專利名稱：一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，特別是一種利用水合物作為蓄冷介質(zhì)的高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著各種空調(diào)用戶的逐年增加，空調(diào)機(jī)組的電力消耗在電網(wǎng)中占有越來(lái)越大的比重，已經(jīng)給電力供應(yīng)帶來(lái)很大的壓力。特別是在夏季空調(diào)使用的高峰期，白天需要使用空調(diào)的時(shí)候正好是電網(wǎng)負(fù)荷的高峰時(shí)刻，電力供不應(yīng)求。而當(dāng)夜間電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷，電力供應(yīng)富余的時(shí)候，空調(diào)卻大都處于關(guān)閉狀態(tài)。所以，空調(diào)的電力消耗與電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷分布之間存在嚴(yán)重的沖突。尤其在目前我國(guó)電力緊缺的現(xiàn)狀下，如何合理的利用能源已經(jīng)成為當(dāng)前最緊迫的問(wèn)題之一。為了緩解電力供應(yīng)負(fù)擔(dān)，達(dá)到電網(wǎng)削峰平谷的目的，鼓勵(lì)把白天用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜間的各種政策相應(yīng)出臺(tái)。比如實(shí)行峰谷差別電價(jià)，夜間電價(jià)大幅度低于白天；每完成一定單位的峰谷電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移，電力公司或者政府將給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)等等。在這種情況下，蓄冷空調(diào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
蓄冷空調(diào)的基本原理就是利用夜間富余的低谷電力開(kāi)動(dòng)制冷機(jī)，把冷量通過(guò)蓄冷介質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)，到白天再釋放冷量供空調(diào)使用，以避免或減少在白天用電高峰時(shí)期使用電力。蓄冷空調(diào)依蓄冷方式的不同可以分為相變蓄冷和非相變蓄冷兩種形式，前者如各種冰蓄冷、水合物蓄冷等，后者如水蓄冷等。因?yàn)橐运罾錇榇淼姆窍嘧冃罾涫抢眯罾浣橘|(zhì)的顯熱來(lái)存儲(chǔ)冷量，所以蓄冷密度小，占地空間大，這種蓄冷方式已經(jīng)逐漸被淘汰。以冰蓄冷為代表的相變蓄冷則是利用蓄冷介質(zhì)的相變潛熱來(lái)蓄冷，因此蓄冷密度大，占地空間小。所以冰蓄冷已經(jīng)成為目前蓄冷空調(diào)的首選。
冰蓄冷依制冰和融冰的具體形式不同可以分為盤管式、冰球式和動(dòng)態(tài)冰蓄冷等多種形式。其中盤管式和冰球式都是技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的冰蓄冷方式。盤管式屬于開(kāi)放系統(tǒng)，冰球式則是一種封裝式系統(tǒng)，二者各有其不同的特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)冰蓄冷是一種新興技術(shù)，但到目前為止還不是很成熟。
以水為蓄冷介質(zhì)的冰蓄冷空調(diào)雖然能夠有效的為電網(wǎng)負(fù)荷削峰平谷，緩解白天用電高峰時(shí)期的電網(wǎng)壓力，但是冰蓄冷空調(diào)也有其不可避免的缺陷。眾所周知，水的冰點(diǎn)是0℃，不管何種形式的冰蓄冷空調(diào)，在制冰蓄冷時(shí)制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度都必須低于0℃，否則冰不可能形成。根據(jù)熱力學(xué)定律，在其它條件相同的情況下，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度越低則制冷循環(huán)的能效比(COP)也越低，也就是說(shuō)制出相同冷量的情況下所消耗的電能也越多。因此，冰蓄冷空調(diào)的低蒸發(fā)溫度導(dǎo)致其能效比(COP)很低，大約只相當(dāng)于普通非蓄冷的水冷冷水機(jī)組(制冷蒸發(fā)溫度可達(dá)4℃以上)的60％，在滿足相同冷負(fù)荷需求的情況下，冰蓄冷空調(diào)的綜合能耗要比普通冷水機(jī)組高至少30％。
