专利名称：相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统，属于新材料及新能源应用领域。技术背景
随着经济的不断发展以及能源的大量消耗，节能已经成为全球关注的话题。国家 “十二五”发展规划及《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定(国发[2010]32 号)》都明确要求重点开发推广高效节能技术装备及产品，实现重点领域关键技术突破。所以，能量存储和传热技术的研究就显得尤为重要。相变传热对于化工、制冷、放电与动力、航天热控技术等领域具有重要的理论意义和广泛的应用背景，而如何强化相变传热往往是人们最关注的问题之一。因此，发展高效相变储能技术，强化相变热能器件的能量转换效率和存储密度，才能有效地缓解目前能源短缺等问题。
空调节能技术得到了蓬勃发展，但目前普遍存在几方面的问题一是系统整体能效比低，能源利用效率低下，导致能耗居高不下。二是室内空气品质恶化，直接影响人体健康。三是没有充分利用自然冷源，不利于平衡电网峰谷。以日本东京电力工业中央研究院及日本宇都宫大学建筑系为代表的日本研究机构研究表明相变温度在20-22°C间的PCM 适宜用于相变蓄冷空调技术，且可使室内温度保持在2516°C，可以达到很好的室内热舒适度。因此发展相变储能技术，充分利用自然冷源，节省能耗并利用储能系统缓解空调设备对电网的冲击；改善环境空气品质，提高舒适度，具体十分重要的意义。发明内容
本发明的目的是提出一种相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统，该相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统传热高效、安全可靠、节能环保。
本发明的技术解决方案如下
一种相变储能装置，包括外壳、相变储能体、制冷剂管道、水流通道和控制装置；
外壳上设有水流进口、水流出口、制冷剂进口和制冷剂出口 ；所述的相变储能体、 制冷剂管道和水流通道都设置在壳体内；相变储能体包括相变材料和用于容纳相变材料的金属各器。
所述的相变储能体为多个，多个相变储能体呈犬牙交错方式设置在外壳的顶侧和底侧。
所述的制冷剂管道的总体形状为方波形，总体为方波形的制冷剂管道由多段方波形管道依次对接而成。
一种三元单/双向相变储能系统，包括制冷系统和前述的相变储能装置，所述的三元为水、制冷剂与相变材料体；制冷系统包括冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀；制冷系统通过并联或串联方式与相变储能装置的制冷剂通道连接；相变储能装置的水流通道进行封闭循环封闭循环，即将相变储能装置的水流通道的水流进口和水流出口堵上，让水在相变储能装置中自循环，或者将水流通道与室外的冷水相通。
采用串联方式时，冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀和相变储能装置串接。
采用并联方式时，节流阀、冷凝器、压缩机和蒸发器串接，相变储能装置通过两个三通阀与蒸发器并联。
相变储能装置的控制装置包括微处理器、温度传感器、流速传感器和报警器；温度传感器、流速传感器和报警器均与微处理器连接，制冷剂管道和水流通道中还装有流量调节阀；流量调节阀受控于微处理器。
一种相变储能装置和三元单/双向相变储能方法，采用前述的三元单/双向相变储能系统，包括单向相变储能模式和双向相变储能模式；该两种模式同时或单独存在；制冷剂流向与水流方向相反；
单向相变储能模式指制冷剂将冷量传递给水；
双向相变储能模式指水将冷量传递给相变材料，或者，相变材料将冷量传递给水。
在蓄冷工况下制冷剂首先将冷量传递给水，此时为单向相变储能模式；水将冷量传递给相变材料，此时相变材料从液相变为固相；
放冷工况下相变材料将冷量传递给水，但水不能将冷量传递给制冷剂，此时相变材料从固相变为液相。
三元单/双向相变储能系统运行时，包括以下两种工况
①相变体储能工况
当水流温度低于预设温度下限时，制冷剂管道关闭，水流通道开启，当相变储能体温度高于水流温度时，由于传热温差作用，相变储能体与水流通道自动进行换热，吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体；
当水流温度高于预设温度上限时，制冷剂管道与水流通道同时开启，制冷剂管道为水流降温，当相变储能体温度高于水流温度时，相变储能体通过水流通道自动吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体；
②相变体释能工况
当水流温度高于预设温度下限时，制冷剂管道关闭，水流通道开启，当相变储能体温度低于水流温度时，相变储能体与水流通道自动进行换热，释放冷量进行释能并发生相变，固体变为液体。
