具有熱回收的熱泵的製作方法

2023-10-06 00:58:24 2

專利名稱：具有熱回收的熱泵的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及熱泵和水加熱器，更具體地，涉及熱泵和水加熱器的燃料電池的 用途。
背景技術：
燃料電池開始獲得作為用於加熱、通風、空調和製冷設備(HVAC&R)的電源的立足 點。因此，燃料電池可用作主電源，諸如在不能可靠地建立電力設施的隔離區域中，使得 HVAC&R系統的所有電能僅由燃料電池提供。燃料電池也可在緊急情況下用作補充電源，諸 如在由於天氣條件造成電力中斷或電力故障的情況下等以及電網過度負載或現有常規電 源受限的情況下。目前，燃料電池具有大約40%至50%的效率，使得在其操作期間由燃料電池生成 大量熱。這熱的大部分可作為廢熱丟失。燃料電池的一些組件在高溫下操作且在一定操作 條件下，甚至可能需要特殊冷卻系統。安裝於商業建築物、住宅、飯店、醫院等中的加熱系統具有各種類型，其包括熱泵、 液體循環加熱或熱水系統、蒸汽系統和熱水加熱器。在液體循環加熱/熱水熱、蒸汽熱和熱 水加熱器的情況下，熱源通常為天然氣、燃油等，在近年來，這些熱源變得相對昂貴。在熱泵 的情況下，通常利用電能來向諸如壓縮機、風扇、液體泵和控制裝置這樣的熱泵組件供電。 但是，在這樣的系統中，發生被稱作「冷吹」的現象，通常與低溫周圍條件相關。在這個時期， 必需操作電阻加熱器或帶式加熱器來補充主熱泵加熱系統且加熱空氣到所需的溫度，這些 空氣原本會進入被加熱的空間且由被加熱的空間的居住者感覺到為不舒適的「冷空氣」。所需要的是用於減少「冷吹」現象和用於有效地回收原本可能作為廢熱丟失的熱 的方法/設備。

發明內容
本發明提供一種燃料電池作為HVAC&R系統的主電源或補充電源，且在需要熱的 時期，來自燃料電池的廢熱被導向補充由熱泵和/或液體循環加熱系統提供的熱。本發明提供一種使用燃料電池來向HVAC&R設備供電且使用來自燃料電池的廢熱 來提供額外熱以在需要額外熱的時期補充由熱泵和/或液體循環加熱系統提供的熱的方法。在下文描述的附圖中，描繪了優選實施例，但是在不偏離本發明的精神和範圍的 情況下可以對本發明做出各種其它修改和替代構造。


