CN108106049A - 一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法，其特征在于，包括热动力发电机组和空气源热泵机组，热动力发电机机组包括发动机和发电机，其中二者传动轴相连；空气源热泵机组包括电动机、压缩机，水侧换热器和表冷器，水侧换热器输出冷水或热水；所述发动机、发电机、压缩机和电动机依次串联连接。该双动力空气源热泵装置及控制方法能采用电力和天然气，实现电力和天然气的优势互补，而且有多种运行模式，尤其冬季采用燃气制热时的热效率要比锅炉直接燃烧高出数倍，能大幅节省燃气资源。

Description

一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制 方法

技术领域

本发明涉及燃气发电和空调领域，尤其涉及一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法。

背景技术

随着天然气在城市的广泛使用，目前很多地区出现冷-热-电联产的能源站，可以提供制冷、供热（采暖和供热水）以及电力供应，其采用内燃发动机或燃气轮机驱动发电动机发电，发电排出的高温尾气和热水供给吸收式热泵机组来制冷。

对于以夏季集中供冷为主的能源站，其冷负荷远大于供热负荷，必须用所发电再来驱动热泵机组，承担大部分负荷，而吸收式热泵机组仅提供辅助供冷。这种制冷运行模式，燃气热能先转化为机械能，再转化为电能，最后再由电能转化为压缩机的机械能，能源重复转换，效率低，而且系统复杂，占地面积大，只适合大型系统。

冬季制热，基本都是采用直接燃烧天然气，效率不高的燃气锅炉；或用电空气源热泵，但存在频繁化霜，制热效果和效率都差的问题。

此外：公开号为103090590A的中国专利公开了一种发动机驱动螺杆式空气源热泵冷热水单元（申请号为201210527521.3），该方案只是采用单一的发动机驱动螺杆式压缩机，压缩机无电机，不能用电力驱动，功能单一，制冷时，燃气机排出的高品位烟气热能没有利用，不能转化成冷源，燃气制冷效率低。

公开号为105276856A的中国专利公开了一种热动力空气源热泵空气调节机（申请号为201510254890.3），其采用发动机驱动压缩机，同时驱动发电机，无电机驱动压缩机功能，结构为皮带传动，功能较单一，结构复杂。

公开号为 1776328的中国专利公开了一种混合动力热动力空气源热泵空调及操作方法（申请号为200510122835.5），该方案中，也采用电动机和发动机联合驱动压缩机，并提到了混合动力装置采用串联方式和并联方式，该技术方案所谓的串联方式，是采用的一种电气和控制逻辑上的串联，即先用发动机发电，再用电机驱动压缩机，发动机和压缩机并无直接的机械连接；而其中并联方式指：发动机可独立带动压缩机，电动机也能独立带动压缩机，然后又可联合驱动压缩机。因此发动机与压缩机，电动机与压缩机之间，分别有独立的机械连接结构，然后再在一起并联，结构复杂，所以说明书里也提到：“并联式混合动力结构复杂，该发明不采用”。

公开号为1862947的中国专利公开了一种基于恒转速的热动力空气源热泵独立供能系统（申请号为200610014290.0），该系统中，发动机可以同时驱动压缩机和发电机，根据附图，其结构也为直连方式，但是发动机设置在压缩机与发电机之间，压缩机只能采用发动机驱动，不能采用电机驱动，功能单一。

因此，有必要设计一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法，该双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法灵活性好，占地面积小，易于实施，可让燃气和电力完美地实现优势互补，同时双能源体系更具战略安全性。

发明的技术解决方案如下：

一种双动力空气源热泵装置，包括热动力发电机组和空气源热泵机组；所述热动力发电机组包括发动机和发电机；所述发动机采用燃料内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃料可采用天然气或汽柴油等。

