CN107014110B - 分布式水汽冷热电联供装置及方法 - Google Patents

分布式水汽冷热电联供装置及方法 Download PDF

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Abstract

分布式水汽冷热电联供装置及方法，装置包括制冷制热模块、供能模块、加湿模块、用电模块和用水模块；运行电能均由燃料电池电堆提供，制热，部分循环水直接进入室外换热器，另一部分循环水进入室外换热器前先进入电池冷却回路，进一步进入室外换热器与压缩机回路换热并进行循环，能够在制热目标实现的同时冷却电堆并预热循环水，实现降低电堆温度的同时降低了压缩机的做功，提高了电堆与装置整体的运行效率；制冷，室外循环水冷却塔流出后流入部分直接进入室外换热器，另一部分进入电池冷却回路，进一步再次流入冷却塔水箱并流出进行循环，能够在制冷目标实现的同时冷却电堆，提高了电堆运行效率。

Description

分布式水汽冷热电联供装置及方法
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及一种分布式水汽冷热电联供装置及方法。
背景技术
伴随着人们对于生活舒适度越来越高的要求，冷、热、电、水、湿成为人们生活的基本需求，这些需求也导致了居民生活用电的大幅增加，进而导致了我国电力的供需不平衡。为了满足电力负荷的要求，电力部门不得不根据最大负荷进行发电，这也在一定程度上导致了电力的过剩和浪费，同时又不得不在用电高峰期进行限电管理。尤其是近年来，我国的“限电”问题和世界“大停电”事故越来越频繁地出现在人们的视野中，这与我国长期提倡的可持续发展、节能降耗的理念很不相符。
现有的大型空气调节技术主要包括吸收式空气调节技术和蒸汽压缩式空气调节技术，这些主流的空气调节技术大都依托电网运行，这使得其使用范围局限于某一固定区域，这使得设备在移动过程中有很大的不便，针对一些电网未能达到的区域诸如边疆、荒岛等，空气调节装置也都得不到稳定便捷的使用。另外，这些设备的运行这在对电网带来很大的用电压力的同时，也会因电网“限电”“停电”等问题影响其稳定运行。
燃料电池比技术被认为是解决能源危机的终极方案，该技术可以将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点，因此，燃料电池技术在分布式能源技术中得到了越来越多的应用。
但是，在燃料电池运行过程中，其生成产物未能得到有效处理，其长时间工作会产生大量热量，这些问题一直影响基于燃料电池的分布式能源装置的高效稳定运行。因此，一种更加节能环保高效稳定的供冷供热供电的装置亟待出现。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在保证系统稳定高效运行的前提下，能够持续输出水、汽、冷、热、电的分布式水汽冷热电联供装置及方法。
为达到上述目的，本发明的装置包括制冷制热模块、供能模块、加湿模块、用电模块和用水模块；
其中供能模块的输电侧与各模块用电设备通过电路相连，制冷制热模块的循环回路与供能模块的冷却回路相连，供能模块的反应产物出口与用水模块相连，用水模块与加湿模块相连；
所述供能模块包括燃料电池电堆，在燃料电池电堆外侧缠绕有与制冷制热模块的循环回路相连的电堆冷却回路，燃料电池电堆的阴极产物出口通过气液分离器与用水模块相连；
所述制冷制热模块包括风机盘管系统，风机盘管系统与室内换热器通过带有节流阀的回路相连，室内换热器与室外换热器通过带有膨胀阀的压缩机所在外回路相连，压缩机所在内回路与压缩机所在外回路通过四通换向阀相连，室外换热器出口与冷却塔水箱通过节流阀、第一三通阀相连，冷却塔水箱出口通过第二三通阀与室外换热器的入口相连，供能模块的电堆冷却回路的两端分别与第一、第二三通阀相连，且气液分离器的气相出口与室外换热器相连用于除霜；
所述用水模块包括与供能模块的气液分离器的出水口相连的保温水箱，其他用水设备进口与保温水箱出口相连；
