2制冷技术迎来新的发展机遇，尤其是CO2绿色制冷技术在冬奥会的推广应用，其在制冷领域将发挥越来越重要的作用。
此外CO2消防系统可广泛应用于窒息性灭火场景，也可应用于可切断气源的危险气体消防。采用CO2制冷系统可为应用场景提供消防备用，为用户提供一道安全防护，尤其是电子产品设备间、机电设备机房、无人值守的智能化厂房等等。
专利申请号为201910739370.X公开了一种制冷系统及其实现灭火功能的方法，首次公开了CO2跨临界制冷与消防系统的结合。但该系统采用简单跨临界循环，系统节流损失大的问题尚未解决；另外，该系统受限于CO2冲灌量，消防辐射能力有限，仅能供给空调设备房内的消防应用。此外，简单CO2跨临界制冷循环受限于单级压缩能力有限，难以实现大温差制冷应用场景，因而为进一步推广CO2跨临界制冷循环，需要开发具备工况可调、输出灵活、节能高效的新型系统工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法，该系统采用三级压缩结合分流与回热工艺有效解决系统能量损失大的问题，采用三级冷量储存实现对电能的柔性使用并极大的提升了系统灵活性，并将CO2储罐作为消防伺服对应用场景增加一层消防备用，此外该系统将热量集中处理可用于冬季采暖与生活热水工况，以形成兼具灵活可调、节能高效、安全的新型综合能量供应系统。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，它包括CO2一级压缩制冷循环系统，CO2二级压缩制冷循环系统，CO2三级压缩制冷循环系统，配套冷网络，配套热网络，配套消防网络和配套控制系统；所述配套冷网络包括低温段、冰点温度段和常温段三级冷网络。
所述CO2一级压缩制冷循环系统由一级膨胀机、一级压缩机、一级气液分离装置、一级CO2储液罐、一级液态CO2工质泵、一级CO2蒸发器、一级回热器、一级引射器、冷凝器、第一三通阀门组、第二三通阀门组、第一旁通阀门组、第二旁通阀门组、第三旁通阀门组和第四旁通阀门组组成；
CO2循环介质先后经过一级压缩机进行压缩、冷凝器进行冷却、一级回热器进行放热、一级膨胀机进行膨胀、一级气液分离装置进行气液分离、一级回热器进行气态CO2循环介质吸热、一级CO2储液罐进行液态CO2循环介质经过存储、一级液态CO2工质泵进行升压、一级CO2蒸发器进行蒸发吸热，并在第二三通阀门组汇流，之后高压气态CO2循环介质经过一级引射器引射CO2二级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入一级压缩机进行压缩，完成CO2一级压缩制冷循环；
所述第一三通阀门组用以分配调节液态CO2循环介质进入一级CO2储液罐和进入CO2二级压缩制冷循环系统的流量；
所述第一旁通阀门组并联于一级气液分离装置两侧用以分配进入一级气液分离装置以及一级回热器吸热侧的流量，第二旁通阀门组并联于一级回热器入口处以及进入CO2二级压缩制冷循环系统入口管路上，第三旁通阀门组并联于一级压缩机出口以及一级引射器低压侧入口处，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
所述CO2二级压缩制冷循环系统由二级膨胀机、二级压缩机、二级气液分离装置、二级CO2储液罐、二级液态CO2工质泵、二级CO2蒸发器、二级回热器、二级引射器、第三三通阀门组、第四三通阀门组、第五旁通阀门组、第六旁通阀门组、第七旁通阀门组、第八旁通阀门组组成；
CO2循环介质先后经过二级压缩机进行压缩、被一级引射器引射进入CO2一级压缩制冷循环系统后，分离出进入CO2二级压缩制冷循环系统的CO2经过二级回热器进行放热、二级膨胀机进行膨胀、二级气液分离装置进行气液分离、气态CO2循环介质经过二级回热器吸热、液态CO2循环介质经过二级CO2储液罐存储、二级液态CO2工质泵进行升压、二级CO2蒸发器进行蒸发吸热、并在第四三通阀门组汇流，之后高压气态CO2循环介质经二级引射器引射CO2三级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入二级压缩机压缩，完成CO2二级压缩制冷循环；
所述第三三通阀门组用以分配调节液态CO2循环介质进入二级CO2储液罐和进入CO2三级压缩制冷循环系统的流量，第五旁通阀门组并联于二级气液分离装置两侧用以分配进入二级气液分离装置以及二级回热器吸热侧的流量，第六旁通阀门组并联于二级回热器放热侧的两端，第七旁通阀门组并联于二级压缩机出口以及二级引射器低压侧入口处，结合第三三通阀门组，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
所述CO2三级压缩制冷循环系统由三级膨胀机、三级压缩机、三级气液分离装置、三级CO2储液罐、三级液态CO2工质泵、三级CO2蒸发器、三级回热器、第五三通阀门组、第九旁通阀门组、第十旁通阀门组和第十一旁通阀门组组成；