所述空气源热泵包括电动机、压缩机、水侧换热器、表冷器和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水。压缩机可采用外部传动轴驱动，一般为开启式离心压缩机、开启式螺杆压缩机或开启式活塞机，表冷器与水侧换热器之间设有节流装置，制冷剂受到压缩机的压缩驱动，使在水侧换热器、表冷器和压缩机之间循环流动，并产生相变和温度变化，由四通阀实现制冷与制热模式的制冷剂的流向切换。夏季制冷时水侧换热器内低温制冷剂与循环水换热，输出冷水，通过水管路及水泵送入室内末端风机盘管，为室内提供冷气，表冷器内高温制冷剂通过冷凝风机散热；冬季制热时，通过四通阀切换，水侧换热器内高温制冷剂与循环水换热，输出热水，通过水管路及水泵送入室内末端风机盘管，为室内提供暖气，表冷器内低温制冷剂通过冷凝风机从空气中吸热。

所述发电机和电动机均包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组由多个绕组组成，每个绕组由导线反复缠绕在同一定子铁芯部位而形成；

所述发动机、发电机、压缩机和电动机依次串联连接；所述发电机和压缩机的两端均具有向外伸出的传动轴；其中发电机传动轴一端与发动机传动轴连接，发电机传动轴另一端通过连轴装置与压缩机的传动轴相连，而压缩机的传动轴另一端与电动机连接。

让发动机、发电机、压缩机和电动机的四轴串联直驱，效率更高，结构更简单，更于维护。如内燃机在驱动发电动机输出50Hz三相交流电时，有的转速为3000r/min，而现有开启式压缩机所采用的两极驱动电动机在50Hz三相交流电源驱动时转速为2960r/min，二者转速基本一样，从而使上述直驱连接成为可能。

进一步，还包括余热回收器，余热回收器与发动机的排烟管或冷却水管相连，利用发动机排出的烟气或冷却水加热余热回收器，输出热水。夏季该热水可作为卫生热水；冬季该热水正好可以汇入空调热水系统。

进一步，所述表冷器与发动机的排烟风道之间设有风阀，其中风阀进风口与排烟风道连接，风阀出风口于表冷器连接。当冬季运行制热模式时，从发动机排气口排出的高温烟气通过排烟风道和风阀进入到空气源热泵低温的表冷器，提高制热效果，并降低排烟温度。而夏季制冷时，通过关闭风阀，切断排烟风道，阻止高温烟气进入表冷器。

进一步，所述风阀进风口还可与余热回收器的排烟风道连接。这样在冬季制热时可以让高温烟气先通过余热回收器获得温度较高的热水，然后从余热回收器排出较低温度的烟气再进入10℃以下的低温表冷器，提高热泵机组制热运行时的蒸发温度，融化表冷器的结霜，提高热泵制热效率，甚至可以让空气源热泵冬季无霜运行，而发动机的排烟温度可降至低于气温，实现热源几乎百分百高效利用。夏季制冷时，该风阀则关闭。

进一步，当所述发电机或电动机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述发电机或电动机转子上方的定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；或发电机和电动机转子上方同时包含一个或多个反重力绕组；所述反重力励磁绕组通过在发电机或电动机定子绕组之间增加引出导线而获得，所述反重力励磁绕组通过引出导线可与其他定子绕组电气分离，形成可独立通电工作的回路，也可接入到定子绕组回路中。

发电机和电动机转子内主要材料为铁芯，当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对发电机或电动机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承，或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承，所受的竖直向下压力减小或为零， 此时工况为发动机驱动压缩机，发电机或电动机不发电或不驱动。

由于发动机、发电机、压缩机和电动机均为水平安装，而且在四者中的运动部件，发电机和电动机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直径向压力有关，而与压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用发电机和电动机与发动机和压缩机直接串联结构，此时整个发电机或电动机不仅成了连接发动机与压缩机的传动轴和飞轮，还成为能支撑发动机和压缩机自身传动轴的反重力轴承。而且反重力励磁绕组结构，不需要在发电机或电动机本体上额外增加部件，而是结合发电机或电动机已有轴承、转子和定子，通过优化定子绕组，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有发电机或电动机成为一个庞大的反重力轴承，和一个性能更加优质的反重力惯性飞轮。

