WO2009111946A1

WO2009111946A1 - 热泵循环系统及方法

Info

Publication number: WO2009111946A1
Application number: PCT/CN2009/000255
Authority: WO
Inventors: 苏庆泉
Original assignee: Su Qingquan
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2009-09-17

Description

热泵循环系统及方法技术领域

本发明涉及一种热泵循环系统及方法，特别是涉及一种以自来水作为热源的热泵循环系统及方法。

本申请主张在 2008年 3月 10日提交中国专利申请 200810101639. 3号和在 2008年 3月 10日提交的中国专利申请 200810101640. 6号的优先权，所述在先申请的全部内容并入本申请中。背景技术

在城市的供水系统中，通常是将自来水厂经过处理的达到标准的水通过供水管道送到用水单位，比如，生活小区、用水工厂或者用水园林单位等等，经过上述单位的自来水供应管网送达各家各户或者其他用水终端。在上述供水系统中，送至用水终端的自来水的温度通常在 10摄氏度以上，即使是在北方的冬季，由于所采取水管防冻措施的作用该温度亦不会低于 5 摄氏度。就一般用水而言，在大多数的情况下，用户对自来水的温度并不敏感，例如在冬夏两个季节，自来水的温度可能会相差 20摄氏度，但这并不影响用户的正常使用。例如，家庭中冲厕所用水、景观用水、浇灌植物用水对水温没有严格要求。在现实生活中有很多生活居住区的物业公司会设置专门的热水供应装置，以便满足住户供暖、洗澡、洗衣、洗碗等对热水的需求。上述现有的热水供应装置一般采用燃气锅炉，通过燃烧天然气或者煤炭（但由于煤炭污染比较严重，大多数的城市已实施煤改气）来加热自来水，然后通过热水供应管网提供给终端用户。但是，现有的燃气锅炉技术，其热效率通常只有 80%左右。

另一方面，随着全球能源价格的高涨和生态环境问题的日益凸显，以高效清洁为特征的新能源技术成为了世界各国竟相投入的研发领域。氢源系统新技术可将生物盾能和化石能源清洁高效地转化为氢能，而与之集成的燃料电池则可将氢能清洁高效地转化为电能并副产热能。可见，氢能及燃料电池将成为多样的一次能源与多样的终端能源之间的一座新桥梁。

氢气是一种二次能源，由各种一次能源转换而来。在诸多氢气制造途径之中，由于天然气等碳氢化合物价格较低，因而碳氢化合物重整制氢被认为是今后相当一段时间里最为经济可行的选择。

现有的蒸气压缩式热泵循环技术作为热水供给装置具有高效清洁的优势。但是，蒸气压缩式热泵循环技术的热泵循环系统的供热系数（COP )、即能量效率受蒸发器工作温度，即热源温度和冷凝器工作温度，也即热水温度的影响很大。对于空气源热泵来说，随着冬季气温下降，热泵循环的蒸发器工作温度随之下降，从而引起热泵系统 COP即能量效率降低。

此外，现有的蒸气压缩式热泵循环技术的压缩机是使用电网电力驱动的，因而其一次能源效率还受到电网用户端发电效率的制约。当压缩机采用调频控制时，由于需将电网的交流电力整流为直流电力，因而还会有整流损失。

本发明所述的制冷工质是指在热泵循环系统中被循环的物质，所述热源是指与外部换热器中的制冷工质进行换热的介质，该热源在制热循环过程中向制冷工盾放热，在制冷循环过程中从制冷工质吸热。在现有的热泵循环技术中，一般是以地热水源、空气或者中水作为外部热源。发明人在实现本发明的技术方案中发现还没有人提出过采用自来水作为热泵循环中热源的技术。这是由于，自来水来源稳定且供应量大，并且现有的城市供水系统十分发达和普遍。但针对某一具体局部的地区而言，例如某个居民居住区，为该居住区供水的管道中的水流是不稳定的。一般在早晨、中午和晚上水流较大，白天工作时间水流较小，在深夜时分，可能水流会停止。造成上述水流不稳的原因是由人们生活中的用水习惯决定的，且不能克服。

