CN2909071Y - 双蓄高效空调 - Google Patents

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李栋梁
梁德青
杨向阳
唐翠萍
赵翔勇
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Abstract

本实用新型提供了一种利用气体水合物技术同时实现蓄热和蓄冷的双蓄高效空调。包含主空调系统、水合物蓄冷装置系统、相变蓄热系统等。主空调系统10由相变蓄热器(冷凝器)2、膨胀阀3、蒸发器4、压缩机5依次通过管道相连构成一个循环回路组成。相变蓄热系统由热用户1与相变蓄热器(冷凝器)2通过管道及阀门F1连接组成。水合物蓄冷装置系统包括蒸发器4、水合物蓄冷装置7，蒸发器4与水合物蓄冷装置7通过水泵、阀门及管道构成一循环回路，此外蒸发器4与水合物蓄冷装置7分别通过水泵、阀门及管道与风机盘管9构成循环回路。水合物蓄冷装置7内装水和制冷剂。本实用新型节能和高效，操作简单，使用方便，同时实现了储热和储能。

Description

双蓄高效空调
技术领域
本实用新型涉及空调技术，尤其涉及一种利用气体水合物技术同时实现蓄热和蓄冷的双蓄高效空调。
技术背景
气体水合物是一种外来气体或挥发性液体与水相结合而形成笼型晶体化合物。水分子形成晶格网络包围外来分子，晶格网络中水分子之间以氢键相互结合，而外来分子与水分子通过Vander walls力吸引。气体水合物的一个重要特点是它不仅可以在水的正常冰点以下形成，还可在冰点以上结晶固化。目前已经发现三种晶体结构，即结构I、II和结构H型水合物。常见气体水合物可以分为三大类，一类是制冷剂气体水合物，一类是天然气气体水合物，另一类是CO2气体水合物。
制冷剂气体水合物相变温度在5～12℃范围，相变潜热与冰相当，长期使用不会老化失效。可见制冷剂气体水合物综合了水(蒸发温度高)和冰(蓄冷密度大)的优点，被认为是理想的蓄冷介质。其一般的反应方程为：
      