所述电动机还可以作为热动力发电机组启动的动力： 在热动力发电机组启动前，让电动机接通电动机模块，通过电动机带动发动机转动；当发动机启动完成之后，电动机与电动机模块断开。

进一步，连轴装置为连轴器或离合器。

连轴装置安装在发电机与电动机传动轴之间，传递传动轴之间的力矩；连轴器是指用法兰盘和螺栓将两根传动轴连接起来，采用连轴器连接是一种固定的连接方式，采用离合器连接是一种灵活的连接方式。

连轴装置采用电控离合器或机械可控离合器，如手动控制的机械离合器。离合器包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，使得两个传动轴同步转动；离合器分离时，两个传动轴之间不传递转矩。

另一种连轴装置为法兰盘连轴器，包括主动盘、中间连接段和从动盘，其中中间连接段的两侧还可设有柔性连接片，主动盘和从动盘分别嵌套固定在所对应的传动轴上；当主动盘、柔性连接片、中间连接段和从动盘之间用螺栓螺帽连接固定后，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之拆除螺栓螺帽，两个传动轴分离；主动盘和从动盘结构完全一样可以互换。

进一步，所述连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置，当发动机的转速或转向与压缩机的转速不一致时，通过变速装置使二者转速或转向达到一致，一般采用齿轮变速箱或皮带轮结构。

进一步，所述的双动力空气源热泵装置还包括电控系统，包括发动机控制模块、发电机控制模块、电动机控制模块和空气源热泵控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的运行；

（2）发电机控制模块包括发电机模块和发电机反重力控制模块中的至少一种；

所述发电机模块与发动机模块和发电机连接，用于控制发电机的励磁，并通过发动机控制模块控制热动力机的转速，向外部输出电源；；

所述发电机反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为发电机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时发电机工作在反重力轴承模式；当发电机控制模块需要发电机工作时，通过反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到发电机的定子绕组中；

（3）电动机控制模块包括电动机模块和电动机反重力控制模块中的至少一种。

所述电动机模块用于控制外部电源为电动机供电，其输出端连接电动机，电动机模块的输入端连接外部电源，用于从外部电源获取电能为电动机中的电动机供电；电动机模块还可采用频率可调电源，能根据压缩机负荷自动调整电动机转速。所述发电模块的输入端与电动机连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；用于将发电动机产生的电能输出到外部负载，外部负载如水泵、照明单元等。

所述电动机反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电动机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时电动机工作在反重力轴承模式；当电动机控制模块需要电动机工作时，通过反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到电动机的定子绕组中。电动机模块和发电模块也可集成合为一个电机控制模块。

（4）所述空气源热泵控制模块与空气源热泵机连接，控制其运行，包括制冷和制热两种运行工况，空气源热泵控制模块也与外部电源连接，为除电动机以外的控制主板、风机等电器件提供电源，在制冷工况下，控制从水侧换热器的冷冻水出水温度；在制热工况下，控制从冷凝器的冷却水出水温度。

（5）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块。传动控制模块连轴装置连接，控制其连接和分离。

电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制，如根据压缩机负荷变化，空气源热泵控制模块可通过发动机控制模块自动调整发动机的转速；或发电模块可根据用电负荷，通过发动机控制模块调整发动机的燃料供应量。

电控系统可与外部通信单元相连；外部通信单元用于在现场或远程控制控制电控系统。如通过现场的现场总线控制电控系统，或通过远程无线（3G、4G或4G等）或有线（因特网）控制电控系统。

进一步，反重力励磁绕组为发电机或电动机定子中独立设置的绕组。

进一步，所述的双动力空气源热泵装置还包括吸收式机组；吸收式机组与发动机的排气管或冷却水管相连；吸收式机组通过发动机排出的烟气和冷却水的余热进行制冷或提供热水。吸收式机组采用单冷型或热泵型，可采用烟气型或热水型，还可带有燃气辅助。

进一步，在发动机与发电机之间，或电动机与压缩机之间也设有连轴装置，该连轴装置可为连轴器或离合器，当采用离合器时也受控于电控系统；当发动机运行，而发电机不发电时，发电机与发动机之间的连轴装置可断开；当压缩机运行，而不需电动机驱动时，电动机与压缩机之间的连轴装置可断开。

