CN1737460A - 热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热电联产系统包括：发动机(50)，其驱动发电机(52)发电；制冷/制热单元(60)，其包括：至少一个压缩机(61)、四通阀(62)、室外热交换器(63)、膨胀装置(64)以及室内热交换器(65)，以建立热泵型制冷剂循环；以及废热消耗制热单元(70)，以供应从该发动机(50)排放的废气的热至该制冷/制热单元(60)中的该室内热交换器(65)的热交换区，从而加热有限的空间。由于从发动机(50)产生的废热被直接使用在制冷/制热单元(60)中，因此实现了室内制热效率的提高。

Description

热电联产系统
技术领域
本发明涉及一种从发动机产生的电和废热都被使用的热电联产系统(cogeneration system)，尤其涉及一种从发动机产生的废热被供应至室内热交换器的热交换区以实现制热运行的热电联产系统。
背景技术
通常，热电联产系统适于从单个能源中产生电和热。
这种热电联产系统能够回收在发电运行期间从发动机或者涡轮产生的废气的热或者冷却水的废热，所以该热电联产系统能够实现比其它系统提高70％至80％的能量效率。由于这个优点，近来热电联产系统已显著地被用作建筑物的电和热供应源。特别是，由于回收的废热主要用于加热或者冷却有限的空间以及用于加热水，该热电联产系统显示了高效的能量利用。
图1是显示用在制热/制冷装置中的传统热电联产系统的结构示意图。
如图1所示，传统热电联产系统包括燃气发动机1和由从燃气发动机1输出的驱动力驱动的发电机3。从发电机3产生的电用在各种设备中，包括制冷/制热单元20、照明设备和其它电子产品。
在该热电联产系统中，从燃气发动机1产生的废热，即，当冷却水冷却燃气发动机1时产生的冷却水的热，以及从燃气发动机1产生的废气的热，可用在制冷/制热单元20的制热运行期间。
这里，制冷/制热单元20是热泵型的，因此该制冷/制热单元20不仅能够用作制冷单元，也能够在制冷剂循环中制冷剂流动方向被反向的状态下用作制热单元。如在通常的热泵型结构中，制冷/制热单元20包括：压缩机21、四通阀23、室外热交换器25、室外风扇26、膨胀装置27以及室内热交换器29。
特别是，空气预热热交换器30设置在室外热交换器25侧，以在制冷/制热单元20的制热运行期间，使用燃气发动机1的废热预热传送至室外热交换器25的空气。
为了将废热供应至制冷/制热单元20，该热电联产系统还包括：冷却水热交换器5，以回收用于冷却燃气发动机1的冷却水的热；以及设置在排气管道7处的废气热交换器9，以回收废气的热。
冷却水热交换器5和废气热交换器9通过传热介质流经的传热管线11，与制冷/制热单元20中的空气预热热交换器30连接，以便在制冷/制热单元20的制热运行期间，将废热供应至空气预热热交换器30。因此，该热电联产系统回收发动机热和废气热，使用回收的热通过空气预热热交换器30预热室外空气，并且使预热后的空气与室外热交换器25执行热交换，因而可防止当室外空气的温度很低时可能发生的制冷/制热单元20的制热性能的降低。
当制冷/制热单元20在制冷模式下运行时，传热介质的流径(flow path)被改变为和连接于传热管线11的散热管线13相通，这是因为不必供应废热。在这种情况下，废热通过包括热交换器15和散热器风扇16的散热器17被排放到大气中，或者被供应至并用在热水器、热水供应装置或者其它系统中。
在图1中，附图标记P表示泵，每个泵用于强制传热介质流经传热管线11的相关部分，附图标记V表示阀，每个阀用于在传热管线11和散热管线13之间转换传热介质的流径。
虽然从燃气发动机1产生的废热用于通过空气预热热交换器30预热室外热交换器25，传统热电联产系统仍具有由于废热不是直接用于加热有限的空间而出现的能量效率降低的问题。
发明内容
鉴于上述问题提出本发明，并且本发明的目的在于提供一种热电联产系统，其中从发动机产生的废热直接供应至连接于室内热交换器的流体管线(fluid line)，以便该废热被用于加热有限的空间，由此实现制热效率的提高。
本发明的另一目的在于提供一种热电联产系统，其中从发动机产生的废热被用于预热经过压缩机的吸入管线的制冷剂，以便能够防止在制冷剂循环的运行期间制热性能的降低。
