采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统

1.一种采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统，包括发动机(1)、 发电机(2)、整流器(3)、蓄电池(4)、逆变器(5)、电动机(6)、烟气-水热 交换器(7)、保温水箱(8)、生活热水热交换器(9)、一组电磁阀及控制器，其 特征在于，还包括由压缩机(10)、四通换向阀(11)、室外热交换器(12)、膨 胀阀(13)、室内热交换器(14)组成的蒸汽压缩式电热泵，系统具有春秋季热 电联供、夏季制冷和冬季采暖三种运行模式，发动机(1)和发电机(2)轴连接， 发电机(2)通过整流器(3)分别与逆变器(5)的输入端、蓄电池(4)电连接， 逆变器(5)的输出端分别与电动机(6)、用电设备(25)电连接，电动机(6) 与蒸汽压缩式电热泵中的压缩机(10)轴连接，蒸汽压缩式电热泵中的室内热交 换器(14)壳程的一个出、入口分别通过B电磁阀(16)、C电磁阀(17)与烟 气-水热交换器(7)的壳程入口、保温水箱(8)的管程出口连接，室内热交换 器(14)壳程的另一出、入口分别通过D电磁阀(18)、E电磁阀(19)与空气 处理器(24)管程的入、出口连接，生活热水热交换器(9)的管程出、入口分 别与保温水箱(8)壳程的一个入、出口连接，保温水箱(8)壳程的另一出、入 口分别通过F电磁阀(20)、G电磁阀(21)与空气处理器(24)管程的入、出 口连接，生活热水热交换器(9)壳程的出、入口分别与生活热水设备(26)、城 市供水连接，发动机(1)的排气口通过I电磁阀(23)与烟气-水热交换器(7) 的管程入口连接，并通过H电磁阀(22)与大气相通，保温水箱(8)管程的入 口与烟气-水热交换器(7)壳程出口连接，保温水箱(8)管程的出口通过A电 磁阀(15)与烟气-水热交换器(7)壳程入口连接。
2.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的蒸汽压缩式电热泵中，压缩机(10)的出口与四通换向阀(11) 的A端连接，压缩机(10)的进口与四通换向阀(11)的D端连接，室外热交换 器(12)管程的一端与四通换向阀(11)的B端连接，其管程的另一端通过膨胀 阀(13)与室内热交换器(14)管程的一个端口连接，室内热交换器(14)管程 的另一端口与四通换向阀(11)的C端连接。
3.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的发动机(1)为小型空冷燃油或燃气内燃发动机，蓄电池(4)为 自动充、放电，放电完毕自动切断负载的浮充式免维护蓄电池，烟气-水热交换 器(7)、保温水箱(8)、生活热水热交换器(9)均为管壳式热交换器，空气处 理器(24)为管翅式热交换器。
4.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的控制器是采用型号为SK8001的单片机，包括对保温水箱(8)的 温度、压缩机(10)进、排气的压力和温度检测，对保温水箱(8)中的水温过 高和压缩机(10)的高、低压进行安全保护，并依据不同运行模式，对各电磁阀 的开、关进行控制。
5.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的春秋季热电联供运行模式，热泵不工作，A电磁阀(15)打开， B电磁阀(16)、C电磁阀(17)、D电磁阀(18)、E电磁阀(19)、F电磁阀(20)、 G电磁阀(21)关闭，发动机(1)带动发电机(2)发电，提供用户基本电力负 荷，利用烟气余热加热保温水箱(8)中的热水，向用户提供生活热水负荷。
