CN114413369B - 基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法 - Google Patents

基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法，所述蓄冷空调系统包括换热器、与所述换热器分别通过第一管道和第二管道连通并形成第一循环通路的存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，与所述换热器通过第三管道、第四管道和第五管道依次连通并形成第二循环通路的基载主机和空调末端。本发明在原有中央空调水系统的基础上，通过换热器结构并入存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，即构建出一种结构简单、运行安全稳定的蓄冷空调系统，该蓄冷空调系统可实现夜间谷电蓄冷和日间峰电放冷，从而发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力，达到节能降费的效果。

Description

基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法
技术领域
本发明涉及蓄冷空调技术领域，特别涉及基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法。
背景技术
传统中央空调系统存在用电量日周期性明显，耗能量大、舒适性差等问题，因此如何利用节能和储能技术降低城市的空调能源负荷成为缓解电网压力和实现建筑碳中和的重中之重。
目前中央空调节能技术多集中在设备端，如采用高效率的基载主机、热回收装置、变频水泵以及智慧能源自动控制系统等，这虽然在一定程度上能够节约能耗和运行费用，但是不能解决峰电期间高能耗的问题。蓄冷系统是一种通过储能来节约空调系统运行费用的技术，在夜间电价低谷时段将冷量储存到蓄冷介质中，在日间峰电器件将储存的冷量释放出来，以达到移峰填谷，缓解城市电网压力的目的。
现有比较成熟的蓄冷技术分别是水蓄冷和冰蓄冷，但两者都有各自的局限性。水蓄冷系统虽然与常规中央空调系统具有良好的兼容性，但是其显然蓄冷密度小，占地面积大，一般只适用于场地充裕的工业园区；冰蓄冷系统采用双工况主机作为冷源，具有蓄冷密度大的特点，但是夜间蓄冷模式下主机效率仅为空调工况下的60-65%，属于耗能型空调系统，同时蓄冰槽盘结构复杂，漏液概率高，后期维护相对困难。
目前现有的相变蓄冷空调系统存在如下几个问题：1、传统的相变蓄冷空调通常采用相变冰板进行蓄冷，即采用HDPE塑料吹塑盒内部承装相变材料，再将模块泡在水中组成蓄冷池，相变蓄冷池直连供冷空调系统，这种系统中的开式蓄冷池无法承压，导致蓄冷池必须采用能够承受高水压的闭式系统，其成本高昂，风险较高；2、空调系统供冷温度通常较高，供水温度通常在10℃以上，且供水温度不稳定，无法做到稳定的温度控制与蓄冷池放冷功率控制；3、采用换热器结构后，出水温度问题进一步严重化，供水温度可能高达12℃以上，难以满足空调主机供冷需求，并且产生严重的冷凝水，影响工作效率；4、现有的相变空调系统管路结构较复杂，需要用到5-10个阀门进行控制，不仅改造难度较大，对场地需求较大，同时运行时出现问题概率较高；5、采用模块盒盛装的材料模块在经过数十至数百次的相变过程后，通常会出现明显的相分离现象，导致材料的相变点改变，相变潜热减少，影响蓄冷效果。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法，旨在解决现有相变蓄冷空调系统管路结构复杂以及节能效果较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，包括换热器、与所述换热器分别通过第一管道和第二管道连通并形成第一循环通路的存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，与所述换热器通过第三管道、第四管道和第五管道依次连通并形成第二循环通路的基载主机和空调末端；所述第二管道上设置有相变材料循环泵，所述第四管道上靠近所述基载主机的一端设置有供冷水泵，所述第四管道上远离所述基载主机的一端设置有第一电磁阀；所述第三管道和第四管道之间设置有第六管道，且所述第六管道与所述第四管道的连通点位于所述供冷水泵和所述第一电磁阀之间的管道位置；所述第六管道上设置有第二电磁阀。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述相变蓄冷池包括用于存储纳米微胶囊悬浮相变材料的不锈钢罐体，所述不锈钢罐体的侧边上下两端分别设置有纳米微胶囊悬浮相变材料入口和纳米微胶囊悬浮相变材料出口，所述不锈钢罐体的内部设置有螺旋式搅拌器，所述螺旋搅拌器贯穿所述不锈钢罐体的顶部并连接有驱动电机；所述不锈钢罐体的外层还设置有发泡隔热层。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述蓄冷空调系统还包括PLC控制子系统，所述PLC控制子系统包括依次电连接的预测模块、分析模块、决策模块以及动作模块；其中，