所述加湿模块包括与用水模块的保温水箱出口相连的水分配器，水分配器出口与湿膜材料进口相连，湿膜材料出口与储水槽相连；
所述用电模块包括与供能模块通过电路相连的其他用电设备。
所述燃料电池电堆的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐和燃料储存罐相连，阳极产物出口与燃料储存罐相连通，所述的氧化剂储存罐和燃料储存罐均采用压力容器。
所述燃料电池电堆的阴极室与空气循环泵或制氧设备相连。
所述燃料电池电堆的阳极室与外接燃料供给管路相连。
所述压缩机采用容积式制冷压缩机或离心式制冷压缩机。
所述室内换热器采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
所述室外换热器采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
所述保温水箱采用压力容器，包括不锈钢保温水箱、承压保温水箱或玻璃钢保温水箱。
所述加湿模块的湿膜材料对应位置还安装有用于蒸发湿膜材料水分的加热器或超声波发生器。
本发明的分布式水汽冷热电联供方法包括以下步骤：
S100：电堆放电和压缩工质：将氧化剂储存罐中的氧化剂、燃料储存罐中的燃料分别通入燃料电池电堆的阴极、阳极使电堆放电，阴极产物流入气液分离器进行气液分离，阳极产物回流至燃料储存罐；同时燃料电池电堆放电压缩机做功使制冷制热模块中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电供水和冷却电堆：燃料电池电堆工作产生的电能提供给建筑中其他用电设备，气液分离器流出的具有一定热量的水流入保温水箱对其他用水设备进行供水或流入冷却塔进行补水，气液分离器流出的具有一定热量的气体通向室外换热器以备除霜使用；同时，部分循环水通向电堆冷却回路对燃料电池电堆进行冷却降温；
步骤S300：根据制热、制冷除霜和加湿目标运行装置：
若目标为制热，部分循环水进入冷却塔水箱前通过第一三通阀流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热循环水后通过室外换热器与循环工质进行换热后流入冷却塔水箱；循环工质流入压缩机进行压缩做功，由四通换向阀流入室内换热器与风机盘管系统回路进行流动换热，风机盘管系统回路通过获得的高温工质使用风机吹出热风对建筑进行制热；循环工质通过膨胀阀流入室外换热器与冷却塔水箱回路进行膨胀吸热，冷却塔水箱回路将获得的低温循环水分流，其中一部分通过冷却塔水箱与室外环境进行换热升温，另一部分循环水进入冷却塔水箱前通过电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热循环水后流入冷却塔水箱回路，通过室外换热器与循环工质进行换热；
若目标为制冷，部分循环水由冷却塔水箱流出，经第二三通阀流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆后流入冷却塔水箱回路，经过冷却塔水箱再次冷却后通过室外换热器与循环工质进行换热；循环工质通过膨胀阀流入室内换热器与风机盘管系统回路进行膨胀吸热，风机盘管系统回路通过获得的冷却工质使用风机吹出冷风对建筑进行制冷；循环工质通过四通换向阀流入压缩机进行压缩做功，并由四通换向阀流入室外换热器与冷却塔水箱回路进行流动换热，冷却塔水箱回路将获得的高温工质通过冷却塔水箱与室外环境进行换热降温；循环工质流入室外换热器与冷却塔水箱回路进行蒸发放热，冷却塔水箱回路将获得的高温循环水流入冷却塔水箱冷却降温；循环水在冷却塔水箱出口进行分流，其中一部分通过冷却塔水箱流入室外换热器进行换热降温，另一部分循环水由冷却塔水箱经第二三通阀流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆后流入冷却塔水箱回路，经过冷却塔水箱再次冷却后通过室外换热器与循环工质进行换热；
