基于逆向换热策略的水合物蓄冷蓄热空调系统及方法
本发明涉及工商业制冷供暖、储能、电网资源调峰等领域，具体涉及基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热中试储能系统。
背景技术：
1、我国电力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足发展。但是，电力的扩容仍然满足不了国家经济的快速发展和人民生活用电急剧增长的需要，全国缺电局面依然存在。蓄冷/蓄热技术可以缓解这一局面，目前通常采用的蓄冷/蓄热工质有：水、冰、共晶盐。水蓄冷系统的主要缺点是蓄冷密度小(20-30kwh/m3)，占用空间大。冰蓄冷系统蓄冷温度低于-5℃，导致运行效率低，能耗损失比普通热泵机组高30％。共晶盐蓄热系统则存在材料易损耗，解离失活，效率低下等问题。水合物蓄冷/蓄热技术作为新型储能技术，虽然可以克服上述水、冰、共晶盐蓄冷/蓄热技术存在的缺点，但由于水合物蓄冷/蓄热机理尚未清楚，因此，水合物蓄冷/蓄热技术仍停留在实验室阶段，且以小型蓄冷/蓄热系统为主，不具备实际应用能力。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明公开应用于中试的基于逆向换热策略的水合物蓄冷蓄热空调系统，具体方案如下：
2、基于逆向换热策略的水合物蓄冷蓄热空调系统，包括制冷/制热模块、储能模块、换热模块、末端供能模块、介质输送管网，
3、所述制冷/制热模块包括冷热源、冷热源水泵组、第五总管路、热泵机组，所述冷热源与热泵机组通过第五总管路连接，冷热源水泵组设置于第五总管路上；
4、所述储能模块包括水合物储能槽、逆向换热盘管及水合物蓄冷/蓄热工质，逆向换热盘管及水合物蓄冷/蓄热工质均设置于水合物储能槽内，所述热泵机组通过介质输送管网与设置于水合物储能槽内的逆向换热盘管连接，介质输送管网内设有载冷剂/热载体；所述逆向换热盘管包括形状及长度相同的第一盘管、第二盘管，所述第一盘管与第二盘管相邻设置，沿两个盘管的延伸方向第一盘管与第二盘管之间的距离始终相同，第一盘管与第二盘管分别与介质输送管网连通，两个盘管内流体流向相反；
5、所述换热模块包括板式换热器，板式换热器一端通过介质输送管网与热泵机组、逆向换热盘管连接，另一端与末端供能模块连接。
6、所述末端供能模块包括散热装置、第六总管路、第七总管路，所述第六总管路的第一端与板式换热器连接，第六总管路的第二端与散热装置连接；所述第七总管路的第一端与板式换热器连接，第七总管路的第二端与散热装置连接。
7、作为本发明技术方案的补充，所述冷热源水泵组至少设有两台水泵，各水泵之间并联设置于第五总管路上。
8、作为本发明技术方案的补充，所述储能模块还包括内循环气流扰动模块，所述内循环气流扰动模块设置于水合物储能槽内，包括气泵、分流装置，所述气泵设置于水合物储能槽的底部，水合物储能槽的顶部设有开孔，所述开孔通过管路与气泵连接，气泵将水合物储能槽内的顶部空间内的空气输送至分流装置内；
9、所述分流装置浸没于水合物储能槽内的水合物蓄冷/蓄热工质内，分流装置内设有容纳空间，用于接收气泵输送来的气体，分流装置表面设有出气口。
10、作为本发明技术方案的补充，还包括数据采集模块，所述数据采集模块包括设置于水合物储能槽内的传感器组，所述传感器组包括温度传感器、应力传感器，温度传感器用于采集水合物储能槽内的温度，应力传感器对逆向换热盘管的外表面形状进行监测。
11、作为本发明技术方案的补充，还包括系统监控模块，所述系统监控模块包括水下摄像头、探照灯，所述水下摄像头及探照灯均设置于水合物储能槽内，用于对水合物储能槽内水合物蓄冷/蓄热工质状态进行监控。
12、作为本发明技术方案的补充，还包括自动控制模块，所述自动控制模块分别与制冷/制热模块、储能模块、换热模块、末端供能模块、介质输送管网、数据采集模块、系统监控模块连接。
13、作为本发明技术方案的补充，所述末端供冷模块还包括末端水泵组，所述末端水泵组设置于第六总管路上，所述末端水泵组至少两台水泵，水泵之间并联设置。
14、作为本发明技术方案的补充，所述介质输送管网包括第一总管路、第二总管路、第三总管路、第四总管路、第一支管路、第二支管路、载冷剂/热载体泵组、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀；
15、所述第一总管路的第一端与热泵机组连通，第一总管路的第二端与逆向换热盘管连通；第二总管路的第一端与逆向换热盘管连通，第二总管路的第二端与热泵机组连通；载冷剂/热载体泵组设置于第二总管路上；所述第一电磁阀设置于第二总管路上，且位于载冷剂/热载体泵组与第二总管路的第一端之间；所述第五电磁阀设置于第一总管路上；
