採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統的製作方法

2023-12-02 01:05:41

專利名稱：採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷熱電三聯供系統，特別是一種具有一年四季發電、製冷、採暖和供熱水功能，採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，屬於能源與製冷空調技術領域。
背景技術：
一種具有較高一次能源利用率、低排放的技術，熱電聯供系統在大型供熱電站、大型區域集中供熱和供電中得到了廣泛應用。根據發電裝置的不同，熱電聯供系統具有多種形式汽輪機發電及中間抽氣或尾氣餘熱利用系統，燃氣輪機發電及尾氣餘熱鍋爐系統，內燃機發電及缸套水和尾氣餘熱利用系統，斯特林機發電及缸套水和尾氣餘熱利用系統，燃料電池發電及餘熱利用系統。
熱電聯供系統也有一些局限聯供系統的變負荷性能較差，一般可行的運行區間在50％～100％負荷範圍內；對於區域熱電聯供系統，由於夏季熱負荷需求低，系統的發電量下降，效率降低，經濟性變差；熱電聯供系統的供熱、供電比固定。常規熱電聯供系統的這些固有的局限使其不能直接應用於電負荷需求較小、熱和冷負荷變化劇烈的一些場合，如家庭、小型商業場所等。
但是，隨著經濟的快速發展和人們生活水平的提高，家用空調逐漸普及，以供熱、供冷為代表的建築能耗，尤其是電力消耗急劇增長。據統計，目前國內一些大城市夏季的製冷空調用電已佔到最高發電負荷的40％以上，並且還在逐年快速增加，這對電力的安全供應形成了嚴峻挑戰。
經對現有技術的公開文獻檢索發現，申請號為94107554.0，名稱為熱電聯供系統的發明專利是燃氣輪機發電，高溫煙氣通過熱交換器向建築物提供熱負荷，該系統沒有製冷輸出。申請號為01134300，名稱為回收燃氣、燃油鍋爐煙氣潛熱的電動熱泵裝置的發明專利，是餘熱回收進行供暖的裝置，通過電動熱泵的蒸發器吸收鍋爐的尾氣餘熱進行供暖，系統中無動力設備，也無電力輸出。申請號為01139760，名稱為回收燃氣蒸汽循環熱電廠煙氣餘熱的吸收式熱泵供暖裝置的發明專利，是一種回收燃氣蒸汽循環電廠的煙氣餘熱的吸收式熱泵供暖裝置，包括吸收式熱泵、熱交換器、餘熱鍋爐、燃氣動力裝置、凝汽器、汽輪機，該系統主要利用汽輪機排氣驅動吸收式熱泵，熱泵的蒸發器吸收發動機的尾氣餘熱進行供冷和供熱。該系統是一種應用於大型熱電廠的、集中式的冷熱電聯供裝置，採用吸收式制冷機作為供冷和供熱的設備，不適於家庭及小規模商業場所應用。申請號為00134616，名稱為一種電力調峰冷熱電聯供的運行方法及其裝置的發明專利，包括熱電聯產機組和鍋爐，熱電聯產機組所發的電力輸入電網，餘熱利用進行製冷和供熱，也是一種大型、集中式的冷熱電聯供系統，用於電力的調峰，不是分布式的能源系統，不適於家庭及小規模商業場所應用。

發明內容
為了克服已有技術的不足和缺陷，本發明提供一種能源利用效率高、經濟和環保性好的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統。本發明包括發動機、發電機、整流器、蓄電池、逆變器、煙氣-水熱交換器、保溫水箱、生活熱水熱交換器、一組電磁閥、蒸汽壓縮式電熱泵和控制器。其中，蒸汽壓縮式電熱泵包括壓縮機、四通換向閥、室外熱交換器、膨脹閥、室內熱交換器。控制器包括對保溫水箱的水溫、壓縮機的進、排氣壓力和溫度信號的檢測，對保溫水箱中的水溫過高和壓縮機的高、低壓進行安全保護，並依據不同的運行模式，對各電磁閥的開、關進行控制。發動機和發電機軸連接，發電機通過整流器分別與逆變器的輸入端、蓄電池電連接，逆變器的輸出端分別與電動機、居民用電設備電連接。電動機與蒸汽壓縮式電熱泵中的壓縮機軸連接，壓縮機的出口與四通換向閥的A端連接，壓縮機的進口與四通換向閥的D端連接，室外熱交換器管程的一端與四通換向閥的B端連接，其管程的另一端通過膨脹閥與室內熱交換器管程的一個埠連接，室內熱交換器管程的另一埠與四通換向閥的C端連接。