若目标为除霜，开通气液分离器气路出口，使具有一定热量的气体通向室外换热器，对室外换热器进行除霜；
若目标为加湿，打开保温水箱出口通过水分配器使储存的水流入湿膜材料，利用制冷制热模块的风机盘管系统的气流使水分吹出，对建筑进行加湿。
本发明通过燃料电池驱动压缩机做功对周围环境进行制热制冷，压缩机运行过程通过冷却塔回路对电池进行冷却降温，燃料电池产物能够实现环境的加湿以及室外换热器的除霜，同时，装置可以为建筑整体提供必需的电能和热水。运行过程中，所需全部电能均由燃料电池提供，并能够为建筑中其他用电用水设备提供所需的电能和热水；在制热过程中，装置在循环过程对燃料电池进行有效地冷却，其所需部分热量可由电池产物提供；在制冷过程中，装置在循环过程对燃料电池进行有效地冷却；在除霜过程中，室外换热器所需的热量可由燃料电池产物提供；在加湿过程中，装置所需水分和热量可从电池产物中获得。
由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：
1、分布式水汽冷热电联供装置外部独立于电网且内部协同互补运行，使用燃料电池作为电源，输出独立清洁的电能，实现稳定制冷、制热、加湿、除霜、供水、供电，另外，燃料电池所消耗的燃料和氧化剂简单易得，产物清洁无污染，使装置运行成本降低且工作产物环境友好。
2、利用装置冷却塔循环水冷却燃料电池，冷却过程无需额外做功，在制冷模式中保证装置制冷效果正常的同时能够冷却电堆提高电堆运行效率，在制热模式中保证冷却电堆的同时还可以预热循环水，进而降低了压缩机做功，提高电堆工作效率的同时能够有效地提升装置的运行效率。
3、充分利用燃料电池产物，利用燃料电池电堆产生的热气在无需额外加热的条件下对空调室外换热器进行除霜，利用燃料电池电堆产生的热水实现装置的加湿供能并在无需额外加热的条件下其他用水设备提供热水，整个产物利用过程节能环保。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图中，I-制冷制热模块，II-供能模块，III-加湿模块，IV-用电模块，V-用水模块，1-风机盘管系统，2-节流阀，3-室内换热器，4-四通换向阀，5-压缩机，6-膨胀阀，7-室外换热器，8-分流器，9-冷却塔水箱，10-分流器，11-节流阀，12-燃料电池电堆，13-氧化剂储存罐，14-燃料储存罐，15-电堆冷却回路，16-气液分离器，17-水分配器，18-湿膜材料，19-储水槽，20-其他用电设备，21-保温水箱，22-其他用水设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括制冷制热模块I、供能模块II、加湿模块III、用电模块IV和用水模块V；
其中供能模块II的输电侧与各模块用电设备通过电路相连，制冷制热模块I的循环回路与供能模块II的冷却回路相连，供能模块II的反应产物出口与用水模块V相连，用水模块V与加湿模块III相连；
所述供能模块II包括燃料电池电堆12，在燃料电池电堆12外侧缠绕有与制冷制热模块I的循环回路相连的电堆冷却回路15，燃料电池电堆12的阴极产物出口通过气液分离器16与用水模块V相连，阳极产物出口与燃料储存罐14相连通；
所述制冷制热模块I包括风机盘管系统1，风机盘管系统1与室内换热器3通过带有节流阀2的回路相连，室内换热器3与室外换热器7通过带有膨胀阀6的压缩机5所在外回路相连，压缩机5所在内回路与压缩机5所在外回路通过四通换向阀4相连，室外换热器7出口与冷却塔水箱9通过节流阀11、第一三通阀8相连，冷却塔水箱9出口通过第二三通阀10与室外换热器7的入口相连，供能模块II的电堆冷却回路15的两端分别与第一、第二三通阀8、10相连，且气液分离器16的气相出口与室外换热器7相连用于除霜；
所述用水模块V包括与供能模块II的气液分离器16的出水口相连的保温水箱21，其他用水设备22进口与保温水箱21出口相连；