CO2循环介质先后经过三级压缩机压缩、二级引射器引射进入CO2二级压缩制冷循环系统后，分离出进入三级压缩制冷循环系统的CO2经过三级回热器进行放热、三级膨胀机进行膨胀、三级气液分离装置进行气液分离、气态CO2循环介质经过三级回热器吸热、液态CO2循环介质经过三级CO2储液罐存储、三级液态CO2工质泵进行升压、三级CO2蒸发器进行蒸发吸热、在第五三通阀门组汇流，进入三级压缩机压缩，完成CO2三级压缩制冷循环；
第九旁通阀门组并联于三级气液分离装置两侧用以分配进入三级气液分离装置以及三级回热器吸热侧的流量，第十旁通阀门组并联于三级回热器放热侧的两端。
所述配套冷网络分为一级冷网络、二级冷网络和三级冷网络，其中一级冷网络用于常温段冷量供应，由所述CO2一级压缩制冷循环系统、一级CO2蒸发器、第二空冷器和第十二旁通阀门组组成；二级冷网络用于冰点温度段冷量供应，由所述CO2二级压缩制冷循环系统和二级CO2蒸发器组成；三级冷网络用于低温段冷量供应，由所述CO2三级压缩制冷循环系统和三级CO2蒸发器组成。
所述配套热网络由冷凝器、储热罐、第一空冷器和第十三旁通阀门组组成；
所述储热罐用以实现热量生产与供应的匹配，第一空冷器用在负载吸热能力不足时将热量排至环境，通过第十三旁通阀门组可实现对其旁通。
所述配套消防网络由第四旁通阀门组、第八旁通阀门组、第十一旁通阀门组、一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐、CO2汽化装置以及消防伺服主干和消防伺服末端组成；
通过第四旁通阀门组、第八旁通阀门组、第十一旁通阀门组将CO2一级压缩制冷循环系统中一级CO2储液罐、CO2二级压缩制冷循环系统中二级CO2储液罐、CO2三级压缩制冷循环系统中三级CO2储液罐中的液态CO2引至消防网络，用以对电力电子设备、无人值守机房、可断绝气源的起火点进行窒息式灭火；在消防末端之前设置CO2汽化装置，其内部采用电加热，液态CO2的使用采用一级、二级、三级的优先级进行使用。
所述配套控制系统由控制器与相应执行机构组成，所述执行机构包括第一旁通阀门组、第二旁通阀门组、第三旁通阀门组、第四旁通阀门组、第五旁通阀门组、第六旁通阀门组、第八旁通阀门组、第九旁通阀门组、第十一旁通阀门组、第一三通阀门组、第三三通阀门组、第四三通阀门组、第五三通阀门组、一级膨胀机配套的变频电机及变速器、二级膨胀机配套的变频电机及变速器、三级膨胀机配套的变频电机及变速器、一级压缩机配套的变频电机、二级压缩机配套的变频电机和三级压缩机配套的变频电机。
各级CO2压缩制冷循环系统的制冷剂均采用CO2，并均以液态形式分级储存；所述配套冷网络的载冷剂选择二氧化碳或乙二醇水溶液。
基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统的运行方法，通过配套控制系统的控制器控制相应执行机构来实现多种运行方式和能源的综合利用，并形成三种工作模式：
夏季冷负荷较大时或低温段冷量需求较高时，系统为工作模式一：
此时系统CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统全部开启，由于负荷往往存在周期性，在夜间电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐储存液态CO2；当需要提取冷量时CO2一级、二级、三级压缩制冷循系统中一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机，在优先经济范围内进行变频调节；当负载较高或者电价较高时，通过一级液态CO2工质泵、二级液态CO2工质泵、三级液态CO2工质泵变频抽取一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器、二级引射器引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器将热量储存至储热罐中，用于生活热水或者采暖；
当进入部分级别冷量时，系统通过控制器选择工作模式二：
当低温段冷负荷不足时，通过控制第三三通阀门组、三级压缩机关闭CO2三级压缩制冷循系统；当冰点温度段冷负荷不足时，通过控制第三三通阀门组、第四三通阀门组关闭CO2二级压缩制冷循系统储冷及冷量输出，其他部件作为CO2一级、三级压缩制冷循系统的辅助设备；当冬季室外温度比较寒冷或室温段冷负荷不足时通过控制第二旁通阀门组、第三旁通阀门组或通过控制第一三通阀门组、第二三通阀门组关闭CO2一级压缩制冷循系统储冷或CO2一级输冷量出；同时也能够通过调节实现单个级别的冷量输出；