外壳采用金属或塑料材质，且外贴保温材料，保温材料为聚氨酯、聚苯乙烯、硅酸铝棉毡或橡塑。
所述的相变材料体为Ba (OH) 2 · 8H20、Zn (NO3) 2 · 6H20、CaBr2 · 6H20 或 CaCl2 · 6H20、 Na2CO3 · IOH2O, Na2HPO4 · 12H20 或无机-有机复合物；
有益效果
相变储能装置可灵活的与空调系统实现并联或串联运行，通过该装置自带的控制逻辑实现不同工况的运行和切换，以便大大提高制冷系统的运行效率，延长自然冷源的运行时间，且解决停电后无法制冷的难题。利用室外自然冷源为相变材料蓄能，或夜间低谷电价时利用制冷剂为相变材料蓄能；待白天无自然冷源可利用或峰值电价时放出冷量为室内降温，大大缩短制冷机的运行时间，减少空调系统的能耗，且利用峰谷电价差值，具有可观的经济效益。
基于相变储能效率与传热效率低的问题，本发明巧妙地将模型结构与三元单/双向换热理论结合，通过相变储能体与空调系统特性耦合，直接将相变储能体融入到传统的空调制冷四大部件中，和制冷系统串联或并联运行，利用相变储能体承担白天的制冷需求， 减少制冷系统的运行时间。同时该相变储能体还可以存储室外自然冷源，通过水的循环将室外自然冷源存储在相变储能体内。在循环水温度高于相变材料温度时，利用相变材料对其释冷降温，从而达到节省能耗效果；当水流通道和相变通道都未能满足需求时，通过开启制冷剂管道进行制冷降温和能量储存，从而实现水流工况稳定，使其水温恒定在所需范围之内(预设20°C -25°C )，降低空调冷冻水二次转换所损失能耗，确保空调末端设备无冷凝水、安全正常运行，并最终达到节能的目的。
本三元(单)双向相变换热储能模块装置具有以下明显优势
1、可利用室外冷水中的自然冷量对相变储能体进行降温储能，从而减少了制冷剂管道的开启时间，进而节省空调设备的运行和维护费。
2、当机房空调设备故障或停电时，通过控制相变材料释能保持水流通道的制冷要求，保证机房内设备正常工作，具有安全可靠性。
3、采用这种相变储能装置进行换热，提高了制冷剂管道与水流通道、水流通道与相变储能体的换热效率，即传热高效，从而提高能源利用效率。
4、相变储能装置的控制装置采用工业级可编程控制器，系统稳定性强。
图1为本发明的结构示意图2为本发明与制冷系统的并联连接示意图3为本发明与制冷系统的串联连接示意图4为控制装置的结构框标号说明
1、相变储能体；2、制冷通道；3、水流通道；4、相变储能装置；5、第一三通阀；6、压缩机；7、冷凝器；8、节流阀；9、第二三通阀；10、蒸发器。
具体实施方式
以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种相变储能装置，在外壳内均勻布置一系列相变储能体(如附图 1所示)，相变储能体之间形成水通道；沿水流通道方向布置曲折铜管，形成制冷剂管道，且制冷剂流向与水流方向相反以便加强换热。相变储能体、制冷剂管道、水流通道中均安装有温度传感器，制冷剂管道和水流通道中还装有流量调节阀；传热模块装置开有注液孔；控制系统包括微处理器、温度传感器、通信模块和报警器；所述的传感器、通信模块和报警器均与微处理器连接。利用温度传感器测量循环进出水的温度、室内温度和相变材料体的温度，当室内温度超过温度上限时启动报警器；将检测到的各种温度信号通过通信模块传递给微处理器，以实现各种工况的正常运行和切换。
本相变换热储能装置将室外冷水通过水流通道引入，经过与相变材料换热进行存储能量，而在水流工况不满足需要时，由相变储能体和制冷剂管道对其进行降温，确保水流温度稳定，并最终达到节能的目的。
所述的水流通道、制冷剂管道安装有流量调节阀；
所述的制冷剂管道、水流通道、相变通道内安装温度传感器；
所述的相变储能传热模块装置，其特征在于，相变储能传热模块装置的各组成部件均安装在模块内，模块外壳采用金属或塑料材质，且外贴保温材料，保温材料为聚氨酯、 聚苯乙烯、硅酸铝棉毡或橡塑；
所述的相变储能传热模块装置，其特征在于，所述的控制装置还包括温度传感器、 流速传感器、通信模块和报警器；所述的传感器、通信模块和报警器均与微处理器连接。
其工作过程为
①相变体储能工况
当水流温度低于预设温度下限(20°C )时，制冷剂管道关闭，同时关闭压缩机、冷凝器和膨胀阀即节流阀，只开启水流通道，通过室外自然冷源作用提供的冷水给相变储能装置蓄能；当相变储能体温度高于水流温度时，由于传热温差作用，相变储能体与水流通道自动进行换热，吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体；
当水流温度高于预设温度上限(25°C )时，制冷剂管道与水流通道同时开启，开启压缩机、冷凝器和膨胀阀，制冷剂管道为水流降温；当相变储能体温度高于水流温度时，相变储能体通过水流通道自动吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体；
