一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法，该系统基于三级压缩、分级储能的CO2压缩制冷循环为冷端提供三个等级的常备冷量、为热端提供生活热水、采暖以及为消防端提供灭火剂CO2。系统通过新型的模块化工艺设计，实现了各级制冷循环的独立运行以及自由组合，以达到工况可调、输出灵活、能量高效利用之目的；结合液体CO2分级储能可实现系统用电的“柔性化”，并作为系统消防的常备安全模块参与到能源系统的安全运营之中，重点用于无人值守的机电设备、重要的电力电子设备以及数据机房等的安全防护以及火情的提早干预。防护以及火情的提早干预。防护以及火情的提早干预。

【技术实现步骤摘要】
一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法


[0001]本专利技术属于制冷领域，涉及一种基于储能型CO2制冷循环的综合能量供应系统，特别涉及一种基于三级压缩、分级储能的CO2压缩制冷循环构成的三个等级的常备冷量供应、生活热水、采暖供应以及消防伺服系统及运行方法。

技术介绍

[0002]压缩制冷循环是发展最为成熟、应用规模最为广泛的制冷技术，伴随在社会生产生活发展的各个环节。目前，高效制冷机组所使用的有机工质都有或大或小的破坏臭氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP），根据“蒙特利尔议定书”，大量传统有机工质将受到限制，但目前缺少高效的替代工质可供选择，面对巨大市场需求，自然工质的发展再次受到行业的关注。
[0003]在众多自然工质中，CO2具有无毒、不破坏臭氧层、不可燃不易爆炸以及密度大等优点，在制冷工质的替代中占有巨大优势。但其临界温度仅为31.1℃，临界压力却高达7.38 MPa，CO2跨临界循环节流损失较大，系统能效偏低，限制了其推广应用。由于CO2的流通能力强，通过回热技术以及膨胀设备的改进，CO2制冷技术迎来新的发展机遇，尤其是CO2绿色制冷技术在冬奥会的推广应用，其在制冷领域将发挥越来越重要的作用。
[0004]此外CO2消防系统可广泛应用于窒息性灭火场景，也可应用于可切断气源的危险气体消防。采用CO2制冷系统可为应用场景提供消防备用，为用户提供一道安全防护，尤其是电子产品设备间、机电设备机房、无人值守的智能化厂房等等。
[0005]专利申请号为201910739370.X公开了一种制冷系统及其实现灭火功能的方法，首次公开了CO2跨临界制冷与消防系统的结合。但该系统采用简单跨临界循环，系统节流损失大的问题尚未解决；另外，该系统受限于CO2冲灌量，消防辐射能力有限，仅能供给空调设备房内的消防应用。此外，简单CO2跨临界制冷循环受限于单级压缩能力有限，难以实现大温差制冷应用场景，因而为进一步推广CO2跨临界制冷循环，需要开发具备工况可调、输出灵活、节能高效的新型系统工艺。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统及其运行方法，该系统采用三级压缩结合分流与回热工艺有效解决系统能量损失大的问题，采用三级冷量储存实现对电能的柔性使用并极大的提升了系统灵活性，并将CO2储罐作为消防伺服对应用场景增加一层消防备用，此外该系统将热量集中处理可用于冬季采暖与生活热水工况，以形成兼具灵活可调、节能高效、安全的新型综合能量供应系统。
[0007]为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，它包括CO2一级压缩制冷循环系统，CO2二级压缩制冷循环系统，CO2三级压缩制冷循环系统，配套冷网络，配套热网络，配套消防网络和配套控
制系统；所述配套冷网络包括低温段、冰点温度段和常温段三级冷网络。
[0008]所述CO2一级压缩制冷循环系统由一级膨胀机、一级压缩机、一级气液分离装置、一级CO2储液罐、一级液态CO2工质泵、一级CO2蒸发器、一级回热器、一级引射器、冷凝器、第一三通阀门组、第二三通阀门组、第一旁通阀门组、第二旁通阀门组、第三旁通阀门组和第四旁通阀门组组成；CO2循环介质先后经过一级压缩机进行压缩、冷凝器进行冷却、一级回热器进行放热、一级膨胀机进行膨胀、一级气液分离装置进行气液分离、一级回热器进行气态CO2循环介质吸热、一级CO2储液罐进行液态CO2循环介质经过存储、一级液态CO2工质泵进行升压、一级CO2蒸发器进行蒸发吸热，并在第二三通阀门组汇流，之后高压气态CO2循环介质经过一级引射器引射CO2二级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入一级压缩机进行压缩，完成CO2一级压缩制冷循环；所述第一三通阀门组用以分配调节液态CO2循环介质进入一级CO2储液罐和进入CO2二级压缩制冷循环系统的流量；所述第一旁通阀门组并联于一级气液分离装置两侧用以分配进入一级气液分离装置以及一级回热器吸热侧的流量，第二旁通阀门并联于一级回热器入口处以及进入CO2二级压缩制冷循环系统入口管路上，第三旁通阀门组并联于一级压缩机出口以及一级引射器低压侧入口处，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
