CN107024028A - 一种分布式热泵装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种分布式热泵装置及方法，装置包括供能模块、制热模块、供暖加湿用水模块，运行过程中，所需全部电能均由燃料电池电堆提供，同时其制热循环过程对燃料电池电堆进行有效地冷却，电堆运行产物还能够实现室外换热器除霜为保温水箱补充热水的功能；工质循环过程中，循环工质由室内换热器流入室外换热器后再流入电堆，经压缩机流入室内换热器进行循环，能够在制热目标实现的同时冷却电堆并预热循环工质，提高了电堆与装置整体的运行效率；在制热加湿用水过程中，根据需求调整流动方式选择被动制热、主动制热、加湿或用水，能够适应更多的需求；在除霜过程中，装置所需热量由电堆产物提供，节约运行功耗的同时降低资源浪费。

Description

一种分布式热泵装置及方法
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，具体涉及一种分布式热泵装置及方法。
背景技术
伴随着人们对于生活舒适度越来越高的要求，生活环境中合适的的温度和湿度成为人们生活的基本需求，尤其是在寒冷的冬季，人们对于采暖的需求越来越大。这些需求也使得冬季人们对于供热设备的大量使用。而现有供热方式大都带来巨大的能源与资源的消耗，依赖于固定的城市网络，这在造成一定程度浪费的同时，也为人们的正常采暖带来很多不便。
现有的供热方式主要有区域热网集中供暖、家庭锅炉供暖、热泵家庭供暖三种形式。其中区域热网集中供暖和家庭锅炉供暖往往使用煤炭、石油等不可再生能源，这在造成资源浪费的同时也造成了环境污染；区域热网集中供暖的供热方式以及热泵家庭供暖的用电方式往往依赖大型的城市网络，这也使得用户的采暖局限于固定的区域，针对一些热网电网未能达到的区域诸如边疆、荒岛等，这两种采暖方式都得不到有效的应用。
燃料电池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，燃料电池技术在热泵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热泵装置亟待出现。
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，能够持续向建筑环境输出热量和水分的分布式热泵装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的装置包括供能模块、制热模块和供暖加湿用水模块；
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电堆冷却回路，气液分离器与燃料电池电堆阴极产物出口相连，气液分离器液相出口通向供暖加湿用水模块，气液分离器气相出口通向制冷制热模块的室外换热器；
所述制热模块包括依次相连的压缩机、室内换热器、储液罐、过滤器、膨胀阀及室外换热器，室外换热器的工质出口与供能模块的电堆冷却回路的入口相连，电堆冷却回路出口与压缩机的入口相连；
所述供暖加湿用水模块包括主循环回路和地暖盘管系统，所述的主循环回路包括与室内换热器并联的风机盘管系统及保温水箱，在风机盘管系统的风道上安装有湿膜材料，所述的室内换热器与风机盘管系统之间的管路上依次与气液分离器液相出口、地暖盘管系统入口相连，地暖盘管系统的出口与与主循环回路相连，保温水箱上还连接有生活用水设置。
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。
所述的地暖盘管系统通过第一三通阀和四通阀与供暖加湿用水模块主循环回路相连，湿膜材料与风机盘管系统通过第二三通阀相连，风机盘管系统通过四通阀和第三三通阀与供暖加湿用水模块主循环回路相连。
所述的压缩机为容积式制冷压缩机或离心式制冷压缩机。
所述的室内换热器为表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
所述和室外换热器为表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器。
所述保温水箱为压力容器，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。
本发明的分布式热泵方法包括以下步骤：
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室、阳极室使燃料电池电堆放电，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热模块中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和冷却燃料电池电堆：燃料电池电堆工作产生的电能提供给装置中各用电设备，制热模块的循环工质经室外换热器进入电堆冷却回路对燃料电池电堆进行冷却后流入压缩机，燃料电池电堆阴极产物经气液分离器分离出的具有一定热量的水通过第一三通阀和四通阀流入供暖加湿用水模块的保温水箱，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；
步骤S300：工质预热、电堆冷却和补充热水：循环工质通过电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质后流入压缩机进行压缩做功；循环工质流入室内换热器与供暖加湿用水模块主循环回路进行流动换热，并流入储液罐再依次通过过滤器和膨胀阀流入室外换热器与室外环境进行膨胀吸热；循环工质由室外换热器流出并流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质；
