一种以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统
技术领域
1.本发明涉及水合物蓄冷技术，具体涉及一种以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统。
背景技术：2.传统的蓄冷技术大多使用冰块、冰浆、石蜡体、胶囊体以及冷冻水等为蓄冷材料，利用“削峰填谷”的原理，夜间蓄冷，白天释冷，用来平衡电网压力，节约电费。此种方法虽然有利于电网的合理调度，但夜间冷量的制备依旧会产生碳排放，在努力实现“碳达峰”、“碳中和”的背景下，并不是储能系统使用的“最优解”。针对这种情况，“跨季节储能”(即“夏热冬用”和“冬冷夏用”)就是一种有效方法。而跨季节蓄冷——“冬冷夏用”则是降低建筑空调能耗及其碳排放的重要措施。
3.二氧化碳水合物是一种由水分子和二氧化碳分子构成的笼型包合物，似雪花状，具有相变潜热大(无添加剂情况下501～507kj
·
kg-1
)、相平衡参数可调节等优点，且co2气体本身来源广、成本低、无毒，使得co2水合物被当作一种优良的储冷材料。将co2水合物应用于跨季节蓄冷系统中，在同样的负荷下，可大幅度降低系统尺度和蓄冷材料输运功耗。
技术实现要素：4.本发明为解决现有技术的不足，提供了一种可降低建筑冷负荷所产生能耗和碳排放，同时减少传统氟利昂制冷剂使用的以co2水合物作为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统。
5.本发明通过以下技术手段解决上述问题：一种以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，包括冷量拾取换热器、释冷换热器、水合物生成罐和水合物存储罐，所述水合物生成罐外侧设置有第一保温层，水合物存储罐外侧设置有第二保温层，所述冷量拾取换热器设置在室外，所述释冷换热器设置在室内；
6.所述水合物生成罐内部有换热器、第一单向气体喷嘴、气体发生器和通过第一搅拌电机驱动的第一搅拌叶片，所述水合物存储罐内部设置有第二单向气体喷嘴和通过第二搅拌电机驱动的第二搅拌叶片；
7.所述换热器与冷量拾取换热器通过管路连接组成供冷循环，所述冷量拾取换热器的出口与换热器的进口之间的管路上安装有第一流体泵和第一阀门；
8.水合物生成罐的浆体出口与水合物存储罐的浆体入口通过管路相连，并且水合物生成罐的浆体出口与水合物存储罐的浆体入口连接的管路上设置有第一浆体泵和第五阀门；
9.所述水合物存储罐的浆体出口通过管路以及安装在管路上的第二浆体泵、第八阀门与释冷换热器的进口连接，所述释冷换热器的出口通过管路与气液分离器的进口连通，所述气液分离器的气体出口通过管路与气体回收罐进口连通，所述气体回收罐的出口与气体加压机的进口连通，所述气体加压机的出口通过管路分别与第一单向气体喷嘴、气体发生器和第二单向气体喷嘴的进口连通；
10.所述气液分离器的液体出口通过管路与溶液回收罐的进口连通，所述溶液回收罐的出口通过管路以及安装在管路上的第二流体泵和第四阀门与水合物生成罐的溶液入口连通。
11.采用上述结构，在冬天或室外温度低于co2水合物制备温度时，通过冷量拾取换热器在冬天吸收室外环境冷量，通过冷媒转移至水合物生成罐中；在水合物生成罐中制备生成水合物；通过水合物存储罐存储生成的水合物对冷量进行储存；在夏天，通过释冷换热器进行水合物解离释冷，从而将储存的冷量进行释放，实现冷量跨季节存储和转移；采用这种方式，应用在建筑物内，可以降低制冷所产生能耗和碳排放，减少传统氟利昂制冷剂使用，同时具有安全、环保、高效等优点。
12.本实施方式中，所述气液分离器的气体出口上安装有第六阀门，所述第六阀门的出口通过管路与气体回收罐进口连通。