[0009]所述CO2二级压缩制冷循环系统由二级膨胀机、二级压缩机、二级气液分离装置、二级CO2储液罐、二级液态CO2工质泵、二级CO2蒸发器、二级回热器、二级引射器、第三三通阀门组、第四三通阀门组、第五旁通阀门组、第六旁通阀门组、第七旁通阀门组、第八旁通阀门组组成；CO2循环介质先后经过二级压缩机进行压缩、被一级引射器引射进入CO2一级压缩制冷循环系统后，分离出进入CO2二级压缩制冷循环系统的CO2经过二级回热器进行放热、二级膨胀机进行膨胀、二级气液分离装置进行气液分离、气态CO2循环介质经过二级回热器吸热、液态CO2循环介质经过二级CO2储液罐存储、二级液态CO2工质泵进行升压、二级CO2蒸发器进行蒸发吸热、并在第四三通阀门组汇流，之后高压气态CO2循环介质经二级引射器引射CO2三级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入二级压缩机压缩，完成CO2二级压缩制冷循环；所述第三三通阀门组用以分配调节液态CO2循环介质进入二级CO2储液罐和进入CO2三级压缩制冷循环系统的流量，第五旁通阀门组并联于二级气液分离装置两侧用以分配进入二级气液分离装置以及二级回热器吸热侧的流量，第六旁通阀门并联于二级回热器放热侧的两端，第七旁通阀门并联于二级压缩机出口以及二级引射器低压侧入口处，结合第三三通阀门，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。
[0010]所述CO2三级压缩制冷循环系统由三级膨胀机、三级压缩机、三级气液分离装置、三级CO2储液罐、三级液态CO2工质泵、三级CO2蒸发器、三级回热器、第五三通阀门组、第九旁通阀门组、第十旁通阀门组和第十一旁通阀门组组成；CO2循环介质先后经过三级压缩机压缩、二级引射器引射进入CO2二级压缩制冷循环系统后，分离出进入三级压缩制冷循环系统的CO2经过三级回热器进行放热、三级膨胀机进行膨胀、三级气液分离装置进行气液分离、气态CO2循环介质经过三级回热器吸热、液态
CO2循环介质经过三级CO2储液罐存储、三级液态CO2工质泵进行升压、三级CO2蒸发器进行蒸发吸热、在第五三通阀门组汇流，进入三级压缩机压缩，完成CO2三级压缩制冷循环；第九旁通阀门组并联于三级气液分离装置两侧用以分配进入三级气液分离装置以及三级回热器吸热侧的流量，第十旁通阀门组并联于三级回热器放热侧的两端。
[0011]所述配套冷网络分为一级冷网络、二级冷网络和三级冷网络，其中一级冷网络用于常温段冷量供应，由所述CO2一级压缩制冷循环系统、一级CO2蒸发器、第二空冷器和第十二旁通阀门组组成；二级冷网络用于冰点温度段冷量供应，由所述CO2二级压缩制冷循环系统和二级CO2蒸发器组成；三级冷网络用于低温段冷量供应，由所述CO2三级压缩制冷循环系统和三级CO2蒸发器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：它包括CO2一级压缩制冷循环系统，CO2二级压缩制冷循环系统，CO2三级压缩制冷循环系统，配套冷网络，配套热网络，配套消防网络和配套控制系统；所述配套冷网络包括低温段、冰点温度段和常温段三级冷网络。2.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述CO2一级压缩制冷循环系统由一级膨胀机（1a）、一级压缩机（2a）、一级气液分离装置（3a）、一级CO2储液罐（4a）、一级液态CO2工质泵（5a）、一级CO2蒸发器（6a）、一级回热器（7a）、一级引射器（8a）、冷凝器（9）、第一三通阀门组（31）、第二三通阀门组（33）、第一旁通阀门组（21a）、第二旁通阀门组（22a）、第三旁通阀门组（23a）和第四旁通阀门组（24a）组成；CO2循环介质先后经过一级压缩机（2a）进行压缩、冷凝器（9）进行冷却、一级回热器（7a）进行放热、一级膨胀机（1a）进行膨胀、一级气液分离装置（3a）进行气液分离、一级回热器（7a）进行气态CO2循环介质吸热、一级CO2储液罐（4a）进行液态CO2循环介质经过存储、一级液态CO2工质泵（5a）进行升压、一级CO2蒸发器（6a）进行蒸发吸热，并在第二三通阀门组（33）汇流，之后高压气态CO2循环介质经过一级引射器（8a）引射CO2二级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入一级压缩机（2a）进行压缩，完成CO2一级压缩制冷循环；所述第一三通阀门组（31）用以分配调节液态CO2循环介质进入一级CO2储液罐（4a）和进入CO2二级压缩制冷循环系统的流量；所述第一旁通阀门组（21a）并联于一级气液分离装置（3a）两侧用以分配进入一级气液分离装置（3a）以及一级回热器（7a）吸热侧的流量，第二旁通阀门（22a）并联于一级回热器（7a）入口处以及进入CO2二级压缩制冷循环系统入口管路上，第三旁通阀门组（23a）并联于一级压缩机（2a）出口以及一级引射器（8a）低压侧入口处，用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。