步骤S400：根据被动供热、主动供热、加湿、除霜或用水目标运行：
若目标为被动供热，气液分离器液相出口流出的具有一定热量的水通过三通阀和四通阀流入供暖加湿用水模块的保温水箱，通过循环泵进入室内换热器与制热系统循环工质进行流动换热；循环水通过第一三通阀流入地暖盘管系统对建筑整体进行被动式换热后经四通阀流入保温水箱(14)继续循环；
若目标为主动供热，气液分离器液相出口流出的具有一定热量的水通过第一三通阀和四通阀流入供暖加湿用水模块的保温水箱，通过循环泵进入室内换热器与制热系统循环工质进行流动换热；获得热量的循环水通过第一三通阀和四通阀进入保温水箱；循环水依次通过循环泵、第二三通阀和第三三通阀流入风机盘管系统与周围空气进行流动换热，并通过风机盘管系统内风机吹出具有热量的气体通过湿膜材料进入环境对建筑整体进行被动式换热；循环水通过四通阀流入保温水箱继续循环；
若目标为除霜，开通气液分离器气相出口，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，保温水箱中的循环水依次通过循环泵、第二三通阀和第三三通阀流入湿膜材料对风机盘管系统中风机吹出的空气进行加湿，进而对建筑环境进行加湿；
若目标为用水，保温水箱中的水进入生活用水设备回路对生活用水设备进行供水。
本发明运行过程中，所需全部电能均由燃料电池提供，同时其循环过程可以对燃料电池进行有效地冷却；在制热过程中，装置内部循环工质在冷却燃料电池电堆的同时实现自身的预热；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；另外，在制热方式上装置还可以选择主动或被动式制热，能够适应更多环境需求。
本发明通过燃料电池驱动压缩机做功对环境进行制热，循环工质在循环过程中冷却电堆能够实现自身的预热，燃料电池产物能够实现室外换热器的除霜以及循环水的补水，整个运行过程独立稳定，具有高效节能、清洁环保、功能多样等优点。
由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：
1、分布式热泵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，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、利用装置内部循环工质冷却燃料电池，冷却过程无需额外做功，在保证冷却电堆的同时还可以预热循环工质，进而降低了压缩机做功，有效地提升制热过程中装置的运行效率。
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，整个产物利用过程节能环保。
4、多目标运行，本装置可以根据用户需求设置被动供热、主动供热、加湿、除霜或用水多目标运行设备，在保证基础功能稳定运行的前提下能够满足更多用户的需求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：I-供能模块，II-制热模块，III-供暖加湿用水模块，1-燃料电池电堆，2-氧化剂储存罐，3-燃料储存罐，4-电堆冷却回路，5-气液分离器，6-室内换热器，7-储液罐，8-过滤器，9-膨胀阀，10-室外换热器，11-压缩机，12-地暖盘管系统，13-生活用水设备，14-保温水箱，15-循环泵，16-节流阀，17-风机盘管系统，18-湿膜材料，19-第一三通阀，20-四通阀，21-第二三通阀，22-第三三通阀。
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，本发明包括供能模块I、制热模块II和供暖加湿用水模块III；
所述供能模块I包括燃料电池电堆1以及与燃料电池电堆1的阴极室、阳极室相连的氧化剂储存罐2)燃料储存罐3，在燃料电池电堆1外侧缠绕有电堆冷却回路4，气液分离器5与燃料电池电堆1阴极产物出口相连，气液分离器5液相出口通向供暖加湿用水模块III，气液分离器5气相出口通向制冷制热模块II的室外换热器10，阳极产物出口与燃料储存罐3相连通；
所述制热模块II包括依次相连的压缩机11、室内换热器6、储液罐7、过滤器8、膨胀阀9及室外换热器10，室外换热器10的工质出口与供能模块I的电堆冷却回路4的入口相连，电堆冷却回路4的出口与压缩机11的入口相连；
所述供暖加湿用水模块III包括主循环回路和地暖盘管系统，所述的主循环回路包括与室内换热器6并联的风机盘管系统17及保温水箱14，在风机盘管系统17的风道上安装有湿膜材料18，所述的室内换热器6与风机盘管系统17之间的管路上依次与气液分离器5液相出口、地暖盘管系统12入口相连，地暖盘管系统12的出口与与主循环回路相连，保温水箱14上还连接有生活用水设置13，其中地暖盘管系统12通过第一三通阀19和四通阀20与供暖加湿用水模块III主循环回路相连，湿膜材料18与风机盘管系统17通过第二三通阀21相连，风机盘管系统17通过四通阀20和第三三通阀22与供暖加湿用水模块主循环回路相连。