16、所述第三总管路的第一端与板式换热器连通，第三总管路的第二端与第二总管路连通，第三总管路与第二总管路连通的位置位于载冷剂/热载体泵组与第一电磁阀之间；所述第一支管路的第一端与第一总管路连通，且第一支管路与第一总管路连通的位置位于第五电磁阀与第一总管路的第一端之间；第一支管路的第二端与第二总管路连通，且第一支管路与第二总管路连通的位置位于第一电磁阀与第二总管路的第一端之间；所述第四电磁阀设置于第一支管路上；所述第四总管路的第一端与板式换热器连通，第四总管路的第二端与第一支管路连通，且第四总管路与第一支管路的连通位置位于第四电磁阀与第一支管路的第二端之间；所述第二电磁阀设置于第四总管路上；
17、所述第二支管路的第一端与第一总管路连通，且第二支管路的第一端与第一总管路连通的位置位于第一总管路的第一端与第一支管路的第一端之间；第二支管路的第二端与第二总管路连通，且第二支管路的第二端与第二总管路连通的位置位于第二总管路的第二端与载冷剂/热载体泵组之间。
18、本发明还公开上述基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统的使用方法，包括：
19、蓄冷：
20、该模式下水合物储能槽内应设置水合物蓄冷工质，介质输水管管网内设置有载冷剂；开启第一电磁阀、第五电磁阀、载冷剂/热载体泵组、冷热源水泵组、热泵机组；关闭第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、板式换热器；
21、冷热源水泵组将冷热源处的冷水输送至热泵机组，介质输水管管网内的载冷剂在热泵机组处进行热交换，对载冷剂进行供冷，随后载冷剂通过载冷剂/热载体泵组途径第一总管路输送至逆向换热盘管内，载冷剂在逆向换热盘管内与位于水合物储能槽内的水合物蓄冷工质进行热交换，然后通过第二总管路回流至热泵机组内；
22、水合物储能槽单独供冷：
23、开启第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、板式换热器、载冷剂/热载体泵组；关闭第一电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组；
24、载冷剂/热载体泵组开启将逆向换热盘管内的载冷剂依次通过第二总管路、第一支管路、第四总管路输送至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的载冷剂通过第三总管路流入至第二总管路内，在位于第二支管路第二端位置处分流成两股载冷剂，第一股载冷剂通过第二支管路流入至第一总管路内；第二股载冷剂通过第二总管路流入至热泵机组内，然后从热泵机组流出至第一总管路内，与第二支管路的第一端位置处与第一股载冷剂汇流，汇流后的载冷剂通过第一总管路流入至逆向换热盘管内，完成一个载冷剂供冷循环；
25、第六总管路、第七总管路内的水循环于板式换热器与末端供能模块之间，水在板式换热器内取冷，在末端供能模块处放冷；
26、在上述过程中，调节第四电磁阀、第五电磁阀的开度，调整完成换热后回流至逆向换热盘管载冷剂的温度；当需要降低回流至逆向换热盘管载冷剂的温度时，使第四电磁阀开度增加，第五电磁阀开度减小；当需要提升回流至逆向换热盘管载冷剂的温度时，使第四电磁阀开度减小，第五电磁阀开度增加；
27、热泵机组单独供冷：
28、开启第二电磁阀、第四电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组、载冷剂/热载体泵组、板式换热器；关闭第一电磁阀、第三电磁阀、第五电磁阀；
29、冷热源水泵组将冷热源处的冷水输送至热泵机组，介质输水管管网内的载冷剂在热泵机组处进行热交换，对载冷剂进行供冷，随后载冷剂通过载冷剂/热载体泵组的驱动下通过第一总管路，在第一支管路的第一端位置流入至第一支管路内，然后依次途经第一支管路、第四总管路流入至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的载冷剂通过第三总管路流入至第二总管路内，通过第二总管路回流至热泵机组内，完成一个载冷剂供冷循环；
30、第六总管路、第七总管路内的冷却水循环于板式换热器与末端供能模块之间，冷却水在板式换热器内取冷，在末端供能模块处放冷；
31、热泵机组、水合物储能槽联合供冷：
32、开启第二电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组、载冷剂/热载体泵组、板式换热器；关闭第一电磁阀、第三电磁阀；
33、冷热源水泵组将冷热源处的冷水输送至热泵机组，介质输水管管网内的载冷剂在热泵机组处进行热交换，对载冷剂进行初次供冷，随后通过载冷剂/热载体泵组将热泵机组内的载冷剂通过第一总管路输送至逆向换热盘管内，水合物储能槽内的水合物对流入至逆向换热盘管内的载冷剂进行再次供冷，然后依次通过第二总管路、第一支管路、第四总管路输送至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的载冷剂通过第三总管路流入至第二总管路内，通过第二总管路回流至热泵机组内，完成载冷剂供冷循环；