冰蓄冷空調(diào)COP低、能耗高的缺點(diǎn)主要是由制冷蒸發(fā)溫度過(guò)低造成的。如果能升高制冷蒸發(fā)溫度，則這一缺陷將被克服?；谝陨戏治?，本發(fā)明提出一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。該蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以一種相變溫度高于冰的水合物冰球代替冰球式蓄冷空調(diào)中的普通冰球，使制冷蒸發(fā)溫度得到大幅度提高，從而既繼承了普通冰球式蓄冷空調(diào)削峰平谷的主要功能，又改善了其蓄冷能效比低、能耗大的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)采用水合物高溫冰球而非普通蓄冷冰球作為蓄冷介質(zhì)，這種水合物高溫冰球的相變溫度遠(yuǎn)高于冰，在夜間蓄冷運(yùn)行時(shí)可以使制冷機(jī)的能效比(COP)得到大幅度提高，從而使這種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)能效益。
本發(fā)明所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、空調(diào)末端換熱設(shè)備(風(fēng)機(jī)盤管)、水泵、蓄冷罐、水合物高溫冰球等幾部分組成。制冷機(jī)組與蓄冷罐及水泵相連構(gòu)成蓄冷循環(huán)回路，制冷機(jī)組、空調(diào)末端換熱設(shè)備、蓄冷罐以及水泵相連形成釋冷循環(huán)回路。制冷機(jī)組的冷水入口與蓄冷罐的冷水出口之間通過(guò)主水泵相連，制冷機(jī)組的冷水出口與空調(diào)末端換熱設(shè)備的給水管相連，空調(diào)末端換熱設(shè)備的回水管通過(guò)輔助水泵與蓄冷罐冷水入口相連。
所述水合物高溫冰球由封閉的高密度聚乙烯球形外殼內(nèi)注水合物溶液構(gòu)成，所述水溶液為四丁基溴化銨(化學(xué)分子式為(C4H9)4NBr)的水溶液，水溶液中還添加了適量的晶體成核劑。四丁基溴化銨在所述水溶液中的質(zhì)量濃度為16.8％～40.5％(kg/kg)，相應(yīng)的生成水合物的相變溫度為7℃～11.8℃，生成水合物的相變溫度與四丁基溴化銨在所述水溶液中的質(zhì)量濃度成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如，質(zhì)量濃度為20％(kg/kg)時(shí)，相變溫度是8.5℃；質(zhì)量濃度為25％(kg/kg)時(shí)，相變溫度是10℃；質(zhì)量濃度為35％(kg/kg)時(shí)，相變溫度是11.3℃。固態(tài)水合物的相變潛熱為193kJ/kg。若干大小一致的上述水合物高溫冰球緊密的堆積在所述蓄冷罐內(nèi)，形成冷量蓄存場(chǎng)所。冰球與冰球之間的空隙構(gòu)成載冷劑在蓄冷罐中的流動(dòng)通道。
冰球外殼由高密度聚乙烯(硬質(zhì)PE)制成，球形外殼的外徑為50mm～100mm，球形外殼的壁厚為1mm～2mm。球形外殼上有一封裝口，待所述水溶液灌注完畢后封裝口通過(guò)超聲波焊接法密封。
水合物高溫蓄冷冰球內(nèi)四丁基溴化銨水溶液的充注體積占球形外殼內(nèi)部總?cè)莘e的88～92％，以防止固體水合物生成后因體積發(fā)生變化而破壞球形外殼。
在所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，采用部分蓄冷運(yùn)行策略，即夜間蓄冷量?jī)H占白天空調(diào)總負(fù)荷的部分比例而非全部，白天釋冷運(yùn)行時(shí)需要制冷機(jī)組輔助。釋冷循環(huán)回路(即白天空調(diào)運(yùn)行模式)中，空調(diào)末端換熱設(shè)備與蓄冷罐之間以串連的方式連接，并且蓄冷罐連接在制冷機(jī)組之前(即載冷劑先經(jīng)過(guò)蓄冷罐取得部分冷量后再進(jìn)入制冷機(jī)蒸發(fā)器中被進(jìn)一步冷卻，然后才送入空調(diào)末端換熱設(shè)備)。
在所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，不管是蓄冷循環(huán)還是釋冷循環(huán)，系統(tǒng)中負(fù)責(zé)熱量遷移的載冷劑都是冷水，而非通常冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中所用的不凍液(如乙二醇溶液)。
在所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，蓄冷罐冷水出口處、制冷機(jī)組冷水出口處以及空調(diào)末端換熱設(shè)備的回水管干管上各裝有溫度傳感器。
在所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷回路和空調(diào)末端換熱設(shè)備的給水管上各裝有一截止閥。
在所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中裝有膨脹水箱，膨脹水箱與主水泵和輔助水泵的吸入端相連通，膨脹水箱用于平衡所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)。
所述制冷機(jī)組可以是風(fēng)冷冷水式，也可以是水冷冷水式。
