一种冷辐射单元、冷却水循环系统及控制方法

1.本发明专利涉及能量存储领域，尤其涉及一种冷辐射单元、冷却水循环系统及控制方法。


背景技术：

2.工业和民用领域对冷却水的需求量很大，如制冷空调系统、工业设备冷却系统等。传统的冷却水系统利用冷却塔将冷却水中的热量散放到室外空气中，冷却塔耗电量较大，且冷却水温度受到气候条件的限制。天空辐射制冷利用低温夜空与辐射表面进行长波辐射换热，近零能耗，节能潜力巨大。
3.相变储能技术具能源利用率高、控温能力强的优点，被广泛应用于工业余热回收、空气调节、太阳能系统、冷链等领域。天空辐射制冷以外太空为冷源，地球上物体表面通过“大气窗口”波段向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程，该过程无需外部能量的输入，且不产生任何污染，在建筑冷却、太阳能电池降温、提高光伏发电效率等方面有着良好的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种冷辐射单元、冷却水循环系统及控制方法。
5.为解决现有技术问题，本发明公开了一种冷辐射单元，包括冷辐射板和冷辐射单元保温外壁，所述冷辐射单元保温外壁内侧形成冷辐射单元空腔，所述冷辐射板覆盖于冷辐射单元保温外壁的顶部；所述冷辐射单元空腔内设有若干个相变模块，所述，每个相变模块均设有进水支管和出水支管，所述冷辐射单元空腔内还设有进水干管和出水干管，所有进水支管连接进水干管，所有出水支管连接出水干管，所述进水干管设有进水干管接口，所述出水干管设有出水干管接口,所述冷辐射单元空腔还填充蓄冷介质。
6.进一步地，所述相变模块内设相变材料和金属管，所述金属管呈蛇形排布，所述金属管一端为进水支管接口，另一端为出水支管接口，所述金属管通过进水支管接口连接进水支管，通过出水支管接口连接出水支管。
7.进一步地，冷辐射单元空腔填充的蓄冷介质为水。
8.相应地，一种冷却水循环系统，包括：冷却塔、冷却水用户端、循环水泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门以及上述的冷辐射单元；所述冷却水用户端的出水口通过第四阀门连接冷却塔的进水口，通过第三阀门连接循环水泵，所述冷却塔的出水口连接循环水泵，所述循环水泵通过第一阀门连接冷却水用户端的进水口，所述循环水泵通过第二阀门连接若干个冷辐射单元的进水干管接口，若干个冷辐射单元的出水干管接口连接冷却水用户端的进水口。
9.进一步地，还包括储水罐，每个冷辐射单元分别连接一个储水罐。
10.相应地，上述冷却水循环系统的控制方法：
当冷辐射单元蓄冷量充足时，关闭第一阀门，开启第二阀门，开启第三阀门，关闭第四阀门；冷却水用户端出来的冷却水回水经循环水泵加压送至进水干管，再流向通往每个冷辐射单元的进水支管送入相变模块；将相变材料中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管，金属管将冷量传递给冷却水，使得出水支管处的冷却水温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管，注入冷却水用户端。
11.相应地，上述冷却水循环系统的控制方法：当冷辐射单元蓄冷量不足时，开启第一阀门，关闭第二阀门，关闭第三阀门，开启第四阀门；冷却水用户端出来的冷却水回水流入冷却塔，进行降温，再经循环水泵加压送至冷却水用户端。
12.相应地，上述冷却水循环系统的控制方法：当要求进入冷却水用户端的水温达到最低状态时，关闭第一阀门，开启第二阀门，关闭第三阀门，开启第四阀门；冷却水用户出来的冷却水回水先进入冷却塔进行第一步降温，再经循环水泵加压送至进水干管，再流向通往每个冷辐射单元的进水支管送入相变模块；将相变材料中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管，金属管将冷量传递给冷却水，使得出水支管处的冷却水温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管，进行第二步降温处理，最后注入冷却水用户端。
13.本发明具有的有益效果：（1）本发明专利通过在冷辐单元的空腔内注入水，并在空腔内搭建相变模块。利用水优良的传热性能将冷量传递给相变模块的相变材料中，减少冷量浪费，从而得到更多的冷量。相变材料具有高蓄能密度，潜热值高，性能稳定，并可将天空辐射的冷量快速传递给金属管。
14.（2）本发明充分利用相变材料从夜晚天空辐射吸收、蓄存自然冷量使较低的冷却水温进一步降温。另一方面，水也可以储存一部分冷量，用于工业生产、空调系统等方面可大大降低系统的能耗。
15.（3）本发明将天空辐射相变蓄冷模块用于冷却水降温，降低了冷却水系统能耗，提高了系统的效率。
附图说明