所述加湿模块III包括与用水模块V的保温水箱21出口相连的水分配器17，水分配器17出口与湿膜材料18进口相连，湿膜材料18出口与储水槽19相连；
所述用电模块IV包括与供能模块II通过电路相连的其他用电设备20。
本发明的燃料电池电堆12的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐13和燃料储存罐14相连，所述的氧化剂储存罐13和燃料储存罐14均采用压力容器；
所述燃料电池电堆12的阴极室与空气循环泵或制氧设备相连。
所述燃料电池电堆12的阳极室与外接燃料供给管路相连。
所述压缩机5采用容积式制冷压缩机或离心式制冷压缩机。
所述室内换热器3采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
室外换热器7采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
所述保温水箱21采用压力容器，包括不锈钢保温水箱、承压保温水箱或玻璃钢保温水箱。
所述加湿模块III的湿膜材料18对应位置还安装有用于蒸发湿膜材料水分的加热器或超声波发生器。
其中，燃料电池电堆12应为交换膜燃料电池，所述交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜，所消耗的燃料包括H2、CH4、CH3OH、C2H5OH等醇类；所述H2来自于光催化、生物质发酵、工业副产品等；所述H2来自于CH4、CH3OH重整。
本发明分布式水汽冷热电联供方法包括以下步骤：
S100：电堆放电和压缩工质：将氧化剂储存罐13中的氧化剂、燃料储存罐14中的燃料分别通入燃料电池电堆12的阴极、阳极使电堆放电，阴极产物流入气液分离器16进行气液分离，阳极产物回流至燃料储存罐14；同时燃料电池电堆12放电压缩机5做功使制冷制热模块II中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电供水和冷却电堆：燃料电池电堆12工作产生的电能提供给建筑中其他用电设备20，气液分离器16流出的具有一定热量的水流入保温水箱21对其他用水设备22进行供水或流入冷却塔9进行补水，气液分离器16流出的具有一定热量的气体通向室外换热器7以备除霜使用；同时，部分循环水通向电堆冷却回路15对燃料电池电堆12进行冷却降温；
步骤S300：根据制热、制冷除霜和加湿目标运行装置：
若目标为制热，部分循环水进入冷却塔水箱9前通过第一三通阀8流入电堆冷却回路15冷却燃料电池电堆12并预热循环水后通过室外换热器7与循环工质进行换热后流入冷却塔水箱9；循环工质流入压缩机5进行压缩做功，由四通换向阀4流入室内换热器3与风机盘管系统1回路进行流动换热，风机盘管系统1回路通过获得的高温工质使用风机吹出热风对建筑进行制热；循环工质通过膨胀阀6流入室外换热器7与冷却塔水箱9回路进行膨胀吸热，冷却塔水箱9回路将获得的低温循环水分流，其中一部分通过冷却塔水箱9与室外环境进行换热升温，另一部分循环水进入冷却塔水箱9前通过电堆冷却回路15冷却燃料电池电堆12并预热循环水后流入冷却塔水箱9回路，通过室外换热器7与循环工质进行换热；
若目标为制冷，部分循环水由冷却塔水箱9流出，经第二三通阀10流入电堆冷却回路15冷却燃料电池电堆12后流入冷却塔水箱9回路，经过冷却塔水箱9再次冷却后通过室外换热器7与循环工质进行换热；循环工质通过膨胀阀6流入室内换热器3与风机盘管系统1回路进行膨胀吸热，风机盘管系统1回路通过获得的冷却工质使用风机吹出冷风对建筑进行制冷；循环工质通过四通换向阀4流入压缩机5进行压缩做功，并由四通换向阀4流入室外换热器7与冷却塔水箱9回路进行流动换热，冷却塔水箱9回路将获得的高温工质通过冷却塔水箱9与室外环境进行换热降温；循环工质流入室外换热器7与冷却塔水箱9回路进行蒸发放热，冷却塔水箱9回路将获得的高温循环水流入冷却塔水箱9冷却降温；循环水在冷却塔水箱9出口进行分流，其中一部分通过冷却塔水箱9流入室外换热器7进行换热降温，另一部分循环水由冷却塔水箱9经第二三通阀10流入电堆冷却回路15冷却燃料电池电堆12后流入冷却塔水箱9回路，经过冷却塔水箱9再次冷却后通过室外换热器7与循环工质进行换热；
