CN1786599A - 一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水合物高温冰球蓄冷空调系统。该系统包括由依次相连的制冷机组8、蓄冷罐11及主水泵9构成的蓄冷循环回路，依次相连的制冷机组8、空调末端换热设备1、辅助水泵3、蓄冷罐11及水泵9构成的释冷循环回路。所述蓄冷罐11内堆积装载质量浓度为16.8％～40.5％的四丁基溴化铵水溶液的水合物高温蓄冷冰球12。本发明具有综合能源消耗低、节省材料费用、减少毒性和腐蚀性、使用安全方便等优点。

Description

一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统

技术领域

本发明涉及一种蓄冷空调系统，特别是一种利用水合物作为蓄冷介质的高温冰球式蓄冷空调系统。

背景技术

随着各种空调用户的逐年增加，空调机组的电力消耗在电网中占有越来越大的比重，已经给电力供应带来很大的压力。特别是在夏季空调使用的高峰期，白天需要使用空调的时候正好是电网负荷的高峰时刻，电力供不应求。而当夜间电网负荷处于低谷，电力供应富余的时候，空调却大都处于关闭状态。所以，空调的电力消耗与电网的峰谷负荷分布之间存在严重的冲突。尤其在目前我国电力紧缺的现状下，如何合理的利用能源已经成为当前最紧迫的问题之一。为了缓解电力供应负担，达到电网削峰平谷的目的，鼓励把白天用电负荷转移到夜间的各种政策相应出台。比如实行峰谷差别电价，夜间电价大幅度低于白天；每完成一定单位的峰谷电力负荷转移，电力公司或者政府将给予一定的奖励等等。在这种情况下，蓄冷空调技术应运而生。

蓄冷空调的基本原理就是利用夜间富余的低谷电力开动制冷机，把冷量通过蓄冷介质储存起来，到白天再释放冷量供空调使用，以避免或减少在白天用电高峰时期使用电力。蓄冷空调依蓄冷方式的不同可以分为相变蓄冷和非相变蓄冷两种形式，前者如各种冰蓄冷、水合物蓄冷等，后者如水蓄冷等。因为以水蓄冷为代表的非相变蓄冷是利用蓄冷介质的显热来存储冷量，所以蓄冷密度小，占地空间大，这种蓄冷方式已经逐渐被淘汰。以冰蓄冷为代表的相变蓄冷则是利用蓄冷介质的相变潜热来蓄冷，因此蓄冷密度大，占地空间小。所以冰蓄冷已经成为目前蓄冷空调的首选。

冰蓄冷依制冰和融冰的具体形式不同可以分为盘管式、冰球式和动态冰蓄冷等多种形式。其中盘管式和冰球式都是技术最成熟，应用最广泛的冰蓄冷方式。盘管式属于开放系统，冰球式则是一种封装式系统，二者各有其不同的特点。动态冰蓄冷是一种新兴技术，但到目前为止还不是很成熟。

 以水为蓄冷介质的冰蓄冷空调虽然能够有效的为电网负荷削峰平谷，缓解白天用电高峰时期的电网压力，但是冰蓄冷空调也有其不可避免的缺陷。众所周知，水的冰点是0℃，不管何种形式的冰蓄冷空调，在制冰蓄冷时制冷机组的蒸发温度都必须低于0℃，否则冰不可能形成。根据热力学定律，在其它条件相同的情况下，制冷机组的蒸发温度越低则制冷循环的能效比(COP)也越低，也就是说制出相同冷量的情况下所消耗的电能也越多。因此，冰蓄冷空调的低蒸发温度导致其能效比(COP)很低，大约只相当于普通非蓄冷的水冷冷水机组(制冷蒸发温度可达4℃以上)的60％，在满足相同冷负荷需求的情况下，冰蓄冷空调的综合能耗要比普通冷水机组高至少30％。

冰蓄冷空调COP低、能耗高的缺点主要是由制冷蒸发温度过低造成的。如果能升高制冷蒸发温度，则这一缺陷将被克服。基于以上分析，本发明提出一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统。该蓄冷空调系统以一种相变温度高于冰的水合物冰球代替冰球式蓄冷空调中的普通冰球，使制冷蒸发温度得到大幅度提高，从而既继承了普通冰球式蓄冷空调削峰平谷的主要功能，又改善了其蓄冷能效比低、能耗大的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种冰球式蓄冷空调系统，该空调系统采用水合物高温冰球而非普通蓄冷冰球作为蓄冷介质，这种水合物高温冰球的相变温度远高于冰，在夜间蓄冷运行时可以使制冷机的能效比(COP)得到大幅度提高，从而使这种水合物高温冰球式蓄冷空调实现明显的节能效益。

本发明所述的水合物高温冰球式蓄冷空调系统主要由制冷机组、空调末端换热设备(风机盘管)、水泵、蓄冷罐、水合物高温冰球等几部分组成。制冷机组与蓄冷罐及水泵相连构成蓄冷循环回路，制冷机组、空调末端换热设备、蓄冷罐以及水泵相连形成释冷循环回路。制冷机组的冷水入口与蓄冷罐的冷水出口之间通过主水泵相连，制冷机组的冷水出口与空调末端换热设备的给水管相连，空调末端换热设备的回水管通过辅助水泵与蓄冷罐冷水入口相连。