蒸汽壓縮式電熱泵中的室內熱交換器殼程的一個出、入口分別通過B電磁閥、C電磁閥與煙氣-水熱交換器的殼程入口、保溫水箱的管程出口連接，室內熱交換器殼程的另一出、入口分別通過D電磁閥、E電磁閥與居民建築內的空氣處理器的管程入、出口連接，生活熱水熱交換器的管程出、入口分別與保溫水箱殼程的一個入、出口連接，保溫水箱殼程的另一出、入口分別通過F電磁閥、G電磁閥與空氣處理器的入、出口連接，生活熱水熱交換器殼程的出、入口分別與居民建築內的生活熱水設備、城市供水連接，發動機的排氣口通過I電磁閥與煙氣-水熱交換器的管程入口連接，並通過H電磁閥與大氣相通，保溫水箱管程的入口與煙氣-水熱交換器殼程出口連接，保溫水箱管程出口通過A電磁閥與煙氣-水熱交換器的殼程入口連接。
發動機通過聯軸器帶動發電機對外提供電力，對蓄電池充電，滿足用戶的基本電力負荷，並提供電力供蒸汽壓縮式電熱泵進行製冷和採暖。煙氣-水熱交換器吸收發動機的尾氣餘熱，加熱保溫水箱中的熱水，提供部分採暖負荷和一年四季的生活熱水負荷。蒸汽壓縮式電熱泵在電力驅動下，夏季向用戶供冷，冬季與煙氣-水熱交換器一起，向用戶提供採暖負荷和生活熱水負荷。
該系統依據外界條件不同，以三種不同的模式運行。1)熱電聯供模式，該模式對應春秋季的氣候條件，用戶僅需電力和生活熱水負荷，蒸汽壓縮式電熱泵不工作。發動機帶動發電機發電，對蓄電池充電，並提供用戶基本電力負荷，同時，利用煙氣餘熱加熱保溫水箱中的熱水，向用戶提供生活熱水負荷。在該模式中，利用蓄電池的蓄能作用，使發動機間歇、高效運行只有當蓄電池中的電力放完，電壓低於放電終止電壓時，控制系統才重新啟動發動機；而當蓄電池充滿電時，控制系統關閉發動機。2)採暖模式，該模式對應冬季氣候條件，用戶的熱負荷要求較高。發動機發電提供用戶基本電力負荷，並提供電力供蒸汽壓縮式電熱泵進行供熱。此時，蒸汽壓縮式電熱泵中的室內熱交換器作為熱水的輔助加熱器，熱水首先吸收蒸汽壓縮式電熱泵的熱量，接著進入煙氣-水熱交換器，被進一步加熱，然後通過保溫水箱向用戶提供採暖負荷，並通過生活熱水熱交換器向用戶提供生活熱水負荷。在該模式下，當用戶的熱負荷變化時，蒸汽壓縮式電熱泵的用電負荷也會發生相應變化，發動機的出力也隨即發生相應變化，從而實現熱負荷-發動機負荷的協調變化。3)製冷模式，該模式對應夏季的氣候條件，用戶的冷負荷要求較高。發動機發電提供用戶基本電力負荷，並提供電力供蒸汽壓縮式電熱泵進行製冷。此時，蒸汽壓縮式電熱泵通過室內熱交換器向用戶提供冷負荷。煙氣-水熱交換器吸收煙氣的餘熱，加熱保溫水箱中的熱水，通過生活熱水熱交換器向用戶提供生活熱水負荷。該模式下，當用戶的冷負荷變化時，蒸汽壓縮式電熱泵的用電負荷也會發生相應變化，發動機出力也隨即發生相應變化，從而實現冷負荷-發動機負荷的協調變化。
該發明的有益效果是1)冷、熱、電負荷供應靈活，在常規的熱電聯供系統中加入蒸汽壓縮式電熱泵，因而系統的熱電比、冷電比範圍得到極大提高，系統不向電網輸電，適用於家庭、小型商業應用等負荷變化劇烈、對電負荷需求不高的場合；2)以多種模式運行，全年利用時間長。在夏季，系統可以供電、供冷，冬季可以供電、供熱，春秋季可以供電，一年四季供應熱水。系統全年的時間利用率大於50％，保證了經濟性的實現；3)能源利用率高，計算表明，夏季冷電聯供的總能利用率可達65％，如果考慮供應的生活熱水負荷，總能利用率可達115％，冬季熱電聯供的總能利用率可達75％，加上生活熱水負荷，總能利用率可達125％，春秋季系統的電和熱水聯供的總能利用率也達75％。系統全年平均的總能利用率可達98％。較高的能源利用率表明系統能以較低的一次能源消耗實現更多的能量供應，因而降低了汙染排放；4)變負荷能力強，系統採用小型空冷燃氣或燃油內燃機作為發動機，不僅成本低、發電效率高，同時也具有良好的變負荷性能，在50～100％額定負荷範圍內，其發電效率幾乎不變。與蒸汽壓縮式電熱泵結合，可以發揮內燃機變負荷性能強的優勢；5)技術成熟，運行可靠，本裝置採用電驅動熱泵的方式，而不是採用常規的發動機通過聯軸器帶動熱泵的方式，可以直接使用市場上成熟的熱泵產品，不需進行熱泵壓縮機和發動機的負荷匹配及控制，技術成熟，運行安全可靠，適用於家庭、小型商業場所，具有顯著的經濟效益和社會效益。


