CN101464055A

CN101464055A - 热水供给系统及方法

Info

Publication number: CN101464055A
Application number: CNA2007101943614A
Authority: CN
Inventors: 苏庆泉; 李精家; 王国梁
Original assignee: BEIJING EULIKIND Co Ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: BEIJING EULIKIND Co Ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-06-24

Abstract

本发明是关于一种热水供给系统及方法。该热水供给系统由蒸气压缩式热泵循环子系统和燃料电池发电子系统构成。蒸气压缩式热泵循环子系统包含压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，燃料电池发电子系统包含重整制氢装置、燃料电池、换热装置和循环泵。重整制氢装置以天然气为原料制备氢气；燃料电池以重整氢气为燃料进行发电以供给直流电和副产热，进而，换热装置以燃料电池冷却水为高温流体、以冷凝器出口水为低温流体进行换热，以提高热水系统的热水供给温度，显著提高了热水供给系统的能量效率。本发明的实施例的热水系统具有清洁高效的显著优势，其供热系数也高于以电网电力为动力的现有蒸气压缩式热泵循环热水系统的供热系数。

Description

热水供给系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热水供给系统及方法，特别是涉及一种由燃料电池以及蒸气压缩式热泵构成的热水供给系统及方法。

背景技术

随着全球能源价格的高涨和生态环境问题的日益凸显，以高效清洁为特征的新能源技术成为了世界各国竞相投入的研发领域。氢源系统新技术可将生物质能和化石能源清洁高效地转化为氢能，而与之集成的燃料电池则可将氢能清洁高效地转化为电能并副产热能。可见，氢能及燃料电池将成为多样的一次能源与多样的终端能源之间的一座新桥梁。

氢气是一种二次能源，由各种一次能源转换而来。在诸多氢气制造途径之中，由于天然气等碳氢化合物价格较低，因而碳氢化合物重整制氢被认为是今后相当一段时间里最为经济可行的选择。

现有的蒸气压缩式热泵循环技术作为热水供给装置具有高效清洁的优势。但是，蒸气压缩式热泵循环技术的热水供给系统的供热系数(COP)、即能量效率受蒸发器工作温度，即热源温度和冷凝器工作温度，也即热水温度的影响很大。对于空气源热泵来说，随着冬季气温下降，热泵循环的蒸发器工作温度随之下降，从而引起热泵系统COP即能量效率降低。

此外，现有的蒸气压缩式热泵循环技术的压缩机是使用电网电力驱动的，因而其一次能源效率还受到电网用户端发电效率的制约。当压缩机采用调频控制时，由于需将电网的交流电力整流为直流电力，因而还会有整流损失。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的热水供给系统存在的缺陷，而提供一种集成燃料电池发电技术和蒸气压缩式热泵循环技术的热水供给系统及方法，所要解决的技术问题是提高热水供给系统的一次能源效率和供热系数，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种热水供给系统，其包括：燃料电池发电子系统，用于发电并副产热；以及蒸气压缩式热泵循环子系统，其以上述燃料电池发电子系统所发电力为动力对原料水进行一次加热；以上述燃料电池发电子系统产生的副产热对经过蒸气压缩式热泵循环子系统加热过的一次热水进行二次加热。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的热水供给系统的一个实施例，其中所述燃料电池发电子系统包括：重整制氢装置，用于制备氢气；燃料电池，以上述重整制氢装置制备的氢气为原料，产生直流电并副产热；以及循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换。

优选的，前述的热水供给系统的一个实施例，其中所述蒸气压缩式热泵循环子系统包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，其中的冷凝器的热水侧出口连接至所述换热装置的热水侧入口；所述压缩机由直流电机驱动，所述直流电机以燃料电池所发的直流电为动力。

优选的，前述的热水供给系统的一个实施例，其中所述的蒸发器是以水或者空气作为热源。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种热水供给方法，包括：由燃料电池发电子系统产生直流电并副产热；将上述的直流电提供给蒸汽压缩式热泵循环子系统，对原料水进行一次加热。