所述预测模块用于从互联网中获取当地历史气象资料生成本地天气数据库，同时动态采集气象机构的预报数值纳入本地天气数据库，应用数学统计方法对未来预设天数的天气状况进行预测，得到预测天气数据；
所述分析模块用于根据所述预测天气数据对建筑的日间逐时冷负荷值进行计算，确定日间总冷负荷值
Figure 315472DEST_PATH_IMAGE001
、峰电期间总冷负荷值
Figure 911293DEST_PATH_IMAGE002
和峰值冷负荷值
Figure 159871DEST_PATH_IMAGE003
，同时分析日间总冷负荷值
Figure 820660DEST_PATH_IMAGE001
和基载主机夜间额定制冷功率下的蓄冷量TQ，T为蓄冷时间，确定总相变蓄冷值
Figure 228507DEST_PATH_IMAGE004
；
所述决策模块用于根据分析模块计算得出的数据，确定夜间基载主机的蓄冷时间T和日间不同时间段的蓄冷空调系统的运行模式，实现全自动按预测要求控制机组运行；
所述动作模块用于根据决策模块确定的运行模式，控制基载主机、相变材料循环泵、供冷水泵、第一电磁阀和第二电磁阀进行不同模式之间的切换。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述PLC控制子系统还包括与所述分析模块电连接的监测统计模块，以及与所述监测统计模块电连接的报警模块和智能调节模块；其中，所述监测统计模块用于对蓄冷空调系统的运行数据进行监测与统计；所述报警模块用于当监测到异常运行数据时发出警报；所述智能调节模块用于与监测统计模块呈现负反馈连接，根据监测统计模块反馈的数据对蓄冷空调系统进行智能化节能控制，动态实现实际冷负荷与系统供冷量相匹配，最大限度发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料的相变温度为5-12℃。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料的制备步骤包括：向去离子水中加入尿素和甲醛并调节溶液pH为7-8，再以50-90℃的温度搅拌30-90min，最后再加入去离子水进行稀释，制得预聚液；
向去离子水中加入乳化剂、聚合剂、氯化钠、相变材料，在40-90℃的条件下以500-2000rpm的转速搅拌10-60min，制得乳液；
在50-300rpm的转速条件下，将所述预聚液加入所述乳液中，同时加入pH调节液调节pH为3-4，待反应出现白色浑浊物后将转速提升30-80%并在40-60℃的条件下继续搅拌2-10h，制得纳米微胶囊初始液；
将所述纳米微胶囊初始液液调节pH为5-7，将反应温度提升至70-90℃后加入流动稳定性助剂，并将转速调整至500-1000rpm，反应0.5-3h后，制得纳米微胶囊混合液；
对所述纳米微胶囊混合液进行过滤，对过滤得到的沉淀物洗涤后进行干燥处理，得到纳米微胶囊相变材料干质，在所述纳米微胶囊相变材料干质中加入流动增强纳米颗粒，得到纳米微胶囊混合干质；
在去离子水中加入密度调节剂，使制得的混合溶液的密度与纳米微胶囊相变材料干质的密度相同，向所述混合溶液中加入增稠剂，得到微胶囊悬浮介质液；
向所述微胶囊悬浮介质液中加入所述纳米微胶囊混合干质，混合制得纳米微胶囊悬浮相变材料。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其中，所述乳化剂为羧酸盐、硫酸盐、磺酸盐、硬脂酸钠盐、十二烷基硫酸钠盐、有聚氧乙烯醚类和聚氧丙烯醚类的一种或多种；和/或，所述聚合剂为间苯二酚、苯酚和甲酚的一种或多种；和/或，所述相变材料为正十四烷、十五烷和十六烷的一种或多种；所述pH调节剂为羧酸、磺酸、亚磺酸和硫羧酸一种或多种；和/或，所述流动稳定性助剂为PVA、聚乙二醇和SDS的一种或多种；和/或，所述流动增强纳米颗粒为聚四氟乙烯颗粒；所述密度调节剂为水溶性盐或有机醇；和/或，所述增稠剂为凹凸土、纳米气相二氧化硅、膨润土、硅酸铝和甲基纤维素中的一种或多种。
一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的控制方法，其中，包括步骤：
当选择蓄冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第二电磁阀，关闭第一电磁阀；所述相变蓄冷池通过换热器与基载主机供冷侧进行热交换，夜间相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料经相变材料循环泵进入换热器与供冷侧冷冻水进行换热，使纳米微胶囊悬浮相变材料发生相变进行蓄冷，直至蓄冷达到设定阈值时，系统停止运行；
当选择蓄冷池供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵以及第一电磁阀，关闭基载主机和第二电磁阀；所述相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料通过相变材料循环泵与换热器中的空调循环水进行热交换，降温后的空调循环水经供冷水泵送入空调末端释冷后再流回到换热器继续与纳米微胶囊悬浮相变材料进行热交换；