若目标为除霜，开通气液分离器16气路出口，使具有一定热量的气体通向室外换热器7，对室外换热器7进行除霜；
若目标为加湿，打开保温水箱21出口通过水分配器17使储存的水流入湿膜材料18，利用制冷制热模块I的风机盘管系统1的气流使水分吹出，对建筑进行加湿。

Claims (9)

1.根据分布式水汽冷热电联供装置的分布式水汽冷热电联供方法，所述分布式水汽冷热电联供装置包括制冷制热模块(I)、供能模块(II)、加湿模块(III)、用电模块(IV)和用水模块(V)，在运行过程中，装置所需全部电能均由燃料电池提供；
其中供能模块(II)的输电侧与各模块用电设备通过电路相连，制冷制热模块(I)的循环回路与供能模块(II)的冷却回路相连，供能模块(II)的反应产物出口与用水模块(V)相连，用水模块(V)与加湿模块(III)相连；
所述供能模块(II)包括燃料电池电堆(12)，在燃料电池电堆(12)外侧缠绕有与制冷制热模块(I)的循环回路相连的电堆冷却回路(15)，燃料电池电堆(12)的阴极产物出口通过气液分离器(16)与用水模块(V)相连；
所述制冷制热模块(I)包括风机盘管系统(1)，风机盘管系统(1)与室内换热器(3)通过带有节流阀(2)的回路相连，室内换热器(3)与室外换热器(7)通过带有膨胀阀(6)的压缩机(5)所在外回路相连，压缩机(5)所在内回路与压缩机(5)所在外回路通过四通换向阀(4)相连，室外换热器(7)出口与冷却塔水箱(9)通过节流阀(11)、第一三通阀(8)相连，冷却塔水箱(9)出口通过第二三通阀(10)与室外换热器(7)的入口相连，供能模块(II)的电堆冷却回路(15)的两端分别与第一三通阀(8)、第二三通阀(10)相连，且气液分离器(16)的气相出口与室外换热器(7)相连用于除霜；
所述用水模块(V)包括与供能模块(II)的气液分离器(16)的出水口相连的保温水箱(21)，其他用水设备(22)进口与保温水箱(21)出口相连；
所述加湿模块(III)包括与用水模块(V)的保温水箱(21)出口相连的水分配器(17)，水分配器(17)出口与湿膜材料(18)进口相连，湿膜材料(18)出口与储水槽(19)相连；
所述用电模块(IV)包括与供能模块(II)通过电路相连的其他用电设备(20)；
其特征在于，包括以下步骤：
S100：电堆放电和压缩工质：将氧化剂储存罐(13)中的氧化剂、燃料储存罐(14)中的燃料分别通入燃料电池电堆(12)的阴极、阳极使电堆放电，阴极产物流入气液分离器(16)进行气液分离，阳极产物回流至燃料储存罐(14)；同时燃料电池电堆(12)放电压缩机(5)做功使制冷制热模块(I)中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电供水和冷却电堆：燃料电池电堆(12)工作产生的电能提供给建筑中其他用电设备(20)，气液分离器(16)流出的具有一定热量的水流入保温水箱(21)对其他用水设备(22)进行供水或流入冷却塔(9)进行补水，气液分离器(16)流出的具有一定热量的气体通向室外换热器(7)以备除霜使用；同时，部分循环水通向电堆冷却回路(15)对燃料电池电堆(12)进行冷却降温；
步骤S300：根据制热、制冷除霜和加湿目标运行装置：
若目标为制热，部分循环水进入冷却塔水箱(9)前通过第一三通阀(8)流入电堆冷却回路(15)冷却燃料电池电堆(12)并预热循环水后通过室外换热器(7)与循环工质进行换热后流入冷却塔水箱(9)；循环工质流入压缩机(5)进行压缩做功，由四通换向阀(4)流入室内换热器(3)与风机盘管系统(1)回路进行流动换热，风机盘管系统(1)回路通过获得的高温工质使用风机吹出热风对建筑进行制热；循环工质通过膨胀阀(6)流入室外换热器(7)与冷却塔水箱(9)回路进行膨胀吸热，冷却塔水箱(9)回路将获得的低温循环水分流，其中一部分通过冷却塔水箱(9)与室外环境进行换热升温，另一部分循环水进入冷却塔水箱(9)前通过电堆冷却回路(15)冷却燃料电池电堆(12)并预热循环水后流入冷却塔水箱(9)回路，通过室外换热器(7)与循环工质进行换热；