但是，自来水具有稳定的温度范围，例如在冬季其温度为 5 ~ 15 °C，通常高于外气温度，自来水具有大量的热能，如不能加以利用，造成白白流失，确实可惜。在夏季其温度为 15 ~ 25 °C，通常低于外气温度，当进行制冷循环时，如果采用自来水代替环境空气与制冷工质进行热交换，其制冷效率将得到有效提高。所以，有必要开发一种采用自来水作为热源的热泵循环系统。发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的热泵循环系统和方法中存在的不能以自来水为热源的缺陷，而提供一种热泵循环系统以及方法，所要解决的技术问题是使其以自来水作为热泵循环中的热源，可以提高热泵循环系统的能量效率，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种热泵循环系统，其包括压缩机、内部换热器、节流阀、外部换热器以及四通阀，所述四通阀分别连接于压缩机的制冷工质入口、压缩机的制冷工质出口、内部换热器以及外部换热器；该四通阀具有第一阀位和第二阀位；该四通阀位于第一阀位时，压缩机的制冷工质出口连接于外部换热器，压缩机的制冷工质入口连接于内部换热器；压缩机该四通阀位于第二阀位时，压缩机的制冷工质出口连接于内部换热器，压缩机的制冷工质入口连接于外部换热器；所述内部换热器连接有外部工质输入管道和外部工盾输出管道；所述外部换热器，包括有热源流路和制冷工质流路。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的外部换热器内充填有蓄热剂。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的蓄热剂为下列物质中的一种或者几种：氯化钙、氯化锬、氯化钾、氯化氨、碳酸氢钾、氯化钠、硫酸钠、碳酸钠、醋酸钠或季铵盐的水合物或水溶液；以及碳数为 12 24的石墙。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的蓄热剂直接充填在外部换热器中；或者将蓄热剂封装在密闭容器中，将该密闭容器设置在外部热交换器中。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的外部换热器的热源流路连接于自来水供应管道。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的外部工质输入管道接于自来水供应管道。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其还包括燃料电池发电子系统，用于发电并副产热；所述燃料电池发电子系统所发电力用于驱动所述的压缩机。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其中所述的其中所述的燃料电池发电子系统包括：重整制氢装置，用于制备氢气；燃料电池，以上述重整制氢装置制备的氢气为原料发电并副产热；循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换；以及换向阀，设置于内部换热器的外部工盾输出管道上，其具有三个接口，分别连接于上述内部换热器的外部工质出口、换热装置和外部工质输出管道。

优选的，前述的热泵循环系统的一个实施例，其还包括：内燃机子系统、热气机子系统或燃气轮机子系统；

所述内燃机子系统包括：内燃机，用于产生动力和副产热，该动力用于驱动所述的压缩机；循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换；以及换向阀，其具有三个接口，分别连接于上述内部换热器的外部工质出口、换热装置和外部工质输出管道；

所述热气机子系统包括：热气机，用于产生动力和副产热，并将该动力用于驱动所述的压缩机；以及循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换；以及换向阀，其具有三个接口，分别连接于上述内部换热器的外部工质出口、换热装置和外部工质输出管道；

所述燃气轮机子系统包括，燃气轮机，用于产生动力和副产热；并将该动力用于驱动所述的压缩机；以及换热装置，用于将上述副产热进行热交换；以及换向阀，其具有三个接口，分别连接于上述内部换热器的外部工质出口、换热装置和外部工质输出管道。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种热水供给方法，采用上述热泵循环系统，该方法包括以下步骤：

A压缩制冷工质；

B压缩后的制冷工盾进行热交换；

C 制冷工质膨胀；

D膨胀后的制冷工质进行热交换；

在步骤 B和 D的其中之一采用自来水作为热源，且该步骤中所述的热交换包括以下过程中的至少一种：自来水与制冷工质进行热交换、自来水与蓄热剂进行热交换、蓄热剂与制冷工质进行热交换、以及自来水、制冷工质与蓄热剂三者之间进行热交换。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，前述的热泵循环方法的一个实施例，其还包括：当制冷工质停止循环时，自来水与蓄热剂之间进行热交换；当自来水停止流动时，蓄热剂与制冷工质进行热交换。

