本发明涉及空调制冷技术领域，特别涉及一种电化学制冷制热系统。
背景技术：
现有的空调技术多采用蒸汽压缩循环实现制冷和制热过程。其主要过程是利用压缩机将制冷剂绝热压缩，升温升压后进入冷凝器对外散热，随后经节流阀绝热节流，降温降压汽化并从周围环境中吸收热量，实现制冷、制热功能。这种蒸汽压缩循环制冷系统存在循环过程实际效率较低；工作过程受环境影响较大；以及机械式压缩机工作过程中振动较大，容易导致管路松动和噪声污染等问题。
电化学制冷由于其在制冷效率和系统结构简化，环境保护等方面的优势，吸引了许多学者的关注。研究均集中在验证电化学制冷方式的可行性，但都未能提出完善的系统结构设计方案。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种电化学制冷制热系统，系统包括由吸热液流电池堆和放热液流电池堆组成的电化学制冷制热单元，实现与外界冷热量交换的环境热交换单元，以及电控单元。该系统具有理论效率高，电控简单，可扩展性强，环境友好等特点，并且系统无压缩机，可以解决机械压缩机工作过程中摩擦、振动和噪声较大等问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学制冷制热系统，所述系统包括制冷制热单元、电控单元、以及环境热交换单元；
所述制冷制热单元包括放热液流电池堆和吸热液流电池堆；
所述放热液流电池堆利用电化学反应放热效应产热，实现制热效应，所述吸热液流电池堆利用电化学反应吸热效应吸热，实现制冷效应；
所述电控单元用于向制冷制热单元以及环境热交换单元提供所需电源；
所述环境热交换单元用于实现所述系统与外界的冷热交换。
本公开具有以下有益效果：
所述电化学制冷系统利用化学反应热效应实现连续制冷与制热，具有更高的理论制冷效率；所述系统工作时中无压缩过程，电解液的流动依靠电解液泵驱动，具有机械振动小，可靠性高，噪音低等特点；系统制冷、制热模式切换通过改变补偿电源和驱动泵方向实现，电控单元简单；系统采用模块化设计，可扩展性强，且反应工质为全液相电解液，对臭氧层无破坏作用，无碳排放，环境友好。
附图说明
图1是本公开一个实施例中的电化学制冷系统结构示意图；
附图标记说明：1、电控单元；2、电解液泵；3、放热液流电池堆；4、第一风机；5、第一换热器；6、第一载冷剂循环泵；7、回热器；8、储液罐；9、第二载冷剂循环泵；10、第二换热器；11、第二风机；12、吸热液流电池堆；
图2是本公开一个实施例中系统中液流电池堆单电池结构示意图；
附图标记说明：31、双极板；32、密封圈；33、电极；34、隔膜。
具体实施方式
在以下详细描述中，提供大量特定细节，以便于提高对本发明的透彻理解。此处所说明的附图1与附图2用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在一个实施例中，本公开揭示了一种电化学制冷制热系统，所述系统包括制冷制热单元、电控单元、以及环境热交换单元；
所述制冷制热单元包括放热液流电池堆和吸热液流电池堆；
所述放热液流电池堆利用电化学反应放热效应产热，实现制热效应，所述吸热液流电池堆利用电化学反应吸热效应吸热，实现制冷效应；
所述电控单元用于向制冷制热单元以及环境热交换单元提供所需电源；
所述环境热交换单元用于实现所述系统与外界的冷热交换。
更优的，所述制冷制热单元还包括回热器、储液罐和电解液泵；
所述回热器用于对从吸热液流电池堆流出的低温电解液和从放热液流电池堆流出的高温电解液进行热交换；
所述储液罐用于确保制冷制热单元中电解液始终处于充满状态；
所述电解液泵用于实现电解液的循环流动。