圖1是本發明系統的結構示意中， 表示電連接；——表示水流路；..............表示煙氣流路； 表示製冷劑流路具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步的描述。
如圖1所示，本發明包括發動機1、發電機2、整流器3、蓄電池4、逆變器5、電動機6、煙氣-水熱交換器7、保溫水箱8、生活熱水熱交換器9、A電磁閥15、B電磁閥16、C電磁閥17、D電磁閥18、E電磁閥19、F電磁閥20、G電磁閥21、H電磁閥22、I電磁閥23、以及蒸汽壓縮式電熱泵和控制器。其中蒸汽壓縮式電熱泵包括壓縮機10、四通換向閥11、室外熱交換器12、膨脹閥13、室內熱交換器14。發動機1為小型空冷燃油或燃氣內燃發動機，蓄電池4為自動充、放電，放電完畢自動切斷負載的浮充式免維護蓄電池，煙氣-水熱交換器7、保溫水箱8、生活熱水熱交換器9均為管殼式熱交換器，空氣處理器24為管翅式熱交換器，控制器採用常規的SK8001型單片機。發動機1和發電機2軸連接，發電機2的輸出端通過整流器3分別與逆變器5的輸入端、蓄電池4電連接，逆變器5的輸出端分別與電動機6的輸入端、居民用電設備25電連接。電動機6與壓縮機10軸連接，壓縮機10的出口與四通換向閥11的A端連接，壓縮機10的進口與四通換向閥11的D端連接，室外熱交換器12管程的一端與四通換向閥11的B端連接，其管程的另一端通過膨脹閥13與室內熱交換器14管程的一個埠連接，室內熱交換器14管程的另一埠與四通換向閥11的C端連接。室內熱交換器14殼程的一個出口通過D電磁閥18與空氣處理器24的管程入口相連，空氣處理器24的管程出口通過E電磁閥19與室內熱交換器14殼程的一個入口連接。煙氣-水熱交換器7的殼程出口與保溫水箱8的管程入口連接，保溫水箱8的管程出口分成兩路，其一路通過A電磁閥15與煙氣-水熱交換器7的殼程入口連接，另一路通過G電磁閥17與室內熱交換器14殼程的另一入口連接，室內熱交換器14殼程的另一出口，通過B電磁閥16與煙氣-水熱交換器7的殼程入口連接。保溫水箱8殼程的一個出口與生活熱水熱交換器9的管程入口連接，生活熱水熱交換器9的管程出口與保溫水箱8殼程的一個入口連接。保溫水箱8殼程的另一出口通過F電磁閥20與空氣處理器24的管程入口連接，空氣處理器24管程出口通過G電磁閥21與保溫水箱8殼程的另一入口連接。生活熱水熱交換器9殼程出口與用戶的生活熱水設備26連接，生活熱水熱交換器9的殼程入口與城市供水管連接。發動機1的排氣口通過H電磁閥22與大氣相通，並通過I電磁閥23與煙氣-水熱交換器7的管程入口連接，煙氣-水熱交換器7的管程出口與大氣相通。
該系統依據外界條件不同，以三種不同的模式運行，分別為熱電聯供模式、供暖模式及製冷模式。1)熱電聯供模式，該模式對應春秋季的氣候條件，用戶僅需電力和生活熱水負荷，蒸汽壓縮式電熱泵不工作。此時，A電磁閥15打開，B電磁閥16、C電磁閥17、D電磁閥18、E電磁閥19、F電磁閥20、G電磁閥21關閉。發動機1帶動發電機2發電，供應電力，對蓄電池4充電，並提供用戶基本電力負荷。同時，利用煙氣餘熱加熱保溫水箱8中的熱水，向用戶提供生活熱水負荷。熱水在煙氣-水熱交換器7和保溫水箱8之間循環。在該模式中，利用蓄電池4的蓄能作用，使發動機1間歇、高效運行只有當蓄電池4中的電力放完，電壓低於放電終止電壓時，控制系統才重新啟動發動機1；而當蓄電池4充滿電時，控制系統關閉發動機1。