优选的，前述的热泵循环方法的一个实施例，其还包括：以碳氢化合物为原料进行重整制氢反应，得到氢气；以氢气为原料通过燃料电池发电力和副产热，所述的电力作为压缩制冷工质的动力；或者以碳氢化合物为燃料，采用内燃机、热气机或者燃气轮机产生动力和副产热，所述的动力作为压缩制冷工质的动力。

优选的，前述的热泵循环方法的一个实施例，所述的步骤 B和 D中的制冷工盾都与自来水进行换热。

借由上述技术方案，本发明热泵循环系统及方法至少具有下列优点： 1、本发明提供的上述系统，通过将燃料电池或内燃机、热气机、燃气轮机子系统所产副产热用于上述热泵循环的外部工质的二次加热，而将所产电力或动力用于驱动上述压缩机，在系统的对外供给的外部工质的温度一定的条件下使上述内部换热器的工作温度得到显著的降低，从而使上述热泵循环的供热系数进而热泵循环系统的一次能源利用效率得到显著的提高，同时使系统整体更加简洁、可靠。如上所述，本发明通过有机地融合所提供热泵循环系统和燃料电池或内燃机、热气机、燃气轮机子系统，取得了显著的协同效应。

2、由于四通阀和切换阀的利用可以使本发明的热泵循环系统具有同时提供制冷功能和提供热水的功能，从而更加适于适用。

3、与现有的锅炉燃烧式热水系统相比较，在相同原料和供热能力的条件下，本发明的热水系统和方法具有清洁高效的显著优势。

4、本发明实施例中的热水系统供热系数也显著高于以电网电力为动力、以空气为热源的现有蒸气压缩式热泵循环热水系统的供热系数。

5、本发明采用水作为热源，尤其是自来水作为热源，该热源成本低，热交换效率高，从而可以达到在与地热水源热泵基本相同的热泵循环热效率条件下显著降低设备成本，而在与空气源热泵基本相同的设备成本条件下显著提高热泵循环的热效率的效果。

综上所述，本发明特殊构成的热泵循环系统及方法，其具有上述诸多的优点及实用价值，从而更加适于实用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明

图 1是本发明热泵循环系统的实施例 1制冷循环的流程图。

图 2是本发明热泵循环系统的实施例 1制热循环的流程图。

图 3是本发明热泵循环系统的实施例 2制热循环流程图。

图 4是本发明热泵循环系统的实施例 2制冷循环的流程图。

图 5是本发明热泵循环系统的实施例 3的制热循环的流程图。

图 6是本发明热泵循环系统的实施例 4的制热循环的流程图。

10: 自来水管道 11 : 外部工质输入管道

12: 热源输入管道 13: 外部工质输出管道

14：热源输出管道 15 : 分流器

16、 17 : 换向阀 18: 供水管

19: 输出管 21 : 压缩机 22：内部换热器 23: 节流阀

24: 外部换热器 25: 四通阀

30: 燃料电池发电子系统

31：重整制氢装置 32：燃料电池

33: 循环泵 34: 换热装置

40: 内燃机子系统 41：内燃机

42：传动机构 43: 循环泵

44：换热装置 45: 烟气管道

46: 冷却水管道 50: 燃气轮机子系统

51：燃气轮机 52: 传动机构

54：换热装置 55: 烟气管道具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的热泵循环系统及方法其具体实施方式其功效，详细说明如后。