当选择联合供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭第二电磁阀；逐时冷负荷值超过基载主机总装载容量，在蓄冷池供冷模式的基础上同时开启基载主机进行联合供冷；
当选择主机直供模式时，控制开启供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭相变材料循环泵和第二电磁阀；单独开启基载主机对空调末端进行供冷，相变材料循环泵停机。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的控制方法，其中，还包括步骤：
当日间总冷负荷值
Figure 254232DEST_PATH_IMAGE001
小于等于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 786845DEST_PATH_IMAGE004
时，在峰电期间完全运行蓄冷池供冷模式，其余时间在保证基载主机以额定功率运行的前提下，运行联合供冷模式释放相变蓄冷池剩余冷量：
Figure 64373DEST_PATH_IMAGE004
-峰电期间总冷负荷值
Figure 998831DEST_PATH_IMAGE002
。
所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的控制方法，其中，还包括步骤：
当日间总冷负荷值
Figure 195458DEST_PATH_IMAGE001
大于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 215366DEST_PATH_IMAGE004
时，则在峰电期间运行联合供冷模式，控制相变蓄冷池的放冷量优先集中于峰电期间，同时保证基载主机在日间以额定功率运行。
有益效果：本发明提供的蓄冷空调系统是基于纳米微胶囊悬浮相变材料构建的，由于该纳米微胶囊悬浮相变材料是由相变材料储存在微米级直径的微胶囊中并均匀分布在液体介质中形成，所述纳米微胶囊悬浮相变材料在相变材料蓄冷完成前后均保持液态不变，因此本发明在原有中央空调水系统的基础上，通过换热器结构并入存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，即可构建出一种结构简单、运行安全稳定的蓄冷空调系统，该蓄冷空调系统可实现夜间谷电蓄冷和日间峰电放冷，从而发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力，达到节能降费的效果。
附图说明
图1为本发明一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的原理图。
图2为本发明蓄冷空调系统中相变蓄冷池的结构示意图。
图3为本发明一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统控制方法流程图。
图4为本发明蓄冷空调系统包含的PLC控制子系统的模块框图。
具体实施方式
本发明提供基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统及控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统原理图，如图所示，其包括换热器10、与所述换热器10分别通过第一管道20和第二管道30连通并形成第一循环通路的存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池40，与所述换热器10通过第三管道50、第四管道60和第五管道70依次连通并形成第二循环通路的基载主机80和空调末端90；所述第二管道30上设置有相变材料循环泵31，所述第四管道60上靠近所述基载主机80的一端设置有供冷水泵61，所述第四管道60上远离所述基载主机80的一端设置有第一电磁阀62；所述第三管道50和第四管道60之间设置有第六管道100，且所述第六管道100与所述第四管道60的连通点位于所述供冷水泵61和所述第一电磁阀62之间的管道位置；所述第六管道100上设置有第二电磁阀101。
在本发明中，由于纳米微胶囊悬浮相变材料是由相变材料储存在微米级直径的微胶囊中并均匀分布在液体介质中形成，所述纳米微胶囊悬浮相变材料在相变材料蓄冷完成前后均保持液态不变且具有较佳的流动性能，该纳米微胶囊悬浮相变材料可通过换热器将储存的冷量释放到供冷空调回路中，因此本发明在原有中央空调水系统的基础上，通过换热器结构并入存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，即构建出一种结构简单、运行安全稳定的蓄冷空调系统，该蓄冷空调系统可实现夜间谷电蓄冷和日间峰电放冷，从而可发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力，达到节能降费的效果。