6.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的冬季采暖运行模式，B电磁阀(16)、C电磁阀(17)、F电磁阀 (20)、G电磁阀(21)打开，A电磁阀(15)、D电磁阀(18)、E电磁阀(19) 关闭，发动机(1)带动发电机(2)发电供蒸汽压缩式电热泵进行制热，室内热 交换器(14)和烟气-水热交换器(7)以串联方式加热保温水箱(8)中的热水， 向用户提供采暖负荷，并通过生活热水热交换器(9)向用户提供生活热水负荷。
7.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的夏季制冷运行模式，A电磁阀(15)、D电磁阀(18)、E电磁阀 (19)打开，B电磁阀(16)、C电磁阀(17)、F电磁阀(20)、G电磁阀(21) 关闭，发动机(1)带动发电机(2)发电供蒸汽压缩式电热泵进行制冷，利用烟 气余热加热保温水箱(8)中的热水，向用户提供生活热水负荷。
8.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的三种运行模式，控制器均对保温水箱中的水温进行检测和保护， 当保温水箱(8)中的水温低于55℃时，H电磁阀(22)关闭、I电磁阀(23) 打开，烟气进入烟气-水热交换器(7)中加热热水；当水温达到90℃时，H电 磁阀(22)打开、I电磁阀(23)关闭，烟气旁通入大气。
9.根据权利要求1所述的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统， 其特征是所述的热电联供模式，利用蓄电池(4)的蓄能作用，使发动机(1)间 歇、高效运行，当蓄电池(4)中的电力放完，电压低于放电终止电压时，控制 器启动发动机(1)；而当蓄电池(4)充满电时，控制器关闭发动机(1)。

技术领域\n本发明涉及一种冷热电三联供系统，特别是一种具有一年四季发电、制冷、 采暖和供热水功能，采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统，属于能源 与制冷空调技术领域。\n背景技术\n一种具有较高一次能源利用率、低排放的技术，热电联供系统在大型供热电 站、大型区域集中供热和供电中得到了广泛应用。根据发电装置的不同，热电联 供系统具有多种形式：汽轮机发电及中间抽气或尾气余热利用系统，燃气轮机发 电及尾气余热锅炉系统，内燃机发电及缸套水和尾气余热利用系统，斯特林机发 电及缸套水和尾气余热利用系统，燃料电池发电及余热利用系统。\n热电联供系统也有一些局限：联供系统的变负荷性能较差，一般可行的运行 区间在50％～100％负荷范围内；对于区域热电联供系统，由于夏季热负荷需求 低，系统的发电量下降，效率降低，经济性变差；热电联供系统的供热、供电比 固定。常规热电联供系统的这些固有的局限使其不能直接应用于电负荷需求较 小、热和冷负荷变化剧烈的一些场合，如家庭、小型商业场所等。\n但是，随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，家用空调逐渐普及，以 供热、供冷为代表的建筑能耗，尤其是电力消耗急剧增长。据统计，目前国内一 些大城市夏季的制冷空调用电已占到最高发电负荷的40％以上，并且还在逐年快 速增加，这对电力的安全供应形成了严峻挑战。\n经对现有技术的公开文献检索发现，申请号为94107554.0，名称为热电联供 系统的发明专利是燃气轮机发电，高温烟气通过热交换器向建筑物提供热负荷， 该系统没有制冷输出。申请号为01134300，名称为回收燃气、燃油锅炉烟气潜热 的电动热泵装置的发明专利，是余热回收进行供暖的装置，通过电动热泵的蒸发 器吸收锅炉的尾气余热进行供暖，系统中无动力设备，也无电力输出。