本发明的燃料电池电堆1的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐2和燃料储存罐3相连，所述的氧化剂储存罐2和燃料储存罐3均采用压力容器；燃料电池电堆1的阴极室还可以与空气循环泵或制氧设备相连；燃料电池电堆1的阳极室还可以与外接燃料供给管路相连；压缩机11为容积式制冷压缩机或离心式制冷压缩机；室内换热器6为表面式换热器、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10为表面式换热器、蓄热式换热器、直接接触式换热器或复式换热器；保温水箱14为压力容器，包括不锈钢保温水箱、承压保温水箱或玻璃钢保温水箱；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。
本发明的分布式热泵方法，包括以下步骤：
步骤S100：电堆放电和压缩工质：将氧化剂储存罐2中的氧化剂、燃料储存罐3中的燃料分别通入燃料电池电堆1的阴极室、阳极室使燃料电池电堆1放电，阴极产物流入气液分离器5进行气液分离，阳极产物回流至燃料储存罐3；同时燃料电池电堆1放电压缩机9做功使制热模块II中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和冷却燃料电池电堆：燃料电池电堆1工作产生的电能提供给装置中各用电设备，制热模块II的循环工质经室外换热器10进入电堆冷却回路4对燃料电池电堆进行冷却后流入压缩机11，燃料电池电堆1阴极产物经气液分离器5分离出的具有一定热量的水通过第一三通阀19和四通阀20流入供暖加湿用水模块III的保温水箱14，气液分离器5流出的具有一定热量的气体通向室外换热器13以备除霜使用；
步骤S300：工质预热、电堆冷却和补充热水：循环工质通过电堆冷却回路4冷却燃料电池电堆1并预热工质后流入压缩机11进行压缩做功；循环工质流入室内换热器6与供暖加湿用水模块III主循环回路进行流动换热，并流入储液罐7再依次通过过滤器8和膨胀阀9流入室外换热器10与室外环境进行膨胀吸热；循环工质由室外换热器10流出并流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质；
步骤S400：根据被动供热、主动供热、加湿、除霜或用水目标运行：
若目标为被动供热，气液分离器5液相出口流出的具有一定热量的水通过三通阀19和四通阀20流入供暖加湿用水模块III的保温水箱14，通过循环泵15进入室内换热器6与制热系统II循环工质进行流动换热；循环水通过第一三通阀19流入地暖盘管系统12对建筑整体进行被动式换热后经四通阀20流入保温水箱14继续循环；
若目标为主动供热，气液分离器5液相出口流出的具有一定热量的水通过第一三通阀19和四通阀20流入供暖加湿用水模块III的保温水箱14，通过循环泵15进入室内换热器6与制热系统II循环工质进行流动换热；获得热量的循环水通过第一三通阀19和四通阀20进入保温水箱；循环水依次通过循环泵15、第二三通阀21和第三三通阀22流入风机盘管系统17与周围空气进行流动换热，并通过风机盘管系统17内风机吹出具有热量的气体通过湿膜材料18进入环境对建筑整体进行被动式换热；循环水通过四通阀20流入保温水箱14继续循环；
若目标为除霜，开通气液分离器5气相出口，使具有一定热量的气体通向室外换热器10，对室外换热器进行除霜；
若目标为加湿，保温水箱中的循环水依次通过循环泵15、第二三通阀21和第三三通阀22流入湿膜材料18对风机盘管系统17中风机吹出的空气进行加湿，进而对建筑环境进行加湿；
若目标为用水，保温水箱14中的水进入生活用水设备13回路对生活用水设备13进行供水。
本发明实施例提供分布式热泵装置，以燃料电池作为电源装置，输出清洁稳定的电能，保证装置在寒冷季节内根据建筑内空气环境的变化进行有效地制热，并为整体建筑系统提供必需的热水；装置在运行过程中，循环工质可以对燃料电池进行有效的冷却并在对循环工质进行预热以保证装置整体高效稳定运行；同时，燃料电池电堆反应产物所分离出来的热气可以对室外换热器进行有效地除霜，其分离出来的热水可以为保温水箱补充必要的热量和水分。本发明实施例提供的分布式热泵装置具有能量密度高、不受地理条件限制、清洁稳定、高效节能、环境友好、功能丰富、符合分布式能源装置要求等优点。

Claims (10)

1.一种分布式热泵装置，其特征在于，包括供能模块(I)、制热模块(II)和供暖加湿用水模块(III)；
所述供能模块(I)包括燃料电池电堆(1)，在燃料电池电堆(1)外侧缠绕有电堆冷却回路(4)，气液分离器(5)与燃料电池电堆(1)阴极产物出口相连，气液分离器(5)液相出口通向供暖加湿用水模块(III)，气液分离器(5)气相出口通向制冷制热模块(II)的室外换热器(10)；
所述制热模块(II)包括依次相连的压缩机(11)、室内换热器(6)、储液罐(7)、过滤器(8)、膨胀阀(9)及室外换热器(10)，室外换热器(10)的工质出口与供能模块(I)的电堆冷却回路(4)的入口相连，电堆冷却回路(4)的出口与压缩机(11)的入口相连；
所述供暖加湿用水模块(III)包括主循环回路和地暖盘管系统，所述的主循环回路包括与室内换热器(6)并联的风机盘管系统(17)及保温水箱(14)，在风机盘管系统(17)的风道上安装有湿膜材料(18)，所述的室内换热器(6)与风机盘管系统(17)之间的管路上依次与气液分离器(5)液相出口、地暖盘管系统(12)入口相连，地暖盘管系统(12)的出口与与主循环回路相连，保温水箱(14)上还连接有生活用水设置(13)。
2.根据权利要求1所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐(2)和燃料储存罐(3)相连，阳极产物出口与燃料储存罐(3)相连通，所述的氧化剂储存罐(2)和燃料储存罐(3)均采用压力容器。