在一些实施方式中，如图2所示，所述相变蓄冷池40包括用于存储纳米微胶囊悬浮相变材料的不锈钢罐体41，所述不锈钢罐体41的侧边上下两端分别设置有纳米微胶囊悬浮相变材料入口42和纳米微胶囊悬浮相变材料出口43，所述不锈钢罐体41的内部设置有螺旋式搅拌器44，所述螺旋搅拌器44贯穿所述不锈钢罐体41的顶部并连接有驱动电机45；所述不锈钢罐体41的外层还设置有发泡隔热层46。在本实施例中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料出口43与第二管道30的一端连通，所述纳米微胶囊悬浮相变材料入口23与所述第一管道20的一端连通，当所述相变材料循环泵启动时，储存在所述不锈钢罐体41内的纳米微胶囊悬浮相变材料从所述纳米微胶囊悬浮相变材料出口43流出并进入所述换热器10与供冷循环水进行换热，使纳米微胶囊悬浮相变材料发生相变进行蓄冷，经过换热后的纳米微胶囊悬浮相变材料再通过所述纳米微胶囊悬浮相变材料入口42进入到不锈钢罐体41中。在本实施例中，所述螺旋式搅拌器44通过所述驱动电机45驱动旋转可以保证纳米微胶囊悬浮相变材料中的微胶囊混合颗粒与液态介质充分混合并保持流动性，便于循环流通。
在一些实施方式中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料由微胶囊介质液以及悬浮在所述微胶囊介质液中的微胶囊混合颗粒组成，所述微胶囊混合颗粒由纳米微胶囊相变材料干质和流动增强纳米颗粒混合组成，所述纳米微胶囊相变材料干质包括相变材料以及包覆所述相变材料的微胶囊。在本实施例中，所述相变材料的相变温度为5-12℃。因此基载主机只需制取2-4℃冷水即可实现夜间稳定蓄冷，无需制冷到0℃以下，并且蓄冷仅在夜间进行，此时环境温度较低，基载主机制冷效率有所提高。在本实施例中，由于所述微胶囊将相变材料包覆在内部，因此可保证相变材料在微胶囊内部进行相变，不会发生相变材料泄露污染循环水的问题。
在一些实施方式中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料的制备步骤包括：向去离子水中加入尿素和甲醛并调节溶液pH为7-8，再以50-90℃的温度搅拌30-90min，最后再加入去离子水进行稀释，制得预聚液；向去离子水中加入乳化剂、聚合剂、氯化钠、相变材料，在40-90℃的条件下以500-2000rpm的转速搅拌10-60min，制得乳液；在50-300rpm的转速条件下，将所述预聚液加入所述乳液中，同时加入pH调节液调节pH为3-4，待反应出现白色浑浊物后将转速提升30-80%并在40-60℃的条件下继续搅拌2-10h，制得纳米微胶囊初始液；将所述纳米微胶囊初始液调节pH为5-7，将反应温度提升至70-90℃后加入流动稳定性助剂，并将转速调整至500-1000rpm，反应0.5-3h后，制得纳米微胶囊混合液；对所述纳米微胶囊混合液进行过滤，对过滤得到的沉淀物洗涤后进行干燥处理，得到纳米微胶囊相变材料干质，在所述纳米微胶囊相变材料干质中加入流动增强纳米颗粒，得到纳米微胶囊混合干质；在去离子水中加入密度调节剂，使制得的混合溶液的密度与纳米微胶囊相变材料干质的密度相同，向所述混合溶液中加入增稠剂，得到微胶囊悬浮介质液；向所述微胶囊悬浮介质液中加入所述纳米微胶囊混合干质，混合制得纳米微胶囊悬浮相变材料。
在本实施例中，所述预聚液与所述乳液在反应后生成纳米微胶囊初始液，所述纳米微胶囊初始液包括分散在液体中的微胶囊颗粒，所述微胶囊颗粒由相变材料以及包覆相变材料的脲醛树脂微胶囊结构组成，所述脲醛树脂微胶囊结构将相变材料包覆在内部，防止相变材料在相变过程中发生泄露；接着向纳米微胶囊初始液中加入所述流动稳定性助剂，所述流动性稳定助剂可通过范德华尔斯力结合在脲醛树脂微胶囊结构表面，通过降低微胶囊颗粒相互之间的阻力和分子间作用力以及微胶囊颗粒与去离子水之间的阻力，从而可有效增强微胶囊颗粒的悬浮液流动性。在本实施例中，通过在所述纳米微胶囊相变材料干质中加入流动增强纳米颗粒，可防止纳米微胶囊相变材料干质发生团聚，有助于其快速分散。
在一些具体的实施方式中，所述纳米微胶囊悬浮相变材料可通过以下方法制得：向10-20份去离子水中加入1-10份尿素和1-10份甲醛，再加入pH调节剂调节溶液pH为7-8，再以50-90℃的温度搅拌30-90min，最后加入10-20份去离子水进行稀释，制得预聚液，备用；向50-150份去离子水中加入5-30份乳化剂、1-5份聚合剂、3-20份氯化钠、20-100份相变材料，在40-90℃的条件下以500-2000rpm的转速搅拌10-60min，制得乳液，备用；在50-300rpm的转速条件下，将所述预聚液加入所述乳液中，同时加入pH调节液调节pH为3-4，待反应出现白色浑浊物后将转速提升30-80%并在40-60℃的条件下继续搅拌2-10h，制得纳米微胶囊初始液；向所述纳米微胶囊初始液中加入pH调节液调节pH为5-7，将反应温度提升至70-90℃后加入1-25份流动稳定性助剂，并将转速调整至500-1000rpm，反应0.5-3h后，制得纳米微胶囊混合液；对所述纳米微胶囊混合液进行过滤，对过滤得到的沉淀物洗涤后进行干燥处理，得到纳米微胶囊相变材料干质，在所述纳米微胶囊相变材料干质中加入流动增强纳米颗粒，得到纳米微胶囊混合干质；在去离子水中加入密度调节剂，使制得的混合溶液的密度与纳米微胶囊相变材料干质的密度相同，向所述混合溶液中加入1-10份增稠剂，得到微胶囊悬浮介质液；向所述微胶囊悬浮介质液中加入50-100份所述纳米微胶囊混合干质，混合制得纳米微胶囊悬浮相变材料。