34、第六总管路、第七总管路内的冷却水循环于板式换热器与末端供能模块之间，冷却水在板式换热器内取冷，在末端供能模块处放冷；
35、在上述过程中，调节第四电磁阀、第五电磁阀的开度，调整流入至逆向换热盘管载冷剂的温度；当需要降低回流至逆向换热盘管载冷剂的温度时，使第四电磁阀开度增加，第五电磁阀开度减小；当需要提升回流至逆向换热盘管载冷剂的温度时，使第四电磁阀开度减小，第五电磁阀开度增加。
36、作为本发明的优选技术方案，基于逆向换热策略的水合物蓄冷蓄热空调系统的使用方法，还包括：
37、蓄热：
38、该模式下水合物储能槽内应设置水合物蓄热工质，介质输水管管网内设置有热载体；开启第一电磁阀、第五电磁阀、载冷剂/热载体泵组、冷热源水泵组、热泵机组；关闭第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、板式换热器；
39、冷热源水泵组将冷热源处的热水输送至热泵机组，介质输水管管网内的热载体在热泵机组处进行热交换，对热载体进行供热，随后热载体通过载冷剂/热载体泵组途径第一总管路输送至逆向换热盘管内，热载体在逆向换热盘管内与位于水合物储能槽内的水合物蓄热工质进行热交换，然后通过第二总管路回流至热泵机组内；
40、水合物储能槽单独供热：
41、开启第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、板式换热器、载冷剂/热载体泵组；关闭第一电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组；
42、载冷剂/热载体泵组开启将逆向换热盘管内的热载体依次通过第二总管路、第一支管路、第四总管路输送至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的热载体通过第三总管路流入至第二总管路内，在位于第二支管路第二端位置处分流成两股热载体，第一股热载体通过第二支管路流入至第一总管路内；第二股热载体通过第二总管路流入至热泵机组内，然后从热泵机组流出至第一总管路内，与第二支管路的第一端位置处与第一股热载体汇流，汇流后的热载体通过第一总管路流入至逆向换热盘管内，完成热载体供热循环；
43、第六总管路、第七总管路内的水循环于板式换热器与末端供能模块之间，水在板式换热器内取热，在末端供能模块处放热；
44、在上述过程中，调节第四电磁阀、第五电磁阀的开度，调整完成换热后回流至逆向换热盘管热载体的温度；当需要提升回流至逆向换热盘管热载体的温度时，使第四电磁阀开度增加，第五电磁阀开度减小；当需要降低回流至逆向换热盘管热载体的温度时，使第四电磁阀开度减小，第五电磁阀开度增加；
45、热泵机组单独供热：
46、开启第二电磁阀、第四电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组、载冷剂/热载体泵组、板式换热器；关闭第一电磁阀、第三电磁阀、第五电磁阀；
47、冷热源水泵组将冷热源处的热水输送至热泵机组，介质输水管管网内的热载体在热泵机组处进行热交换，对热载体进行供热，随后热载体通过载冷剂/热载体泵组的驱动下通过第一总管路，在第一支管路的第一端位置流入至第一支管路内，然后依次途经第一支管路、第四总管路流入至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的热载体通过第三总管路流入至第二总管路内，通过第二总管路回流至热泵机组内，完成一次热载体供热循环；
48、第六总管路、第七总管路内的水循环于板式换热器与末端供能模块之间，水在板式换热器内取热，在末端供能模块处放热；
49、热泵机组、水合物储能槽联合供热：
50、开启第二电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、冷热源水泵组、热泵机组、载冷剂/热载体泵组、板式换热器；关闭第一电磁阀、第三电磁阀；
51、冷热源水泵组将冷热源处的热水输送至热泵机组，介质输水管管网内的热载体在热泵机组处进行热交换，对热载体进行初次供热，随后通过载冷剂/热载体泵组将热泵机组内的热载体通过第一总管路输送至逆向换热盘管内，水合物储能槽内的水合物对流入至逆向换热盘管内的热载体进行再次供热，然后依次通过第二总管路、第一支管路、第四总管路输送至板式换热器内，与设置于第六总管路内的水进行换热，完成换热后的热载体通过第三总管路流入至第二总管路内，通过第二总管路回流至热泵机组内，完成一次热载体供热循环；
52、第六总管路、第七总管路内的水循环于板式换热器与末端供能模块之间，水在板式换热器内取热，在末端供能模块处放热；