3.根据权利要求1所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)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(1)的阳极室与外接燃料供给管路相连。
4.根据权利要求1所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述的地暖盘管系统(12)通过第一三通阀(19)和四通阀(20)与供暖加湿用水模块(III)主循环回路相连，湿膜材料(18)与风机盘管系统(17)通过第二三通阀(21)相连，风机盘管系统(17)通过四通阀(20)和第三三通阀(22)与供暖加湿用水模块主循环回路相连。
5.根据权利要求1所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述的压缩机(11)为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所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述的室内换热器(6)为表面式换热器、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所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述和室外换热器(10)为表面式换热器、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所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述保温水箱(14)为压力容器，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所述的分布式热泵装置，其特征在于，所述湿膜材料(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。
10.一种如权利要求1所述装置的分布式热泵方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S100：电堆放电和压缩工质：将氧化剂储存罐(2)中的氧化剂、燃料储存罐(3)中的燃料分别通入燃料电池电堆(1)的阴极室、阳极室使燃料电池电堆(1)放电，阴极产物流入气液分离器(5)进行气液分离，阳极产物回流至燃料储存罐(3)；同时燃料电池电堆(1)放电压缩机(9)做功使制热模块(II)中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和冷却燃料电池电堆：燃料电池电堆(1)工作产生的电能提供给装置中各用电设备，制热模块(II)的循环工质经室外换热器(10)进入电堆冷却回路(4)对燃料电池电堆进行冷却后流入压缩机(11)，燃料电池电堆(1)阴极产物经气液分离器(5)分离出的具有一定热量的水通过第一三通阀(19)和四通阀(20)流入供暖加湿用水模块(III)的保温水箱(14)，气液分离器(5)流出的具有一定热量的气体通向室外换热器(13)以备除霜使用；
步骤S300：工质预热、电堆冷却和补充热水：循环工质通过电堆冷却回路(4)冷却燃料电池电堆(1)并预热工质后流入压缩机(11)进行压缩做功；循环工质流入室内换热器(6)与供暖加湿用水模块(III)主循环回路进行流动换热，并流入储液罐(7)再依次通过过滤器(8)和膨胀阀(9)流入室外换热器(10)与室外环境进行膨胀吸热；循环工质由室外换热器(10)流出并流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质；
步骤S400：根据被动供热、主动供热、加湿、除霜或用水目标运行：
若目标为被动供热，气液分离器(5)液相出口流出的具有一定热量的水通过三通阀(19)和四通阀(20)流入供暖加湿用水模块(III)的保温水箱(14)，通过循环泵(15)进入室内换热器(6)与制热系统(II)循环工质进行流动换热；循环水通过第一三通阀(19)流入地暖盘管系统(12)对建筑整体进行被动式换热后经四通阀(20)流入保温水箱(14)继续循环；
若目标为主动供热，气液分离器(5)液相出口流出的具有一定热量的水通过第一三通阀(19)和四通阀(20)流入供暖加湿用水模块(III)的保温水箱(14)，通过循环泵(15)进入室内换热器(6)与制热系统(II)循环工质进行流动换热；获得热量的循环水通过第一三通阀(19)和四通阀(20)进入保温水箱；循环水依次通过循环泵(15)、第二三通阀(21)和第三三通阀(22)流入风机盘管系统(17)与周围空气进行流动换热，并通过风机盘管系统(17)内风机吹出具有热量的气体通过湿膜材料(18)进入环境对建筑整体进行被动式换热；循环水通过四通阀(20)流入保温水箱(14)继续循环；
若目标为除霜，开通气液分离器(5)气相出口，使具有一定热量的气体通向室外换热器(10)，对室外换热器进行除霜；
若目标为加湿，保温水箱中的循环水依次通过循环泵(15)、第二三通阀(21)和第三三通阀(22)流入湿膜材料(18)对风机盘管系统(17)中风机吹出的空气进行加湿，进而对建筑环境进行加湿；
若目标为用水，保温水箱(14)中的水进入生活用水设备(13)回路对生活用水设备(13)进行供水。
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