在一些实施方式中，所述乳化剂为羧酸盐、硫酸盐、磺酸盐、硬脂酸钠盐、十二烷基硫酸钠盐、有聚氧乙烯醚类和聚氧丙烯醚类的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述聚合剂为间苯二酚、苯酚和甲酚的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述相变材料为正十四烷、十五烷和十六烷的一种或多种，但不限于此。本实施例中相变材料的的最适宜相变温度为5-12℃，因此基载主机制取2-4℃冷水即可实现夜间稳定蓄冷，无需制冷到0℃以下，并且蓄冷仅在夜间进行，此时环境温度较低，主机制冷效率有所提高。
在一些实施方式中，所述pH调节剂为羧酸、磺酸、亚磺酸和硫羧酸一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述流动稳定性助剂为PVA、聚乙二醇和SDS的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述流动增强纳米颗粒为聚四氟乙烯颗粒，但不限于此。本实施例优选直径为20-150nm的聚四氟乙烯颗粒。
在一些实施方式中，所述密度调节剂为水溶性盐或有机醇，作为举例，所述水溶性盐可以为氯化钠，所述有机醇可以为丙醇、乙醇等。
在一些实施方式中，所述增稠剂为凹凸土、纳米气相二氧化硅、膨润土、硅酸铝和甲基纤维素中的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，本发明还提供了一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的控制方法，如图3所示，其包括步骤：
S10、当选择蓄冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第二电磁阀，关闭第一电磁阀；所述相变蓄冷池通过换热器与基载主机供冷侧进行热交换，夜间相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料经相变材料循环泵进入换热器与供冷侧冷冻水进行换热，使纳米微胶囊悬浮相变材料发生相变进行蓄冷，直至蓄冷达到设定阈值时，系统停止运行；
S20、当选择蓄冷池供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵以及第一电磁阀，关闭基载主机和第二电磁阀；所述相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料通过相变材料循环泵与换热器中的空调循环水进行热交换，降温后的空调循环水经供冷水泵送入空调末端释冷后再流回到换热器继续与纳米微胶囊悬浮相变材料进行热交换；
S30、当选择联合供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭第二电磁阀；逐时冷负荷值超过基载主机总装载容量，在蓄冷池供冷模式的基础上同时开启基载主机进行联合供冷；
S40、当选择主机直供模式时，控制开启供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭相变材料循环泵和第二电磁阀；单独开启基载主机对空调末端进行供冷，相变材料循环泵停机。
在本实施例中，所述蓄冷空调系统有4种运行模式：蓄冷模式、蓄冷池供冷模式、主机直供模式、联合供冷模式，通过控制基载助剂、相变材料循环泵、供冷水泵、第一电磁阀以及第二电磁阀的开关来实现不同运行模式的切换。本实施例通过切换不同的运行模式，可使得蓄冷空调系统实现夜间谷电蓄冷和日间峰电放冷，从而可发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力，达到节能降费的效果。所述基载主机作为制冷主机，可以为常规风冷冷水机组或常规水冷冷水机组，但不限于此；所述空调末端可以为卡式风机盘管结构，但不限于此。
传统中央空调系统的主机装载容量都是基于100%负荷日的空调峰值负荷，而在绝大多数运行时间内，空调冷负荷值处于峰值负荷的60-80%之间，基载主机长期处于低负荷运行状态，导致制冷效率过低。通过蓄冷技术的移峰填谷虽然可以在一定程度上降低基载主机的装载容量，但是容易出现相变蓄冷池利用率低，整个空调系统能效比过低的问题。
基于此，为了避免出现相变蓄冷池利用率低、基载主机低功率运行的问题，本实施例在所述蓄冷空调系统内还装载了PLC控制子系统，通过控制来平衡相变蓄冷池、基载主机与空调末端三者的冷量供需关系，最大化地实现移峰填谷，节能降费的目的。如图4所示，所述PLC控制子系统包括依次电连接的预测模块、分析模块、决策模块以及动作模块。
所述预测模块用于从互联网中获取当地历史气象资料生成本地天气数据库，同时动态采集气象机构的预报数值纳入本地天气数据库，应用数学统计方法对未来预设天数的天气状况进行预测，得到预测天气数据。
所述分析模块用于根据所述预测天气数据对建筑的日间逐时冷负荷值进行计算，确定日间总冷负荷值
Figure 280274DEST_PATH_IMAGE005
、峰电期间总冷负荷值
Figure 272501DEST_PATH_IMAGE002
和峰值冷负荷值
