CN106257158A - 一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法 - Google Patents

一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法，该系统主要由燃气发动机、电机、蓄电池组、换热器、水箱、管道以及电加热器等组成。发动机和电机作为本系统的驱动能源，经动力耦合装置驱动压缩机工作，实现系统供冷供热的基础空调作用。本发明采用多路水循环回收热泵系统冷凝器中热量、发动机缸套冷却热量、发动机烟气余热以及在驱动系驱动压缩机并给电机充电模式下引入电加热模式，它可以充分回收系统废热，维持蓄电池组SOC值的稳定，保证发动机的经济区运行，在提高系统整体能源效率的同时，满足高品质生活热水的需求。

Description

一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种热水器系统，尤其涉及一种基于混合动力燃气热泵的热水器系统及其控制方法。
背景技术
节能环保，降耗减排是各行各业面临的重要课题。随着环保要求日益提高以及西气东输工程的开展，天然气作为清洁能源使用已成为一种趋势。混合动力燃气热泵是以天然气为输入能源，通过发动机和电机的动力耦合驱动压缩机所在的热泵系统工作，使发动机在不同热泵负荷需求下总是工作在其高效经济区，避免由于热泵负荷变动引起的非经济区工作，获得更好的燃气经济性。
目前，热水器系统存在多种类型，主要有电热水器、燃气热水器、太阳能热水器这三种。电热水器在用电高峰期间加剧了电网用电负荷且存在漏电风险；燃气热水器热效率较低且存在漏气危险；太阳能热水器安全环保却受天气环境影响较大无法稳连续工作。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提供一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法，在满足系统供冷采暖的基础上充分回收系统热量并制取生活热水，提高燃气使用效率。
技术方案：一种混合动力燃气热泵热水器系统，包括动力驱动系统、热泵系统以及热水器系统；所述动力驱动系统包括发动机、电机、逆变器、蓄电池组以及皮带传动装置，所述热泵系统包括压缩机、四通阀、第一板式换热器、节流装置、翅片换热器、第二板式换热器；所述热水器系统包括发动机缸套换热器、发动机烟气换热器、第一水箱、第二水箱、生活热水箱以及电加热管；
所述皮带传动装置包括主动轮和从动轮，所述发动机通过第一离合器连接所述主动轮，所述电机通过第二离合器连接所述主动轮，所述压缩机通过第三离合器连接所述从动轮；所述电机、逆变器、蓄电池组依次电气连接；所述电加热管置于生活热水箱中，所述电加热管同时连接所述逆变器和蓄电池组；
所述压缩机、四通阀、第一板式换热器的第一组液体进出口、节流装置、翅片换热器依次连接并成构介质循环回路，所述翅片换热器的进出口分别设有第四截止阀和第五截止阀；所述第二板式换热器的第一组液体进出口分别设有第六截止阀和第七截止阀，并通过第一管路并联在所述翅片换热器的两个截止阀两端；
所述第一水箱的进水口连接外部供水接口，所述第一水箱的出水口连接第三循环水泵，所述第二水箱的出水口连接第二循环水泵；所述第三循环水泵的出口分为两路，其中一路通过第八截止阀连接所述第二板式换热器的第二组液体进口，另一路通过第九截止阀连接第二循环水泵的出口；所述第二板式换热器的第二组液体出口与所述第二循环水泵的出水口通过第二管路连接所述发动机缸套换热器的第一组液体进口，所述发动机缸套换热器的第一组液体出口通过第三管路连接所述发动机烟气换热器的液体进口，所述第二管路和第三管路通过第一截止阀连通；所述发动机烟气换热器的液体出口分为两路，其中一路通过第二截止阀连接到第三水箱的入水口，另一路通过第三截止阀连接到第二水箱的入水口。
