CN107091508B - 分布式空气调节装置及方法 - Google Patents

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Abstract

分布式空气调节装置及方法，装置包括制冷制热模块、供能模块和加湿模块；在运行中由燃料电池电堆提供电能，制冷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除霜加湿功能；制热，循环水进入压缩机回路前先进入电池冷却回路，再进入压缩机回路进行循环，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压缩机的做功，提高电堆与装置整体的运行效率；制冷，循环水进入压缩机回路前先进入电池冷却回路，再进入压缩机回路进行循环，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

分布式空气调节装置及方法
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及一种分布式空气调节装置及方法。
背景技术
随着人们对于生活环境的舒适度要求越来越高，空气调节设备的需求量也越来越大，进而导致秋冬季节的用电量逐年上升，这也对国家电网带来了很大的压力。在这样巨大的用电压力下，供电单位一方面增加发电量，另一方面通过停电限电来均衡用电供电之间的平衡，这在造成资源浪费的同时，严重影响着人们对于电的正常使用。因此，如何减缓用电需求对于电网的压力、降低用电设备对于电网的依赖性，越来越受到人们的关注。
目前市面上使用较多的空气调节装置主要有挂壁式、立柜式、窗式、吊顶式，这几种空调在运行过程中大都需要依赖电网提供稳定的电力，因此也需要固定安装在有电网供电的区域，这对于一些特殊区域诸如边疆荒岛、或者一些特殊用途诸如露营行军等都得不到有效的应用，另外电网的停电限电所带来的不稳定性对空气调节设备的稳定运行也带来了很大的挑战。
燃料电池技术是一种新型发电技术，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，被认为是解决能源危机的终极方案。基于上述优点，燃料电池技术在分布式能源技术中也得到了越来越多的应用。
但是，在燃料电池运行过程中，其长时间工作会产生大量热量，其生成产物未能得到有效处理，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
本发明的目的在于提供一种持续稳定、高效节能、环境友好、功能丰富的分布式空气调节装置及方法。
为达到上述目的，本发明的装置包括供能模块、制冷制热模块和加湿模块；
其中制冷制热模块的循环回路与供能模块的电堆冷却回路相连，供能模块的气液分离器液相出口与加湿模块相连，供能模块的气液分离器气相出口通向制冷制热模块的室外换热器；制冷制热模块的室内换热器的出风口通向加湿模块的湿膜材料；
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，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加湿模块的水分配器，气液分离器气相出口通向制冷制热模块的室外换热器；
所述制冷制热模块包括室内换热器，室内换热器通过第一分液器、膨胀阀与压缩机外回路相连，压缩机内回路通过四通换向阀与压缩机外回路相连，且在压缩机入口管路上还安装有气液分离器，室外换热器通过第二分液器与压缩机外回路相连；电堆冷却回路入口与四通换向阀相连，出口与压缩机上的气液分离器相连，
所述加湿模块包括与气液分离器的液相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。
所述的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。
本发明的分布式空气调节方法，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冷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，气液分离器液相出口流出的具有一定热量的水流向水分配器以备加湿使用，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，循环工质再次流入压缩机之前先通向电堆冷却回路对燃料电池电堆进行冷却降温；
步骤S300：根据供冷、供热、加湿或除霜目标运行：
若目标为供冷，循环工质通过电堆冷却回路冷却燃料电池电堆后通过气液分离器流入压缩机进行压缩做功；循环工质由四通换向阀流入室外换热器与室外环境进行流动换热，并通过第二分液器、膨胀阀、第一分液器流入室内换热器与室内环境进行膨胀吸热，室内环境所获得的冷空气通过风机经过湿膜材料吹出；循环工质由室内换热器流出通过四通换向阀流入压缩机内回路，并流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆；
若目标为供热，循环工质经电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质后通过气液分离器流入压缩机进行压缩做功；循环工质由四通换向阀流入室内换热器与室内环境进行流动换热，室内环境所获得的热空气通过风机经过湿膜材料吹出，经室内换热器后的循环工质经第一分液器、膨胀阀、第二分液器流入室外换热器与室外环境进行膨胀吸热后通过四通换向阀流入压缩机内回路，并流入电堆冷却回路冷却燃料电池电堆并预热工质；
若目标为加湿，开通气液分离器液相出口通过水分配器使储存的水流入湿膜材料，利用制冷制热模块室内换热器风机吹出的气流使水分吹出，对环境进行加湿；
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。