根据一个方案，本发明提供一种热电联产系统，包括：发动机，其驱动发电机发电；制冷/制热单元，包括：至少一个压缩机、四通阀、室外热交换器、膨胀装置以及室内热交换器，以建立热泵型制冷剂循环；以及废热消耗制热单元，以供应从该发动机排放的废气的热至该制冷/制热单元中的该室内热交换器的热交换区，从而加热有限的空间。
该废热消耗制热单元可以包括：废气热交换器，设置在该废气经过的排气管道处；室内加热器，设置在该室内热交换器的该热交换区，以执行与室内空气的热交换；以及制热管线，与该废气热交换器和该室内加热器连接，以引导传热介质在该废气热交换器和该室内加热器之间流动。
该废热消耗制热单元还可以包括：废热散发单元，以在不需将热供应至该室内加热器时，散发由该废气热交换器回收的热。
该废热散发单元可以包括：散热管线，由该制热管线分支出；阀，通过该散热管线，迂回传输(bypass)该制热管线中的该传热介质；以及散热器，设置在该散热管线处。
该室内加热器可以与该室内热交换器平行设置，以便该室内加热器根据室内风扇的运行而执行与室内空气的热交换。
该室内加热器可以设置在相对于该室内空气的流动方向该室内热交换器的下游。
该热电联产系统还可以包括：制冷剂预热单元，以供应用于冷却该发动机的冷却水的热至该制冷/制热单元中的该压缩机的吸入侧，从而预热经过该压缩机的该吸入侧的制冷剂。
该制冷剂预热单元可以包括：冷却水管线，该发动机的该冷却水经过该冷却水管线；以及冷却水热交换器，以回收该冷却水管线中的该冷却水的热，并传递所回收的热至与该压缩机的吸入部分连接的制冷剂管线。
该制冷剂预热单元还可以包括：制冷剂预热热交换器，设置在该冷却水热交换器与连接于该压缩机的该吸入部分的该制冷剂管线之间，以间接地传递该冷却水热交换器回收的热至连接于该压缩机的该吸入部分的该制冷剂管线。
该热电联产系统还可以包括：制冷剂旁路(bypass)管线，由连接于该压缩机的该吸入部分的该制冷剂管线分支出，以在该制冷/制热单元的制冷运行期间，允许制冷剂管线中的制冷剂绕过该制冷剂预热单元。
该热电联产系统还可以包括：冷却水散热单元，设置在该冷却水管线处，以在不需要将热供应至该压缩机的该吸入侧时，散发该冷却水的热。
根据另一个方案，本发明提供一种热电联产系统，包括：发动机，其驱动发电机发电；制冷/制热单元，其包括：至少一个压缩机、四通阀、室外热交换器、膨胀装置以及室内热交换器，以建立热泵型制冷剂循环；以及室内制热单元，将从该发动机排放的废气的热或者用于冷却该发动机的冷却水的热供应至该制冷/制热单元中的该室内热交换器的热交换区，从而加热有限的空间。
因为本发明的热电联产系统包括室内加热器，其使用从发动机产生的废热来加热吹向室内热交换器的空气，所以该热电联产系统能够实现室内制热效率的提高。
由于室内加热器被设置在室内热交换器的下游，因此本发明的热电联产系统还具有防止制冷/制热单元的制冷剂恶化(degrade)的效果。
另外，因为能够使用从发动机产生的废热来预热经过压缩机的吸入侧的制冷剂，从而升高制冷剂的温度，因此本发明的热电联产系统实现了制热性能的提高。
附图说明
结合附图在阅读下面详细描述后，本发明的上述目的、其它特征及优点将变得更明显。
图1是显示传统热电联产系统的结构示意图。
图2是显示根据本发明的优选实施例的热电联产系统的结构示意图。
图3是显示根据本发明的另一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个室内热交换器。
图4是显示根据本发明的又一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个制冷/制热单元。
具体实施方式
在下文中，将结合附图描述根据本发明的热电联产系统的优选实施例。
虽然很多实施例能够实现本发明的热电联产系统，但是下面的描述将结合最佳的实施例而给出。由于该热电联产系统的基本结构与传统热电联产系统的基本结构相同，对此将不再进行描述。
图2是显示根据本发明的优选实施例的热电联产系统的结构示意图。
如图2所示，热电联产系统包括：发动机50，其使用化石燃料(fossil fuel)如天然气或者石油气来运行；发电机52，使用发动机50的驱动力发电；废气热交换器72，以回收发动机50的废气的热；冷却水热交换器82，以回收发动机50的冷却水的热；以及散热器78和88，以分别散发废气热和冷却水热。