进一步的，所述发动机和电机采用共轴并联连接。
进一步的，根据功率要求控制所述压缩机由发动机单独驱动或由发动机和电机共同驱动；
当所述热泵系统工作在制热模式时，首先打开第一截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第九截止阀以及第三循环水泵，并关闭第六截止阀、第七截止阀以及第八截止阀，所述第一板式换热器工作为冷凝器，所述翅片式换热器工作为蒸发器；
当所述热泵系统工作在制冷模式时，首先打开第一截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀以及第三循环水泵，并关闭第四截止阀、第五截止阀以及第九截止阀，所述第二板式换热器为冷凝器，所述第一板式换热器工作为蒸发器；
然后检测所述发动机烟气换热器的液体出口的水温，当所述水温小于设定值时，打开第三截止阀和第二循环水泵并关闭第二截止阀；当所述水温大于等于设定值时，打开第二截止阀并关闭第三截止阀和第二循环水泵。
进一步的，还包括由所述发动机驱动电机对蓄电池组进行充电的步骤，并当蓄电池组的剩余电量达到范围上限时，停止对蓄电池组充电，控制逆变器或输出电能到所述电加热管，通过所述电加热管加热生活热水箱。
进一步的，还包括控制所述蓄电池组输出电能到所述电加热管的步骤。
有益效果：本发明提出的一种混合动力燃气热泵热水器系统及其控制方法，该系统在混合动力燃气热泵正常供冷采暖的基础上，通过多回路水路管道的设计，充分回收冷凝器热量、发动机缸套冷却时热量以及发动机尾气余热，并在燃气发动机驱动压缩机并充电模式下，当蓄电池SOC(State of Charge，剩余电量)值超过范围上限时，改变充电回路，引入电加热模式，通过电加热管对作为生活水箱的第三水箱直接进行加热，从而提高整个系统能源利用率，获得更好的燃气经济性，实现节能减排的目的。相对于现有技术具有如下优点：
1.多回路管道设计，使热量回收更加高效：在热水器系统水路循环管道设计中，采用多回路、旁通式、多水箱式水路循环结构，充分回收驱动系统缸套热量以及尾气余热，大大提高热量回收效率。
2、发动机驱动压缩机并充电模式下，引入对生活热水箱“电加热”模式：在此种模式下，避免了蓄电池组由于SOC值过高引起的过充现象，延长蓄电池组使用寿命，降低系统使用维护成本，同时使系统在发动机驱动压缩机并充电模式下所产生的电能，通过对生活热水箱直接进行电加热得到有效利用，提高了燃气的有效利用率，保证了发动机的高效经济区运行。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种混合动力燃气热泵热水器系统，包括动力驱动系统、热泵系统以及热水器系统。动力驱动系统包括发动机1、电机2、逆变器3、蓄电池组4以及皮带传动装置6。热泵系统包括压缩机5、四通阀11、第一板式换热器12、节流装置13、翅片换热器14、第二板式换热器15。热水器系统包括发动机缸套换热器9、发动机烟气换热器10、第一水箱16、第二水箱17、生活热水箱18以及电加热管19。
皮带传动装置包括主动轮和从动轮，发动机1通过第一离合器7-1连接主动轮，电机2通过第二离合器7-2连接主动轮，压缩机5通过第三离合器7-3连接从动轮，发动机1和电机2采用共轴并联连接。电机2、逆变器3、蓄电池组4依次电气连接。电加热管19置于第三水箱18中，电加热管19同时连接逆变器3和蓄电池组4。
压缩机5、四通阀11、第一板式换热器12的第一组液体进出口、节流装置13、翅片换热器14依次连接并成构介质循环回路。翅片换热器14的进出口分别设有第四截止阀V4和第五截止阀V5；第二板式换热器15的第一组液体进出口分别设有第六截止阀V6和第七截止阀V7，并通过第一管路并联在翅片换热器14的两个截止阀V4、V5两端。