通过控制器调节可使系统实现单个或两个级别冷量的制备和输出，此外通过相应设备的调节也可实现三个级别冷量的单独制备和输出；同样电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐储存液态CO2；当需要提取冷量时，一级、二级、三级压缩制冷循中一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机，在优先经济范围内进行变频调节；当负载较高或者电价较高时，通过一级液态CO2工质泵、二级液态CO2工质泵、三级液态CO2工质泵抽取一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器、二级引射器引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器将热量储存至储热罐中，用于生活热水或者采暖；
当出现起火、危险气体泄漏等风险预时，系统为工作模式三：
当出现起火、危险气体泄漏风险预时，尤其在电气火花、无人值守机房、可断绝气源的起火点，根据险情级别制冷系统选择停机或不停机；当处在火情初期，可通过设置的消防末端接口，人工控制主动介入进行扑灭；当火灾已成一定规模，可先后通过一级液态CO2工质泵、二级液态CO2工质泵、三级液态CO2工质泵抽取一级CO2储液罐、二级CO2储液罐、三级CO2储液罐储存的液态CO2并经CO2汽化装置气化后将高压气体放散至险情点，直至险情排除；当火情严峻或CO2储量不足时，联合启动水消防系统，进行全范围的火情抑制。
本发明有如下有益效果：
1、本发明所述三级压缩的CO2压缩制冷循环有别于传统CO2制冷跨临界循环，该循环通过三级压缩循环的建立提升了传统温度段的循环效率，并实现了更大温跨的制冷能力。
2、本发明所述系统通过分级储冷、储热实现负荷与电力供应的不匹配即“柔性负载”，此外通过对多级液态的CO2储存增加系统的CO2运营量，一方面可通过运营提供了一个CO2的消纳出口，另一方面扩展CO2的消防辐射和防护范围为系统增加了已重保障。
3、此外本系统实现了三级压缩分级制冷的灵活调控，对三级系统进行了解耦，可多级、双级和单级制冷的灵活组合运行。
4、此系统通过使用气液分流技术和回热技术提升了系统的循环热效率。
5、本系统优化了系统运行参数，可实现压缩机、膨胀机的通用化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1本发明储能型二氧化碳循环冷热供应+消防伺服的综合系统。
图2本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式一示意图。
图3本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二二级、三级双级制冷示意图。
图4本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二一级、三级双级制冷示意图。
图5本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二一级、二级双级制冷示意图。
图6本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二三级单级级制冷示意图。
图7本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二二级单级级制冷示意图。
图8本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式二一级单级级制冷示意图。
图9本发明实施例的综合能量供应、消防伺服系统工作模式三示意图。
图中：一级膨胀机1a、一级压缩机2a、一级气液分离装置3a、一级CO2储液罐4a、一级液态CO2工质泵5a、一级CO2蒸发器6a、一级回热器7a、一级引射器8a、冷凝器9、第一三通阀门组31、第二三通阀门组33、第一旁通阀门组21a、第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a和第四旁通阀门组24a;
二级膨胀机1b、二级压缩机2b、二级气液分离装置3b、二级CO2储液罐4b、二级液态CO2工质泵5b、二级CO2蒸发器6b、二级回热器7b、二级引射器8b、第三三通阀门组32、第四三通阀门组34、第五旁通阀门组21b、第六旁通阀门组22b、第七旁通阀门组23b、第八旁通阀门组24b;
三级膨胀机1c、三级压缩机2c、三级气液分离装置3c、三级CO2储液罐4c、三级液态CO2工质泵5c、三级CO2蒸发器6c、三级回热器7c、第五三通阀门组35、第九旁通阀门组21c、第十旁通阀门组22c和第十一旁通阀门组24c。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-9，一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，它包括CO2一级压缩制冷循环系统，CO2二级压缩制冷循环系统，CO2三级压缩制冷循环系统，配套冷网络，配套热网络，配套消防网络和配套控制系统；所述配套冷网络包括低温段、冰点温度段和常温段三级冷网络。