请参阅图 1所示，是本发明热泵循环系统的实施例 1制冷循环的流程图。该热泵循环系统包括压缩机 21、内部换热器 22、节流阀 23、外部换热器 24以及四通阀 25，上述各部件通过管道相连形成循环回路，在上述循环回路中填加有制冷工质。所述压缩机 21用于压缩制冷工质，并具有制冷工盾入口和制冷工质出口。所述四通阀 25分别连接于压缩机 21的制冷工质入口、压缩机的制冷工盾出口、内部换热器 22以及外部换热器 24。所述的四通阀 25具有第一阀位（也称作制冷阀位）和第二阀位（也称作制热阀位）；该四通阀位于第一阀位时，压缩机 21的制冷工质出口连接于外部换热器 24，压缩机 21的制冷工盾入口连接于内部换热器 22; 该四通阀 25位于第二阀位时，压缩机 21的制冷工质出口连接于内部换热器 22 , 压缩机 21的制冷工质入口连接于外部换热器 24。经所述压缩机 21压缩后的制冷工质温度升高；经压缩后的制冷工质按照图 1中所示的四通阀阀位（第一阀位），被输送到外部换热器 24中。该外部换热器 24连接有热源输入管道 12和热源输出管道 14，本实施例采用自来水作为热源，所述的热源输入管道 12通过分流器 15连接于自来水管道 10上。在外部换热器 24中包含有热源流路和制冷工质流路，外部换热器 24中流过的热源与制冷工质进行换热，高温的制冷工质向热源放热，制冷工质温度降低。被冷却了的制冷工质被输送至节流阀 23，经过节流阀 23后的制冷工质压力降氐，并在内部换热器 22中蒸发，由于制冷工质体积膨胀且发生相变，其温度降低。所述的内部换热器

22 , 连接有外部工质输入管道 11和外部工质输出管道 13，所述的外部工质为用于与用户的环境进行换热，从而提高或者降低环境温度。在内部换热器 22中外部工质与制冷工质进行热交换，制冷工质吸收外部工质的热量，外部工质放出热量后温度降低，并由外部工质输出管道 13输送至用户。由于输出的外部工质温度较低，从而可以作为冷源提供给用户，从而达到制冷的效果。经过换热的制冷工质被再次输送到压缩机 21中，从而完成一次热泵循环。较佳的，本实施例 1的热泵循环系统的外部换热器 24包括制冷工质流路、热源流路以及蓄热剂充填容器，在蓄热剂充填容器中充填蓄热剂。较佳的，蓄热剂以相变温度高于热源温度 2 ~ 5 °C的潜热蓄热剂为宜，其包括碳数为 12 ~ 24 的石蜡（高级饱和直链烷烃）及其混合物，氯化钙、氯化镁、氯化钾、氯化氨、碳酸氢钾、氯化钠、硫酸钠、碳酸钠、醋酸钠、季铵盐等盐类的水合物或上述物质的水溶液及其混合物等。所述的蓄热剂可以直接充填在外部换热器中，而热源和制冷工质分别在封闭的热源流路和制冷工质流路中；或者将蓄热剂封装在密闭容器设置在外部热交换器中。在外部换热器 24中，制冷工质、热源和蓄热剂之间相互进行热交换。蓄热剂的作用在于，其可以向热源放热，并在制冷循环中吸收制冷工质的热量。这样，即使在热泵循环系统不工作的情况下，蓄热剂亦可通过相变（凝固）向流经外部换热器 24的热源的放热，而在热泵循环系统工作却无热源流经外部换热器的情况下，蓄热剂亦可通过相变（融化）吸收制冷工质释放出的热量，从而保证热泵循环系统的连续高效运行。通过在外部换热器中设置蓄热剂可以实现以自来水作为外部换热器的热源与制冷工盾进行换热，从而可以使自来水应用于热泵循环过程中。这样的热泵循环系统具有明显高于空气源热泵循环系统的制冷（或者供热）系数。

请参阅图 2所示，是本发明热泵循环系统的实施例 1制热循环的流程图。本制热循环与上述制冷循环所采用的设备是相同的，其区别之处在于，在制热循环中四通阀位于第二阀位，即压缩机 21的制冷工质出口连接于内部换热器 22，压缩机 21的制冷工质入口连接于外部换热器 24 , 从而使制冷工质的流向与图 1 所示的制冷循环的制冷工质流向相反，从而可以使外部工质出口管道 13中的外部工盾的温度高于外部工质输入管道 11 中外部工质的温度，从而达到为用户供热的效果。此时，在外部换热器中的蓄热剂选择相变温度低于热源温度 2 ~ 5 °C的潜热蓄热剂为宜。