53、在上述过程中，调节第四电磁阀、第五电磁阀的开度，调整流入至逆向换热盘管热载体的温度；当需要提升回流至逆向换热盘管热载体的温度时，使第四电磁阀开度增加，第五电磁阀开度减小；当需要降低回流至逆向换热盘管热载体的温度时，使第四电磁阀开度减小，第五电磁阀开度增加。
54、有益效果：本发明提供中试程度的完整的蓄-释冷/热系统，面向大型商业建筑物供冷/制热需求，充分利用了笼形水合物相变产生的潜热，基于逆向换热策略实现系统高效储能，因此本发明具有高效、节能和长期稳定运行的优点，尤其适用于持续需要冷能/热能供应的场景。本发明所用主机为多工况热泵机组，得益于水合物蓄冷/蓄热材料自身优势，其在水合物蓄冷运行模式下cop值接近5.0，具有很强的经济性和节能性。
技术特征：
1.基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，所述冷热源水泵组(3)至少设有两台水泵，各水泵之间并联设置于第五总管路(2)上。
3.根据权利要求1所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，所述储能模块还包括内循环气流扰动模块，所述内循环气流扰动模块设置于水合物储能槽(17)内，包括气泵(10)、分流装置(11)，所述气泵(10)设置于水合物储能槽(17)的底部，水合物储能槽(17)的顶部设有开孔，所述开孔通过管路与气泵(10)连接，气泵(10)将水合物储能槽(17)内的顶部空间内的空气输送至分流装置(11)内；
4.根据权利要求1所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，还包括数据采集模块(13)，所述数据采集模块(13)包括设置于水合物储能槽(17)内的传感器组(15)，所述传感器组(15)包括温度传感器、应力传感器，温度传感器用于采集水合物储能槽(17)内的温度，应力传感器对逆向换热盘管(18)的外表面形状进行监测。
5.根据权利要求4所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，还包括系统监控模块(16)，所述系统监控模块(16)包括水下摄像头、探照灯，所述水下摄像头及探照灯均设置于水合物储能槽(17)内，用于对水合物储能槽(17)内水合物蓄冷/蓄热工质状态进行监控。
6.根据权利要求5所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，还包括自动控制模块(14)，所述自动控制模块(14)分别与制冷/制热模块、储能模块、换热模块、末端供能模块(19)、介质输送管网、数据采集模块(13)、系统监控模块(16)连接。
7.根据权利要求1所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，所述末端供冷模块还包括末端水泵组(7)，所述末端水泵组(7)设置于第六总管路(8)上，所述末端水泵组(7)至少两台水泵，水泵之间并联设置。
8.根据权利要求1所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，其特征在于，所述介质输送管网包括第一总管路(23)、第二总管路(24)、第三总管路(25)、第四总管路(26)、第一支管路(27)、第二支管路(28)、载冷剂/热载体泵组(5)、第一电磁阀(29)、第二电磁阀(30)、第三电磁阀(31)、第四电磁阀(32)、第五电磁阀(33)；
9.根据权利要求8所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统的使用方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统的使用方法，其特征在于，还包括：
技术总结
基于逆向换热策略的水合物蓄冷/蓄热空调系统，包括冷热源、热泵机组、水合物蓄冷/热槽、逆向换热盘管、内循环气流扰动模块、末端供能模块、数据采集模块、自动控制模块。冷热源为热泵机组提供冷源和热源，热泵机组提供合适温度的载冷剂或热载体，流经水合物储能槽内的逆向换热盘管完成换热，内循环气流扰动模块加快水合物形成，末端供能模块配备卧式明装风机盘管，通过自动控制模块实现机房集中控制温湿度；此外本发明通过调节电动阀开关，可实现三种供冷/供热模式，满足不同应用需求，本发明依靠逆向换热策略，实现水合物快速蓄冷/蓄热储能，提高蓄冷/蓄热效率，具有高效的终端能源提效升级的优点。
技术研发人员：宋永臣,张伦祥,吕源,鲍嘉翥,杨明军,刘瑜,李洋辉,凌铮,杨磊,沈实,于涛,陈兵兵,吴鹏
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5