进一步的，所述CO2一级压缩制冷循环系统由一级膨胀机1a、一级压缩机2a、一级气液分离装置3a、一级CO2储液罐4a、一级液态CO2工质泵5a、一级CO2蒸发器6a、一级回热器7a、一级引射器8a、冷凝器9、第一三通阀门组31、第二三通阀门组33、第一旁通阀门组21a、第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a和第四旁通阀门组24a组成；CO2循环介质先后经过一级压缩机2a进行压缩、冷凝器9进行冷却、一级回热器7a进行放热、一级膨胀机1a进行膨胀、一级气液分离装置3a进行气液分离、一级回热器7a进行气态CO2循环介质吸热、一级CO2储液罐4a进行液态CO2循环介质经过存储、一级液态CO2工质泵5a进行升压、一级CO2蒸发器6a进行蒸发吸热，并在第二三通阀门组33汇流，之后高压气态CO2循环介质经过一级引射器8a引射CO2二级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入一级压缩机2a进行压缩，完成CO2一级压缩制冷循环；
进一步的，所述第一三通阀门组31用以分配调节液态CO2循环介质进入一级CO2储液罐4a和进入CO2二级压缩制冷循环系统的流量；
进一步的，所述第一旁通阀门组21a并联于一级气液分离装置3a两侧用以分配进入一级气液分离装置3a以及一级回热器7a吸热侧的流量，第二旁通阀门组22a并联于一级回热器7a入口处以及进入CO2二级压缩制冷循环系统入口管路上，第三旁通阀门组23a并联于一级压缩机2a出口以及一级引射器8a低压侧入口处，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
进一步的，所述CO2二级压缩制冷循环系统由二级膨胀机1b、二级压缩机2b、二级气液分离装置3b、二级CO2储液罐4b、二级液态CO2工质泵5b、二级CO2蒸发器6b、二级回热器7b、二级引射器8b、第三三通阀门组32、第四三通阀门组34、第五旁通阀门组21b、第六旁通阀门组22b、第七旁通阀门组23b、第八旁通阀门组24b组成；CO2循环介质先后经过二级压缩机2b进行压缩、被一级引射器8a引射进入CO2一级压缩制冷循环系统后，分离出进入CO2二级压缩制冷循环系统的CO2经过二级回热器7b进行放热、二级膨胀机1b进行膨胀、二级气液分离装置3b进行气液分离、气态CO2循环介质经过二级回热器7b吸热、液态CO2循环介质经过二级CO2储液罐4b存储、二级液态CO2工质泵5b进行升压、二级CO2蒸发器6b进行蒸发吸热、并在第四三通阀门组34汇流，之后高压气态CO2循环介质经二级引射器8b引射CO2三级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入二级压缩机2b压缩，完成CO2二级压缩制冷循环。
进一步的，所述第三三通阀门组32用以分配调节液态CO2循环介质进入二级CO2储液罐4b和进入CO2三级压缩制冷循环系统的流量，第五旁通阀门组21b并联于二级气液分离装置3b两侧用以分配进入二级气液分离装置3b以及二级回热器7b吸热侧的流量，第六旁通阀门组22b并联于二级回热器7b放热侧的两端，第七旁通阀门组23b并联于二级压缩机2b出口以及二级引射器8b低压侧入口处，结合第三三通阀门组32，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
进一步的，所述CO2三级压缩制冷循环系统由三级膨胀机1c、三级压缩机2c、三级气液分离装置3c、三级CO2储液罐4c、三级液态CO2工质泵5c、三级CO2蒸发器6c、三级回热器7c、第五三通阀门组35、第九旁通阀门组21c、第十旁通阀门组22c和第十一旁通阀门组24c组成；CO2循环介质先后经过三级压缩机2c压缩、二级引射器8b引射进入CO2二级压缩制冷循环系统后，分离出进入三级压缩制冷循环系统的CO2经过三级回热器7c进行放热、三级膨胀机1c进行膨胀、三级气液分离装置3c进行气液分离、气态CO2循环介质经过三级回热器7c吸热、液态CO2循环介质经过三级CO2储液罐4c存储、三级液态CO2工质泵5c进行升压、三级CO2蒸发器6c进行蒸发吸热、在第五三通阀门组35汇流，进入三级压缩机2c压缩，完成CO2三级压缩制冷循环；
进一步的，第九旁通阀门组21c并联于三级气液分离装置3c两侧用以分配进入三级气液分离装置3c以及三级回热器7c吸热侧的流量，第十旁通阀门组22c并联于三级回热器7c放热侧的两端。