所述水合物高温冰球由封闭的高密度聚乙烯球形外壳内注水合物溶液构成，所述水溶液为四丁基溴化铵(化学分子式为(C4H9)4NBr)的水溶液，水溶液中还添加了适量的晶体成核剂。四丁基溴化铵在所述水溶液中的质量浓度为16.8％～40.5％(kg/kg)，相应的生成水合物的相变温度为7℃～11.8℃，生成水合物的相变温度与四丁基溴化铵在所述水溶液中的质量浓度成一一对应的关系。例如，质量浓度为20％(kg/kg)时，相变温度是8.5℃；质量浓度为25％(kg/kg)时，相变温度是10℃；质量浓度为35％(kg/kg)时，相变温度是11.3℃。固态水合物的相变潜热为193kJ/kg。若干大小一致的上述水合物高温冰球紧密的堆积在所述蓄冷罐内，形成冷量蓄存场所。冰球与冰球之间的空隙构成载冷剂在蓄冷罐中的流动通道。

冰球外壳由高密度聚乙烯(硬质PE)制成，球形外壳的外径为50mm～100mm，球形外壳的壁厚为1mm～2mm。球形外壳上有一封装口，待所述水溶液灌注完毕后封装口通过超声波焊接法密封。

水合物高温蓄冷冰球内四丁基溴化铵水溶液的充注体积占球形外壳内部总容积的88～92％，以防止固体水合物生成后因体积发生变化而破坏球形外壳。

在所述的水合物高温冰球式蓄冷空调系统中，采用部分蓄冷运行策略，即夜间蓄冷量仅占白天空调总负荷的部分比例而非全部，白天释冷运行时需要制冷机组辅助。释冷循环回路(即白天空调运行模式)中，空调末端换热设备与蓄冷罐之间以串连的方式连接，并且蓄冷罐连接在制冷机组之前(即载冷剂先经过蓄冷罐取得部分冷量后再进入制冷机蒸发器中被进一步冷却，然后才送入空调末端换热设备)。

在所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统中，不管是蓄冷循环还是释冷循环，系统中负责热量迁移的载冷剂都是冷水，而非通常冰球式蓄冷空调系统中所用的不冻液(如乙二醇溶液)。

在所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统中，蓄冷罐冷水出口处、制冷机组冷水出口处以及空调末端换热设备的回水管干管上各装有温度传感器。

在所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统的蓄冷回路和空调末端换热设备的给水管上各装有一截止阀。

在所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统中装有膨胀水箱，膨胀水箱与主水泵和辅助水泵的吸入端相连通，膨胀水箱用于平衡所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统内的压力波动。

所述制冷机组可以是风冷冷水式，也可以是水冷冷水式。

相比现有的普通冰球式蓄冷空调，本发明所述的水合物高温冰球式蓄冷空调系统具有以下优点：

(1)水合物蓄冷冰球的相变温度远高于冰，制冷机组可以在比较高的蒸发温度下运行，因此夜间蓄冷时制冷机组的能效比(COP)显著提高，可达到甚至超过现有冷水机组的水平。在相同的冷负荷条件下，本发明所述的水合物高温冰球式蓄冷空调的综合能源消耗可以比现有普通冰蓄冷空调节省30％以上。

(2)整个系统循环都工作在0℃以上，所有的中间载冷剂都是水，无须考虑冻结问题，因而无须使用价格昂贵的不冻液如乙二醇溶液等。既节省了材料费用又减少了毒性和腐蚀性的危害。

(3)蓄冷罐中的水合物蓄冷材料被封装在冰球中，并不额外增加针对这种水合物蓄冷材料的毒性和腐蚀性的防治工作。

(4)在释冷循环中蓄冷罐与空调末端换热设备之间以串联而非并联的方式连接，并且蓄冷罐位于制冷机组的上游。这样的布置方式既可以充分发挥水合物高温冰球在蓄冷时的高能效比(COP)优势，又可以有效的解决较高的释冷温度给空调末端换热设备带来的低温差换热的困难。