由于制冷剂R11、R12、R21等对大气臭氧层有破坏作用，目前用来作蓄冷介质的主要有R134a、R141b、R142b等以及他们的混合物。表1列出了上述几种蓄冷空调系统的性能比较。由比较可见，制冷剂气体水合物蓄冷空调系统可以跟冰蓄冷空调媲美，并且它相变温度高，可以直接用于改扩现有的常规空调系统。
                         表1  不同蓄冷系统比较
  蓄冷方式   水蓄冷   冰蓄冷   共晶盐   气体水合物
  蓄冷槽尺寸蓄冷温度(℃)机组效率换热性能不冻液需否   8~10~71好否   100.6~0.7一般是   2~38~120.92~0.95差否   0.89~15~120.89~1较好否
  投资比较   ~0.6   1   1.3~2.0   1.2~1.5
空调技术发展的历史就是由如何满足社会经济和人民生活对室内环境不断提高的要求，以及如何最大限度地节约能耗，开辟新能源利用的历史。气体水合物在空调上的应用最初是作为蓄冷而提出。自从1982年John.Tomlison提出用制冷剂气体水合物作为蓄冷材料以来，国内外众多科研学者对气体水合物蓄冷技术进行了研究。其中美国橡树岭国家实验室和Keio大学机械工程系以及日本国家化学实验室的成就受世人瞩目。90年代我国开始研究制冷剂气体水合物蓄冷技术。中国科学院广州能源研究所和华南理工大学都进行了大量的制冷剂气体水合物蓄冷实验，获取了R141b、R134a、R142b等新型制冷工质及其混合工质的蓄冷特性、结晶过程和相平衡的基础数据，并建立了新型实用气体水合物蓄冷系统。现在，由于天然气水合物理论和技术的发展，水合物空调的发展和应用已经成为可能，水合物空调具有很大的优势，一是相变热大，能量密度高。水合物每摩尔的相变热通常是其他氟碳化合物制冷剂相变热的几倍(表2)，如此高的相变热可以提高制冷剂的换热量，从而提高制冷系数。可以预计水合物空调也将是空调技术的很好尝试具有很好的应用前景。
                         表2  不同制冷剂比较
  客体分子   C3H8(R290)   CH2F2(R32)   CH2FCF3(R134a)   CH3CHF2(R152a)
  水合物晶体结构水合物数G.nH2O四相点Q2(Lw-H-V-Lc)K/MPa水合物形成、分KJ/mol解热KJ/Kg273.15K时蒸发KJ/mol潜热KJ/Kg   II17.0±0.1278.4/0.562129.2±0.42930.0±9.116.5374.5   I5.75294.09/1.48971.61376.516.4315.3   II17283.13/0.4144133.71309.920.3198.6   I5.75288.15/0.443778.81192.920.3307.1
20世纪的最后10年我国暖通空调取得了突飞猛进的发展，2000年我国房间空调器的总产量超过1400万台，国内销售约1000万台。但从世界范围看，世界发达国家都已经或正在使用蓄冰空调，以日本为例，近10年，新建、改建冰蓄冷项目3000多个，电网低谷用量使用率达45％。韩国已经立法，3000平方米以上的公共建筑必须采用蓄冷空调系统。我过蓄冷空调起步较晚，到1997年底，蓄冷工程数只有31个，而日本在1991年就有近1200个蓄冷装置建成。近年我国各省份也陆续推出分时电价政策。总之，随着电力需求的持续增长和峰谷负荷的差别越来越大，并且随着分时电价对蓄冷空调的优惠政策，蓄冷需热空调技术的应用在我国有很大的发展前景。
发明内容
本实用新型提供一种利用水合物作为蓄冷剂蓄冷和利用相变材料蓄热的双蓄高效空调。
本实用新型双蓄高效空调采用了如下技术方案：
a、空调系统提供热量和冷量；
b、热量通过填充了相变储能材料的蓄热装置储存；
c、冷量通过气体水合物蓄冷装置储存；
d、用户通过相变储能材料放热加热自来水来获取热量；
e、用户通过蓄冷装置中水合物的分解获取冷量。
本实用新型双蓄高效空调包含主空调系统、水合物蓄冷装置系统、相变蓄热系统等。其中主空调系统10由相变蓄热器(冷凝器)2、膨胀阀3、蒸发器4、压缩机5依次通过管道相连构成一个循环回路组成，其中相变蓄热器(冷凝器)2是相变蓄热器和冷凝器构成的一个整体，是一个热交换器，内装相变蓄热材料。相变蓄热系统由热用户1与相变蓄热器(冷凝器)2通过管道及阀门F1连接组成，相变蓄热器(冷凝器)2通过管道连接补水罐6。水合物蓄冷装置系统包括蒸发器4、水合物蓄冷装置7，蒸发器4与水合物蓄冷装置7通过水泵8和水泵11、阀门及管道构成一循环回路，此外蒸发器4与水合物蓄冷装置7分别通过水泵、阀门及管道与风机盘管9构成循环回路。水合物蓄冷装置7内装水和制冷剂(水和制冷剂均为液体，不互溶)，并且连接促晶器12，促晶器12为一循环水泵，抽水位置为制冷剂与水的分界面。
当晚上电价低时，开启水合物空调系统。热端放出的热量通过填充了相变储能材料的蓄热装置储存。热端的冷量通过气体水合物蓄冷装置的水合物生成来储存。当用户在白天需要用冷时，可把水合物蓄冷装置和风机盘管单元组成制冷单元，通过水合物分解来获取冷量。
本实用新型方法和空调制冷装置使用的作为蓄冷工质的水合物包括C3H8(丙烷)、(CH3)3CH(异丁烷)、CH2F2(R32)、CCl2FCH3(HCFC-141b)、CF3CHF2(HFC-125)、CH3CHF2(HFC-152a)、CF3CH2F(HFC-134a)、CF2HCH2F(HFC-134)，以及它们的混合物HFC-152a/HCFC-141b、HFC-134a/HCFC-141b等。
为了使制冷剂和水能够迅速生成，水中添加一定量的化学添加剂，包括SDS(十二烷基硫酸钠，浓度200-500ppm)、APG(烷基多苷，浓度为500-1500ppm)和次氯酸钙(浓度为0.01％-3％)等。
本实用新型的最大特点是利用昼夜电价差，通过空调系统同时实现蓄热和蓄冷，使能量得到最大效率的利用，从而达到双蓄高效的特点。
本实用新型与现有技术相比具有如下的显著优点和积极效果：充分利用了制冷剂水合物生成/分解热比相变潜热大和充分利用空调的冷能和热能，以及利用昼夜电价差实现晚上储能白天放能等特点，比其他常规方法节能和高效。本实用新型中的装置，操作简单，使用方便，同时实现了储热和储能。
附图说明
图1是本实用新型双蓄高效空调结构示意图
附图标记说明
1热用户；2相变蓄热器(冷凝器)；3膨胀阀；4蒸发器；5压缩机；6补水罐；7水合物蓄冷装置；8水泵；9风机盘管；10主空调系统；11水泵，12促晶器；13市电；F1-9阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例由主空调系统10、水合物蓄冷装置系统、相变蓄热系统等组成。其中主空调系统10由相变蓄热器(冷凝器)2、膨胀阀3、蒸发器4、压缩机5依次通过管道相连构成一个循环回路组成，其中相变蓄热器(冷凝器)2是相变蓄热器和冷凝器构成的一个整体，是一个热交换器，内装相变蓄热材料。相变蓄热系统由热用户1与相变蓄热器(冷凝器)2通过管道及阀门F1连接组成，相变蓄热器(冷凝器)2通过管道连接补水罐6。水合物蓄冷装置系统包括蒸发器4、水合物蓄冷装置7，蒸发器4与水合物蓄冷装置7通过水泵8和水泵11、阀门及管道构成一循环回路，此外蒸发器4与水合物蓄冷装置7分别通过水泵、阀门及管道与风机盘管9构成循环回路。水合物蓄冷装置7气体水合物蓄冷装置7内装水和制冷剂(水和制冷剂均为液体，不互溶)，并且连接促晶器12，促晶器12为一循环水泵，抽水位置为制冷剂与水的分界面。
开启主空调系统10，热端放出的热量通过填充了相变储能材料的蓄热装置相变蓄热器(冷凝器)2储存。空调产生的冷量通过气体水合物蓄冷装置7的水合物生成来储存，气体水合物蓄冷装置7装有促晶器12。当用户在白天需要用冷时，可把水合物蓄冷装置7、风机盘管9和水泵11组成制冷单元，通过水合物分解来获取冷量。当用户需要热水时，可通过相变蓄热器(冷凝器)2加热自来水来实现，其中6为补水罐。
为了减少水合物生成过冷度和快速生成水合物，可以添加一定量的化学添加剂，例如十二烷基硫酸钠(SDS)。
当晚上需要蓄热和蓄冷时，关闭阀门F1、阀门F2、阀门F6、阀门F8、阀门F9和水泵11。开启阀门F3、阀门F4、阀门F5、阀门F7和水泵8。开启主空调系统10，热端放出的热量通过填充了相变储能材料的蓄热装置2储存。空调产生的冷量通过气体水合物蓄冷装置7的水合物生成来储存。
当用户在白天需要用冷时，关闭阀门F3、阀门F4、阀门F7和水泵8，开启阀门F5、阀门F6、阀门F8、阀门F9和水泵11。这时可把水合物蓄冷装置7、风机盘管单元9和水泵11组成制冷单元，通过水合物分解来获取冷量。
当用户需要热水时，可通过相变蓄热装2加热自来水来实现，其中6为补水罐。
在该实施例中，选用一个3匹(2.25kW)的空调系统，空调工质为R22(使用量2.5kg左右)，蓄冷工质采用HFC-134a(相变温度10℃，压力0.415MPa)，载冷剂为水(根据实际工况可适当加冷冻液)，相变材料选择相变温度为50℃的复合相变材料，计算结果如表3所示。
空调系统中个部件都是比较成熟的公知技术，不再具体介绍。
                 表3  双蓄高效空调计算结果
  运行方式   仅空调   双蓄   单蓄冷   蓄冷后放冷
  运行时间冷凝温度/℃环境温度/℃蒸发温度/℃系统COP电价COP总运行COP   白天50355~102.5~3.11.02.5~3.1   晚上503046.22.012.4   晚上503043.12.06.2   白天3581.0
实施例2
如图1所示，本实施例结构同实施例1。
在该实施例中，选用一个3匹(2.25kW)的空调系统，空调工质为HFC152a(使用量2.5kg左右)，蓄冷工质采用HCFC-141b(相变温度8.4℃，压力0.043MPa)，载冷剂为水，主空调在50℃/-15℃时COP为3.03。在50℃/8℃时，COP约为5，采用双蓄并且利用电价差后可达到16~18。