一种双动力空气源热泵装置控制方法，采用前述的双动力空气源热泵装置；控制双动力空气源热泵装置工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、发动机单独驱动压缩机；

接通发电机与压缩机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通，并将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通，可选的断开压缩机与电动机的连轴装置；运行发动机，发动机的传动轴同步驱动发电机转子、电动机转子和压缩机，发电机和电动机转子处于被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动压缩机

断开发电机与电动机的连轴装置，发动机不工作；电动机接入电控系统中的电动机源模块，通过电动机驱动压缩机；

（3）模式3、发动机与电力联合驱动压缩机

接通发电机与压缩机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；运行发动机，电动机接入电动机模块，并与外部电源接通，发动机与电动机联合驱动压缩机；发电机转子处于被动空转状态；

（4）模式4、发动机驱动压缩机并同步发电

接通发电机与压缩机的连轴装置，并将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通，可选的断开压缩机与电动机的连轴装置；运行发动机，同步驱动发电机和电动机转子和压缩机；发电机接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；电动机转子处于被动空转状态；

（5）模式5、单发电输出

断开发电机与电动机的连轴装置，电动机不工作，发电机接入发电模块；运行发动机，驱动发电机，通过发电模块，向外部用电负荷输送电能。

进一步，所述的双动力空气源热泵装置控制方法还包括余热利用模式；

在模式1、3、4、5中，在双动力空气源热泵装置中增加吸收式机组和余热回收器；发动机排出的烟气和冷却水供给吸收式机组，可给外部提供冷水；利用发动机排出的烟气或冷却水加热余热回收器，生产的高温热水和发动机的冷却水一起给外部提供部分热水。

有益效果：

本发明公开了一种双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法。

本发明简化了目前已广泛使用的冷-电-热联产系统，提高系统效率，减少占地面积，而且适应性广，充分利用外部电网峰谷电价，可降低运行成本，同时也能提高夏季外部电网的稳定性，让燃气和电力实现燃气和电力实现优势互补，同时双能源体系更加安全高效；此外冬季采用燃气制热时能产生数倍于现有燃气锅炉的热效率，大幅节省燃气资源。本发明主要创新点如下：

创新之一：燃料全热利用，系统高效

燃料的热能效率高低，排烟温度是最显著指标，现有锅炉制热时，即使采用高效锅炉，所排烟气也有一百多摄氏度；而本发明创新的将燃气烟气与空气源热泵结合，在冬季制热时，甚至可让燃料的烟气温度比室外气温还低，能真正实现燃料全热利用，而且空气源热泵也能实现高效无霜运行。

创新之二：转子当传动飞轮，系统简化。

以发动机、发电机、电动机和压缩机的顺序连接为例，当单独采用燃料驱动压缩机时，压缩机必须先驱动发电机和电动机，再驱动压缩机，此时电动机虽不产生动力，发电机也不发电，转子被动空转，但却在发动机与压缩机之间充当具有缓冲、稳定的惯性飞轮。

相对于其他采用发动机与电机并联的系统，当由发动机驱动压缩机时将电机分离，虽然可减少电机空转的摩擦，但是结构复杂，实用性差。而采用机械串联的布局结构实现发动机直驱压缩机，传动效率高，不仅便于电机单独驱动压缩机，也便于发动机独立发电，使整个装置结构简单可靠，同时可方便嫁接现有且十分成熟的燃料发电机和压缩机技术，使本发明具有很好的实用性。

创新之三：发电机、电动机转变成反重力轴承，系统高效。

当电机仅作传动轴和惯性飞轮时，由于转子重量较重，会产生一定的摩擦能耗，而由于在电机中采用反重力励磁绕组的结构，不仅不会增加摩擦力，反而还会减少整个系统的摩擦阻力。通过在发电机或电动机定子中增加引出导线，在定子绕组上部中分离出一组或多组绕组，作为反重力励磁绕组，并对其单独通电，利用定子铁芯和转子铁芯，形成一个能将转子往上吸引的电磁铁结构，通过控制电流，使电磁吸引力大小能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