进一步的，所述配套冷网络分为一级冷网络、二级冷网络和三级冷网络，其中一级冷网络用于常温段冷量供应，由所述CO2一级压缩制冷循环系统、一级CO2蒸发器6a、第二空冷器13和第十二旁通阀门组26组成；二级冷网络用于冰点温度段冷量供应，由所述CO2二级压缩制冷循环系统和二级CO2蒸发器6b组成；三级冷网络用于低温段冷量供应，由所述CO2三级压缩制冷循环系统和三级CO2蒸发器6c组成。
进一步的，所述配套热网络由冷凝器9、储热罐10、第一空冷器12和第十三旁通阀门组25组成；
进一步的，所述储热罐10用以实现热量生产与供应的匹配，第一空冷器12用在负载吸热能力不足时将热量排至环境，通过第十三旁通阀门组25可实现对其旁通。
进一步的，所述配套消防网络由第四旁通阀门组24a、第八旁通阀门组24b、第十一旁通阀门组24c、一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c、CO2汽化装置11以及消防伺服主干和消防伺服末端组成；通过第四旁通阀门组24a、第八旁通阀门组24b、第十一旁通阀门组24c将CO2一级压缩制冷循环系统中一级CO2储液罐4a、CO2二级压缩制冷循环系统中二级CO2储液罐4b、CO2三级压缩制冷循环系统中三级CO2储液罐4c中的液态CO2引至消防网络，用以对电力电子设备、无人值守机房、可断绝气源的起火点进行窒息式灭火；在消防末端之前设置CO2汽化装置11，其内部采用电加热，液态CO2的使用采用一级、二级、三级的优先级进行使用。
进一步的，所述配套控制系统由控制器14与相应执行机构组成，所述执行机构包括第一旁通阀门组21a、第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a、第四旁通阀门组24a、第五旁通阀门组21b、第六旁通阀门组22b、第八旁通阀门组24b、第九旁通阀门组21c、第十一旁通阀门组24c、第一三通阀门组31、第三三通阀门组32、第四三通阀门组34、第五三通阀门组35、一级膨胀机1a配套的变频电机及变速器、二级膨胀机1b配套的变频电机及变速器、三级膨胀机1c配套的变频电机及变速器、一级压缩机2a配套的变频电机、二级压缩机2b配套的变频电机和三级压缩机2c配套的变频电机。
进一步的，各级CO2压缩制冷循环系统的制冷剂均采用CO2，并均以液态形式分级储存；所述配套冷网络的载冷剂选择二氧化碳或乙二醇水溶液。
实施例2：
基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统的运行方法，通过配套控制系统的控制器14控制相应执行机构来实现多种运行方式和能源的综合利用，并形成三种工作模式：
夏季冷负荷较大时或低温段冷量需求较高时，系统为工作模式一：
此时系统CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统全部开启，由于负荷往往存在周期性，在夜间电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存液态CO2；当需要提取冷量时CO2一级、二级、三级压缩制冷循系统中一级压缩机2a、二级压缩机2b、三级压缩机2c，在优先经济范围内进行变频调节；当负载较低、或者较高时，通过一级液态CO2工质泵5a、二级液态CO2工质泵5b、三级液态CO2工质泵5c变频抽取一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器8a、二级引射器8b引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器9将热量储存至储热罐10中，用于生活热水或者采暖；
实施例3：
参见图3-8，当系统处在非满负荷运行状态，或对某两个或一个特定温度段用冷量较高时系统采用部分负荷工作模式二：
当低温段冷负荷不足时参见图3，通过控制第三三通阀门组32、三级压缩机2c关闭CO2三级压缩制冷循环系统；
当冰点温度段冷负荷不足时参见图4，通过控制第三三通阀门组32、第四三通阀门组34关闭CO2二级压缩制冷循环系统储冷及冷量输出，其他部件作为CO2一级、三级压缩制冷循系统的辅助设备；
当冬季室外温度比较寒冷或室温段冷负荷不足时参见图5，通过控制第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a或通过控制第一三通阀门组31、第二三通阀门组33关闭CO2一级压缩制冷循系统储冷或CO2一级输冷量出；
当优先提供或制备低温段冷量时参见图6，通过控制第三三通阀门组32、第四三通阀门组34关闭CO2二级压缩制冷循环系统储冷及冷量输出，通过控制第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a等或通过控制第一三通阀门组31、第二三通阀门组33等关闭CO2一级压缩制冷循环系统储冷或CO2一级压缩制冷循环系统储冷及冷量输出；