Figure 967924DEST_PATH_IMAGE003
，同时分析日间总冷负荷值
Figure 786714DEST_PATH_IMAGE001
和基载主机夜间额定制冷功率下的蓄冷量TQ，T为蓄冷时间，确定总相变蓄冷值
Figure 327416DEST_PATH_IMAGE004
；其中，若
Figure 174150DEST_PATH_IMAGE001
>TQ，则
Figure 774895DEST_PATH_IMAGE004
=TQ，其中T为最大值；若
Figure 831713DEST_PATH_IMAGE006
≤TQ，则
Figure 176107DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 877346DEST_PATH_IMAGE001
=TQ，其中T取决于
Figure 993201DEST_PATH_IMAGE001
；特别地，基载主机总装在容量Q为峰值负荷值
Figure 209419DEST_PATH_IMAGE003
的60-80%，且单台机组的制冷量
Figure 295187DEST_PATH_IMAGE007
为总装载容量Q的25%，避免基载主机低功率运行。
所述决策模块用于根据分析模块计算得出的数据，确定夜间基载主机的蓄冷时间T和日间不同时间段的蓄冷空调系统的运行模式，实现全自动按预测要求控制机组运行。具体来讲，当日间总冷负荷值
Figure 913250DEST_PATH_IMAGE001
小于等于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 183694DEST_PATH_IMAGE008
时，在峰电期间完全运行蓄冷池供冷模式，其余时间在保证基载主机以额定功率
Figure 887208DEST_PATH_IMAGE009
（其中k=0,1,2,3,4）运行的前提下，运行联合供冷模式释放相变蓄冷池剩余冷量：
Figure 511087DEST_PATH_IMAGE004
-
Figure 249236DEST_PATH_IMAGE002
。当日间总冷负荷值
Figure 939849DEST_PATH_IMAGE010
大于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 130659DEST_PATH_IMAGE004
时，则在峰电期间运行联合供冷模式，控制相变蓄冷池的放冷量优先集中于峰电期间，同时保证基载主机在日间以额定功率
Figure 558229DEST_PATH_IMAGE009
（其中k=0,1,2,3,4）运行。
所述动作模块用于根据决策模块确定的运行模式，控制基载主机、相变材料循环泵、供冷水泵、第一电磁阀和第二电磁阀进行不同模式之间的切换。运行模式切换之前应对当前运行的各设备进行检测，在设备都运行正常的前提下执行切换指令。本发明中的蓄冷空调系统有4种运行模式，分别为蓄冷模式、蓄冷池供冷模式、主机直供模式、联合供冷模式，其具体操作方式如上述介绍。
在一些实施方式中，如图4所示，所述PLC控制子系统还包括与所述分析模块电连接的监测统计模块，以及与所述监测统计模块电连接的报警模块和智能调节模块。
所述监测统计模块用于对蓄冷空调系统的运行数据进行监测与统计，具体包括对相变蓄冷池、基载主机、换热器及空调末端的进出口温度和流量；室内外温湿度；基载主机、供冷水泵及第一电磁阀、第二电磁阀的启闭情况；相变蓄冷池的蓄冷/放冷量、蓄冷/放冷速率；换热器换热效率等重要指标进行监测与统计，并将蓄冷空调系统的实际运行日负荷通过报表或曲线图的方式记录，为其他功能模块提供数据支持。
所述报警模块用于当监测到异常运行数据时发出警报，如各种传感器（温度、流量等）运行故障、基载主机及水泵的运行发生故障等，都可发出警报。
所述智能调节模块用于与监测统计模块呈现负反馈连接，通过传感技术、主机设备群控、流量变频调节、室内热舒适性动态监测等技术手段，根据监测统计模块反馈的数据对蓄冷空调系统进行智能化节能控制，动态实现实际冷负荷与系统供冷量相匹配，最大限度发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力。
本发明在现有中央空调水系统中通过换热器并入相变蓄冷池，利用原有基载主机进行夜间蓄冷，并通过预测模块、分析模块、决策模块、动作模块、智能调节模块、监测统计模块、报警模块及各设备组之间的动态调节，最大化地实现移峰填谷。
下面通过具体实施例对本发明蓄冷空调系统的控制方法做进一步的解释说明：
空调系统设计时按100%负荷日的冷负荷指标进行机组选型，而多数空调系统运行时实际负荷值均低于该100%指标。其中相变蓄冷量占总冷负荷的比例应综合考虑经济和节能效益，分为部分蓄冷和全部蓄冷。下面仅针对蓄冷比例为25~30%的部分蓄冷情况下，不同百分比负荷日下的运行逻辑进行阐述。基载主机总装载容量Q为100%设计日峰值负荷值
Figure 213202DEST_PATH_IMAGE003
的60%-80%，且单台机组的制冷量Qn为总装载容量Q的25%。