由于发动机、发电机、压缩机和电动机均为卧式安装，而且在四者中的运动部件，发电机和电动机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直径向压力有关，而与压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。

这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用发动机、发电机、压缩机和电动机直接串联结构，此时整个发电机和电动机不仅成了连接发动机与压缩机的传动轴和飞轮，连轴装置采用刚性连接时，或当发电机、电动机、发动机和压缩机采用同一个传动轴时，还成为能支撑发动机和压缩机自身传动轴的反重力轴承，因而将这种产生反重力效果的整体命名为反重力轴承。

发电机或电动机变轴承，反重力励磁绕组结构看似很复杂，但其实并不需要在发电机和电动机本体上再额外增加部件，轴承、转子和定子都是发电机和电动机本身已有的，只是通过优化定子绕组，增加引出导线，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有发电机和电动机成为一个庞大的反重力轴承，和一个更优质的零重力惯性飞轮，而成本却只有磁悬浮轴承的千分之几，这正是本发明巧妙之处。

当发电机或电动机需要恢复发电和驱动功能时，通过反重力控制模块中的切换单元，对反重力励磁绕组的引线进行切换，将反重力励磁绕组立即恢复到发电机或电动机的定子绕组中。

本发明具有以下突出的优势：

1.降低运行成本，完美实现燃气与电力价格互补。

对于很多采用分时电价的用户，当白天电网处于波峰，电价高时，在使用燃气更经济时，通过燃气驱动空调或发电；当夜间电网处于波峰，电价较低时，通过电力和电机驱动空调。不仅可以减低用户运行费用，而且对可稳定电网负荷，减低电网运行及管理费用。

2.降低设备初投资

现有的很多中央空调用户，如医院、酒店、大型商场，中央空调机房和发电机都是独立标配，通过本发明，可以省去用户购买发电动机费用，以及安装和机房的建设费用。

3. 能源安全，所构建的双能源甚至多能源架构，可降低能源风险。

在医院酒店等场合时，一旦停电，可以采用燃气驱动本系统，不但能保障空调的正常运行，还能进一步为照明等提供供电；当空调压缩机与发电同步运行，所发电还可以驱动中央空调系统的水泵、风机等附属设备，让整个空调机房可以脱离外部电网运行。建筑的空调负荷一般占建筑用电负荷的60-70%以上，一旦空调系统可以不依赖外部电网，结合本发明的发电功能，也就意味整个建筑可以不依赖外部电网，同时除了可用天然气以外，发动机还可以采用燃油、生物燃料等能源，这样可以大大提高能源战略安全性。

3.实现能源分级利用，效率高。

燃气或燃油通过发动机燃烧产生的高品位热能转化为机械能，直接驱动压缩机制冷，产生大量的高温余热烟气和冷却水，供给吸收式机组回收再来制冷。制热时还可进一步采用热泵回收更低品位的余热，相对于现有技术采用燃气直接给吸收机组制冷，或燃气锅炉制热，能源利用要高很多，因而具有显著的经济效益和巨大的社会效益。

4.结构简单操作灵活。

串联结构使系统简单，通过离合器的简单切换，可在系统中实现多种运行模式：（1）由发动机单独驱动压缩机；（2）断开发动机，由电动机通过电力单独驱动压缩机；（3）发动机和电极单元共同驱动压缩机。