热电联产系统还包括制冷/制热单元60，其利用从发动机50产生的废热使用热泵型制冷剂循环。该制冷/制热单元60包括：至少一个压缩机61、四通阀62、室外热交换器63、膨胀装置64、室内热交换器65以及室内风扇66，像通常的热泵型制冷/制热单元一样，该制冷/制热单元60能够用作制冷单元，并且根据在制冷/制热单元的制冷剂循环中制冷剂流动的反向而用作制热单元。
特别是，废热消耗制热单元70与制冷/制热单元60连接。废热消耗制热单元70将从发动机50排放的废气的热供应至室内热交换器65的热交换区，从而加热有限的空间。
废气热交换器72包括在废热消耗制热单元70中。废气热交换器72设置在排放发动机50的废气的排气管道54。除废气热交换器72外，该废热消耗制热单元70还包括：室内加热器74，设置在室内热交换器65的热交换区处，以执行与室内空气的热交换；制热管线73，与废气热交换器72和室内加热器74连接，以引导传热介质如液体在废气热交换器72和室内加热器74之间流动。
优选地是，室内加热器74配置为：经过室内加热器74的内部的传热介质如液体与传送至室内加热器74的空气执行热交换，就像通常的气冷型(Aircooled type)热交换器那样。室内加热器74与室内热交换器65平行设置，以便室内加热器74根据室内风扇66的运行而执行与室内空气的热交换。室内加热器74设置在室内热交换器65和室内风扇66之间，相对于室内空气的流动方向室内热交换器65的下游。
废热消耗制热单元70还包括废热散发单元75，当在制冷/制热单元60的制冷运行期间必须防止热被供应至室内加热器74时，该废热散发单元75经过废气热交换器72将所回收的热散到大气中。废热散发单元75包括从制热管线73分支出的散热管线77、分别设置在散热管线77的相对端的阀76、以及设置在散热管线77处的散热器78。
优选地是，每个阀76是线圈型三通阀，用于在热电联产系统所包括的控制装置的控制下，来改变制热管线73与散热管线77之间的流体路径(fluidpath)。散热器78可以是气冷型，以便散热器78将热散到大气中。可替换地，散热器78也可以采用热交换器的形式且配置为以加热水或者供应热水。
在图2中，附图标记P表示泵，每个泵用于强制传热介质流经相关的管线。
本实施例的热电联产系统还包括制冷剂预热单元80，以将用于冷却发动机50的冷却水的热供应至制冷/制热单元60中的压缩机61的吸入侧的制冷剂管线67，从而预热经过制冷剂管线67的制冷剂。
制冷剂预热单元80包括：冷却水管线81，发动机50的冷却水经过该冷却水管线81；以及冷却水热交换器82，回收来自冷却水管线81的冷却水热，并将所回收的热传递至与压缩机61的吸入部分连接的制冷剂管线67。
制冷剂预热热交换器84设置在连接于冷却水热交换器82的热交换管线83与连接于压缩机61的吸入部分的制冷剂管线67之间，以间接地将冷却水热交换器82回收的热传递至压缩机吸入侧的制冷剂管线67。
也就是说，制冷剂预热热交换器84配置为实现连接冷却水热交换器82的热交换管线83与制冷剂管线67之间的热交换。
制冷剂旁路管线68是由连接于压缩机61的吸入部分的制冷剂管线67分支出。阀69设置在制冷剂旁路管线68的相对端，以分别改变制冷剂管线67与制冷剂旁路管线68之间的制冷剂路径。制冷剂旁路管线68和阀69用于在制冷/制热单元60的制冷运行期间，使经过制冷剂管线67的制冷剂绕过制冷剂预热单元80。
优选地是，每个阀69具有与废热散发单元75的阀76相同的功能。
冷却水散热单元85设置在冷却水管线81处，以在制冷/制热单元60的制冷运行期间不需要将热供应至压缩机61的吸入侧时，散发冷却水的热。
为了将冷却水的热散到大气中，冷却水散热单元85包括：由冷却水管线81分支出的散热管线87；阀86，分别设置在散热管线87的相对端，以通过散热管线87迂回传输冷却水管线81中的冷却水；以及设置在散热管线87处的散热器88。散热器88可以被连接至其它系统以使用冷却水的废热，如上所述的那样，其中废气的热被用来加热水或者用来供应热水。