圖1是結合到HVAC&R系統中的本發明的示意說明。圖2是本發明的特定實施例。圖3是本發明的修改實施例的示意說明。
圖4是本發明的特定說明。
具體實施方式

在圖1中示意性地示出典型HVAC系統11，可安裝這種典型HVAC系統11以在諸如 商業機構，住宅、醫院、學校等建築物中提供舒適的環境。這種系統可包括(但不限於)例 如空調和/或熱泵，冷凍水或鹽水系統，以及火爐和/或液體循環加熱系統。另外也可提供 熱水加熱器。通常，空調系統將在夏季操作，火爐將在冬季運行，且熱泵在兩個季節都操作。 冷卻季節和加熱季節的長度將取決於地理位置和特定應用。提供燃料電池12用於通過電線13向HVAC系統遞送電能的目的。這種布置可使 得燃料電池12向HVAC系統提供所有需要的電能，且在此情況下，為主電源。另一方面，可 僅在來自電力設施的電力不可用時期接合燃料電池12，諸如在電力中斷或電力故障期間， 或者僅在較高比率提供燃料電池12，諸如在電網重負荷或不具有足夠容量的情況下。在後 一種情況下，燃料電池12為提供給HVAC系統11的補充或緊急電源。應認識到燃料電池12在其操作中相對低效(40-50%)且因此生成大量廢熱，使用 在燃料電池12操作期間生成的熱來用於HVAC系統處於加熱操作模式時期(諸如當熱泵或 火爐被致動時)補充加熱的目的。因此，由燃料電池12排出且轉移到氣候受控空間10的 補充熱由箭頭和標註Q2示出，作為由HVAC系統11提供的熱Ql的補充。圖2示意性地示出安裝於商業建築物或住宅16中的示範性熱泵系統14。熱泵14 包括室內部段，室外部段，和製冷劑管線19，室內部段通常包括室內熱交換器組件17和膨 脹裝置(未圖示)，室外部段通常包括室外熱交換器組件18、壓縮機15和過濾器-乾燥器 (未圖示)，製冷劑管線19連接室內部段與室外部段。在加熱操作模式，在閉環迴路內循環 的製冷劑在室外熱交換器拾取熱，且在室內空氣按箭頭所示循環通過室內熱交換器時將這 熱連同壓縮機功率減去某些損失的熱當量遞送到室內熱交換器。燃料電池21安置於室內 熱交換器17下遊使得通過室內熱交換器17的空氣也通過燃料電池21的排熱部分。這可通 過將抽送空氣移動裝置(諸如風扇22)放置於燃料電池21下遊(如圖所示)而實現。以 此方式，來自燃料電池21的原本可能浪費的熱用於補充熱泵14的加熱操作模式從而提高 其效率。另外，由燃料電池21提供的補充熱將升高遞送到建築物16的氣候受控空間中的 空氣溫度，且完全或部分地減少或消除「冷吹」現象的發生，防止建築物16的居住者感到不 舒服或不希望的條件。應當指出的是儘管熱泵14被示出為包括室內部段和室外部段的分離系統，其也 可被配置為位於室外的組裝單元且具有連接到建築物16內的氣候受控空間的供應和返回 空氣管。另外，未必在建築物內再循環所有室內空氣流。一部分新鮮空氣可引入到建築物 內且與空氣的再循環部分混合。顯然，等效部分必須排放到周圍環境以防止建築物16過度 加壓。而且，在建築物內循環的全部空氣量可自室外弓I入且排放到室外。燃料電池12可與HVAC&R系統的室內熱交換器17關於室內空氣流依序定位或平 行排列。在前一種情況下，燃料電池12可關於室內空氣流位於室內熱交換器17上遊或下 遊。此外，熱泵14可具有除了空氣之外的不同二次流體，向建築物16的氣候受控空間 內遞送熱。這些流體可例如為由液體泵在管路內循環的水或乙二醇溶液。在此情況下，可能需要特殊空氣移動裝置來在燃料電池12上傳遞空氣或者相同液體泵可用於在燃料電池 12上循環相同的二次環路流體以冷卻燃料電池12和補充由熱泵14遞送的熱。類似的配置 可用於採用燃料電池作為電源的熱水加熱器。
另外，HVAC&R系統可具有用於各種目的的各種組件。這些組件中的每個組件可具 有相關聯的燃料電池來向這些組件供電。這些燃料電池中的任一個可用於補充由諸如熱泵 或火爐的其它源提供的熱，或者為向建築物16的氣候受控空間提供的唯一熱源。而且，在 空調或製冷系統的某些應用中，需要精確溫度控制。在這樣的情況下，由燃料電池生成的熱 可用於修整空調或製冷系統的冷卻能力以精確地調整氣候受控空間中的溫度到所需的設
點ο在圖3中示出如上文所述的系統的變型，其中溝道組件23設於燃料電池12與氣 候受控空間10之間。溝道組件23可操作以將來自燃料電池12的熱的至少一部分選擇性 地沿著點線24導向至氣候受控空間10或導向到另一位置，諸如周圍環境9，如點線箭頭26 所示。以此方式，來自燃料電池12的精確熱量可僅在需要熱的時期導向流至氣候受控空間 10且在所有其它時間導向流至替代位置。在圖4中示出這樣布置的特定實施例，其中室內熱交換器17和燃料電池21關於 室內空氣流不再直接成一直線，而是布置於偏移位置。同樣，室內風扇22關於室內空氣流 定位於構件17和21 二者的下遊。在替代布置中，推送式室內風扇可定位於室內熱交換器 17和燃料電池21上遊。提供一對風門27和28以利用控制器29來選擇性地控制空氣流 量，控制器29適於控制相應風門27和28的位置。即，如果將風門27放置於打開位置且將 風門28放置於關閉位置，通過室內熱交換器17的所有空氣將通過燃料電池21，且然後由於 室內風扇22的移動而流回到氣候受控空間內。另一方面，如果風門27關閉且風門28打開， 燃料電池21將基本上從室內空氣流路徑移除，且HVAC&R系統將以常用方式操作。當然，風 門27和28也可放置於中間位置使得通過室內熱交換器17的空氣的僅一部分也將通過燃 料電池21。如本領域中已知的那樣，一對風門27和28可由單個風門替換。雖然參考優選且修改的實施例特定地示出且描述了本發明，但是本領域技術人員 應了解在不偏離由所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的情況下可以對本發明 做出各種詳細的變化。
權利要求