优选的，前述的热水供给方法的一个实施例，其还包括以上述燃料电池发电子系统产生的副产热对经过蒸气压缩式热泵循环子系统加热过的一次热水进行二次加热。

优选的，前述的热水供给方法的一个实施例，其中所述的燃料电池发电子系统以氢气为燃料电池的原料。

优选的，前述的热水供给方法的一个实施例，其还包括以碳氢化合物为原料进行重整反应，制备所述的氢气。

优选的，前述的热水供给方法的一个实施例，其中所述的蒸汽压缩式热泵循环子系统以水作为热源。

优选的，前述的热水供给方法的一个实施例，其中所述的作为热源的水与原料水的流量之比为5～50。

借由上述技术方案，本发明热水供给系统及方法至少具有下列优点：

1、本发明的实施例通过将燃料电池子系统所产的直流电和副产热有效地用于蒸气压缩式热泵循环子系统，显著提高了热水供给系统的能量效率。

2、与现有的锅炉燃烧式热水系统相比较，在相同原料和供热能力的条件下，本发明的热水系统具有清洁高效的显著优势。

3、本发明的热水系统供热系数也显著高于以电网电力为动力的现有蒸气压缩式热泵循环热水系统的供热系数。

综上所述，本发明特殊结构的热水供给系统及方法，其具有上述诸多的优点及实用价值，从而更加适于实用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例的热水供给系统流程图；

图2是本发明的三个实施例与现有蒸气压缩式热泵循环系统COP比较。

1：重整制氢装置 2：燃料电池

3：循环泵 4：换热装置

5：压缩机 6：蒸发器

7：节流阀 8：冷凝器

10：燃料电池发电子系统 20：蒸气压缩式热泵循环子系统

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的热水供给系统及方法其具体实施方式其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，是本发明热水供给系统的一个实施例的流程图。该热水供给系统由燃料电池发电子系统10和蒸气压缩式热泵循环子系统20构成，所述的燃料电池发电子系统10包括重整制氢装置1、燃料电池2、循环泵3和换热装置4。其中所述的重整制氢装置1，采用碳氢化合物和水为原料，在催化剂的作用下发生重整反应制备氢气。所述的燃料电池2，以上述重整制氢装置1制得的氢气为原料进行发电，产生直流电并副产热。所述的循环泵3，其采用上述燃料电池2发出直流电为动力，用于循环燃料电池的冷却水。所述的换热装置4，用于进行燃料电池的冷却水的热交换，使进入的热水被降温，并被循环至燃料电池。

所述蒸气压缩式热泵循环子系统20其以大气或者地下水、中水、一般用水和自来水为热源，在本发明的实施例中，优选普通生活中的自来水作为热源。蒸气压缩式热泵循环子系统20由压缩机5、蒸发器6、节流阀7和冷凝器8共同构成一个热泵循环系统。压缩机5用于压缩制冷剂并使制冷剂温度上升；冷凝器8用于进行热交换，使高温的制冷剂向原料水放热提高原料水的温度；经过节流阀7的制冷剂在蒸发器6中膨胀并吸收作为供热源的水的热量。上述的蒸汽压缩式热泵循环子系统可以单独成为一个热水供给系统。上述的作为热源的水和作为原料的水可以来自于同一水源，二者的流量的比值范围为5～50。上述的从冷凝器8流出的被加热的水即可被直接使用，作为热源的水经过对蒸发器6中的制冷剂放热后温度降低，流出后可以作为一般用水。上述的压缩机5由直流电机驱动，该直流电机以燃料电池2所发的直流电为动力。