另外，在变速装置的配合下，能实现压缩机与多种动力机构的良好匹配，从而使得各设备均能工作在最佳状态，实现整个系统的经济和稳定运行。

更进一步，本发明还具有十多种运行工况，因此，灵活性极强。

附图说明

图1为双动力空气源热泵装置的总体结构示意图；

图2为连轴装置接通示意图；

图3为连轴装置分离的示意图；

图4为电控系统示意图；

图5为发电机定子处于发电机模式的示意图；

图6为电动机定子处于电动机模式的示意图；

图7为发电机定子处于反重力模块控制的示意图；

图8为电动机定子处于反重力模块控制的示意图；

图9为发电机与电动机结构示意图；

图10为法兰连轴器接通示意图；

图11为法兰连轴器分离的示意图；

图12为连轴装置带有变速装置的示意图；

图13为带有余热回收器的热泵装置实施例示意图；

图14为发动机排气与表冷器连接施例示意图；

图15为余热回收器排气与表冷器连接施例示意图；

图16为发动机驱动压缩机模式示意图；

图17为电动机驱动压缩机模式示意图；

图18为发动机和电动机联合驱动压缩机模式示意图；

图19为发动机发电同步驱动压缩机示意图；

图20为发动机驱动发电模式示意图；

图21为压缩机与电动机之间带连轴装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

首先所述发动机可采用燃气或燃油的内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃气最佳采用天然气。

实施例1：如图1，双动力空气源热泵装置中，包括燃气电机机组、热泵机组和电控系统，其中热动力发电机组包括发动机1、发电机2，其中发电机2采用双伸的传动轴201；

其中热泵机组包括电动机3和压缩机40、表冷器41、水侧换热器42和节流装置43，且该压缩机采用外部传动轴301驱动。压缩机40、表冷器41、水侧换热器42和节流装置43依次相连形成环路。

其中压缩机40采用双轴伸结构，一端传动轴与电动机3连接，另一端通过连轴装置5与发电机2的传动轴201连接。

参照图2和图3分别为连轴装置5接通和分离的示意图。

参照图4，电控系统包括发动机控制模块、空气源热泵控制模块、电动机模块、发电模块、反重力控制模块、传动控制模块。其中发动机控制模块与发动机1连接，控制其运行。其中空气源热泵控制模块控制压缩机40运行，还包括模式制冷和制热运行工况，空气源热泵控制模块也与外部电源连接，为除电动机以外的控制主板、风机等电器件提供电源。

其中电动机模块的输出端连接电动机3，电动机模块的输入端连接外部电源。

发电模块的输入端与发电机2连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接。

参照图5、图7、图9，发电机包括传动轴201、转子20、定子绕组21，其中发电机反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于发电机定子绕组顶部的反重力励磁绕组211，其输入端连接外部电源。

参照图6、图8、图9，电动机包括传动轴301、转子30、定子绕组31，其中电动机反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于电动机定子绕组顶部的反重力励磁绕组311，其输入端连接外部电源。

其中传动控制模块与连轴装置5连接，控制其连接和分离。

本实施例中连轴装置5均采用电控离合器，包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之亦然。主动盘和从动盘结构完全一致，可以互换。

电动机3可以作为发动机1启动的动力： 在发动机1启动前，让电动机2接通电动机模块，通过电动机3带动发动机1转动；当发动机1启动完成之后，电动机3与电动机模块断开。

实施例2

与实施例1的区别在于，电动机模块采用频率可调的电源，可以根据压缩机40负荷自动调整电动机3的转速。

实施例3

参照图10和图11，与实施例1的区别在于，连轴装置5采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，包括主动盘501、两套柔性连接片502、中间连接段503、从动盘504、连接螺栓505和螺帽506。主动盘501、柔性连接片502、中间连接段503和从动盘504上均开有若干通孔，可通过螺栓。其中一套柔性连接片502上通过螺栓505螺帽506交替与主动盘501和中间连接段503固定；另一套柔性连接片502上通过螺栓505螺帽506交替与从动盘504和中间连接段503固定。

当主动盘501、柔性连接片502、中间连接段503和从动盘504之间用螺栓505螺帽506连接固定后，主动盘501和从动盘504同步转动，并带动两个传动轴同步转动；反之拆除螺栓505螺帽506，两个传动轴分离；主动盘501和从动盘504结构完全一样可以互换。

实施例4

与实施例1和实施例3的区别在于，采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，但没有柔性连接片502。