16.图1为本发明冷却水循环系统流程示意图；图2为本发明冷辐射单元的结构示意图；图3为图2内部管道连接的a向图；图4为图2内部管道连接的b向图;图5为图2内部管道连接的c向图;图6为图2中相变模块的管道布置图；图中：1-冷却塔；2-冷辐射单元；3-储水罐；4-冷却水用户；5-循环水泵；6-第一阀门；7-第二阀门；8-第三阀门；9-第四阀门；10-冷辐射板；11-冷辐射单元保温外壁；12-相变模块；13-进水干管接口；14-出水干管接口；15-冷辐射单元空腔；16-进水干管；17-进水支管；18-出水干管；19-出水支管；20-进水支管接口；21-出水支管接口；22-冷却水；23-金属管；24-相变材料。
实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.如图1所示，本发明的冷却水循环系统包括冷却塔1、冷却水用户端4、循环水泵5、第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9以及若干个如权利要求1-3任一所述的冷辐射单元2；所述冷却水用户端4的出水口通过第四阀门9连接冷却塔1的进水口，通过第三阀门8连接循环水泵5，所述冷却塔1的出水口连接循环水泵5，所述循环水泵5通过第一阀门6连接冷却水用户端4的进水口，所述循环水泵5通过第二阀门7连接若干个冷辐射单元2的进水干管接口13，若干个冷辐射单元2的出水干管接口14连接冷却水用户端4的进水口。还包括储水罐3，每个冷辐射单元2分别连接一个储水罐3。当相变材料凝固时，相变模块体积变小，外部的储水罐3向冷辐射单元2注入一定的水量，保证冷辐射单元2能够最大程度地蓄冷；相反，当相变材料融化时，相变模块体积变大，冷辐射单元2内的多余的水注入储水罐3中。
19.如图2-6所示，本发明的一种冷辐射单元，包括冷辐射板10和冷辐射单元保温外壁11，所述冷辐射单元保温外壁11内侧形成冷辐射单元空腔15，所述冷辐射板10覆盖于冷辐射单元保温外壁11的顶部；所述冷辐射单元空腔15内设有若干个相变模块12，所述，每个相变模块12均设有进水支管17和出水支管19，所述冷辐射单元空腔15内还设有进水干管16和出水干管18，所有进水支管17连接进水干管16，所有出水支管19连接出水干管18，所述进水干管16设有进水干管接口13，所述出水干管18设有出水干管接口14,所述冷辐射单元空腔15还填充作为蓄冷介质的水。位于冷辐射单元2中的各相变模块12通过支架固定于内边框上，相变模块12由较薄的金属板构成，有两侧可自由移动。
20.如图6所示，所述相变模块12内设相变材料24和金属管23，所述金属管23呈蛇形排布，所述金属管23一端为进水支管接口20，另一端为出水支管接口21，所述金属管23通过进水支管接口20连接进水支管17，通过出水支管接口21连接出水支管19。当相变材料24体积变小时，两侧金属板向相变材料移动。夜晚冷辐射板10以热辐射的形式将外太空中的冷量传递给冷辐射单元2空腔内的水15里，利用水的传热性再将冷量传递给变模块12中的相变材料24。
21.本发明的冷却水循环系统可根据气候条件灵活实现冷却塔供冷、冷辐射单元供冷、冷却塔与冷辐射单元联合供冷三种工作模式，以充分利用自然冷量，节约冷却塔运行能耗。
22.工作模式1：当冷辐射单元2冷量充足时，冷却塔处于关闭状态。
23.关闭第一阀门6，开启第二阀门7，开启第三阀门8，关闭第四阀门9；冷却水用户端4出来的冷却水回水经循环水泵5加压送至进水干管16，再流向通往每个冷辐射单元2的进水支管17送入相变模块12；将相变材料24中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管23，金属管23将冷量传递给冷却水，使得出水支管19处的冷却水温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管18，注入冷却水用户端4；节省了系统的能耗，保证了设备的正常运行和延长设备的寿命。
24.工作模式2：当冷辐射单元2冷量不足时，冷却塔处于开启状态。
25.开启第一阀门6，关闭第二阀门7，关闭第三阀门8，开启第四阀门9；冷却水用户端4
出来的冷却水回水流入冷却塔1，进行降温，再经循环水泵5加压送至冷却水用户端4。
26.工作模式3：同时开启冷辐射单元2以及冷却塔1，进一步降低冷却水温。
27.关闭第一阀门6，开启第二阀门7，关闭第三阀门8，开启第四阀门9；冷却水用户4出来的冷却水回水先进入冷却塔1进行第一步降温，再经循环水泵5加压送至送至进水干管16，再流向通往每个冷辐射单元2的进水支管17送入相变模块12；将相变材料24中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管23，金属管23将冷量传递给冷却水，使得出水支管19处的冷却水温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管18，进行第二步降温处理，最后注入冷却水用户端4天空辐射中的自然冷量通过冷辐射单元2的冷辐射板10传给冷辐射单元空腔15内的水，再利用水的良好传热性能将冷量传递给相变模块12的相变材料24，使相变材料24凝固，以实现被动式蓄冷。冷却水循环系统运行时可使冷却水流经冷却塔1降温，或者使冷却水流经冷辐射单元2吸收相变材料24中储存的冷量而降温，也可使冷却水依次流经冷却塔1和冷辐射单元2接力降温。