在本实施例中，基于电化学反应过程热效应，提出了一种电化学制冷制热系统。系统包括由放热液流电池堆、吸热液流电池堆、回热器、储液罐和电解液泵组成的制冷制热单元，由换热器，风机和载冷剂泵组成的环境热交换单元，以及电控单元。系统工作时，电解液在电解液泵驱动下循环流动，在吸热液流电池堆内反应吸热，同时在放热液流电池堆内反应放热，实现同步连续制冷与制热。电池堆产生的冷量和热量由载冷剂带出，并经换热器向环境释放，系统综合对外表现出制冷和制热效应。此外，吸热液流电池堆和放热液流电池堆之间电势差的补偿以及各驱动泵、风机的控制电源均由电控单元提供。
所述制冷制热单元还包括回热器，电解液泵，储液罐。从吸热液流电池堆流出的低温电解液和从放热液流电池堆流出的高温电解液在回热器进行热交换，以提高放热电堆入口电解液温度和降低吸热电堆入口电解液温度。考虑到电解液泵工作时摩擦产热问题，将电解液泵设置在回热器与放热液流电池堆入口或吸热液流电池堆出口之间，以提高能量利用率。系统采用全液相工质，工质可以为含有钒离子、铁离子或锰离子等的酸性溶液；并设置储液罐以确保电堆内电解液饱和，但储液罐位置并不固定。
本实施例所述系统具有理论效率高，电控简单，可扩展性强，环境友好等特点，并且系统无压缩机，可以解决机械压缩机工作过程中摩擦、振动和噪声较大等问题。
在一个实施例中，所述环境热交换单元包括风机，换热器和载冷剂泵；
所述换热器用于将电解液在放热液流电池堆或吸热液流电池堆内反应产生的热量或冷量释放到环境中；
所述风机用于促进换热器的热交换；
所述载冷剂泵用于驱动换热器内的载冷剂循环。
进一步的，所述放热液流电池堆和吸热液流电池堆处设置有第一环境热交换单元和第二环境热交换单元。
在本实施例中，环境热交换单元由风机，换热器和载冷剂泵组成。其中，在放热液流电池堆处，环境热交换单元向环境放热，相当于冷凝器；在吸热液流电池堆处，环境热交换单元从环境吸热，相当于蒸发器。
在一个实施例中，所述电控单元包括一个补偿电源和一个控制电源；
所述补偿电源用于补偿放热液流电池堆和吸热液流电池堆之间的电势差；
所述控制电源用于控制电解液泵、风机和载冷剂泵。
更优的，所述补偿电源包括来自太阳能或其他直流清洁能源、将交流电整流后获得的直流电源。
所述放热液流电池堆和吸热液流电池堆处对应设置有环境热交换单元。
更优的，所述系统制冷、制热过程的转换通过改变补偿电源和电解液泵方向实现。
在本实施例中，所述电控单元不仅包括用于补偿放热液流电池堆和吸热液流电池堆之间电势差的补偿电源；还包括电解液泵、风机、载冷剂泵的控制电源。该补偿电源为直流电源，来源广泛，可以是来自太阳能电池板等清洁直流能源，也可以是将交流电整流后获得的直流电源。系统工作模式的切换依靠电控单元完成，制冷、制热过程的转换通过改变直流电源和电解液泵方向实现。
在一个实施例中，所述放热液流电池堆和吸热液流电池堆具有相同结构，包括多片液流电池单体，所述多片液流电池单体之间相串联或者相并联或者串并联混联；
所述液流电池单体之间还设计有散热片和载冷剂通道。
在本实施例中，吸热液流电池堆和放热液流电池堆不仅作为电化学反应发生的场所，同时也是电解液与载冷剂发生非接触式热交换的场所，二者具有相同的结构，电堆由多片液流电池单体串并联而成，且在单体之间还设计有散热片和载冷剂流道。
所述放热液流电池堆与吸热液流电池堆包括两个端板，端板之间设置有多个串联或并联的放热/吸热单体，每个单体结构呈对称性分布，参见图2所示。在单体中心为离子交换膜(34)，起隔离两侧阴、阳极电解液的作用，但允许氢离子通过，以形成电路内回路。在离子交换膜两侧依次为电极(33)，密封圈(32)，和双极板(31)。双极板两侧均设计有流道，用于电解液和载冷剂的流动。
在本实施例中，更确切的说，放热液流电池堆和吸热液流电池堆具有相等的制热和制冷功率。由于系统兼具制热和制冷两个过程，因此，在制热过程中的放热液流电池堆在制冷过程中将充当吸热液流电池堆的角色，同理，在制热过程中的吸热液流电池堆在制冷过程中将充当放热液流电池堆的角色。所以，为了保证系统吸热液流电池堆和放热液流电池堆之间功率的匹配，要保证二者之间具有相等的制热和制冷功率。