13.本实施方式中，所述气体加压机的出口通过管路与第一三通管的进口连接，所述第一三通管的两个出口上分别安装有第二阀门和第三阀门，所述第二阀门通过第二三通管分别与第一单向气体喷嘴和气体发生器的进口连接，所述第三阀门与第二单向气体喷嘴的进口连接。
14.本实施方式中，所述气液分离器的液体出口与溶液回收罐的进口连接的管路上安装有第七阀门。
15.本实施方式中，所述冷量拾取换热器上设有风扇，所述风扇与所述冷量拾取换热器组成风机盘管。
16.本实施方式中，所述水合物生成罐和水合物存储罐均预埋在地面以下，将水合物生成罐与存储罐放置于地下，一方面可起到保温作用，减少冷量损失，另一方面可降低系统内部高压带来的安全隐患。
17.采用上述结构，本装置具有如下优点：
18.1、利用co2水合物作为蓄冷材料，co2气体作为制备水合物的原料气，具有安全、无毒、廉价、环境友好等优点，在冬天的时候一般室外环境温度就可满足蓄冷材料制备，不需额外制冷；由于co2水合物较大的相变潜热，整个蓄冷系统的水合物存储罐和输运管道的尺寸均可大幅度降低，同时还可以节约浆体泵的功耗；利用“冬冷夏用”的原理，通过co2水合物的制备-存储-释冷三个过程，将冬天的冷量转移到夏天使用，降低制冷所需的能耗，从而实现低能耗制冷，最大程度上减少制冷的功耗，降低co2排放；
19.2、蓄冷系统中，直接将水合物存储罐中的水合物浆体泵送到终端释冷换热器，可提高冷量输运的效率；
20.3、co2水合物解离释冷后，将co2气体和溶液分离回收，从而避免系统中可能因汽-液两相流造成的故障，蓄冷系统结构简单，无复杂组件，便于使用和维护。
21.综上所述，本装置利用co2水合物存储、转移冬天室外的环境冷量，到夏天的时候在用户端解离释冷，满足建筑冷负荷。解离后的工质通过气液分离器分别对co2气体和溶液进行回收储存，在冬天的时候重新利用。这样基于“冬冷夏用”的原理，实现了“废冷利用”，大幅度降低了制冷所产生的能耗和碳排放，减少了传统氟利昂制冷剂的使用，具有安全、环保、高效等优点。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图。
23.图中：1、风扇；2、冷量拾取换热器；3、第一流体泵；4、第一阀门；5、第二阀门；6、第一单向气体喷嘴；7、换热器；8、气体发生器；9、第三阀门；10、第一搅拌电机；11、第一搅拌叶片；12、水合物生成罐；13、第一保温层；14、第二流体泵；15、第四阀门；16、第一浆体泵；17、第五阀门；18、气体加压机；19、气体回收罐；20、第六阀门；21、气液分离器；22、溶液回收罐；23、第七阀门；24、第二单向气体喷嘴；25、第二搅拌电机；26、第二搅拌叶片；27、水合物存储罐；28、第二保温层；29、第二浆体泵；30、释冷换热器；31、第八阀门。
具体实施方式
24.以下将结合附图对本发明进行详细说明。
25.如图1所示，本发明提供了一种以co2水合物作为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，包括：风扇1、冷量拾取换热器2、第一流体泵3、第一阀门4、第二阀门5、第一单向气体喷嘴6、换热器7、气体发生器8、第三阀门9、第一搅拌电机10、第一搅拌叶片11、水合物生成罐12、第一保温层13、第二流体泵14、第四阀门15、第一浆体泵16、第五阀门17、气体加压机18、气体回收罐19、第六阀门20、气液分离器21、溶液回收罐22、第七阀门23、第二单向气体喷嘴24、第二搅拌电机25、第二搅拌叶片26、水合物存储罐27、第二保温层28、第二浆体泵29、释冷换热器30和第八阀门31。