3.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述CO2二级压缩制冷循环系统由二级膨胀机（1b）、二级压缩机（2b）、二级气液分离装置（3b）、二级CO2储液罐（4b）、二级液态CO2工质泵（5b）、二级CO2蒸发器（6b）、二级回热器（7b）、二级引射器（8b）、第三三通阀门组（32）、第四三通阀门组（34）、第五旁通阀门组（21b）、第六旁通阀门组（22b）、第七旁通阀门组（23b）、第八旁通阀门组（24b）组成；CO2循环介质先后经过二级压缩机（2b）进行压缩、被一级引射器（8a）引射进入CO2一级压缩制冷循环系统后，分离出进入CO2二级压缩制冷循环系统的CO2经过二级回热器（7b）进行放热、二级膨胀机（1b）进行膨胀、二级气液分离装置（3b）进行气液分离、气态CO2循环介质经过二级回热器（7b）吸热、液态CO2循环介质经过二级CO2储液罐（4b）存储、二级液态CO2工质泵（5b）进行升压、二级CO2蒸发器（6b）进行蒸发吸热、并在第四三通阀门组（34）汇流，之后高压气态CO2循环介质经二级引射器（8b）引射CO2三级压缩制冷循环系统中的低压CO2循环介质进入二级压缩机（2b）压缩，完成CO2二级压缩制冷循环；所述第三三通阀门组（32）用以分配调节液态CO2循环介质进入二级CO2储液罐（4b）和进入CO2三级压缩制冷循环系统的流量，第五旁通阀门组（21b）并联于二级气液分离装置（3b）两侧用以分配进入二级气液分离装置（3b）以及二级回热器（7b）吸热侧的流量，第六旁通阀门（22b）并联于二级回热器（7b）放热侧的两端，第七旁通阀门（23b）并联于二级压缩机（2b）
出口以及二级引射器（8b）低压侧入口处，结合第三三通阀门（32），用以调节或旁通掉CO2二级压缩制冷循环系统。4.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述CO2三级压缩制冷循环系统由三级膨胀机（1c）、三级压缩机（2c）、三级气液分离装置（3c）、三级CO2储液罐（4c）、三级液态CO2工质泵（5c）、三级CO2蒸发器（6c）、三级回热器（7c）、第五三通阀门组（35）、第九旁通阀门组（21c）、第十旁通阀门组（22c）和第十一旁通阀门组（24c）组成；CO2循环介质先后经过三级压缩机（2c）压缩、二级引射器（8b）引射进入CO2二级压缩制冷循环系统后，分离出进入三级压缩制冷循环系统的CO2经过三级回热器（7c）进行放热、三级膨胀机（1c）进行膨胀、三级气液分离装置（3c）进行气液分离、气态CO2循环介质经过三级回热器（7c）吸热、液态CO2循环介质经过三级CO2储液罐（4c）存储、三级液态CO2工质泵（5c）进行升压、三级CO2蒸发器（6c）进行蒸发吸热、在第五三通阀门组（35）汇流，进入三级压缩机（2c）压缩，完成CO2三级压缩制冷循环；第九旁通阀门组（21c）并联于三级气液分离装置（3c）两侧用以分配进入三级气液分离装置（3c）以及三级回热器（7c）吸热侧的流量，第十旁通阀门组（22c）并联于三级回热器（7c）放热侧的两端。5.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述配套冷网络分为一级冷网络、二级冷网络和三级冷网络，其中一级冷网络用于常温段冷量供应，由所述CO2一级压缩制冷循环系统、一级CO2蒸发器（6a）、第二空冷器（13）和第十二旁通阀门组（26）组成；二级冷网络用于冰点温度段冷量供应，由所述CO2二级压缩制冷循环系统和二级CO2蒸发器（6b）组成；三级冷网络用于低温段冷量供应，由所述CO2三级压缩制冷循环系统和三级CO2蒸发器（6c）组成。6.根据权利要求1所述一种基于储能型二氧化碳循环冷热供应、消防伺服的综合系统，其特征在于：所述配套热网络由冷却器（9）、储热罐（10）、第一空冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺新星，尹立坤，顾玲俐，苏文，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：