在实施例 1和实施例 2 中，较佳的，当向用户提供热水时，所述的外部工质输入管道 11连接于分流器 15，从而使自来水被本系统分流出两部分，一部分作为热源，另一部分做为被加热水。

请参阅图 3所示，是本发明热泵循环系统的实施例 2的制热循环流程图。本实施例的热泵循环系统与实施例 1相比，其还包括燃料电池发电子系统 30, 用于发电并副产热。所述燃料电池发电子系统 30所发电力通过电缆提供给压缩机 21，作为驱动所述的压缩机 21的动力。所述的燃料电池发电子系统 30包括重整制氢装置 31、燃料电池 32、循环泵 33和换热装置 34。其中所述的重整制氢装置 31 , 采用碳氢化合物和水为原料，在催化剂的作用下发生重整制氢反应制备氢气。所述的燃料电池 32 , 以上述重整制氢装置 31制得的氢气为原料进行发电，产生直流电并副产热。所述的循环泵 33，其采用上述燃料电池 32发出的电力为动力，用于循环燃料电池的冷却水。所述的换热装置 34，用于进行燃料电池的冷却水的热交换，使进入的热的冷却水被降温，并被循环至燃料电池。该换热装置 34连接有供水管 18和输出管 19。该供水管 18上设有换向阀 17。该换向阀 17的结构为，其具有三个接口，可以与三个管道相连，其内部具有切换结构，可以保证只能同时连通两个接口而切断另外的接口。在内部换热器 22的外部工质输出管道 13上设置有换向阀 16。该换向阀 16与上述的换向阀 17相连。这样，当四通阀 25位于第二阀位时，且同时切换换向阀 16和换向阀 17，就可以使从内部换热器流出的外部工质流入到换热装置 34，从而使外部工质被燃料电池的副产热进行二次加热，使输出管 19中的外部工质的温度再次得到提高。本实施例的热泵循环系统是采用碳氢化合物为原料来制热，比采用锅炉直接燃烧碳氢化合物制热具有更高的供热效率。

上述的燃料电池 32 为嶙酸型燃料电池（PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)、固体氧化物燃料电池（S0FC )或者质子交换膜燃料电池（PEMFC)。

请参阅图 4所示，是本发明热泵循环系统的实施例 2的制冷循环流程图。本制冷循环的与图 3所示的制热循环相比，其区别在于，四通阀位于第一阀位，即压缩机 21的制冷工质出口连接于外部换热器，压缩机 21的制冷工质入口连接于内部换热器 22，从而使制冷工质的流向与图 3所示的制热循环的制冷工质流向相反，从而可以使在内部换热器 22的外部工质输出管道 13中的外部工质的温度低于外部工质输入管道 11 中外部工质的温度，从而达到为用户提供冷量的效果。同时，换向阀 16切换到连通外部工质输出管道的位置，换向阀 17切换到连通供水管 18的位置。从而使低温外部工质直接输送给用户，同时，换热装置 34进行冷却水与由供水管提供的水源热交换，从而可以在换热装置 34的输出管 19得到热水。从而使本实施例的热泵循环系统能够同时提供制冷和供应热水的两项功能。请参阅图 5 所示，是本发明包含内燃机子系统或热气机子系统的热泵循环系统的实施例 3的制热循环的流程图。与实施例 1相比，本实施例的热泵循环系统还包括：内燃机子系统 40，其以碳氢化合物为燃料，产生动力并副产热。所述内燃机系统 40所产生的动力压缩机 21 , 用于驱动所述的压缩机 21。所述的内燃机发电子系统 40包括内燃机 41、传动机构 42、循环泵 43和换热装置 44。所述的内燃机 41，以碳氢化合物为燃料，较佳的以天然气为燃料产生动力并副产热，并通过传动机构 42 来驱动压缩机 21 工作。内燃机的烟气通过烟气管道 45通入换热装置 44 中，内燃机的冷却热通过冷却水管道 46通入换热装置 44中。所述的循环泵 43，用于循环内燃机 41的冷却水。该换热装置 44连接有供水管 18和输出管 19。该供水管 18上设有换向阀 17。该换向阀 17的结构为，其具有三个接口，可以与三个管道相连，其内部具有切换结构，可以保证只能同时连通两个接口而切断另外的接口。在内部换热器 22的外部工质输出管道 13上设置有换向阀 16。该换向阀 16与上述的换向阀 17相连。这样，当四通阀 25位于第二阀位时，且同时切换换向阀 16和换向阀 17，就可以使从内部换热器流出的外部工质流入到换热装置 44 , 从而使外部工盾被燃料电池的副产热进行二次加热，使输出管 19中的外部工质的温度再次得到提高。本实施例的热泉循环系统是采用碳氢化合物为燃料来制热，比采用锅炉直接燃烧碳氢化合物制热具有更高的供热效率。本实施例中所述的内燃机可以被热气机所代替，并可以达到相同的技术效果。