第一水箱16的进水口连接外部自来水供水接口，第一水箱16的出水口连接第三循环水泵8-3；第二水箱17的出水口连接第二循环水泵8-2；第三循环水泵8-3的出口分为两路，其中一路通过第八截止阀V8连接第二板式换热器15的第二组液体进口，另一路通过第九截止阀V9连接第二循环水泵8-2的出口。第二板式换热器15的第二组液体出口与第二循环水泵8-2的出水口通过第二管路连接发动机缸套换热器9的第一组液体进口，发动机缸套换热器9的第一组液体出口通过第三管路连接发动机烟气换热器10的液体进口，第二管路和第三管路通过第一截止阀V1连通；发动机1通过第一循环水泵泵8-1连接动机缸套换热器9。发动机烟气换热器10的液体出口分为两路，其中一路通过第二截止阀V2连接到生活热水箱18的入水口，另一路通过第三截止阀V3连接到第二水箱17的入水口。
根据功率要求控制所述压缩机5由发动机1单独驱动或由发动机1和电机2共同驱动。当热泵系统工作在制热模式时，首先打开第一截止阀V1、第四截止阀V4、第五截止阀V5、第九截止阀V9以及第三循环水泵8-3，并关闭第六截止阀V6、第七截止阀V7以及第八截止阀V8。压缩机5出口通过四通阀11与板式换热器12连接，再与节流装置13、翅片式换热器14依次连接，最终回到压缩机5进口；此时第一板式换热器12工作为冷凝器，翅片式换热器14工作为蒸发器。当热泵系统工作在制冷模式时，首先打开第一截止阀V1、第六截止阀V6、第七截止阀V7、第八截止阀V8以及第三循环水泵8-3，并关闭第四截止阀V4、第五截止阀V5以及第九截止阀V9。压缩机5出口通过四通阀11与板式换热器15连接，再与节流装置13以及板式换热器12依次连接，最终回到压缩机进口；此时第二板式换热器15为冷凝器，第一板式换热器12工作为蒸发器。
热水器系统中，第一水箱16由城市自来水网不断补充自来水，在热泵系统制热模式下，第一水箱16中的水被循环水泵8-3吸出并压排进入循环水泵8-2的出口处；在热泵系统制冷模式下，第一水箱16中的水被循环水泵吸出并压排进入第二板式换热器15。循环水泵8-2的出水口、第二板式换热器15出水口分两路，一路进入缸套换热器与发动机缸套冷却水换热，另一部分由打开的第一截止阀V1直接流入，再与发动机缸套换热器9出水口汇合进入烟气换热器；第一截止阀V1的开度大小由循环水路水流量决定。
然后检测发动机烟气换热器10的液体出口的水温，当水温大于等于设定值时，打开第二截止阀V2并关闭第三截止阀V3和第二循环水泵8-2，进入作为生活热水箱的第三水箱18当中。当水温小于设定值时，打开第三截止阀V3和第二循环水泵8-2并关闭第二截止阀V2，进入第二水箱17当中，并由第二循环水泵8-2吸出并压排进入发动机缸套换热器9和发动机烟气换热器10中进行二次换热，直至达到设定水温进入生活热水箱18当中。
根据发动机1以及压缩机5的功率分配，由发动机1驱动电机2对蓄电池组4进行充电，并当蓄电池组4的剩余电量达到范围上限时，停止对蓄电池组4充电，控制逆变器3输出电能到电加热管19，通过电加热管19加热第三水箱18。当热泵系统不工作时，控制蓄电池组4输出电能到电加热管19，通过电加热管19加热生活热水箱18，满足更高温度生活热水需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合动力燃气热泵热水器系统，其特征在于：包括动力驱动系统、热泵系统以及热水器系统；所述动力驱动系统包括发动机(1)、电机(2)、逆变器(3)、蓄电池组(4)以及皮带传动装置(6)，所述热泵系统包括压缩机(5)、四通阀(11)、第一板式换热器(12)、节流装置(13)、翅片换热器(14)、第二板式换热器(15)；所述热水器系统包括发动机缸套换热器(9)、发动机烟气换热器(10)、第一水箱(16)、第二水箱(17)、生活热水箱(18)以及电加热管(19)；