相比現(xiàn)有的普通冰球式蓄冷空調(diào)，本發(fā)明所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)水合物蓄冷冰球的相變溫度遠(yuǎn)高于冰，制冷機(jī)組可以在比較高的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，因此夜間蓄冷時(shí)制冷機(jī)組的能效比(COP)顯著提高，可達(dá)到甚至超過(guò)現(xiàn)有冷水機(jī)組的水平。在相同的冷負(fù)荷條件下，本發(fā)明所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)的綜合能源消耗可以比現(xiàn)有普通冰蓄冷空調(diào)節(jié)省30％以上。
(2)整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)都工作在0℃以上，所有的中間載冷劑都是水，無(wú)須考慮凍結(jié)問(wèn)題，因而無(wú)須使用價(jià)格昂貴的不凍液如乙二醇溶液等。既節(jié)省了材料費(fèi)用又減少了毒性和腐蝕性的危害。
(3)蓄冷罐中的水合物蓄冷材料被封裝在冰球中，并不額外增加針對(duì)這種水合物蓄冷材料的毒性和腐蝕性的防治工作。
(4)在釋冷循環(huán)中蓄冷罐與空調(diào)末端換熱設(shè)備之間以串聯(lián)而非并聯(lián)的方式連接，并且蓄冷罐位于制冷機(jī)組的上游。這樣的布置方式既可以充分發(fā)揮水合物高溫冰球在蓄冷時(shí)的高能效比(COP)優(yōu)勢(shì)，又可以有效的解決較高的釋冷溫度給空調(diào)末端換熱設(shè)備帶來(lái)的低溫差換熱的困難。
(5)系統(tǒng)中裝配主水泵和輔助水泵，在夜間蓄冷運(yùn)行模式下只須啟動(dòng)主水泵，在白天釋冷運(yùn)行模式下則同時(shí)啟動(dòng)主水泵和輔助水泵。這樣可以有效的避免水泵功耗的浪費(fèi)。


圖1是本發(fā)明所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)的系統(tǒng)圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明1 空調(diào)末端換熱設(shè)備2 溫度傳感器3 輔助水泵4 截止閥5 截止閥6 膨脹水箱7 溫度傳感器8 制冷機(jī)組9 主水泵10 溫度傳感器
11 蓄冷罐12 水合物高溫蓄冷冰球具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其中依次相連的制冷機(jī)組8、蓄冷罐11及主水泵9構(gòu)成蓄冷循環(huán)回路，依次相連的制冷機(jī)組8、空調(diào)末端換熱設(shè)備1、輔助水泵3、蓄冷罐11及水泵9構(gòu)成釋冷循環(huán)回路，釋冷循環(huán)回路中的蓄冷罐11和空調(diào)末端換熱設(shè)備1之間采用串連方式連接，蓄冷罐11冷水出口處裝有溫度傳感器10、制冷機(jī)組8冷水出口處裝有溫度傳感器7以及空調(diào)末端換熱設(shè)備1的回水管干管上裝有溫度傳感器2，蓄冷回路和空調(diào)末端換熱設(shè)備1的給水管上各裝有一截止閥，它還裝有膨脹水箱6，膨脹水箱6與主水泵9和輔助水泵3的吸入端相連通。蓄冷罐11內(nèi)堆積水合物高溫蓄冷冰球12，該水合物高溫蓄冷冰球12內(nèi)裝載四丁基溴化銨的水溶液，其中四丁基溴化銨在所述水溶液中的質(zhì)量濃度為40.5％，該水溶液中還添加了適量的晶體成核劑。四丁基溴化銨的水溶液占所述水合物高溫蓄冷冰球12體積的90％。
本發(fā)明所述的水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)包括兩個(gè)循環(huán)，即蓄冷循環(huán)和釋冷循環(huán)，如圖1所示。圖中實(shí)線箭頭表示蓄冷循環(huán)，虛線箭頭表示釋冷循環(huán)，兩個(gè)循環(huán)之間的的相互切換由截止閥4和截止閥5的開(kāi)合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。
夜間蓄冷時(shí)，截止閥4開(kāi)啟，截止閥5關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入蓄冷循環(huán)運(yùn)行模式。從蓄冷罐11的出口出來(lái)的冷水(載冷劑)溫度為10.5℃，經(jīng)過(guò)主水泵9后被送入制冷機(jī)組8的蒸發(fā)器中，制冷機(jī)組8采用水冷冷水式，也可以采用風(fēng)冷冷水式等方式。冷水冷卻到8℃后經(jīng)截止閥4進(jìn)入蓄冷罐11作為冷源使其中的水合物高溫冰球12凍結(jié)。該水合物高溫冰球12凍結(jié)時(shí)的相變溫度為11.8℃，凍結(jié)時(shí)需要2℃左右的過(guò)冷度。8℃的冷水在蓄冷罐11中的冰球與冰球之間的空隙中流過(guò)時(shí)把冷量傳遞給蓄冰球12后溫度上升到10.5℃，然后流出蓄冷罐11，經(jīng)主水泵9再次進(jìn)入制冷機(jī)組8的蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)。其中溫度傳感器7和溫度傳感器10分別控制進(jìn)出蓄冷罐11的冷水溫度。