本实施例 3所示的热泵循环系统，当四通阀 25切换到第一阀位时，同时，换向阀 16切换到连通外部工质输出管道的位置，换向阀 17切换到连通供水管 18的位置。从而使低温外部工质直接输送给用户，同时，换热装置 44进行冷却水和烟气与由供水管提供的水源热交换，从而可以在换热装置 44的输出管 19得到热水。从而使本实施例的热泵循环系统能够同时提供制冷和供应热水的两项功能。

请参阅图 6 所示，是本发明包含燃气轮机子系统的热泵循环系统的实施例 4的制热循环的流程图。与实施例 1相比，本实施例的热泵循环系统还包括：燃气轮机子系统 50，用于产生动力并副产热，其产生的动力提供给所述的压缩机，用于驱动所述的压缩机 21。所述的燃气轮机子系统 50包括燃气轮机 51、传动机构 52和换热装置 54。所述的燃气轮机 51，以碳氢化合物为燃料，较佳的以天然气为燃料，产生动力并副产热，该动力通过传动机构 52将动力传送到压缩机 21。上述的副产热是燃料燃烧后的烟气所携带的热量，烟气通过烟气管道 55通入换热装置 54 中，进过换热后进行排放。该换热装置 54连接有供水管 18和输出管 19。该供水管 18上设有换向阀 17。该换向阀 17的结构为，其具有三个接口，可以与三个管道相连，其内部具有切换结构，可以保证只能同时连通两个接口而切断另外的接口。在内部换热器 22的外部工质输出管道 13上设置有换向阔 16。该换向阀 16 与上述的换向阀 17相连。这样，当四通阀 25位于第二阀位时，且同时切换换向阀 16和换向阀 17使内部换热器 22与换热装置 54连通，就可以使从内部换热器流出的外部工质流入到换热装置 54，从而使外部工质被燃料电池的副产热进行二次加热，使输出管 19中的外部工质的温度再次得到提高。本实施例的热泵循环系统是采用碳氢化合物为燃料来制热，比采用锅炉直接燃烧碳氢化合物制热具有更高的供热效率。

本实施例 4所示的热泵循环系统，当四通阀 25切换到第一阀位时，同时，换向阀 16切换到连通外部工质输出管道的位置，换向阀 17切换到连通供水管 18的位置。从而使低温外部工质直接输送给用户，同时，换热装置 54进行烟气与由供水管提供的水源热交换，从而可以在换热装置 54的输出管 19得到热水。从而使本实施例的热泵循环系统能够同时提供制冷和供应热水的两项功能。

较佳的，本发明上述实施中所述的外部工质输入管道 11是连接于自来水的供应管道，从而向用户提供热水，这样可以将自来水供应系统中所含有的热能被充分利用。

本发明的实施例 5还提出一种热泵循环方法，其采用实施例 1所示的热泵循环系统，该热泵循环方法包括以下步骤：

A压缩制冷工质； B压缩后的制冷工质进行热交换； C制冷工质膨胀； D膨胀后的制冷工质进行热交换；在步骤 B和 D的其中之一采用自来水作为热源，且该步骤中所述的热交换包括以下过程中的至少一种：自来水与制冷工质进行热交换、自来水与蓄热剂进行热交换、蓄热剂与制冷工质进行热交换、以及自来水、制冷工质与蓄热剂三者之间进行热交换。当制冷工质停止循环时，自来水与蓄热剂之间进行热交换；当自来水停止流动时，蓄热剂与制冷工盾进行热交换。