所述皮带传动装置包括主动轮和从动轮，所述发动机(1)通过第一离合器(7-1)连接所述主动轮，所述电机(2)通过第二离合器(7-2)连接所述主动轮，所述压缩机(5)通过第三离合器(7-3)连接所述从动轮；所述电机(2)、逆变器(3)、蓄电池组(4)依次电气连接；所述电加热管(19)置于生活热水箱(18)中，所述电加热管(19)同时连接所述逆变器(3)和蓄电池组(4)；
所述压缩机(5)、四通阀(11)、第一板式换热器(12)的第一组液体进出口、节流装置(13)、翅片换热器(14)依次连接并成构介质循环回路，所述翅片换热器(14)的进出口分别设有第四截止阀(V4)和第五截止阀(V5)；所述第二板式换热器(15)的第一组液体进出口分别设有第六截止阀(V6)和第七截止阀(V7)，并通过第一管路并联在所述翅片换热器(14)的两个截止阀(V4、V5)两端；
所述第一水箱(16)的进水口连接外部供水接口，所述第一水箱(16)的出水口连接第三循环水泵(8-3)，所述第二水箱(17)的出水口连接第二循环水泵(8-2)；所述第三循环水泵(8-3)的出口分为两路，其中一路通过第八截止阀(V8)连接所述第二板式换热器(15)的第二组液体进口，另一路通过第九截止阀(V9)连接第二循环水泵(8-2)的出口；所述第二板式换热器(15)的第二组液体出口与所述第二循环水泵(8-2)的出水口通过第二管路连接所述发动机缸套换热器(9)的第一组液体进口，所述发动机缸套换热器(9)的第一组液体出口通过第三管路连接所述发动机烟气换热器(10)的液体进口，所述第二管路和第三管路通过第一截止阀(V1)连通；所述发动机烟气换热器(10)的液体出口分为两路，其中一路通过第二截止阀(V2)连接到第三水箱(18)的入水口，另一路通过第三截止阀(V3)连接到第二水箱(17)的入水口。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力燃气热泵热水器系统，其特征在于：所述发动机(1)和电机(2)采用共轴并联连接。
3.如权利要求1所述的一种混合动力燃气热泵热水器系统的控制方法，其特征在于：根据功率要求控制所述压缩机(5)由发动机(1)单独驱动或由发动机(1)和电机(2)共同驱动；
当所述热泵系统工作在制热模式时，首先打开第一截止阀(V1)、第四截止阀(V4)、第五截止阀(V5)、第九截止阀(V9)以及第三循环水泵(8-3)，并关闭第六截止阀(V6)、第七截止阀(V7)以及第八截止阀(V8)，所述第一板式换热器(12)工作为冷凝器，所述翅片式换热器(14)工作为蒸发器；
当所述热泵系统工作在制冷模式时，首先打开第一截止阀(V1)、第六截止阀(V6)、第七截止阀(V7)、第八截止阀(V8)以及第三循环水泵(8-3)，并关闭第四截止阀(V4)、第五截止阀(V5)以及第九截止阀(V9)，所述第二板式换热器(15)为冷凝器，所述第一板式换热器(12)工作为蒸发器；
然后检测所述发动机烟气换热器(10)的液体出口的水温，当所述水温小于设定值时，打开第三截止阀(V3)和第二循环水泵(8-2)并关闭第二截止阀(V2)；当所述水温大于等于设定值时，打开第二截止阀(V2)并关闭第三截止阀(V3)和第二循环水泵(8-2)。
4.根据权利要求3所述一种混合动力燃气热泵热水器系统的控制方法，其特征在于：还包括由所述发动机(1)驱动电机(2)对蓄电池组(4)进行充电的步骤，并当蓄电池组(4)的剩余电量达到范围上限时，停止对蓄电池组(4)充电，控制逆变器(3)或输出电能到所述电加热管(19)，通过所述电加热管(19)加热生活热水箱(18)。
5.根据权利要求4所述一种混合动力燃气热泵热水器系统的控制方法，其特征在于：还包括控制所述蓄电池组(4)输出电能到所述电加热管(19)的步骤。
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