由于本实施例的热电联产系统包括几个热交换器：废气热交换器72、冷却水热交换器82、制冷剂预热热交换器84、以及室内加热器74，因此即使在制热运行期间也可以根据给定的设计条件，通过适当地执行具有热交换功能的水暖(water-heating)热交换器或者水暖容器，接受来自上述热交换器的热来运行热水器或者其它热消耗装置。
另一方面，图3是显示根据本发明的另一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个室内热交换器。在这种情况下，多个室内热交换器65A、65B和65C串联或者并联地设置在单个的制冷/制热单元60中，以分别冷却/加热多个有限的空间。在这种情况下，在废热消耗制热单元70中包括分别与室内热交换器65A、65B和65C对应的多个室内加热器74A、74B和74C。
室内加热器74A、74B和74C可以具有各种设置，例如，根据给定的设计条件串联或者并联设置在制热管线73上。另外，可以为室内热交换器74A、74B和74C中所需的一个或者几个而选择地设置室内加热器74A、74B和74C。
也可以使用多个压缩机61和/或多个室外热交换器63。
相应于图2结构的组成元件的图3结构的组成元件分别由相同的附图标记指定，因此这里不再描述。同样地，相应于图2结构的组成元件的、下文将描述的图4结构的组成元件也分别由相同的附图标记指定，因此不再描述。
图4是显示根据本发明的又一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个制冷/制热单元。在这种情况下，分配器90和95分别设置在连接于废热消耗制热单元70的制热管线73处，以及连接于制冷剂预热单元80的制冷剂管线67处，以将热分配给多个制冷/制热单元60A、60B和60C。
可替换地，分配器90和95也可以设置在热交换管线83处，以便分配器90和95与制冷/制热单元60A、60B和60C连接。
同时，上述热交换器可以根据给定的设计条件或者给定需求而具有各种传热结构，例如，其中通过热导体执行传热的传热结构，或者通过存在于热交换器中的流体执行传热的传热结构。
下面将描述根据本发明的热电联产系统的运行。
在制冷/制热单元60的制热运行期间，制冷剂依次流经压缩机61、四通阀62、室内热交换器65、膨胀装置64以及室外热交换器63，以执行制热运行。
同时，由来自发动机50的驱动力产生的电可以被用于运行压缩机61、室内风扇66或者室外风扇26。
特别是，在发动机50的运行期间从发动机50排放的废气的热，经由废气热交换器72、制热管线73和室内加热器74被供应至有限的空间，由此与室内热交换器65一起，直接增加有限空间内的室内空气的温度。从而，热电联产系统的加热有限空间的性能得以提高。
另外，由于室内加热器74设置在室内热交换器65的下游，所以室内热交换器74不直接执行与经过室内热交换器65的制冷剂的热交换。因此，能够防止制冷剂提早恶化。此外，由于室内加热器74被直接安装在有限的空间内，从而室内加热器74用于增加该有限空间的温度，而不需使用额外的热交换器，相应地，热电联产系统的制热性能就被提高。
在上述制热运行的同时，用于冷却发动机50的冷却水的热在经过冷却水热交换器82和制冷剂预热热交换器84的同时，预热经过压缩机61的吸入侧的制冷剂。因此，从压缩机61出来的制冷剂的温度被升高，以便制冷剂在经过用作蒸发器的室内热交换器65的同时，放出较高温度的热。因此，可实现热电联产系统的制热效率的提高。
由于制冷剂管线67间接地与冷却水热交换器82连接，从而该制冷剂管线67经由制冷剂预热热交换器84，执行与冷却水热交换器82的热交换，因此能够防止制冷剂被过度加热，从而迅速地恶化。
虽然本发明的热电联产系统已经描述为使用经过废热消耗制热单元70和制冷剂预热单元80的废气的热和冷却水的热，但是如果需要，也能够使用从热源中选择一个以执行制热运行。
当制冷/制热单元60以制冷模式运行或者停止制冷/制热运行时，非常重要的是，要防止从发动机50产生的废气的热和冷却水的热被供应至制冷/制热单元60。因此，在这种情况下，制冷剂管线67的阀69和废热消耗制热单元70的阀76分别被运行，以改变与废气热和冷却水热相关的流体路径。
因此，在制冷/制热单元60中的制冷剂流经旁路管线68，并且废气热交换流体和冷却水分别流经散热管线77和87。因而，废气热和冷却水热分别被排到大气中或者被传递至其它废热消耗系统中。