白天釋冷時(shí)，截止閥4關(guān)閉，截止閥5開(kāi)啟，系統(tǒng)進(jìn)入釋冷循環(huán)運(yùn)行模式。從蓄冷罐11的出口出來(lái)的冷水(載冷劑)溫度為13℃(已經(jīng)從蓄冷罐11取得冷量)，經(jīng)過(guò)主水泵9后被送入制冷機(jī)組8的蒸發(fā)器中，進(jìn)一步冷卻降溫到10.5℃后經(jīng)截止閥5進(jìn)入空調(diào)末端換熱設(shè)備1的給水干管，對(duì)系統(tǒng)中的各空調(diào)末端換熱設(shè)備1供應(yīng)冷量。在各末端換熱設(shè)備1中釋放出冷量之后，冷水匯集到空調(diào)末端換熱設(shè)備1的回水管中，溫度升高到15.5℃，然后經(jīng)輔助水泵3流回蓄冷罐11中。15.5℃的空調(diào)末端換熱設(shè)備回水在蓄冷罐11中流過(guò)時(shí)，水合物冰球12對(duì)其釋放冷量，水溫被降低到13℃，然后流出蓄冷罐11，由主水泵9再次送入制冷機(jī)組8的蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)。其中溫度傳感器2和溫度傳感器10分別控制進(jìn)出蓄冷罐11的冷水溫度，溫度傳感器7控制空調(diào)末端換熱設(shè)備1的給水溫度。
以上所述實(shí)施例的蓄冷率(即夜間蓄冷量與白天空調(diào)供給總負(fù)荷之比)為50％，當(dāng)然，蓄冷率也可以在50％上下變動(dòng)。
膨脹水箱6用于平衡所述水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其中依次相連的制冷機(jī)組(8)、蓄冷罐(11)及主水泵(9)構(gòu)成蓄冷循環(huán)回路，依次相連的制冷機(jī)組(8)、空調(diào)末端換熱設(shè)備(1)、輔助水泵(3)、蓄冷罐(11)及水泵(9)構(gòu)成釋冷循環(huán)回路，其特征在于所述蓄冷罐(11)內(nèi)堆積水合物高溫蓄冷冰球(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述水合物高溫蓄冷冰球(12)內(nèi)裝載四丁基溴化銨的水溶液，其中四丁基溴化銨在所述水溶液中的質(zhì)量濃度為16.8％～40.5％(kg/kg)，該水溶液中還添加了適量的晶體成核劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述四丁基溴化銨的水溶液占所述水合物高溫蓄冷冰球(12)體積的88～92％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述釋冷循環(huán)回路中的蓄冷罐(11)和所述空調(diào)末端換熱設(shè)備(1)之間采用串連方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述蓄冷罐(11)冷水出口處、制冷機(jī)組(8)冷水出口處以及空調(diào)末端換熱設(shè)備(1)的回水管干管上各裝有溫度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述蓄冷回路和空調(diào)末端換熱設(shè)備(1)的給水管上各裝有一截止閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于它還裝有膨脹水箱(6)，膨脹水箱(6)與主水泵(9)和輔助水泵(3)的吸入端相連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述制冷機(jī)組(8)為風(fēng)冷冷水式
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述制冷機(jī)組(8)為水冷冷水式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水合物高溫冰球式蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于蓄冷循環(huán)和釋冷循環(huán)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)熱量遷移的載冷劑都是冷水。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水合物高溫冰球蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由依次相連的制冷機(jī)組8、蓄冷罐11及主水泵9構(gòu)成的蓄冷循環(huán)回路，依次相連的制冷機(jī)組8、空調(diào)末端換熱設(shè)備1、輔助水泵3、蓄冷罐11及水泵9構(gòu)成的釋冷循環(huán)回路。所述蓄冷罐11內(nèi)堆積裝載質(zhì)量濃度為16.8％～40.5％的四丁基溴化銨水溶液的水合物高溫蓄冷冰球12。本發(fā)明具有綜合能源消耗低、節(jié)省材料費(fèi)用、減少毒性和腐蝕性、使用安全方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F24F5/00GK1786599SQ20051010027
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者馮自平, 肖睿, 黃沖, 何世輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所