②相变体释能工况
当水流温度高于预设温度下限(20°C )时，制冷剂管道关闭，同时关闭压缩机、冷凝器和膨胀阀，水流通道开启；当相变储能体温度低于水流温度时，相变储能体与水流通道自动进行换热，相变储能体释放冷量降低水流温度，利用低温的水为室内降温，此时相变储能体发生相变，固体变为液体。
根据理论分析计算和模拟，带有该相变储能传热模块装置的空调系统能实现工业建筑的年空调节能35%以上，民用建筑的年空调节能20%以上。
权利要求
1.一种相变储能装置，其特征在于，包括外壳、相变储能体、制冷剂管道、水流通道和控制装置；外壳上设有水流进口、水流出口、制冷剂进口和制冷剂出口 ；所述的相变储能体、制冷剂管道和水流通道都设置在壳体内；相变储能体包括相变材料和用于容纳相变材料的金属容器。
2.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述的相变储能体为多个，多个相变储能体呈犬牙交错方式设置在外壳的顶侧和底侧。
3.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述的制冷剂管道的总体形状为方波形，总体为方波形的制冷剂管道由多段方波形管道依次对接而 >成。
4.一种三元单/双向相变储能系统，其特征在于，包括制冷系统和权利要求1-3任一项所述的相变储能装置，所述的三元为水、制冷剂与相变材料体；制冷系统包括冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀；制冷系统通过并联或串联方式与相变储能装置的制冷剂通道连接； 相变储能装置的水流通道进行封闭循环，或者将水流通道与室外的冷水相通。
5.根据权利要求4所述的三元单/双向相变储能系统，其特征在于，采用串联方式时， 冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀和相变储能装置串接。
6.根据权利要求4所述的三元单/双向相变储能系统，其特征在于，采用并联方式时， 节流阀、冷凝器、压缩机和蒸发器串接，相变储能装置通过两个三通阀与蒸发器并联。
7.根据权利要求5或6所述的三元单/双向相变储能系统，其特征在于，相变储能装置的控制装置包括微处理器、温度传感器、流速传感器和报警器；温度传感器、流速传感器和报警器均与微处理器连接，制冷剂管道和水流通道中还装有流量调节阀；流量调节阀受控于微处理器。
8.—种相变储能装置和三元单/双向相变储能方法，其特征在于，采用权利要求7所述的三元单/双向相变储能系统，包括单向相变储能模式和双向相变储能模式；该两种模式同时或单独存在；制冷剂流向与水流方向相反；单向相变储能模式指制冷剂将冷量传递给水；双向相变储能模式指水将冷量传递给相变材料，或者，相变材料将冷量传递给水。
9.根据权利要求8所述的相变储能装置和三元单/双向相变储能方法，其特征在于，在蓄冷工况下制冷剂首先将冷量传递给水，此时为单向相变储能模式；水将冷量传递给相变材料，此时相变材料从液相变为固相；放冷工况下相变材料将冷量传递给水，但水不能将冷量传递给制冷剂，此时相变材料从固相变为液相。
10.根据权利要求9所述的相变储能装置和三元单/双向相变储能方法，其特征在于， 三元单/双向相变储能系统运行时，包括以下两种工况①相变体储能工况当水流温度低于预设温度下限时，制冷剂管道关闭，水流通道开启，当相变储能体温度高于水流温度时，由于传热温差作用，相变储能体与水流通道自动进行换热，吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体；当水流温度高于预设温度上限时，制冷剂管道与水流通道同时开启，制冷剂管道为水流降温，当相变储能体温度高于水流温度时，相变储能体通过水流通道自动吸收冷量进行储能并发生相变，液体变为固体； ②相变体释能工况当水流温度高于预设温度下限时，制冷剂管道关闭，水流通道开启，当相变储能体温度低于水流温度时，相变储能体与水流通道自动进行换热，释放冷量进行释能并发生相变，固体变为液体。
全文摘要
本发明提供了一种相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统，相变储能装置包括外壳、相变储能体、制冷剂管道、水流通道和控制装置；外壳上设有水流进口、水流出口、制冷剂进口和制冷剂出口；所述的相变储能体、制冷剂管道和水流通道都设置在壳体内；相变储能体包括相变材料和用于容纳相变材料的金属容器。该相变储能装置和三元单/双向相变储能方法和系统传热高效、安全可靠、节能环保。
文档编号F25B49/02GK102519290SQ201210002250
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者刘英俊, 孙小琴, 廖曙光, 张泉, 张海峰, 程利双 申请人:湖南大学