2)採暖模式，該模式對應冬季氣候條件，用戶的熱負荷要求較高。此時，B電磁閥16、C電磁閥17、F電磁閥20、G電磁閥21打開，A電磁閥15、D電磁閥18、E電磁閥19關閉，實現室內熱交換器14和煙氣-水熱交換器7的串聯加熱。發動機1發電提供用戶基本電力負荷，並提供電力供蒸汽壓縮式電熱泵進行供熱。此時，蒸汽壓縮式電熱泵中的室內熱交換器14作為熱水的輔助加熱器，熱水首先吸收蒸汽壓縮式電熱泵的熱量，接著進入煙氣-水熱交換器7，被進一步加熱，然後通過保溫水箱8向用戶提供採暖負荷，並通過生活熱水熱交換器9向用戶提供生活熱水負荷。3)製冷模式，該模式對應夏季的氣候條件，用戶的冷負荷要求較高。此時，A電磁閥15、D電磁閥18、E電磁閥19打開，B電磁閥16、C電磁閥17、F電磁閥20、G電磁閥21關閉，以隔斷蒸汽壓縮式電熱泵、熱水迴路的連接。發動機1發電提供用戶基本電力負荷，並提供電力供蒸汽壓縮式電熱泵進行製冷。此時，蒸汽壓縮式電熱泵通過室內熱交換器14向用戶提供冷負荷。煙氣-水熱交換器7吸收煙氣的餘熱，加熱保溫水箱8中的熱水，通過生活熱水熱交換器9向用戶提供生活熱水負荷。
在上述三種運行模式中，當保溫水箱8中的水溫低於55℃時，H電磁閥22關閉、I電磁閥23打開，煙氣進入煙氣-水熱交換器7中加熱熱水；當水溫達到90℃時，H電磁閥22打開、I電磁閥23關閉，煙氣旁通入大氣。
權利要求
1.一種採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，包括發動機(1)、發電機(2)、整流器(3)、蓄電池(4)、逆變器(5)、電動機(6)、煙氣—水熱交換器(7)、保溫水箱(8)、生活熱水熱交換器(9)、一組電磁閥及控制器，其特徵在於，還包括由壓縮機(10)、四通換向閥(11)、室外熱交換器(12)、膨脹閥(13)、室內熱交換器(14)組成的蒸汽壓縮式電熱泵，系統具有熱電聯供、製冷和採暖三種運行模式，發動機(1)和發電機(2)軸連接，發電機(2)通過整流器(3)分別與逆變器(5)的輸入端、蓄電池(4)電連接，逆變器(5)的輸出端分別與電動機(6)、用電設備(25)電連接，電動機(6)與蒸汽壓縮式電熱泵中的壓縮機(10)軸連接，蒸汽壓縮式電熱泵中的室內熱交換器(14)殼程的一個出、入口分別通過B電磁閥(16)、C電磁閥(17)與煙氣—水熱交換器(7)的殼程入口、保溫水箱(8)的管程出口連接，室內熱交換器(14)殼程的另一出、入口分別通過D電磁閥(18)、E電磁閥(19)與空氣處理器(24)管程的入、出口連接，生活熱水熱交換器(9)的管程出、入口分別與保溫水箱(8)殼程的一個入、出口連接，保溫水箱(8)殼程的另一出、入口分別通過F電磁閥(20)、G電磁閥(21)與空氣處理器(24)管程的入、出口連接，生活熱水熱交換器(9)殼程的出、入口分別與生活熱水設備(26)、城市供水連接，發動機(1)的排氣口通過I電磁閥(23)與煙氣—水熱交換器(7)的管程入口連接，並通過H電磁閥(22)與大氣相通，保溫水箱(8)管程的入口與煙氣—水熱交換器(7)殼程出口連接，保溫水箱(8)管程的出口通過A電磁閥(15)與煙氣—水熱交換器(7)殼程入口連接。
2.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的蒸汽壓縮式電熱泵中，壓縮機10的出口與四通換向閥11的A端連接，壓縮機10的進口與四通換向閥11的D端連接，室外熱交換器12管程的一端與四通換向閥11的B端連接，其管程的另一端通過膨脹閥13與室內熱交換器14管程的一個埠連接，室內熱交換器14管程的另一埠與四通換向閥11的C端連接。
3.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的發動機(1)為小型空冷燃油或燃氣內燃發動機，蓄電池(4)為自動充、放電，放電完畢自動切斷負載的浮充式免維護蓄電池，煙氣—水熱交換器(7)、保溫水箱(8)、生活熱水熱交換器(9)均為管殼式熱交換器，空氣處理器(24)為管翅式熱交換器。