从上述明显看出，因为本发明的热电联产系统包括室内加热器，以使用从发动机产生的废热来加热吹向室内热交换器的空气，所以该热电联产系统能够实现室内制热效率的提高。
由于室内加热器被设置在室内热交换器的下游，因此本发明的热电联产系统还具有防止制冷/制热单元的制冷剂迅速恶化的效果。
另外，因为能够使用从发动机产生的废热来预热经过压缩机的吸入侧的制冷剂，从而升高制冷剂的温度，因此本发明的热电联产系统实现了制热性能的提高。
虽然为解释的目的已揭示本发明的优选实施例，然而本领域技术人员将理解在不脱离如随附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神内，可以有各种修改、添加和替换。

Claims (11)

1.一种热电联产系统，其特征在于包括：
发动机(50)，其驱动发电机(52)发电；
制冷/制热单元(60)，其包括：至少一个压缩机(61)、四通阀(62)、室外热交换器(63)、膨胀装置(64)以及室内热交换器(65)，以建立热泵型制冷剂循环；以及
废热消耗制热单元(70)，以供应从该发动机(50)排放的废气的热至该制冷/制热单元(60)中的该室内热交换器(65)的热交换区，从而加热有限的空间。
2.根据权利要求1所述的热电联产系统，其中，该废热消耗制热单元(70)包括：
废气热交换器(72)，设置在该废气经过的排气管道处；
室内加热器(74)，设置在该室内热交换器(65)的该热交换区，以执行与室内空气的热交换；以及
制热管线(73)，其与该废气热交换器(72)和该室内加热器(74)连接，以引导传热介质在该废气热交换器(72)和该室内加热器(74)之间流动。
3.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中，该废热消耗制热单元(70)还包括：
废热散发单元(75)，以在不需将热供应至该室内加热器(74)时，散发由该废气热交换器(72)回收的热。
4.根据权利要求3所述的热电联产系统，其中，该废热散发单元(75)包括：
散热管线(77)，由该制热管线(73)分支出；
阀(76)，以通过该散热管线(77)迂回传输该制热管线(73)中的该传热介质；以及
散热器(78)，设置在该散热管线(77)处。
5.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中，该室内加热器(74)与该室内热交换器(65)平行设置，以便该室内加热器(74)根据室内风扇(66)的运行而执行与室内空气的热交换。
6.根据权利要求5所述的热电联产系统，其中，该室内加热器(74)相对于该室内空气的流动方向设置在该室内热交换器(65)的下游。
7.根据权利要求1所述的热电联产系统，还包括：
制冷剂预热单元(80)，以供应用于冷却该发动机(50)的冷却水的热至该制冷/制热单元(60)中的该压缩机(61)的吸入侧，从而预热经过该压缩机(61)的该吸入侧的制冷剂。
8.根据权利要求7所述的热电联产系统，其中，该制冷剂预热单元(80)包括：
冷却水管线(81)，该发动机(50)的该冷却水经过该冷却水管线(81)；以及
冷却水热交换器(82)，以回收该冷却水管线(81)中的该冷却水的热，并传递所回收的热至与该压缩机(61)的吸入部分连接的制冷剂管线(67)。
9.根据权利要求8所述的热电联产系统，其中，该制冷剂预热单元(80)还包括：
制冷剂预热热交换器(84)，设置在该冷却水热交换器(82)与连接于该压缩机(61)的该吸入部分的该制冷剂管线(67)之间，以间接地传递该冷却水热交换器(82)所回收的热至连接于该压缩机(61)的该吸入部分的该制冷剂管线(67)。
10.根据权利要求8所述的热电联产系统，还包括：
制冷剂旁路管线(68)，由连接于该压缩机(61)的该吸入部分的该制冷剂管线(67)分支出，以在该制冷/制热单元(60)的制冷运行期间，允许制冷剂管线(67)中的制冷剂绕过该制冷剂预热单元(80)。
11.根据权利要求8所述的热电联产系统，还包括：
冷却水散热单元(85)，设置在该冷却水管线(81)处，以在不需要将热供应至该压缩机(61)的该吸入侧时，散发该冷却水的热。
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