蓄冷空调系统中的预测模块、监测统计模块为分析模块提供数据支持，分析模块根据所提供的数据利用热平衡算法确定日间总冷负荷值Q0、峰电期间总冷负荷值Q1、峰值冷负荷值Qf以及总相变蓄冷值Qp。紧接着在决策模块确定夜间基载主机的蓄冷时间T和日间不同时间段的空调系统运行模式后，动作模块在设定的时间段执行对应的动作进行不同运行模式之间的自动切换；
当空调以85%-100%负荷日运行时，夜间谷电开启基载主机进行蓄冷，总蓄冷量Qp=TQ，其中T为最大值。日间平电期间优先运行主机直供模式，且基载主机以额定功率kQn运行（其中k=0,1,2,3,4），同时监测空调末端侧进回水温度上升到设定值时，启动相变材料循环泵，连通相变蓄冷池通过换热器进行联合供冷。峰电期间运行联合供冷模式，控制相变蓄冷池的放冷速率不高于15%，同时保证基载主机在日间以额定功率kQn运行（其中k=0,1,2,3,4），避免基载主机低负荷运转；
当空调以65%~85%负荷日运行时，夜间谷电开启基载主机进行蓄冷，总蓄冷量为Qp=TQ其中T为最大值。日间平电期间优先运行主机直供模式，同时监测空调末端侧进回水温度上升到设定值时，启动相变材料循环泵，连通相变蓄冷池通过换热器进行联合供冷。峰电期间优先运行蓄冷池供冷模式，此时仅由相变蓄冷池放冷可满足绝大部分峰电期间的供冷需求，同时监测空调末端侧进回水温度上升到设定值时，开启基载主机运行联合供冷模式，并通过平衡相变蓄冷池放冷率保证基载主机以额定功率kQn运行（其中k=0,1,2,3,4）；
当空调以45%~65%负荷日运行时，夜间谷电开启基载主机进行蓄冷，总蓄冷量为Qp=TQ其中T为最大值，且峰电期间总冷负荷值Q1＜Qp，因此峰电期间仅运行蓄冷池供冷模式即可满足供冷需求。平电期间优先运行蓄冷池供冷模式释放剩余Qp-Q1的冷量，同时监测空调末端侧进回水温度上升到设定值时，切换至主机直供模式；
当空调以0%~45%负荷日运行时，夜间谷电开启基载主机进行蓄冷，总蓄冷量为Qp=TQ，其中T取决于Q0。当Q0小于夜间谷电期间基载主机的满蓄冷量Qpn时，日间仅运行蓄冷池供冷模式即可，此时T=Q0/Q；当Q0不小于夜间谷电期间基载主机的满蓄冷量Qpn时，峰电期间仅运行蓄冷池供冷模式，平电期间优先运行蓄冷池供冷模式，同时监测空调末端侧进回水温度上升到设定值时，切换至主机直供模式。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，包括换热器、与所述换热器分别通过第一管道和第二管道连通并形成第一循环通路的存储有纳米微胶囊悬浮相变材料的相变蓄冷池，与所述换热器通过第三管道、第四管道和第五管道依次连通并形成第二循环通路的基载主机和空调末端；所述第二管道上设置有相变材料循环泵，所述第四管道上靠近所述基载主机的一端设置有供冷水泵，所述第四管道上远离所述基载主机的一端设置有第一电磁阀；所述第三管道和第四管道之间设置有第六管道，且所述第六管道与所述第四管道的连通点位于所述供冷水泵和所述第一电磁阀之间的管道位置；所述第六管道上设置有第二电磁阀；
所述蓄冷空调系统还包括PLC控制子系统，所述PLC控制子系统包括依次电连接的预测模块、分析模块、决策模块以及动作模块；其中，
所述预测模块用于从互联网中获取当地历史气象资料生成本地天气数据库，同时动态采集气象机构的预报数值纳入本地天气数据库，应用数学统计方法对未来预设天数的天气状况进行预测，得到预测天气数据；
所述分析模块用于根据所述预测天气数据对建筑的日间逐时冷负荷值进行计算，确定日间总冷负荷值
Figure 708615DEST_PATH_IMAGE001
、峰电期间总冷负荷值
Figure 173225DEST_PATH_IMAGE002
和峰值冷负荷值
Figure 546438DEST_PATH_IMAGE003
，同时分析日间总冷负荷值
Figure 676068DEST_PATH_IMAGE001
和基载主机夜间额定制冷功率下的蓄冷量TQ，T为蓄冷时间，确定总相变蓄冷值
Figure 366523DEST_PATH_IMAGE004
；
所述决策模块用于根据分析模块计算得出的数据，确定夜间基载主机的蓄冷时间T和日间不同时间段的蓄冷空调系统的运行模式，实现全自动按预测要求控制机组运行；
所述动作模块用于根据决策模块确定的运行模式，控制基载主机、相变材料循环泵、供冷水泵、第一电磁阀和第二电磁阀进行不同模式之间的切换。
2.根据权利要求1所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，所述相变蓄冷池包括用于存储纳米微胶囊悬浮相变材料的不锈钢罐体，所述不锈钢罐体的侧边上下两端分别设置有纳米微胶囊悬浮相变材料入口和纳米微胶囊悬浮相变材料出口，所述不锈钢罐体的内部设置有螺旋式搅拌器，所述螺旋式搅拌器贯穿所述不锈钢罐体的顶部并连接有驱动电机；所述不锈钢罐体的外层还设置有发泡隔热层。
3.根据权利要求1所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，所述PLC控制子系统还包括与所述分析模块电连接的监测统计模块，以及与所述监测统计模块电连接的报警模块和智能调节模块；其中，所述监测统计模块用于对蓄冷空调系统的运行数据进行监测与统计；所述报警模块用于当监测到异常运行数据时发出警报；所述智能调节模块用于与监测统计模块呈现负反馈连接，根据监测统计模块反馈的数据对蓄冷空调系统进行智能化节能控制，动态实现实际冷负荷与系统供冷量相匹配，最大限度发挥相变蓄冷池转移高峰负荷的能力。