较佳的，上述冷凝器8的热水侧出口连接至所述的换热装置4的热水侧入口，使被冷凝器8加热的一次热水被燃料电池2的副产热进行第二次加热以提高热水系统的热水供给温度。

实验方法

本发明的实施例还提出一种热水供给方法，其包括：以下步骤：a碳氢化合物为原料进行重整反应，制备所述的氢气，较佳的，以天然气为原料；b将上述重整反应制得的氢气导入燃料电池进行发电，产生直流电并副产热；c用燃料电池发出的直流电驱动蒸气压缩式热泵循环子系统中的压缩机；d蒸气压缩式热泵循环子系统进行热泵循环将原料水温度从常温提升到较高的温度；e将从冷凝器流出的具有较高温度的一次加热水或者直接被使用，或者再引入燃料电池发电子系统的换热装置来进一步吸收燃料电池冷却水的热量至更高的温度。其中所述的蒸汽压缩式热泵循环子系统以水或者空气作为热源。较佳的，上述蒸汽压缩式热泵循环子系统以水作为热源，可以是与原料水相同的水源。较佳的，作为热源的水与原料水的流量之比为5～50。

下述实施例采用直流发电功率为10kW的燃料电池子系统和压缩机功率为10kW的蒸汽压缩式热泵子系统。

比较例1

本比较例采用天然气锅炉直接供热方法提供热水，其热效率为80％。

比较例2

本比较例以大气为热源，采用以电网电力为动力的现有的蒸气压缩式热泵循环热水系统供热，大气温度为20℃，以温度为15℃的自来水作为原料水，所供热水温度为60℃，蒸发器中制冷剂的蒸发温度为5.0℃，冷凝器中制冷剂的冷凝温度为65.0℃，压缩机绝热效率为0.85。

实施例1

本实施例以大气为热源，采用本发明的热水供给系统供热，大气温度为20℃，所供热水温度为60℃，蒸气压缩式热泵循环子系统蒸发器中制冷剂的蒸发温度为5.0℃，冷凝器中制冷剂的冷凝温度为56.1℃，压缩机绝热效率为0.85，燃料电池发电子系统的发电效率为37％，热回收效率为40％。

实施例2

本实施例以温度为15℃的自来水为热源，采用本发明的热水供给系统供热，所供热水温度为60℃，作为热源的水与原料水的流量之比、即分别流经蒸发器和冷凝器的自来水流量之比为5，蒸气压缩式热泵循环子系统蒸发器中制冷剂的蒸发温度为4.5℃，冷凝器中制冷剂的冷凝温度为56.1℃，压缩机绝热效率为0.85，燃料电池发电子系统的发电效率为37％，热回收效率为40％。

实施例3

本实施例以温度为15℃的自来水为热源，采用本发明的热水供给系统供热，所供热水温度为60℃，作为热源的水与原料水的流量之比、即分别流经蒸发器和冷凝器的自来水流量之比为15，蒸气压缩式热泵循环子系统蒸发器中制冷剂的蒸发温度为8.1℃，冷凝器中制冷剂的冷凝温度为56.5℃，压缩机绝热效率为0.85，燃料电池发电子系统的发电效率为37％，热回收效率为40％。

实施例4

本实施例以温度为15℃的自来水为热源，采用本发明的热水供给系统供热，所供热水温度为60℃，作为热源的水与原料水的流量之比、即分别流经蒸发器和冷凝器的自来水流量之比为50，蒸气压缩式热泵循环子系统蒸发器中制冷剂的蒸发温度为9.4℃，冷凝器中制冷剂的冷凝温度为56.7℃，压缩机绝热效率为0.85，燃料电池发电子系统的发电效率为37％，热回收效率为40％。

当采用本发明的热水供给系统供热时，为了保证能够完全利用燃料电池发出的电和产生的热量，系统存在一个最佳的冷凝器出口的自来水温度，也就是说，蒸气压缩式热泵循环子系统存在一个最佳的冷凝温度，在此温度下，热水供给系统可供应的热水量达到最大值。当该系统以自来水作为热源时，系统还存在一个最佳的蒸发器出口的自来水温度，也就是说，蒸气压缩式热泵循环子系统存在一个最佳的蒸发温度，在此温度下，流经蒸发器的自来水放出的热量可以完全被流经冷凝器的自来水吸收。当不考虑燃料电池子系统，只把蒸气压缩式热泵循环子系统作为独立的热泵系统，并且该系统以自来水作为热源时，系统存在一个最佳的蒸发器出口的自来水温度，也就是说，蒸气压缩式热泵循环系统存在一个最佳的蒸发温度，在此温度下，流经蒸发器的自来水放出的热量可以完全被流经冷凝器的自来水吸收。