本发明通过燃料电池获得稳定的电能，在运行过程中，装置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，装置所需部分热量可由电池产物提供；在除霜过程中，装置所需热量可从电池产物中获得；在加湿过程中，装置所需水分可由燃料电池提供。
本发明以燃料电池作为电力来源并能够稳定供热、供冷、供水、加湿、除霜的独立空气调节装置，其实施方法在于根据建筑内空气环境的变化进行有效地制冷制热加湿，同时，装置在运行过程中可以对燃料电池进行有效的冷却以及对室外换热器进行及时的除霜以保证其高效稳定运行。
由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：
1、分布式空气调节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，在制热模式中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热，整个产物利用过程节能环保。
附图说明
图1是本发明实施例提供的分布式空气调节装置结构示意图。
图1中的符号表示为：I-供能模块，II-制冷制热模块，III-加湿模块，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-第一分液器，8-四通换向阀，9-压缩机，10-气液分离器，11-膨胀阀，12-第二分液器，13-室外换热器，14-水分配器，15-湿膜材料，16-储水槽。
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，本发明的装置包括供能模块I、制冷制热模块II和加湿模块III；
其中制冷制热模块II的循环回路与供能模块I的电堆冷却回路4相连，供能模块I的气液分离器5液相出口与加湿模块III相连，供能模块I的气液分离器5气相出口通向制冷制热模块(II)的室外换热器13；制冷制热模块II的室内换热器6的出风口通向加湿模块(III)的湿膜材料15；
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阴极室、阳极室相连的氧化剂储存罐2和燃料储存罐3，在燃料电池电堆1外侧缠绕有与制冷制热模块II的循环回路相连的电堆冷却回路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液相出口通向加湿模块III的水分配器14，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13，阳极产物出口与燃料储存罐3相连通；
所述制冷制热模块II包括室内换热器6，室内换热器6通过第一分液器7、膨胀阀11与压缩机9外回路相连，压缩机9内回路通过四通换向阀8与压缩机9外回路相连，且在压缩机9入口管路上还安装有气液分离器10，室外换热器13通过第二分液器12与压缩机9外回路相连；电堆冷却回路4入口与四通换向阀8相连，出口与压缩机9上的气液分离器10相连；
所述加湿模块III包括与气液分离器5的液相出口相连的水分配器14，水分配器14出口与湿膜材料15进口相连，湿膜材料15出口与储水槽16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9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13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。
加湿模块III的湿膜材料15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。
本发明的燃料电池电堆1为交换膜燃料电池，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。
本发明的分布式空气调节方法，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做功使制冷制热模块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，气液分离器5液相出口流出的具有一定热量的水流向水分配器14以备加湿使用，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；同时，循环工质再次流入压缩机9之前先通向电堆冷却回路4对燃料电池电堆1进行冷却降温；
步骤S300：根据供冷、供热、加湿或除霜目标运行：
若目标为供冷，循环工质通过电堆冷却回路4冷却燃料电池电堆后通过气液分离器10流入压缩机9进行压缩做功；循环工质由四通换向阀8流入室外换热器13与室外环境进行流动换热，并通过第二分液器12、膨胀阀11、第一分液器7流入室内换热器6与室内环境进行膨胀吸热，室内环境所获得的冷空气通过风机经过湿膜材料15吹出；循环工质由室内换热器6流出通过四通换向阀8流入压缩机9内回路，并流入电堆冷却回路4冷却燃料电池电堆1；
若目标为供热，循环工质经电堆冷却回路4冷却燃料电池电堆1并预热工质后通过气液分离器10流入压缩机9进行压缩做功；循环工质由四通换向阀8流入室内换热器6与室内环境进行流动换热，室内环境所获得的热空气通过风机经过湿膜材料15吹出，经室内换热器6后的循环工质经第一分液器7、膨胀阀11、第二分液器12流入室外换热器13与室外环境进行膨胀吸热后通过四通换向阀8流入压缩机9内回路，并流入电堆冷却回路4冷却燃料电池电堆1并预热工质；
若目标为加湿，开通气液分离器5液相出口通过水分配器14使储存的水流入湿膜材料15，利用制冷制热模块II室内换热器6风机吹出的气流使水分吹出，对环境进行加湿；
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13，对室外换热器13进行除霜。