28.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
29.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种冷辐射单元，其特征在于，包括冷辐射板（10）和冷辐射单元保温外壁（11），所述冷辐射单元保温外壁（11）内侧形成冷辐射单元空腔（15），所述冷辐射板（10）覆盖于冷辐射单元保温外壁（11）的顶部；所述冷辐射单元空腔（15）内设有若干个相变模块（12），所述，每个相变模块（12）均设有进水支管（17）和出水支管（19），所述冷辐射单元空腔（15）内还设有进水干管（16）和出水干管（18），所有进水支管（17）连接进水干管（16），所有出水支管（19）连接出水干管（18），所述进水干管（16）设有进水干管接口（13），所述出水干管（18）设有出水干管接口（14）,所述冷辐射单元空腔（15）还填充蓄冷介质。2.根据权利要求1所述的冷辐射单元，其特征在于，所述相变模块（12）内设相变材料（24）和金属管（23），所述金属管（23）呈蛇形排布，所述金属管（23）一端为进水支管接口（20），另一端为出水支管接口（21），所述金属管（23）通过进水支管接口（20）连接进水支管（17），通过出水支管接口（21）连接出水支管（19）。3.根据权利要求1所述的冷辐射单元，其特征在于，冷辐射单元空腔（15）填充的蓄冷介质为水。4.一种冷却水循环系统，其特征在于，包括：冷却塔（1）、冷却水用户端（4）、循环水泵（5）、第一阀门（6）、第二阀门（7）、第三阀门（8）、第四阀门（9）以及若干个如权利要求1-3任一所述的冷辐射单元（2）；所述冷却水用户端（4）的出水口通过第四阀门（9）连接冷却塔（1）的进水口，通过第三阀门（8）连接循环水泵（5），所述冷却塔（1）的出水口连接循环水泵（5），所述循环水泵（5）通过第一阀门（6）连接冷却水用户端（4）的进水口，所述循环水泵（5）通过第二阀门（7）连接若干个冷辐射单元（2）的进水干管接口（13），若干个冷辐射单元（2）的出水干管接口（14）连接冷却水用户端（4）的进水口。5.根据权利要求4所述的冷却水循环系统，其特征在于，还包括储水罐（3），每个冷辐射单元（2）分别连接一个储水罐（3）。6.根据权利要求4所述的冷却水循环系统的控制方法，其特征在于：当冷辐射单元（2）蓄冷量充足时，关闭第一阀门（6），开启第二阀门（7），开启第三阀门（8），关闭第四阀门（9）；冷却水用户端（4）出来的冷却水回水经循环水泵（5）加压送至进水干管（16），再流向通往每个冷辐射单元（2）的进水支管（17）送入相变模块（12）；将相变材料（24）中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管（23），金属管（23）将冷量传递给冷却水，使得出水支管（19）处的冷却水温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管（18），注入冷却水用户端（4）。7.根据权利要求4所述的冷却水循环系统的控制方法，其特征在于：当冷辐射单元（2）蓄冷量不足时，开启第一阀门（6），关闭第二阀门（7），关闭第三阀门（8），开启第四阀门（9）；冷却水用户端（4）出来的冷却水回水流入冷却塔（1），进行降温，再经循环水泵（5）加压送至冷却水用户端（4）。8.根据权利要求4所述的冷却水循环系统的控制方法，其特征在于：当要求进入冷却水用户端的水温达到最低状态时，关闭第一阀门（6），开启第二阀门（7），关闭第三阀门（8），开启第四阀门（9）；冷却水用户（4）出来的冷却水回水先进入冷却塔（1）进行第一步降温，再经循环水泵（5）加压送至进水干管（16），再流向通往每个冷辐射单元（2）的进水支管（17）送入相变模块（12）；将相变材料（24）中存储的冷量释放给盘旋在相变模块中的金属管（23），金属管（23）将冷量传递给冷却水，使得出水支管（19）处的冷却水
温度降低，各出水支管的低温冷却水汇入出水干管（18），进行第二步降温处理，最后注入冷却水用户端（4）。

技术总结
本发明提供一种冷辐射单元、冷却水循环系统及控制方法，冷辐射单元包括冷辐射板和冷辐射单元保温外壁，所述冷辐射单元保温外壁内侧形成冷辐射单元空腔，冷却水循环系统包括冷却塔、冷却水用户端、循环水泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门；天空辐射中的自然冷量通过冷辐射单元的冷辐射板传给冷辐射单元空腔内的水，再利用水的良好传热性能将冷量传递给相变模块的相变材料，使相变材料凝固，以实现被动式蓄冷。冷却水循环系统运行时可使冷却水流经冷却塔降温，或者使冷却水流经冷辐射单元吸收相变材料中储存的冷量而降温，也可使冷却水依次流经冷却塔和冷辐射单元接力降温。降低了冷却水系统能耗，提高了系统的效率。提高了系统的效率。提高了系统的效率。


技术研发人员：杨秀峰 王姝婷 徐培鑫 邢佾尧 张栋
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/9/14