Claims (4)

1、一种双蓄高效空调，包括主空调系统(10)，主空调系统(10)由相变蓄热器(2)、膨胀阀(3)、蒸发器(4)、压缩机(5)依次通过管道相连构成一个循环回路组成，其特征在于：还包括水合物蓄冷装置系统、相变蓄热系统，所述相变蓄热器(2)是相变蓄热器和冷凝器构成的一个整体，是一个热交换器，内装相变蓄热材料；所述相变蓄热系统由热用户(1)与相变蓄热器(2)通过管道及阀门连接组成；所述水合物蓄冷装置系统包括蒸发器(4)、水合物蓄冷装置(7)，所述水合物蓄冷装置(7)内装水和制冷剂，蒸发器(4)与水合物蓄冷装置(7)通过水泵(8)和水泵(11)、阀门及管道构成一循环回路，此外蒸发器(4)与水合物蓄冷装置(7)分别通过水泵、阀门及管道与风机盘管(9)构成循环回路。
2、如权利要求1所述的双蓄高效空调，其特征在于所述相变蓄热器(2)通过管道连接补水罐(6)。
3、如权利要求1所述的双蓄高效空调，其特征在于所述水合物蓄冷装置(7)连接促晶器(12)。
4、如权利要求3所述的双蓄高效空调，其特征在于所述促晶器(12)为一循环水泵，抽水位置为制冷剂与水的分界面。
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