申请号为 01139760，名称为回收燃气蒸汽循环热电厂烟气余热的吸收式热泵供暖装置的发 明专利，是一种回收燃气蒸汽循环电厂的烟气余热的吸收式热泵供暖装置，包括 吸收式热泵、热交换器、余热锅炉、燃气动力装置、凝汽器、汽轮机，该系统主 要利用汽轮机排气驱动吸收式热泵，热泵的蒸发器吸收发动机的尾气余热进行供 冷和供热。该系统是一种应用于大型热电厂的、集中式的冷热电联供装置，采用 吸收式制冷机作为供冷和供热的设备，不适于家庭及小规模商业场所应用。申请 号为00134616，名称为一种电力调峰冷热电联供的运行方法及其装置的发明专 利，包括热电联产机组和锅炉，热电联产机组所发的电力输入电网，余热利用进 行制冷和供热，也是一种大型、集中式的冷热电联供系统，用于电力的调峰，不 是分布式的能源系统，不适于家庭及小规模商业场所应用。\n发明内容\n为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种能源利用效率高、经济和 环保性好的采用蒸汽压缩式电热泵的户式冷热电三联供系统。本发明包括：发动 机、发电机、整流器、蓄电池、逆变器、烟气—水热交换器、保温水箱、生活热 水热交换器、一组电磁阀、蒸汽压缩式电热泵和控制器。其中，蒸汽压缩式电热 泵包括压缩机、四通换向阀、室外热交换器、膨胀阀、室内热交换器。控制器包 括对保温水箱的水温、压缩机的进、排气压力和温度信号的检测，对保温水箱中 的水温过高和压缩机的高、低压进行安全保护，并依据不同的运行模式，对各电 磁阀的开、关进行控制。发动机和发电机轴连接，发电机通过整流器分别与逆变 器的输入端、蓄电池电连接，逆变器的输出端分别与电动机、居民用电设备电连 接。电动机与蒸汽压缩式电热泵中的压缩机轴连接，压缩机的出口与四通换向阀 的A端连接，压缩机的进口与四通换向阀的D端连接，室外热交换器管程的一 端与四通换向阀的B端连接，其管程的另一端通过膨胀阀与室内热交换器管程的 一个端口连接，室内热交换器管程的另一端口与四通换向阀的C端连接。蒸汽压 缩式电热泵中的室内热交换器壳程的一个出、入口分别通过B电磁阀、C电磁阀 与烟气—水热交换器的壳程入口、保温水箱的管程出口连接，室内热交换器壳程 的另一出、入口分别通过D电磁阀、E电磁阀与居民建筑内的空气处理器的管程 入、出口连接，生活热水热交换器的管程出、入口分别与保温水箱壳程的一个入、 出口连接，保温水箱壳程的另一出、入口分别通过F电磁阀、G电磁阀与空气处 理器的入、出口连接，生活热水热交换器壳程的出、入口分别与居民建筑内的生 活热水设备、城市供水连接，发动机的排气口通过I电磁阀与烟气—水热交换器 的管程入口连接，并通过H电磁阀与大气相通，保温水箱管程的入口与烟气—水 热交换器壳程出口连接，保温水箱管程出口通过A电磁阀与烟气—水热交换器的 壳程入口连接。\n发动机通过联轴器带动发电机对外提供电力，对蓄电池充电，满足用户的基 本电力负荷，并提供电力供蒸汽压缩式电热泵进行制冷和采暖。烟气—水热交换 器吸收发动机的尾气余热，加热保温水箱中的热水，提供部分采暖负荷和一年四 季的生活热水负荷。蒸汽压缩式电热泵在电力驱动下，夏季向用户供冷，冬季与 烟气—水热交换器一起，向用户提供采暖负荷和生活热水负荷。\n该系统依据外界条件不同，以三种不同的模式运行。1)热电联供模式，该模 式对应春秋季的气候条件，用户仅需电力和生活热水负荷，蒸汽压缩式电热泵不 工作。发动机带动发电机发电，对蓄电池充电，并提供用户基本电力负荷，同时， 利用烟气余热加热保温水箱中的热水，向用户提供生活热水负荷。在该模式中， 利用蓄电池的蓄能作用，使发动机间歇、高效运行：只有当蓄电池中的电力放完， 电压低于放电终止电压时，控制系统才重新启动发动机；而当蓄电池充满电时， 控制系统关闭发动机。