当优先提供或制备冰点温度段冷量时参见图7，通过控制第三三通阀门组32、三级压缩机2c等关闭CO2三级压缩制冷循环系统，通过控制第二旁通阀门组22a、第三旁通阀门组23a等或通过控制第一三通阀门组31、第二三通阀门组33等关闭CO2一级压缩制冷循环系统储冷或CO2一级输冷量出；
当优先提供或制备室温段冷量时参见图8，通过控制第一三通阀门组31屏蔽CO2二级三级压缩制冷循环系统储冷及冷量输出；第一风冷器12、第二风冷器13适时开启，此时系统可实现双级或单级冷量的灵活制备或供应；CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存液态CO2；
通过控制器14调节可使系统实现两个级别冷量的制备和输出，此外通过相应设备的调节也可实现三个级别冷量的单独制备和输出；同样电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存液态CO2；当需要提取冷量时，一级、二级、三级压缩制冷循中一级压缩机2a、二级压缩机2b、三级压缩机2c，在优先经济范围内进行变频调节；当负载较低、或者较高时，通过一级液态CO2工质泵5a、二级液态CO2工质泵5b、三级液态CO2工质泵5c抽取一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器8a、二级引射器8b引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器9将热量储存至储热罐10中，用于生活热水或者采暖；
实施例4：
参见图9，当出现起火、危险气体泄漏等风险预时，系统为工作模式三：
当出现起火、危险气体泄漏风险预时，尤其在电气火花、无人值守机房、可断绝气源的起火点，根据险情级别制冷系统选择停机或不停机；当处在火情初期，可通过设置的消防末端接口，人工控制主动介入进行扑灭；当火灾已成一定规模，可先后通过一级液态CO2工质泵5a、二级液态CO2工质泵5b、三级液态CO2工质泵5c抽取一级CO2储液罐4a、二级CO2储液罐4b、三级CO2储液罐4c储存的液态CO2并经CO2汽化装置11气化后将高压气体放散至险情点，直至险情排除；当火情严峻或CO2储量不足时，联合启动水消防系统，进行全范围的火情抑制。
Claims (5)
1.一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：它包括CO2一级压缩制冷循环系统，CO2二级压缩制冷循环系统，CO2三级压缩制冷循环系统，配套冷网络，配套热网络，配套消防网络和配套控制系统；所述配套冷网络包括低温段、冰点温度段和常温段三级冷网络；
所述CO2一级压缩制冷循环系统由一级膨胀机（1a）、一级压缩机（2a）、一级气液分离装置（3a）、一级CO2储液罐（4a）、一级液态CO2工质泵（5a）、一级CO2蒸发器（6a）、一级回热器（7a）、一级引射器（8a）、冷凝器（9）、第一三通阀门组（31）、第二三通阀门组（33）、第一旁通阀门组（21a）、第二旁通阀门组（22a）、第三旁通阀门组（23a）和第四旁通阀门组（24a）组成；
CO2循环介质先后经过一级压缩机（2a）进行压缩、冷凝器（9）进行冷却、一级回热器（7a）进行放热、一级膨胀机（1a）进行膨胀、一级气液分离装置（3a）进行气液分离、一级回热器（7a）进行气态CO2循环介质吸热、一级CO2储液罐（4a）进行液态CO2循环介质经过存储、一级液态CO2工质泵（5a）进行升压、一级CO2蒸发器（6a）进行蒸发吸热，并在第二三通阀门组（33）汇流，之后高压气态CO2循环介质经过一级引射器（8a）引射CO2二级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入一级压缩机（2a）进行压缩，完成CO2一级压缩制冷循环；
所述第一三通阀门组（31）用以分配调节液态CO2循环介质进入一级CO2储液罐（4a）和进入CO2二级压缩制冷循环系统的流量；
所述第一旁通阀门组（21a）并联于一级气液分离装置（3a）两侧用以分配进入一级气液分离装置（3a）以及一级回热器（7a）吸热侧的流量，第二旁通阀门组（22a）并联于一级回热器（7a）入口处以及进入CO2二级压缩制冷循环系统入口管路上，第三旁通阀门组（23a）并联于一级压缩机（2a）出口以及一级引射器（8a）低压侧入口处，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统；