若目标为制冷，部分循环水由冷却塔水箱(9)流出，经第二三通阀(10)流入电堆冷却回路(15)冷却燃料电池电堆(12)后流入冷却塔水箱(9)回路，经过冷却塔水箱(9)再次冷却后通过室外换热器(7)与循环工质进行换热；循环工质通过膨胀阀(6)流入室内换热器(3)与风机盘管系统(1)回路进行膨胀吸热，风机盘管系统(1)回路通过获得的冷却工质使用风机吹出冷风对建筑进行制冷；循环工质通过四通换向阀(4)流入压缩机(5)进行压缩做功，并由四通换向阀(4)流入室外换热器(7)与冷却塔水箱(9)回路进行流动换热，冷却塔水箱(9)回路将获得的高温工质通过冷却塔水箱(9)与室外环境进行换热降温；循环工质流入室外换热器(7)与冷却塔水箱(9)回路进行蒸发放热，冷却塔水箱(9)回路将获得的高温循环水流入冷却塔水箱(9)冷却降温；循环水在冷却塔水箱(9)出口进行分流，其中一部分通过冷却塔水箱(9)流入室外换热器(7)进行换热降温，另一部分循环水由冷却塔水箱(9)经第二三通阀(10)流入电堆冷却回路(15)冷却燃料电池电堆(12)后流入冷却塔水箱(9)回路，经过冷却塔水箱(9)再次冷却后通过室外换热器(7)与循环工质进行换热；
若目标为除霜，开通气液分离器(16)气路出口，使具有一定热量的气体通向室外换热器(7)，对室外换热器(7)进行除霜；
若目标为加湿，打开保温水箱(21)出口通过水分配器(17)使储存的水流入湿膜材料(18)，利用制冷制热模块(I)的风机盘管系统(1)的气流使水分吹出，对建筑进行加湿。
2.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述燃料电池电堆(12)的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐(13)和燃料储存罐(14)相连，阳极产物出口与燃料储存罐(14)相连通，所述的氧化剂储存罐(13)和燃料储存罐(14)均采用压力容器。
3.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述燃料电池电堆(12)的阴极室与空气循环泵或制氧设备相连。
4.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述燃料电池电堆(12)的阳极室与外接燃料供给管路相连。
5.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述压缩机(5)采用容积式制冷压缩机或离心式制冷压缩机。
6.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述室内换热器(3)采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
7.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述室外换热器(7)采用表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
8.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述保温水箱(21)采用压力容器，包括不锈钢保温水箱、承压保温水箱或玻璃钢保温水箱。
9.根据权利要求1所述的分布式水汽冷热电联供方法，其特征在于，所述加湿模块(III)的湿膜材料(18)对应位置还安装有用于蒸发湿膜材料水分的加热器或超声波发生器。
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