26.所述水合物生成罐12和水合物存储罐27均预埋在地面以下，水合物生成罐12外侧设置有第一保温层13，水合物存储罐外侧设置有第二保温层28，水合物生成罐12内部有换热器7、第一单向气体喷嘴6、气体发生器8和通过第一搅拌电机10驱动的第一搅拌叶片11，所述水合物生成罐12上还设有溶液入口和浆体出口。所述水合物存储罐27内部设置有第二单向气体喷嘴24和通过第二搅拌电机25驱动的第二搅拌叶片26，所述水合物存储罐27上也设有浆体入口和浆体出口。
27.换热器7与冷量拾取换热器2通过管路相连接组成供冷循环，所述冷量拾取换热器2的出口与换热器7的进口之间的管路上安装有第一流体泵3和第一阀门4，在冬天的时候通过冷量拾取换热器2将室外环境冷量转移到生成罐内，冷量拾取换热器附带的风扇1起到强化换热的作用。
28.水合物生成罐12的浆体出口与水合物存储罐27的浆体入口通过管路相连，并且水合物生成罐12的浆体出口与水合物存储罐27的浆体入口连接的管路上设置有第一浆体泵16和第五阀门17。
29.所述水合物存储罐27的浆体出口通过管路以及安装在管路上的第二浆体泵、第八阀门31与释冷换热器30的进口连接，所述释冷换热器30的出口通过管路与气液分离器21的进口连通，所述气液分离器21的气体出口上安装有第六阀门20，所述第六阀门20的出口通过管路与气体回收罐19进口连通，所述气体回收罐19的出口与气体加压机18的进口连通，所述气体加压机的出口通过管路与第一三通管的进口连接，所述第一三通管的两个出口上分别安装有第二阀门和第三阀门，所述第二阀门通过第二三通管分别与第一单向气体喷嘴和气体发生器的进口连接，所述第三阀门与第二单向气体喷嘴的进口连接；
30.所述气液分离器21的液体出口通过管路以及安装在管路上的第七阀门23与溶液
回收罐22的进口连通，所述溶液回收罐22的出口通过管路以及安装在管路上的第二流体泵14和第四阀门15与水合物生成罐12的溶液入口连通。
31.第一单向气体喷嘴6、气体发生器8对水合物生成罐12内提供高压co2气体，通过上下两个出气口结合，增加co2气体与溶液的接触面积。在水合物生成的过程中开启通过第一搅拌电机，一方面促进水合物生成，另一方面防止水合物结块，便于输运。待水合物制备完成后，打开第五阀门17，通过第一浆体泵16将制备好的水合物送至水合物存储罐27。存储过程中，关闭第八阀门31，间歇性开启通过第二搅拌电机，避免存储罐内的水合物浆结块，便于输运。释冷过程中，关闭第五阀门，开启第八阀门，通过第二浆体泵29将水合物浆体输送至释冷换热器30进行释冷，释冷后水合物解离，呈气-液两相流。存储过程初期，第二单向气体喷嘴24喷出高压co2气体，保证水合物存储罐27内的压力满足水合物存储需求，同时令co2气体处于过饱和状态；释冷过程中，开启第二单向气体喷嘴24用来平衡水合物存储罐27内部压力。
32.所述气液分离器21接收流出释冷换热器30的气-液两相流体(co2和载流体溶液)，并对二者进行分离。分离器顶部出口连接气体回收罐19。
33.所述气体回收罐19出口连接气体加压机18产生高压co2气体。所述溶液回收罐出口连接水合物生成罐，中间设置第二流体泵14和第四阀门15。在水合物生成阶段，开启第四阀门，通过第二流体泵将溶液输送至水合物生成罐。待水合物生成罐内溶液达到额定容积时关闭第四阀门，开始制备水合物。
34.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：包括冷量拾取换热器(2)、释冷换热器(30)、水合物生成罐(12)和水合物存储罐(27)，所述水合物生成罐(12)外侧设置有第一保温层(13)，水合物存储罐(27)外侧设置有第二保温层(28)，所述冷量拾取换热器(2)设置在室外，所述释冷换热器(30)设置在室内；所述水合物生成罐(12)内部有换热器(7)、第一单向气体喷嘴(6)、气体发生器(8)和通过第一搅拌电机(10)驱动的第一搅拌叶片(11)，所述