所述CO2二级压缩制冷循环系统由二级膨胀机（1b）、二级压缩机（2b）、二级气液分离装置（3b）、二级CO2储液罐（4b）、二级液态CO2工质泵（5b）、二级CO2蒸发器（6b）、二级回热器（7b）、二级引射器（8b）、第三三通阀门组（32）、第四三通阀门组（34）、第五旁通阀门组（21b）、第六旁通阀门组（22b）、第七旁通阀门组（23b）、第八旁通阀门组（24b）组成；
CO2循环介质先后经过二级压缩机（2b）进行压缩、被一级引射器（8a）引射进入CO2一级压缩制冷循环系统后，分离出进入CO2二级压缩制冷循环系统的CO2经过二级回热器（7b）进行放热、二级膨胀机（1b）进行膨胀、二级气液分离装置（3b）进行气液分离、气态CO2循环介质经过二级回热器（7b）吸热、液态CO2循环介质经过二级CO2储液罐（4b）存储、二级液态CO2工质泵（5b）进行升压、二级CO2蒸发器（6b）进行蒸发吸热、并在第四三通阀门组（34）汇流，之后高压气态CO2循环介质经二级引射器（8b）引射CO2三级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入二级压缩机（2b）压缩，完成CO2二级压缩制冷循环；
所述第三三通阀门组（32）用以分配调节液态CO2循环介质进入二级CO2储液罐（4b）和进入CO2三级压缩制冷循环系统的流量，第五旁通阀门组（21b）并联于二级气液分离装置（3b）两侧用以分配进入二级气液分离装置（3b）以及二级回热器（7b）吸热侧的流量，第六旁通阀门组（22b）并联于二级回热器（7b）放热侧的两端，第七旁通阀门组（23b）并联于二级压缩机（2b）出口以及二级引射器（8b）低压侧入口处，结合第三三通阀门组（32），用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统；
所述配套冷网络分为一级冷网络、二级冷网络和三级冷网络，其中一级冷网络用于常温段冷量供应，由所述CO2一级压缩制冷循环系统、一级CO2蒸发器（6a）、第二空冷器（13）和第十二旁通阀门组（26）组成；二级冷网络用于冰点温度段冷量供应，由所述CO2二级压缩制冷循环系统和二级CO2蒸发器（6b）组成；三级冷网络用于低温段冷量供应，由所述CO2三级压缩制冷循环系统和三级CO2蒸发器（6c）组成；
所述配套热网络由冷凝器（9）、储热罐（10）、第一空冷器（12）和第十三旁通阀门组（25）组成；
所述储热罐（10）用以实现热量生产与供应的匹配，第一空冷器（12）用在负载吸热能力不足时将热量排至环境，通过第十三旁通阀门组（25）可实现对其旁通；
所述配套消防网络由第四旁通阀门组（24a）、第八旁通阀门组（24b）、第十一旁通阀门组（24c）、一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）、CO2汽化装置（11）以及消防伺服主干和消防伺服末端组成；
通过第四旁通阀门组（24a）、第八旁通阀门组（24b）、第十一旁通阀门组（24c）将CO2一级压缩制冷循环系统中一级CO2储液罐（4a）、CO2二级压缩制冷循环系统中二级CO2储液罐（4b）、CO2三级压缩制冷循环系统中三级CO2储液罐（4c）中的液态CO2引至消防网络，用以对电力电子设备、无人值守机房、可断绝气源的起火点进行窒息式灭火；在消防末端之前设置CO2汽化装置（11），其内部采用电加热，液态CO2的使用采用一级、二级、三级的优先级进行使用。
2.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述CO2三级压缩制冷循环系统由三级膨胀机（1c）、三级压缩机（2c）、三级气液分离装置（3c）、三级CO2储液罐（4c）、三级液态CO2工质泵（5c）、三级CO2蒸发器（6c）、三级回热器（7c）、第五三通阀门组（35）、第九旁通阀门组（21c）、第十旁通阀门组（22c）和第十一旁通阀门组（24c）组成；
CO2循环介质先后经过三级压缩机（2c）压缩、二级引射器（8b）引射进入CO2二级压缩制冷循环系统后，分离出进入三级压缩制冷循环系统的CO2经过三级回热器（7c）进行放热、三级膨胀机（1c）进行膨胀、三级气液分离装置（3c）进行气液分离、气态CO2循环介质经过三级回热器（7c）吸热、液态CO2循环介质经过三级CO2储液罐（4c）存储、三级液态CO2工质泵（5c）进行升压、三级CO2蒸发器（6c）进行蒸发吸热、在第五三通阀门组（35）汇流，进入三级压缩机（2c）压缩，完成CO2三级压缩制冷循环；
第九旁通阀门组（21c）并联于三级气液分离装置（3c）两侧用以分配进入三级气液分离装置（3c）以及三级回热器（7c）吸热侧的流量，第十旁通阀门组（22c）并联于三级回热器（7c）放热侧的两端。