2)采暖模式，该模式对应冬季气候条件，用户的热负荷要 求较高。发动机发电提供用户基本电力负荷，并提供电力供蒸汽压缩式电热泵进 行供热。此时，蒸汽压缩式电热泵中的室内热交换器作为热水的辅助加热器，热 水首先吸收蒸汽压缩式电热泵的热量，接着进入烟气—水热交换器，被进一步加 热，然后通过保温水箱向用户提供采暖负荷，并通过生活热水热交换器向用户提 供生活热水负荷。在该模式下，当用户的热负荷变化时，蒸汽压缩式电热泵的用 电负荷也会发生相应变化，发动机的出力也随即发生相应变化，从而实现热负荷 —发动机负荷的协调变化。3)制冷模式，该模式对应夏季的气候条件，用户的冷 负荷要求较高。发动机发电提供用户基本电力负荷，并提供电力供蒸汽压缩式电 热泵进行制冷。此时，蒸汽压缩式电热泵通过室内热交换器向用户提供冷负荷。 烟气—水热交换器吸收烟气的余热，加热保温水箱中的热水，通过生活热水热交 换器向用户提供生活热水负荷。该模式下，当用户的冷负荷变化时，蒸汽压缩式 电热泵的用电负荷也会发生相应变化，发动机出力也随即发生相应变化，从而实 现冷负荷—发动机负荷的协调变化。\n该发明的有益效果是：1)冷、热、电负荷供应灵活，在常规的热电联供系 统中加入蒸汽压缩式电热泵，因而系统的热电比、冷电比范围得到极大提高，系 统不向电网输电，适用于家庭、小型商业应用等负荷变化剧烈、对电负荷需求不 高的场合；2)以多种模式运行，全年利用时间长。在夏季，系统可以供电、供冷， 冬季可以供电、供热，春秋季可以供电，一年四季供应热水。系统全年的时间利 用率大于50％，保证了经济性的实现；3)能源利用率高，计算表明，夏季冷电联 供的总能利用率可达65％，如果考虑供应的生活热水负荷，总能利用率可达115 ％，冬季热电联供的总能利用率可达75％，加上生活热水负荷，总能利用率可达 125％，春秋季系统的电和热水联供的总能利用率也达75％。系统全年平均的总 能利用率可达98％。较高的能源利用率表明系统能以较低的一次能源消耗实现更 多的能量供应，因而降低了污染排放；4)变负荷能力强，系统采用小型空冷燃气 或燃油内燃机作为发动机，不仅成本低、发电效率高，同时也具有良好的变负荷 性能，在50～100％额定负荷范围内，其发电效率几乎不变。与蒸汽压缩式电热 泵结合，可以发挥内燃机变负荷性能强的优势；5)技术成熟，运行可靠，本装置 采用电驱动热泵的方式，而不是采用常规的发动机通过联轴器带动热泵的方式， 可以直接使用市场上成熟的热泵产品，不需进行热泵压缩机和发动机的负荷匹配 及控制，技术成熟，运行安全可靠，适用于家庭、小型商业场所，具有显著的经 济效益和社会效益。\n附图说明\n图1是本发明系统的结构示意图\n图中， 表示电连接； ——表示水流路； 表示烟气流路； 表示制冷 剂流路\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。\n如图1所示，本发明包括：发动机1、发电机2、整流器3、蓄电池4、逆变 器5、电动机6、烟气—水热交换器7、保温水箱8、生活热水热交换器9、A电 磁阀15、B电磁阀16、C电磁阀17、D电磁阀18、E电磁阀19、F电磁阀20、 G电磁阀21、H电磁阀22、I电磁阀23、以及蒸汽压缩式电热泵和控制器。其 中蒸汽压缩式电热泵包括：压缩机10、四通换向阀11、室外热交换器12、膨胀 阀13、室内热交换器14。发动机1为小型空冷燃油或燃气内燃发动机，蓄电池4 为自动充、放电，放电完毕自动切断负载的浮充式免维护蓄电池，烟气—水热交 换器7、保温水箱8、生活热水热交换器9均为管壳式热交换器，空气处理器24 为管翅式热交换器，控制器采用常规的SK8001型单片机。发动机1和发电机2 轴连接，发电机2的输出端通过整流器3分别与逆变器5的输入端、蓄电池4电 连接，逆变器5的输出端分别与电动机6的输入端、居民用电设备25电连接。 