实施例5

参照图12，与实施例1的区别在于，连轴装置5上还设置有用于转速或转向变换的变速装置6，变速装置6位于连轴装置5的压缩机40一侧，也可位于发电机2一侧。

实施例6

与实施例1的区别在于，电动机模块、发电模块和其对应反重力控制模块集成为一个电机控制模块。

实施例7

参照图13，与实施例1的区别在于，还包括余热回收器，发动机1排出的高温烟气和冷却水供给余热回收器，与热泵机组共同给外部提供热水。

实施例8

参照图14，与实施例1的区别在于，余热回收器还包括风阀。表冷器41与发动机40的排烟风道之间设有风阀7，并受电控系统控制，其中风阀7进风口与排烟风道连接，风阀7出风口于表冷器41连接。当冬季运行制热模式时，从发动机1排气口排出的高温烟气通过排烟风道和风阀7进入到空气源热泵低温的表冷器31，提高制热效果，并降低排烟温度。而夏季制冷时，通过关闭风阀7，切断排烟风道，阻止高温烟气进入表冷器31。

实施例9

参照图15，与实施例1的区别在于，风阀7进风口还可与余热回收器的排烟风道连接。这样在冬季制热时可以让高温烟气先通过余热回收器获得温度较高的热水，然后从余热回收器排出较低温度的烟气再进入10℃以下的低温表冷器41，提高热泵机组制热运行时的蒸发温度，融化表冷器的结霜，提高热泵制热效率，甚至可以让空气源热泵冬季无霜运行，而发动机1的排烟温度可降至低于气温，实现热源几乎百分百高效利用，同时也利于环保。夏季制冷时，该风阀7则关闭。

根据上述实施例，本装置由发动机1、发电机2、电动机3、连轴装置5和电控系统组成，可夏季制冷、冬季制热和发电，其操作方法如下：

模式1、发动机驱动压缩机

参照图16，接通连轴装置5，将发电机2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通，电动机3的反重力励磁绕组311与反重力控制模块接通。

运行发动机1，发动机1的传动轴同步驱动发电机转子30、电动机转子20和压缩机40，发电机和电动机均处于转子被动空转状态，两个个转子作为飞轮运行。发电机转子20和传动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使传动轴上的轴承22 所受的径向压力减小或为零，减少轴承22摩擦阻力和噪音；同时电动机转子30和传动轴受到上方反重力励磁绕组311的电磁吸引力，使传动轴上的轴承32 所受的径向压力减小或为零，减少轴承32摩擦阻力和噪音。

模式2、电力驱动压缩机

参照图17，让连轴装置5分离，电动机3接入电动机模块，外部电源输电通过电动机3驱动压缩机40。

模式3、发动机与电力联合驱动压缩机

参照图18，接通连轴装置5，将发电机2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通，电动机3接入电动机模块，并与外部电源接通，运行发动机1，与电动机3联合驱动压缩机40，发电机转子处于被动空转状态。

模式4、发动机驱动压缩机同步发电

参照图19，接通连轴装置5，电动机3的反重力励磁绕组311与反重力控制模块接通。发电机2接入发电模块，通过发电模块向外部用电负荷输送电能。

运行发动机1，驱动压缩式40运行，热泵机组运行在制冷工况，通过水侧换热器31向外部输出冷水，电动机均处于转子被动空转状态。当压缩机40的负荷较低时， 发动机1也处于低负荷运行，特别对于燃气轮机，低负荷效率很低，通过增加发电输出，提高发动机的负荷，保持其始终处于高效率运行。

此外在实际机房应用中，制冷系统还需要配置冷冻水泵和冷却水水泵，以及冷气塔等辅助电力设备，它们占机房耗电的30%左右。该模式下，所发的电能可以输送给机房内部外部电源，直接输送水泵，使整改机房完全摆脱公共外部电源的约束，使该装置具有高的独立性。

模式5、单发电输出模式

参照图20，让连轴装置5分离，发电机2接入发电模块，运行发动机1，驱动发电机2，通过发电模块，专门向外部用电负荷输送电能。

在上述模式1、3、4、5中，可增加吸收式机组，发动机的排烟和冷却水供给吸收式机组，给外部提供冷水或热水，不再另行说明。

实施例10

参照图21，在压缩机40与电动机3之间也设有连轴装置5，当电动机不作驱动时，可以将该连轴装置5断开，让电动机3不转动。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双动力空气源热泵装置，其特征在于，包括热动力发电机组和空气源热泵机组；所述热动力发电机组包括发动机和发电机；所述空气源热泵包括电动机、压缩机、水侧换热器、表冷器、冷凝风机和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水；所述发电机和电动机均包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组；所述发动机、发电机、压缩机和电动机依次串联连接