(5)系统中装配主水泵和辅助水泵，在夜间蓄冷运行模式下只须启动主水泵，在白天释冷运行模式下则同时启动主水泵和辅助水泵。这样可以有效的避免水泵功耗的浪费。

附图说明

图1是本发明所述的水合物高温冰球式蓄冷空调的系统图。

附图标记说明

1  空调末端换热设备

2  温度传感器

3  辅助水泵

4  截止阀

5  截止阀

6  膨胀水箱

7  温度传感器

8  制冷机组

9  主水泵

10 温度传感器

11  蓄冷罐

12  水合物高温蓄冷冰球

具体实施方式

如图1所示，一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其中依次相连的制冷机组8、蓄冷罐11及主水泵9构成蓄冷循环回路，依次相连的制冷机组8、空调末端换热设备1、辅助水泵3、蓄冷罐11及水泵9构成释冷循环回路，释冷循环回路中的蓄冷罐11和空调末端换热设备1之间采用串连方式连接，蓄冷罐11冷水出口处装有温度传感器10、制冷机组8冷水出口处装有温度传感器7以及空调末端换热设备1的回水管干管上装有温度传感器2，蓄冷回路和空调末端换热设备1的给水管上各装有一截止阀，它还装有膨胀水箱6，膨胀水箱6与主水泵9和辅助水泵3的吸入端相连通。蓄冷罐11内堆积水合物高温蓄冷冰球12，该水合物高温蓄冷冰球12内装载四丁基溴化铵的水溶液，其中四丁基溴化铵在所述水溶液中的质量浓度为40.5％，该水溶液中还添加了适量的晶体成核剂。四丁基溴化铵的水溶液占所述水合物高温蓄冷冰球12体积的90％。

本发明所述的水合物高温冰球式蓄冷空调系统包括两个循环，即蓄冷循环和释冷循环，如图1所示。图中实线箭头表示蓄冷循环，虚线箭头表示释冷循环，两个循环之间的的相互切换由截止阀4和截止阀5的开合状态实现。

夜间蓄冷时，截止阀4开启，截止阀5关闭，系统进入蓄冷循环运行模式。从蓄冷罐11的出口出来的冷水(载冷剂)温度为10.5℃，经过主水泵9后被送入制冷机组8的蒸发器中，制冷机组8采用水冷冷水式，也可以采用风冷冷水式等方式。冷水冷却到8℃后经截止阀4进入蓄冷罐11作为冷源使其中的水合物高温冰球12冻结。该水合物高温冰球12冻结时的相变温度为11.8℃，冻结时需要2℃左右的过冷度。8℃的冷水在蓄冷罐11中的冰球与冰球之间的空隙中流过时把冷量传递给蓄冰球12后温度上升到10.5℃，然后流出蓄冷罐11，经主水泵9再次进入制冷机组8的蒸发器，完成一个循环。其中温度传感器7和温度传感器10分别控制进出蓄冷罐11的冷水温度。

白天释冷时，截止阀4关闭，截止阀5开启，系统进入释冷循环运行模式。从蓄冷罐11的出口出来的冷水(载冷剂)温度为13℃(已经从蓄冷罐11取得冷量)，经过主水泵9后被送入制冷机组8的蒸发器中，进一步冷却降温到10.5℃后经截止阀5进入空调末端换热设备1的给水干管，对系统中的各空调末端换热设备1供应冷量。在各末端换热设备1中释放出冷量之后，冷水汇集到空调末端换热设备1的回水管中，温度升高到15.5℃，然后经辅助水泵3流回蓄冷罐11中。15.5℃的空调末端换热设备回水在蓄冷罐11中流过时，水合物冰球12对其释放冷量，水温被降低到13℃，然后流出蓄冷罐11，由主水泵9再次送入制冷机组8的蒸发器，完成一个循环。其中温度传感器2和温度传感器10分别控制进出蓄冷罐11的冷水温度，温度传感器7控制空调末端换热设备1的给水温度。

以上所述实施例的蓄冷率(即夜间蓄冷量与白天空调供给总负荷之比)为50％，当然，蓄冷率也可以在50％上下变动。

膨胀水箱6用于平衡所述水合物高温冰球式蓄冷空调系统内的压力波动。

Claims (10)

1、一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其中依次相连的制冷机组(8)、蓄冷罐(11)及主水泵(9)构成蓄冷循环回路，依次相连的制冷机组(8)、空调末端换热设备(1)、辅助水泵(3)、蓄冷罐(11)及水泵(9)构成释冷循环回路，其特征在于：所述蓄冷罐(11)内堆积水合物高温蓄冷冰球(12)。

2、根据权利要求1所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述水合物高温蓄冷冰球(12)内装载四丁基溴化铵的水溶液，其中四丁基溴化铵在所述水溶液中的质量浓度为16.8％～40.5％(kg/kg)，该水溶液中还添加了适量的晶体成核剂。

3、根据权利要求2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述四丁基溴化铵的水溶液占所述水合物高温蓄冷冰球(12)体积的88～92％。

4、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述释冷循环回路中的蓄冷罐(11)和所述空调末端换热设备(1)之间采用串连方式连接。

5、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述蓄冷罐(11)冷水出口处、制冷机组(8)冷水出口处以及空调末端换热设备(1)的回水管干管上各装有温度传感器。

6、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述蓄冷回路和空调末端换热设备(1)的给水管上各装有一截止阀。

7、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：它还装有膨胀水箱(6)，膨胀水箱(6)与主水泵(9)和辅助水泵(3)的吸入端相连通。

8、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述制冷机组(8)为风冷冷水式

9、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：所述制冷机组(8)为水冷冷水式。

10、根据权利要求1或2所述的一种水合物高温冰球式蓄冷空调系统，其特征在于：蓄冷循环和释冷循环系统中负责热量迁移的载冷剂都是冷水。

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