水合物存储罐(27)内部设置有第二单向气体喷嘴(24)和通过第二搅拌电机(25)驱动的第二搅拌叶片(26)；所述换热器(7)与冷量拾取换热器(2)通过管路连接组成供冷循环，所述冷量拾取换热器(2)的出口与换热器(7)的进口之间的管路上安装有第一流体泵(3)和第一阀门(4)；水合物生成罐(12)的浆体出口与水合物存储罐(27)的浆体入口通过管路相连，并且水合物生成罐(12)的浆体出口与水合物存储罐(27)的浆体入口连接的管路上设置有第一浆体泵(16)和第五阀门(17)；所述水合物存储罐(27)的浆体出口通过管路以及安装在管路上的第二浆体泵(29)、第八阀门(31)与释冷换热器(30)的进口连接，所述释冷换热器(30)的出口通过管路与气液分离器(21)的进口连通，所述气液分离器(21)的气体出口通过管路与气体回收罐(19)进口连通，所述气体回收罐(19)的出口与气体加压机(18)的进口连通，所述气体加压机(18)的出口通过管路分别与第一单向气体喷嘴(6)、气体发生器(8)和第二单向气体喷嘴(24)的进口连通；所述气液分离器(21)的液体出口通过管路与溶液回收罐(22)的进口连通，所述溶液回收罐(22)的出口通过管路以及安装在管路上的第二流体泵(14)和第四阀门(15)与水合物生成罐(12)的溶液入口连通。2.根据权利要求1所述的以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：所述气液分离器(21)的气体出口上安装有第六阀门(20)。3.根据权利要求2所述的以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：所述气体加压机(18)的出口通过管路与第一三通管的进口连接，所述第一三通管的两个出口上分别安装有第二阀门(5)和第三阀门(9)，所述第二阀门(5)的出口通过第二三通管分别与第一单向气体喷嘴(6)和气体发生器(8)的进口连接，所述第三阀门(9)的出口通过管路与第二单向气体喷嘴(24)的进口连接。4.根据权利要求3所述的以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：所述气液分离器(21)液体出口与溶液回收罐(22)进口之间的管路上安装有第七阀门(23)。5.根据权利要求1所述的以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：所述冷量拾取换热器(2)上设有风扇(1)，所述风扇(1)与所述冷量拾取换热器(2)组成风机盘管。6.根据权利要求1至5任意一项所述的以co2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，其特征在于：所述水合物生成罐(12)和水合物存储罐(27)均预埋在地面以下。
技术总结一种以CO2水合物为蓄冷材料的跨季节蓄冷系统，包括水合物生成罐、水合物存储罐、气液分离器、溶液回收罐、气体回收罐、气体加压机、冷量拾取换热器、释冷换热器。冷量拾取换热器在冬天吸收室外环境冷量，通过冷媒转移至水合物生成罐中；水合物生成罐中制备生成水合物；水合物存储罐存储生成的水合物；释冷换热器在夏天进行水合物解离释冷，与水合物存储罐一起配合实现冷量跨季节存储和转移；所述气液分离器分离流出释冷换热器的工质；气体回收罐和溶液回收罐本别回收存储分离后的CO2气体和溶液，待到冬天的时候重新进行使用。本申请所述的跨季节蓄冷系统，降低了制冷所产生的能耗和碳排放，减少了传统氟利昂制冷剂的使用，同时具有安全、环保、高效等优点。高效等优点。高效等优点。
技术研发人员：谢楠 马克波 刘志强
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