4.根据权利要求1-3任一所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，所述纳米微胶囊悬浮相变材料的相变温度为5-12℃。
5.根据权利要求1-3任一所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，所述纳米微胶囊悬浮相变材料的制备步骤包括：向去离子水中加入尿素和甲醛并调节溶液pH为7-8，再以50-90℃的温度搅拌30-90min，最后再加入去离子水进行稀释，制得预聚液；
向去离子水中加入乳化剂、聚合剂、氯化钠、相变材料，在40-90℃的条件下以500-2000rpm的转速搅拌10-60min，制得乳液；
在50-300rpm的转速条件下，将所述预聚液加入所述乳液中，同时加入pH调节液调节pH为3-4，待反应出现白色浑浊物后将转速提升30-80%并在40-60℃的条件下继续搅拌2-10h，制得纳米微胶囊初始液；
将所述纳米微胶囊初始液调节pH为5-7，将反应温度提升至70-90℃后加入流动稳定性助剂，并将转速调整至500-1000rpm，反应0.5-3h后，制得纳米微胶囊混合液；
对所述纳米微胶囊混合液进行过滤，对过滤得到的沉淀物洗涤后进行干燥处理，得到纳米微胶囊相变材料干质，在所述纳米微胶囊相变材料干质中加入流动增强纳米颗粒，得到纳米微胶囊混合干质；
在去离子水中加入密度调节剂，使制得的混合溶液的密度与纳米微胶囊相变材料干质的密度相同，向所述混合溶液中加入增稠剂，得到微胶囊悬浮介质液；
向所述微胶囊悬浮介质液中加入所述纳米微胶囊混合干质，混合制得纳米微胶囊悬浮相变材料。
6.根据权利要求5所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统，其特征在于，所述乳化剂为羧酸盐、硫酸盐、磺酸盐、硬脂酸钠盐、十二烷基硫酸钠盐、有聚氧乙烯醚类和聚氧丙烯醚类的一种或多种；和/或，所述聚合剂为间苯二酚、苯酚和甲酚的一种或多种；和/或，所述相变材料为正十四烷、十五烷和十六烷的一种或多种；所述pH调节液为羧酸、磺酸、亚磺酸和硫羧酸一种或多种；和/或，所述流动稳定性助剂为PVA、聚乙二醇和SDS的一种或多种；和/或，所述流动增强纳米颗粒为聚四氟乙烯颗粒；所述密度调节剂为水溶性盐或有机醇；和/或，所述增稠剂为凹凸土、纳米气相二氧化硅、膨润土、硅酸铝和甲基纤维素中的一种或多种。
7.一种如权利要求1-6任一所述基于纳米微胶囊悬浮相变材料的蓄冷空调系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
当选择蓄冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第二电磁阀，关闭第一电磁阀；所述相变蓄冷池通过换热器与基载主机供冷侧进行热交换，夜间相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料经相变材料循环泵进入换热器与供冷侧冷冻水进行换热，使纳米微胶囊悬浮相变材料发生相变进行蓄冷，直至蓄冷达到设定阈值时，系统停止运行；
当选择蓄冷池供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵以及第一电磁阀，关闭基载主机和第二电磁阀；所述相变蓄冷池中的纳米微胶囊悬浮相变材料通过相变材料循环泵与换热器中的空调循环水进行热交换，降温后的空调循环水经供冷水泵送入空调末端释冷后再流回到换热器继续与纳米微胶囊悬浮相变材料进行热交换；
当选择联合供冷模式时，控制开启相变材料循环泵、供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭第二电磁阀；逐时冷负荷值超过基载主机总装载容量，在蓄冷池供冷模式的基础上同时开启基载主机进行联合供冷；
当选择主机直供模式时，控制开启供冷水泵、基载主机以及第一电磁阀，关闭相变材料循环泵和第二电磁阀；单独开启基载主机对空调末端进行供冷，相变材料循环泵停机；
当日间总冷负荷值
Figure 48040DEST_PATH_IMAGE001
小于等于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 862544DEST_PATH_IMAGE004
时，在峰电期间完全运行蓄冷池供冷模式，其余时间在保证基载主机以额定功率运行的前提下，运行联合供冷模式释放相变蓄冷池剩余冷量：
Figure 592602DEST_PATH_IMAGE004
-峰电期间总冷负荷值
Figure 369803DEST_PATH_IMAGE002
；
当日间总冷负荷值
Figure 159905DEST_PATH_IMAGE001
大于相变蓄冷池的总相变蓄冷值
Figure 648655DEST_PATH_IMAGE004
时，则在峰电期间运行联合供冷模式，控制相变蓄冷池的放冷量优先集中于峰电期间，同时保证基载主机在日间以额定功率运行。
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