4.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的控制器是採用型號為SK8001的單片機，包括對保溫水箱(8)的溫度、壓縮機(10)進、排氣的壓力和溫度檢測，對保溫水箱(8)中的水溫過高和壓縮機(10)的高、低壓進行安全保護，並依據不同運行模式，對各電磁閥的開、關進行控制。
5.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的春秋季熱電聯供運行模式，熱泵不工作，A電磁閥(15)打開，B電磁閥(16)、C電磁閥(17)、D電磁閥(18)、E電磁閥(19)、F電磁閥(20)、G電磁閥(21)關閉，發動機(1)帶動發電機(2)發電，提供用戶基本電力負荷，利用煙氣餘熱加熱保溫水箱(8)中的熱水，向用戶提供生活熱水負荷。
6.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的冬季採暖運行模式，B電磁閥(16)、C電磁閥(17)、F電磁閥(20)、G電磁閥(21)打開，A電磁閥(15)、D電磁閥(18)、E電磁閥(19)關閉，發動機(1)帶動發電機(2)發電供蒸汽壓縮式電熱泵進行制熱，室內熱交換器(14)和煙氣—水熱交換器(7)以串聯方式加熱保溫水箱(8)中的熱水，向用戶提供採暖負荷，並通過生活熱水熱交換器(9)向用戶提供生活熱水負荷。
7.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的夏季製冷運行模式，A電磁閥(15)、D電磁閥(18)、E電磁閥(19)打開，B電磁閥(16)、C電磁閥(17)、F電磁閥(20)、G電磁閥(21)關閉，發動機(1)帶動發電機(2)發電供蒸汽壓縮式電熱泵進行製冷，利用煙氣餘熱加熱保溫水箱(8)中的熱水，向用戶提供生活熱水負荷。
8.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的三種運行模式，控制器均對保溫水箱中的水溫進行檢測和保護，當保溫水箱(8)中的水溫低於55℃時，H電磁閥(22)關閉、I電磁閥(23)打開，煙氣進入煙氣—水熱交換器(7)中加熱熱水；當水溫達到90℃時，H電磁閥(22)打開、I電磁閥(23)關閉，煙氣旁通入大氣。
9.根據權利要求1所述的採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，其特徵是所述的熱電聯供模式，利用蓄電池(4)的蓄能作用，使發動機(1)間歇、高效運行，當蓄電池(4)中的電力放完，電壓低於放電終止電壓時，控制器啟動發動機(1)；而當蓄電池(4)充滿電時，控制器關閉發動機(1)。
全文摘要
採用蒸汽壓縮式電熱泵的戶式冷熱電三聯供系統，屬於能源與製冷空調技術領域。包括發動機/發電機、蒸汽壓縮式電熱泵、煙氣－水熱交換器、保溫水箱、生活熱水熱交換器及控制器。系統首先通過小型發動機發電，提供用戶的基本電力負荷。對應外界的氣候條件，系統以三種不同模式運行。夏季以製冷模式運行，發電提供給電熱泵進行製冷，煙氣餘熱用來提供生活熱水負荷；冬季以採暖模式運行，發電提供給熱泵進行採暖，熱泵和煙氣熱交換器以串聯方式供熱；春秋季以熱電聯供模式運行，熱泵不工作，利用煙氣餘熱提供生活熱水負荷。本發明具有冷、熱、電負荷供應靈活，多種模式運行，能源利用率高，變負荷能力強，技術成熟、運行可靠，成本低、體積小，適用於家庭和小型商業場所。
文檔編號F24D15/00GK1603722SQ200410067579
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優先權日2004年10月28日
發明者黃興華, 王如竹 申請人:上海交通大學