本发明的实施例 6还提出一种热泵循环方法，其采用实施例 2所示的热泵循环系统，与实施例 6相比，该热泵循环方法还包括以下步骤：以碳氢化合物为原料进行重整制氢反应，得到氢气；以氢气为原料通过燃料电池发电力和副产热，所述的电力作为压缩制冷工质的动力。所述的燃料电池为：磷酸型燃料电池 (PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)、固体氧化物燃料电池（S0FC )或者质子交换膜燃料电池（PEMFC)。或者采用实施例 3或者实施例 4的热泵循环系统，与实施例 6相比，该热泵循环方法还包括以下步骤：以碳氢化合物为燃料，采用内燃机、热气机或者燃气轮机产生动力和副产热，所述的动力作为压缩制冷工质的动力。

本发明上述实施的热泵循环方法中，当向用户提供热水时，其被加热水也来源于自来水供应管道，可以将自来水供应系统中所含有的热能被充分利用。比较例 1

采用以市电为动力的空气源热泵循环系统供暖。所供外部工质的冷凝器入口温度为 37 , 冷凝器出口温度为 45°C，外气温为 10°C, 蒸发器中制冷工质的蒸发温度为 -5 °C，冷凝器中制冷工质的冷凝温度为 50°C，压缩机绝热效率为 0.85, 其供热系数（COP) 为 4.07。由于市电的用户端发电效率通常为 33%，因而本比较例的一次能源效率约为 134%。比较例 2

采用以市电为动力的空气源热泵循环系统供冷。供外部工质的蒸发器入口温度为 15°C, 蒸发器出口温度为 7°C。外气温为 35°C，蒸发器中制冷工质的蒸发温度为 2°C，冷凝器中制冷工质的冷凝温度为 50°C，压缩机绝热效率为 0.85, 其制冷系数（ COP )为 3.72。实例 1

以市电为动力，采用实施例 5 的方法供暖。所供外部工质的内部热交换器（即冷凝器）入口温度为 37°C，内部热交换器出口温度为 45°C, 外气温为 10°C,水源水（市政供应的自来水）的温度为 15°C,外部热交换器（即蒸发器）中制冷工质的蒸发温度为 8°C，外部热交换器中充填有碳数为 15 的石蜡，其凝固点与凝固热分别约为 10°C和 170kJ/kg，内部热交换器中制冷工质的冷凝温度为 50°C，压缩机绝热效率为 0.85，其供热系数（COP) 为 5.45。由于市电的用户端发电效率通常为 33%, 因而本实例的一次能源效率约为 180%。实例 2

以市电为动力，采用实施例 5 的方法供冷。所供外部工质的内部热交换器（即蒸发器）入口温度为 15°C，内部热交换器出口温度为 7°C, 外气温为 35°C, 水源水（市政供应的自来水）的温度为 25°C，内部热交换器中制冷工质的蒸发温度为 2 °C，外部热交换器（即冷凝器）中制冷工质的冷凝温度为 32 °C , 外部热交换器中充填有碳数为 18的石蜡，其凝固点与凝固热分别约为 29 °C和 240kJ/kg，压缩机绝热效率为 0. 85，其制冷系数（COP ) 为 6. 66。实例 3

采用实施例 6的方法供暖。所供外部工质的内部热交换器（即冷凝器）入口温度为 37 °C，内部热交换器出口温度为 42 °C，换热器 33出口温度为 45 °C，外气温为 10°C，水源水（市政供应的自来水）的温度为 15 °C，外部热交换器中制冷工质的蒸发温度为 8 °C，外部热交换器中充填有碳数为 15 的石蜡，其凝固点与凝固热分别约为 10°C和 170kJ/kg，内部热交换器中制冷工质的冷凝温度为 47 °C , 压缩机绝热效率为 0. 85，质子交换膜燃料电池发电子系统以天然气为原料，其发电效率为 37 %，热回收效率为 40 %。本实施例的热泵循环系统 COP为 5. 89 , 系统整体的一次能源效率为 258%。