在一个实施例中，所述电解液泵(2)固定设置在回热器(7)与放热液流电池堆(3)入口或吸热液流电池堆(12)出口之间；
回热器(7)位于放热液流电池堆(3)和吸热液流电池堆(12)之间；
所述储液罐位于任何能够确保放热液流电堆和吸热液流电堆内电解液饱和的位置。
在一个实施例中，所述系统采用的电解液为全液相，电解液为含有钒离子、铁离子、锰离子、钛离子、铜离子、铬离子或其他多价态离子。
在本实施例中，所述全液相的电解液的泵送依靠的是驱动泵，因此能够避免使用压缩机，所述驱动泵较压缩机振动噪声小。
在本实施例中，所述酸性溶液的作用有两个：1是可以防止金属离子沉淀；2是提供氢离子，理论上只有氢离子能通过隔膜，形成电池的内电路回路。
上述离子的存在是反应的基础。制冷/制热效应就是通过离子的反应过程实现的。这类离子都具有多个价态，在反应过程中，离子发生氧化或还原反应，而反应的过程往往伴随着热量的吸收和释放，从而实现制冷与制热。
在一个实施例中，参见图1所示，电化学制冷制热系统，包括电控单元(1)，由电解液泵(2)、放热液流电池堆(3)、回热器(7)、储液罐(8)和吸热液流电池堆(12)组成的制冷制热单元，以及由第一风机(4)、第一换热器(5)、第一载冷剂循环泵(6)、第二载冷剂循环泵(9)、第二换热器(10)和第二风机(11)组成的环境热交换单元。电解液泵设置在回热器和放热液流电池堆入口或吸热液流电池堆出口之间，系统采用全液相工质，工质可以为含有钒离子、铁离子或锰离子等的酸性溶液，并设置有储液罐(8)以确保电堆内电解液饱和状态。
系统工作时，电解液在放热液流电池堆(3)内反应放热量，产生的热量由载冷剂带出并经第一换热器(5)向环境释放，同时，电解液在吸热液流电池堆(12)内反应吸热，产生的冷量通过第二换热器(10)释放到环境中，电解液在电解液泵驱动下循环流动，实现连续制冷与制热；系统还设置有第一风机(4)和第二风机(11)，分别用于促进第一换热器(5)和第二换热器(10)的热交换。从放热液流电池堆(3)流出的高温电解液和从吸热液流电池堆(12)流出的低温电解液在回热器(7)内发生热交换，以提高系统工作效率。系统工作时，放热液流电池堆(3)和吸热液流电池堆(12)之间的电势差和各驱动泵、风机的控制电源由电控单元(1)提供。
在一个实施例中，电化学制冷制热系统采用含有铁离子和钒离子的硫酸溶液分别作为阴极和阳极的电解液。在吸热液流电池堆内，三价铁离子在阴极被还原为二价的铁离子，四价的钒离子在阳极被氧化为五价的钒离子，并吸收热量；同时，在放热液流电池堆内，二价铁离子和五价钒离子在放热单体内发生反应，重新生成三价铁离子和四价钒离子，完成系统循环，并对外放出热量。具体的反应过程如下所示：
阴极反应方程式：
阳极反应方程式：
总反应方程式：
基于上述反应体系进行理论计算，设定低温端温度为273K，高温端温度为323K，在此条件下，系统理论制冷效率COP为3.66。
表1.反应物物理参数表
表2.系统基本参数
理论计算过程：
通过以上分析可知，该电化学制冷系统利用化学反应热效应实现连续制冷与制热，具有更高的理论制冷效率；系统工作时无压缩过程，电解液的流动依靠电解液泵驱动，具有机械振动小，可靠性高，噪音低等特点；系统制冷、制热模式切换通过改变补偿电源和驱动泵方向实现，电控单元简单；系统采用模块化设计，可扩展性强，且反应工质为全液相电解液，对臭氧层无破坏作用，无碳排放，环境友好。
以上实施例的说明只用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。