3.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述配套控制系统由控制器（14）与相应执行机构组成，所述执行机构包括第一旁通阀门组（21a）、第二旁通阀门组（22a）、第三旁通阀门组（23a）、第四旁通阀门组（24a）、第五旁通阀门组（21b）、第六旁通阀门组（22b）、第八旁通阀门组（24b）、第九旁通阀门组（21c）、第十一旁通阀门组（24c）、第一三通阀门组（31）、第三三通阀门组（32）、第四三通阀门组（34）、第五三通阀门组（35）、一级膨胀机（1a）配套的变频电机及变速器、二级膨胀机（1b）配套的变频电机及变速器、三级膨胀机（1c）配套的变频电机及变速器、一级压缩机（2a）配套的变频电机、二级压缩机（2b）配套的变频电机和三级压缩机（2c）配套的变频电机。
4.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：各级CO2压缩制冷循环系统的制冷剂均采用CO2，并均以液态形式分级储存；所述配套冷网络的载冷剂选择二氧化碳或乙二醇水溶液。
5.权利要求1-4任意一项所述基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统的运行方法，其特征在于，通过配套控制系统的控制器（14）控制相应执行机构来实现多种运行方式和能源的综合利用，并形成三种工作模式：
夏季冷负荷较大时或低温段冷量需求较高时，系统为工作模式一：
此时系统CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统全部开启，由于负荷往往存在周期性，在夜间电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）储存液态CO2；当需要提取冷量时CO2一级、二级、三级压缩制冷循系统中一级压缩机（2a）、二级压缩机（2b）、三级压缩机（2c），在优先经济范围内进行变频调节；当负载较高、或者电价较高时，通过一级液态CO2工质泵（5a）、二级液态CO2工质泵（5b）、三级液态CO2工质泵（5c）变频抽取一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器（8a）、二级引射器（8b）引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器（9）将热量储存至储热罐（10）中，用于生活热水或者采暖；
当进入部分级别冷量时，系统通过控制器（14）选择工作模式二：
当低温段冷负荷不足时，通过控制第三三通阀门组（32）、三级压缩机（2c）关闭CO2三级压缩制冷循系统；当冰点温度段冷负荷不足时，通过控制第三三通阀门组（32）、第四三通阀门组（34）关闭CO2二级压缩制冷循系统储冷及冷量输出，其他部件作为CO2一级、三级压缩制冷循系统的辅助设备；当冬季室外温度比较寒冷或室温段冷负荷不足时通过控制第二旁通阀门组（22a）、第三旁通阀门组（23a）或通过控制第一三通阀门组（31）、第二三通阀门组（33）关闭CO2一级压缩制冷循系统储冷或CO2一级输冷量出；也能够通过调节实现单个级别的冷量输出；
通过控制器（14）调节可使系统实现单个或两个级别冷量的制备和输出，此外通过相应设备的调节也可实现三个级别冷量的单独制备和输出；同样电价较低或负荷需求较低情况下，CO2一级、二级、三级压缩制冷循环系统优先向一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）储存液态CO2；当需要提取冷量时，一级、二级、三级压缩制冷循中一级压缩机（2a）、二级压缩机（2b）、三级压缩机（2c），在优先经济范围内进行变频调节；当负载高、或者电价较高时，通过一级液态CO2工质泵（5a）、二级液态CO2工质泵（5b）、三级液态CO2工质泵（5c）抽取一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）储存的液态CO2；其中上一级循环高压CO2分别通过一级引射器（8a）、二级引射器（8b）引射下一级循环低压CO2；系统排出的热量优先通过冷凝器（9）将热量储存至储热罐（10）中，用于生活热水或者采暖；
当出现起火、危险气体泄漏风险预时，系统为工作模式三：
在电气火花、无人值守机房、可断绝气源的起火点，根据险情级别制冷系统选择停机或不停机；当处在火情初期，可通过设置的消防末端接口，人工控制主动介入进行扑灭；当火灾已成一定规模，可先后通过一级液态CO2工质泵（5a）、二级液态CO2工质泵（5b）、三级液态CO2工质泵（5c）抽取一级CO2储液罐（4a）、二级CO2储液罐（4b）、三级CO2储液罐（4c）储存的液态CO2并经CO2汽化装置（11）气化后将高压气体放散至险情点，直至险情排除；当火情严峻或CO2储量不足时，联合启动水消防系统，进行全范围的火情抑制。
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