所述发电机和压缩机的两端均具有向外伸出的传动轴；其中发电机传动轴一端与发动机传动轴连接，发电机传动轴另一端通过连轴装置与压缩机的传动轴相连，而压缩机的传动轴另一端与电动机连接；其中连轴装置为连轴器或离合器。

2.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，还包括余热回收器，余热回收器与发动机的排烟管或冷却水管相连，利用发动机排出的高温烟气或冷却水加热余热回收器，输出热水。

3.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，所述表冷器与发动机的排烟风道之间设有风阀，其中风阀进风口与排烟风道连接，或与余热回收器的排烟风道连接，风阀出风口于表冷器进风侧连接。

4.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，当所述发电机或电动机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述发电机或电动机转子上方的定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；或发电机和电动机转子上方同时包含一个或多个反重力绕组；当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对发电机或电动机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

5.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，所述连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置。

6.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，还包括电控系统，电控系统包括发动机控制模块、发电机控制模块、电动机控制模块和空气源热泵控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的运行；

（2）发电机控制模块包括发电机模块和发电机反重力控制模块中的至少一种；

所述发电机模块与发动机模块和发电机连接，用于控制发电机的励磁，并通过发动机控制模块控制热动力机的转速，向外部输出电源；；

所述发电机反重力控制模块输出端与发电机反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为发电机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时发电机工作在反重力轴承模式；当发电机控制模块需要发电机工作时，通过发电机反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到发电机的定子绕组中；

（3）电动机控制模块包括电动机模块和电动机反重力控制模块中的至少一种；

所述电动机模块用于控制外部电源为电动机供电；

所述电动机反重力控制模块输出端与电动机反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电动机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时电动机工作在反重力轴承模式；当电动机控制模块需要电动机工作时，通过电动机反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到电动机的定子绕组中；

（4）空气源热泵控制模块用于控制空气源热泵机的运行；

（5）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块；

所述电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制。

7.根据权利要求4所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，反重力励磁绕组为发电机或电动机定子中独立设置的绕组。

8.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，在电动机与压缩机之间也设有连轴装置。

9.一种双动力空气源热泵装置控制方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的双动力空气源热泵装置；控制双动力空气源热泵装置工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、发动机单独驱动压缩机；

接通发电机与压缩机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通，并将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通，可选的断开压缩机与电动机的连轴装置；运行发动机，发动机的传动轴同步驱动发电机转子、电动机转子和压缩机，发电机和电动机转子处于被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动压缩机

断开发电机与电动机的连轴装置，发动机不工作；电动机接入电控系统中的电动机源模块，通过电动机驱动压缩机；

（3）模式3、发动机与电力联合驱动压缩机

接通发电机与压缩机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；运行发动机，电动机接入电动机模块，并与外部电源接通，发动机与电动机联合驱动压缩机；发电机转子处于被动空转状态；

（4）模式4、发动机驱动压缩机并同步发电

接通发电机与压缩机的连轴装置，并将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通，可选的断开压缩机与电动机的连轴装置；运行发动机，同步驱动发电机和电动机转子和压缩机；发电机接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；电动机转子处于被动空转状态；

（5）模式5、单发电输出

断开发电机与电动机的连轴装置，电动机不工作，发电机接入发电模块；运行发动机，驱动发电机，通过发电模块，向外部用电负荷输送电能。

10.根据权利要求9所述的双动力空气源热泵装置控制方法，其特征在于，还包括余热利用模式；发动机排出的烟气和冷却水供给吸收式机组，可给外部提供冷水；利用发动机排出的烟气或冷却水加热余热回收器，生产的高温热水和发动机的冷却水一起给外部提供部分热水。