电动机6与压缩机10轴连接，压缩机10的出口与四通换向阀11的A端连接， 压缩机10的进口与四通换向阀11的D端连接，室外热交换器12管程的一端与 四通换向阀11的B端连接，其管程的另一端通过膨胀阀13与室内热交换器14 管程的一个端口连接，室内热交换器14管程的另一端口与四通换向阀11的C端 连接。室内热交换器14壳程的一个出口通过D电磁阀18与空气处理器24的管 程入口相连，空气处理器24的管程出口通过E电磁阀19与室内热交换器14壳 程的一个入口连接。烟气—水热交换器7的壳程出口与保温水箱8的管程入口连 接，保温水箱8的管程出口分成两路，其一路通过A电磁阀15与烟气—水热交 换器7的壳程入口连接，另一路通过G电磁阀17与室内热交换器14壳程的另一 入口连接，室内热交换器14壳程的另一出口，通过B电磁阀16与烟气—水热交 换器7的壳程入口连接。保温水箱8壳程的一个出口与生活热水热交换器9的管 程入口连接，生活热水热交换器9的管程出口与保温水箱8壳程的一个入口连接。 保温水箱8壳程的另一出口通过F电磁阀20与空气处理器24的管程入口连接， 空气处理器24管程出口通过G电磁阀21与保温水箱8壳程的另一入口连接。生 活热水热交换器9壳程出口与用户的生活热水设备26连接，生活热水热交换器9 的壳程入口与城市供水管连接。发动机1的排气口通过H电磁阀22与大气相通， 并通过I电磁阀23与烟气—水热交换器7的管程入口连接，烟气—水热交换器7 的管程出口与大气相通。\n该系统依据外界条件不同，以三种不同的模式运行，分别为热电联供模式、 供暖模式及制冷模式。1)热电联供模式，该模式对应春秋季的气候条件，用户仅 需电力和生活热水负荷，蒸汽压缩式电热泵不工作。此时，A电磁阀15打开，B 电磁阀16、C电磁阀17、D电磁阀18、E电磁阀19、F电磁阀20、G电磁阀21 关闭。发动机1带动发电机2发电，供应电力，对蓄电池4充电，并提供用户基 本电力负荷。同时，利用烟气余热加热保温水箱8中的热水，向用户提供生活热 水负荷。热水在烟气—水热交换器7和保温水箱8之间循环。在该模式中，利用 蓄电池4的蓄能作用，使发动机1间歇、高效运行：只有当蓄电池4中的电力放 完，电压低于放电终止电压时，控制系统才重新启动发动机1；而当蓄电池4充 满电时，控制系统关闭发动机1。2)采暖模式，该模式对应冬季气候条件，用户 的热负荷要求较高。此时，B电磁阀16、C电磁阀17、F电磁阀20、G电磁阀 21打开，A电磁阀15、D电磁阀18、E电磁阀19关闭，实现室内热交换器14 和烟气—水热交换器7的串联加热。发动机1发电提供用户基本电力负荷，并提 供电力供蒸汽压缩式电热泵进行供热。此时，蒸汽压缩式电热泵中的室内热交换 器14作为热水的辅助加热器，热水首先吸收蒸汽压缩式电热泵的热量，接着进 入烟气—水热交换器7，被进一步加热，然后通过保温水箱8向用户提供采暖负 荷，并通过生活热水热交换器9向用户提供生活热水负荷。3)制冷模式，该模式 对应夏季的气候条件，用户的冷负荷要求较高。此时，A电磁阀15、D电磁阀 18、E电磁阀19打开，B电磁阀16、C电磁阀17、F电磁阀20、G电磁阀21 关闭，以隔断蒸汽压缩式电热泵、热水回路的连接。发动机1发电提供用户基本 电力负荷，并提供电力供蒸汽压缩式电热泵进行制冷。此时，蒸汽压缩式电热泵 通过室内热交换器14向用户提供冷负荷。烟气—水热交换器7吸收烟气的余热， 加热保温水箱8中的热水，通过生活热水热交换器9向用户提供生活热水负荷。\n在上述三种运行模式中，当保温水箱8中的水温低于55℃时，H电磁阀22 关闭、I电磁阀23打开，烟气进入烟气—水热交换器7中加热热水；当水温达到 90℃时，H电磁阀22打开、I电磁阀23关闭，烟气旁通入大气。