Claims (8)

1.基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，所述分布式空气调节装置包括供能模块(I)、制冷制热模块(II)和加湿模块(III)，在运行过程中，装置所需全部电能均由燃料电池提供；
其中制冷制热模块(II)的循环回路与供能模块(I)的电堆冷却回路(4)相连，供能模块(I)的气液分离器(5)液相出口与加湿模块(III)相连，供能模块(I)的气液分离器(5)气相出口通向制冷制热模块(II)的室外换热器(13)；制冷制热模块(II)的室内换热器(6)的出风口通向加湿模块(III)的湿膜材料(15)；
所述供能模块(I)包括燃料电池电堆(1)，在燃料电池电堆(1)外侧缠绕有与制冷制热模块(II)的循环回路相连的电堆冷却回路(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)液相出口通向加湿模块(III)的水分配器(14)，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(13)；
所述制冷制热模块(II)包括室内换热器(6)，室内换热器(6)通过第一分液器(7)、膨胀阀(11)与压缩机(9)外回路相连，压缩机(9)内回路通过四通换向阀(8)与压缩机(9)外回路相连，且在压缩机(9)入口管路上还安装有气液分离器(10)，室外换热器(13)通过第二分液器(12)与压缩机(9)外回路相连；电堆冷却回路(4)入口与四通换向阀(8)相连，出口与压缩机(9)上的气液分离器(10)相连；
所述加湿模块(III)包括与气液分离器(5)的液相出口相连的水分配器(14)，水分配器(14)出口与湿膜材料(15)进口相连，湿膜材料(15)出口与储水槽(16)相连；
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)做功使制冷制热模块(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，气液分离器(5)液相出口流出的具有一定热量的水流向水分配器(14)以备加湿使用，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；同时，循环工质再次流入压缩机(9)之前先通向电堆冷却回路(4)对燃料电池电堆(1)进行冷却降温；
步骤S300：根据供冷、供热、加湿或除霜目标运行：
若目标为供冷，循环工质通过电堆冷却回路(4)冷却燃料电池电堆后通过气液分离器(10)流入压缩机(9)进行压缩做功；循环工质由四通换向阀(8)流入室外换热器(13)与室外环境进行流动换热，并通过第二分液器(12)、膨胀阀(11)、第一分液器(7)流入室内换热器(6)与室内环境进行膨胀吸热，室内环境所获得的冷空气通过风机经过湿膜材料(15)吹出；循环工质由室内换热器(6)流出通过四通换向阀(8)流入压缩机(9)内回路，并流入电堆冷却回路(4)冷却燃料电池电堆(1)；
若目标为供热，循环工质经电堆冷却回路(4)冷却燃料电池电堆(1)并预热工质后通过气液分离器(10)流入压缩机(9)进行压缩做功；循环工质由四通换向阀(8)流入室内换热器(6)与室内环境进行流动换热，室内环境所获得的热空气通过风机经过湿膜材料(15)吹出，经室内换热器(6)后的循环工质经第一分液器(7)、膨胀阀(11)、第二分液器(12)流入室外换热器(13)与室外环境进行膨胀吸热后通过四通换向阀(8)流入压缩机(9)内回路，并流入电堆冷却回路(4)冷却燃料电池电堆(1)并预热工质；
若目标为加湿，开通气液分离器(5)液相出口通过水分配器(14)使储存的水流入湿膜材料(15)，利用制冷制热模块(II)室内换热器(6)风机吹出的气流使水分吹出，对环境进行加湿；
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(13)，对室外换热器(13)进行除霜。
2.根据权利要求1所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，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所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，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。
4.根据权利要求1所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)的阳极室与外接燃料供给管路相连。
5.根据权利要求1所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，其特征在于，所述的压缩机(9)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所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，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所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，其特征在于，所述的室外换热器(13)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所述基于分布式空气调节装置的分布式空气调节方法，其特征在于，所述加湿模块(III)的湿膜材料(15)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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CN1789863A (zh) * 2004-12-13 2006-06-21 Lg电子株式会社 使用燃料电池废热的制冷/制热装置

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