上述比较例及实例中的 COP为热泵循环系统对外输出的热量或冷量与压缩机所耗电能之比，而系统整体的一次能源效率为系统整体对外输出的热量与所投入一次能源的热量之比，实例 3的一次能源为天然气，比较例 1、 2及实例 1、 2的一次能源为火力发电厂所用燃料，如天然气、煤炭等。

本发明所述实施例中未曾详细描述的其他技术细节，皆可采用现有技术中的对应方案实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。工业应用性

本发明的热泵循环系统及方法采用水作为热源，尤其是自来水作为热源，该热源成本低，热交换效率高，从而可以提高热泵循环的热效率。

Claims

权利要求

1、一种热泵循环系统，其包括压缩机、内部换热器、节流阀、外部换热器以及四通阀，其特征在于：

所述四通阀分别连接于压缩机的制冷工质入口、压缩机的制冷工质出口、内部换热器以及外部换热器；该四通阀具有第一阀位和第二阀位；该四通阀位于第一阀位时，压缩机的制冷工盾出口连接于外部换热器，压缩机的制冷工质入口连接于内部换热器；压缩机该四通阀位于第二阀位时，压缩机的制冷工质出口连接于内部换热器，压缩机的制冷工质入口连接于外部换热器；

所述内部换热器连接有外部工质输入管道和外部工质输出管道；所述外部换热器，包括有热源流路和制冷工质流路。

2、根据权利要求 1所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的外部换热器内充填有蓄热剂。

3、根据权利要求 2所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的蓄热剂为下列物质中的一种或者几种：氯化钙、氯化镁、氯化钾、氯化氨、碳酸氢钾、氯化钠、硫酸钠、碳酸钠、醋酸钠、季铵盐的水合物或水溶液及其混合物；以及碳数为 12 ~ 24的石蜡及其混合物。

4、根据权利要求 2- 3所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的蓄热剂直接充填在外部换热器中；或者将蓄热剂封装在密闭容器中，将该密闭容器设置在外部热交换器中。

5、根据权利要求 1-4任一项所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的外部换热器的热源流路连接于自来水供应管道。

6、根据权利要求 1-5任一项所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的外部工质输入管道接于自来水供应管道。

7、根据权利要求 1-6所述的热泵循环系统，其特征在于其还包括燃料电池发电子系统，用于发电并副产热；所述燃料电池发电子系统所发电力用于驱动所述的压缩机。

8、根据权利要求 7所述的热泵循环系统，其特征在于其中所述的燃料电池发电子系统包括：

重整制氢装置，用于制备氢气；

燃料电池，以上述重整制氢装置制备的氢气为原料发电并副产热；循环泵和换热装置，用于将上述的副产热循环并进行热交换；以及换向阀，设置于内部换热器的外部工质输出管道上，其具有三个接口，分别连接于上述内部换热器的外部工质出口、换热装置和外部工质输出管道。

9、根据权利要求 1-6所述的热泵循环系统，其特征在于其还包括：内燃机子系统、热气机子系统或燃气轮机子系统；

10、一种热泵循环方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A压缩制冷工质；

B压缩后的制冷工质进行热交换；

C 制冷工质膨胀；

D膨胀后的制冷工质进行热交换；

11、根据权利要求 10所述的热泵循环方法，其特征在于：

当制冷工质停止循环时，自来水与蓄热剂之间进行热交换；

当自来水停止流动时，蓄热剂与制冷工质进行热交换。

12、根据权利要求 10所述的热泵循环方法，其特征在于其还包括：以碳氢化合物为原料进行重整制氢反应，得到氢气；以氢气为原料通过燃料电池发电力和副产热，所述的电力作为压缩制冷工质的动力；或者以碳氢化合物为燃料，采用内燃机、热气机或者燃气轮机产生动力和副产热，所述的动力作为压缩制冷工盾的动力。

13、根据权利要求 10-12任一项所述的热泵循环方法，其特征在于步骤 B和 D中的制冷工质都与自来水进行换热。