表1为本发明的三个实施例与比较例的一次能源利用率及蒸气压缩式热泵循环系统COP数值比较。

表1

请参阅图2所示，为本发明的三个实施例与现有蒸气压缩式热泵循环系统COP比较，其中，横坐标为，T_k为冷凝温度。图中点1为实施例1中以大气源为热源的本发明的热水供给系统中的蒸气压缩式热泵循环子系统COP，点2为实施例2中以自来水源为热源的本发明的热水供给系统中流经蒸发器和冷凝器自来水的流量之比为5的蒸气压缩式热泵循环子系统COP，点3为实施例3中以自来水源为热源的本发明的热水供给系统中流经蒸发器和冷凝器自来水的流量之比为15的蒸气压缩式热泵循环子系统COP，点4为实施例4中以自来水源为热源的本发明的热水供给系统中流经蒸发器和冷凝器自来水的流量之比为50的蒸气压缩式热泵循环子系统COP，点5为比较例2中现有蒸气压缩式热泵循环系统COP。

可见，与天然气锅炉和现有蒸气压缩式热泵循环系统相比，本发明具有较高一次能源效率和蒸气压缩式热泵循环系统COP值。

本发明所述实施例中未曾详细描述的其他技术细节，皆可采用现有技术中的对应方案实现。

本发明通过将燃料电池子系统所产的直流电和副产热有效的用于蒸气压缩式热泵循环子系统，达到了显著提高蒸气压缩式热泵循环子系统供热系数的效果。与现有的锅炉燃烧式热水系统相比，在相同原料和供热能力的条件下，本发明的热水系统具有清洁高效的显著优势。另一方面，本发明的蒸气压缩式热泵循环子系统的供热系数显著高于以电网电力为动力的现有蒸气压缩式热泵循环热水系统的供热系数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1、一种热水供给系统，其特征在于其包含：

燃料电池发电子系统，用于发电并副产热；以及

蒸气压缩式热泵循环子系统，其以上述燃料电池发电子系统所发电力为动力对原料水进行一次加热；

以上述燃料电池发电子系统产生的副产热对经过蒸气压缩式热泵循环子系统加热过的一次热水进行二次加热。

2、根据权利要求1所述的热水供给系统，其特征在于其中所述燃料电池发电子系统包含：

重整制氢装置，用于制备氢气；

燃料电池，以上述重整制氢装置制备的氢气为原料发电并副产热；以及

循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换。

3、根据权利要求2所述的热水供给系统，其特征在于其中所述蒸气压缩式热泵循环子系统包含压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，其中冷凝器的热水侧出口连接至所述换热装置的热水侧入口。

4、根据权利要求3所述的热水供给系统，其特征在于其中所述的蒸发器以水或者空气作为热源。

5、一种热水供给方法，其特征在于包括：

由燃料电池发电子系统发电并副产热；

所述蒸汽压缩式热泵循环子系统以上述电力为动力，对原料水进行一次加热。

6、根据权利要求5所述的热水供给方法，其特征在于还包括用所述副产热对上述经过加热的一次加热水进行二次加热。

7、根据权利要求6所述的热水供给方法，其特征在于所述燃料电池发电子系统以碳氢化合物为原料进行发电。

8、根据权利要求5所述的热水供给方法，其特征在于所述的蒸汽压缩式热泵循环子系统以水或者空气作为热源。

9、根据权利要求8所述的热水供给方法，其特征在于所述的作为热源的水与原料水的流量之比为5～50。