一種向氣候受控空間提供至少部分熱量的方法，其包括以下步驟提供燃料電池用於為HVAC&R系統產生電能，所述燃料電池還在操作期間產生大量熱；以及，在所述氣候受控空間中需要熱的時期將來自所述燃料電池的這熱的至少一部分導向至所述氣候受控空間。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料電池是所述HVAC&R系統的主電源。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料電池是所述HVAC&R系統的補充電源。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，由所述燃料電池向所述氣候受控空間提供的所 述熱部分是對由其它裝置提供的熱的補充。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述其它裝置至少包括熱泵或火爐。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，由所述燃料電池提供到所述氣候受控空間的所 述熱部分是主熱源。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱導向步驟利用風扇或液體泵來實現。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述風扇或液體泵定位於所述燃料電池上遊。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，所述風扇或液體泵定位於所述燃料電池下遊。
10.根據權利要求1所述的方法，其包括另一步驟提供溝道組件，所述溝道組件可選 擇性地調製以調整提供到所述氣候受控空間和到替代位置的所述熱部分。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述溝道組件包括至少一個風門。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述溝道組件包括一對風門。
13.根據權利要求1所述的方法，其中，所述HVAC&R系統包括室內部段，另外所述燃料 電池關於室內空氣流與所述HVAC&R系統的室內部段依序定位。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述燃料電池定位於所述HVAC&R系統的所述 室內部段上遊。
15.根據權利要求13所述的方法，其中，所述燃料電池定位於所述HVAC&R系統的所述 室內部段下遊。
16.根據權利要求1所述的系統，其中，所述HVAC&R系統包括室內部段，另外所述燃料 電池關於室內空氣流與所述HVAC&R系統的室內部段平行定位。
17.根據權利要求1所述的方法，其中，由所述燃料電池向所述氣候受控空間提供的所 述熱部分用於在加熱操作模式或冷卻操作模式中的至少一個的期間控制所述氣候受控空 間中的溫度。
18.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料電池為向所述氣候受控空間提供加熱 的所述HVAC&R系統的至少一個子系統產生電能。
19.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料電池為不向所述氣候受控空間提供加 熱的所述HVAC&R系統的至少一個子系統產生電能。
20.一種用於向氣候受控空間提供至少部分熱量的設備，其包括燃料電池，其用於為HVAC&R系統產生電能，所述燃料電池還在操作期間產生大量熱； 以及，用於在所述氣候受控空間中需要熱的時期將來自所述燃料電池的這熱的至少一部分 導向至所述氣候受控空間的裝置。
21.根據權利要求20所述的設備，其中，所述燃料電池是用於所述HVAC&R系統的主電源。
22.根據權利要求20所述的設備，其中，所述燃料電池是所述HVAC&R系統的補充電源。
23.根據權利要求20所述的設備，其中，由所述燃料電池向所述氣候受控空間提供的 所述熱部分是對由其它裝置提供的熱的補充。
24.根據權利要求23所述的設備，其中，所述其它裝置至少包括熱泵或火爐。
25.根據權利要求20所述的設備，其中，由所述燃料電池向所述氣候受控空間提供的 所述熱部分是主熱源。
26.根據權利要求20所述的設備，其中，所述熱導向裝置由風扇或液體泵來實現。
27.根據權利要求26所述的設備，其中，所述風扇或液體泵定位於所述燃料電池上遊。
28.根據權利要求26所述的設備，其中，所述風扇或液體泵定位於所述燃料電池下遊。
29.根據權利要求1所述的設備，其還包括溝道組件，所述溝道組件可選擇性地調製以 調整提供到所述氣候受控空間和替代位置的所述熱部分。
30.根據權利要求29所述的設備，其中，所述溝道組件包括至少一個風門。
31.根據權利要求30所述的設備，其中，所述溝道組件包括一對風門。
32.根據權利要求20所述的設備，其中，所述HVAC&R系統包括室內部段，另外所述燃料 電池關於室內空氣流與所述HVAC&R系統的室內部段依序定位。
33.根據權利要求32所述的設備，其中，所述燃料電池定位於所述HVAC&R系統的所述 室內部段上遊。
34.根據權利要求32所述的設備，其中，所述燃料電池定位於所述HVAC&R系統的所述 室內部段下遊。
35.根據權利要求20所述的設備，其中，所述HVAC&R系統包括室內部段，另外所述燃料 電池關於室內空氣流與所述HVAC&R系統的室內部段平行定位。
36.根據權利要求20所述的設備，其中，由所述燃料電池向所述氣候受控空間提供的 所述熱部分用於在加熱操作模式或冷卻操作模式中的至少一個的期間控制所述氣候受控 空間中的溫度。
37.根據權利要求20所述的設備，其中，所述燃料電池為向所述氣候受控空間提供加 熱的所述HVAC&R系統的至少一個子系統產生電能。
38.根據權利要求20所述的設備，其中，所述燃料電池為不向所述氣候受控空間提供 加熱的所述HVAC&R系統的至少一個子系統產生電能。
全文摘要
本發明提供一種燃料電池，其向HVAC&R系統供應電能，且在氣候受控空間中需要加熱的時期，將來自燃料電池的廢熱轉移至二次流體，該二次流體被導向流至建築物的氣候受控空間。由燃料電池排出的熱可為補充熱源或主熱源以及用於在建築物的氣候受控空間內進行精確溫度控制。使用溝道組件將燃料電池熱選擇性地導向到由HVAC&R系統服務的氣候受控空間和/或導向遠離由HVAC&R系統服務的氣候受控空間。實現HVAC&R設備的較高能量效率，且減少或消除「冷吹」現象。
文檔編號H01M8/04GK101849311SQ200780101416
公開日2010年9月29日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年11月6日
發明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:開利公司