CN107421162A - 一种混合动力驱动余热利用的双热泵***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力驱动余热利用的双热泵***及控制方法。本发明的***包括混合动力驱动的燃气热泵***、余热回收水循环***、吸收式热泵***；混合动力驱动的燃气热泵***包括燃气发动机、电机、无级变速装置、动力耦合器、逆变器、磷酸铁锂电池组、压缩机、四通阀、压缩机以及离合器，燃气发动机借助于电机辅助配合，经动力耦合无级变速后，驱动压缩机工作，实现热泵***制冷/供热循环。发动机缸套和尾气的低品位高温余热经回收后，作为吸收式热泵发生器端的动力输入源，实现热水和低温水的分别供应。本发明可确保在不同负荷下发动机的经济运行，并充分利用了燃气热泵***的余热，解决了夏季余热利用率低的问题。

Description

一种混合动力驱动余热利用的双热泵***及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种混合动力驱动余热利用的双热泵***及控制方法，属于节能热泵***设计技术领域。

背景技术：

天然气能源因其清洁、高效的特点已逐渐成为世界各国改善环境和促进经济可持续发展的最佳选择。同时，供暖和空调的能耗促使电力消耗量不断上升，造成用电高峰负荷频出，危及电网运行安全，还导致了燃料的排放量的增加。燃气热泵以天然气为燃料、利用燃气发动机驱动压缩式热泵***运行，可以有效的削减电力高峰，降低排放，平衡天然气消耗的季节峰谷。但用户端冷热电负荷的全天候变化，会导致燃气发动机运行常常偏离标定的工况，降低了***能源利用率。将混合驱动技术运用到燃气热泵***中，利用电机的高效范围广的特点，确保发动的经济运行。

目前，燃气热泵***的发动机缸套和尾气的余热常用于生活用水的加热或者区域供热的要求。但是，夏季由于供热需求的降低，常常会导致余热利用率的偏低甚至“空排”现象的发生。如何将这部分低品位热能实现高效利用，提高***的能源利用率是迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提出一种混合动力驱动余热利用的双热泵***及控制方法，该***可以有效的节约能耗，降低电能的使用，有利于能源消耗的季节平衡，并能实现夏季制冷、冬季采暖，兼顾提供生活热水之用。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种混合动力驱动余热利用的双热泵***，包括混合动力驱动的燃气热泵***、余热回收水循环***、吸收式热泵***；所述混合动力驱动的燃气热泵***包括燃气发动机、电机、无级变速装置、动力耦合器、逆变器、磷酸铁锂电池组、压缩机、四通阀、压缩机、第一离合器、第二离合器和第三离合器，所述燃气发动机与电机之间通过动力耦合器实现同轴并联，所述燃气发动机通过所述第一离合器连接所述的动力耦合器，所述的电机通过所述的第二离合器连接所述的动力耦合器，所述的动力耦合器通过所述的第三离合器连接所述的无级变速装置，所述的无级变速装置连接所述的压缩机，所述的压缩机通过四通阀连接压缩机，所述的电机通过逆变器连接所述的磷酸铁锂电池组。

所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，所述的余热回收水循环***包括电加热器、缸套换热器、尾气余热回收器、第二循环水泵；所述的缸套换热器与所述的燃气发动机的缸套连接，所述的尾气余热回收器与所述的燃气发动机的尾气管道连接，所述的第二循环水泵与电加热器连接，电加热器的另一端与缸套换热器采用旁通的方式连接，所述缸套换热器与尾气余热回收器连接，尾气余热回收器的另一端与吸收式热泵***连接，吸收式热泵***通过第二循环水泵与电加热器连接。

所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，所述的余热回收水循环***还包括与所述的缸套换热器连接的第一循环水泵、第二循环水泵和空气散热器。

所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，所述的吸收式热泵***包括发生器、冷凝器、第二节流阀、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、蒸发泵、吸收泵、发生泵；所述发生器的输出端与冷凝器的输入端连接，冷凝器的输出端与第二节流阀连接，第二节流阀的另一端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端与吸收器的输入端连接，吸收器的输出端与发生泵连接，发生泵的另一端与溶液热交换器连接，换热后与发生器的输入端连接，发生器的输出端与溶液热交换器连接，换热后与吸收器的输入端连接。

所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，所述的压缩机包括室外机和室内机，所述的室外机和室内机之间连接第一节流阀。

混合动力驱动余热利用的双热泵***的控制方法，该方法包括：混合动力驱动燃气热泵的控制方法和利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵***发生器的驱动热源控制方法，所述的混合动力驱动燃气热泵的控制方法包括：

当压缩机需求负荷≦10%设定负荷时，闭合第二离合器和第三离合器，断开第一离合器，电机连接动力耦合器，通过无级变速装置变速后单独驱动压缩机工作，此时电机作为电动机，磷酸铁锂电池处于放电工作；

当10%设计负荷﹤需求负荷≦40%设计负荷时，闭合第一离合器、第二离合器、第三离合器，发动机驱动压缩机工作的同时带动电机的运行，此时电机为发电机，磷酸铁锂电池处于充电状态；

当40%设计负荷﹤需求负荷≦80%设计负荷，处于发动机的经济区时，闭合第一、第三离合器，断开第二离合器，发动机单独驱动压缩机工作；

当压缩机需求负荷﹥设计负荷的80%时，闭合第一、第二、第三离合器，发动机和电机同轴连接，以相同的速度共同驱动压缩机工作；

当***长时间处于充电工作状态使得磷酸铁锂电池组的剩余电量达到范围上限时，停止对电池组的充电，逆变器将电能切换到循环水的电加热模式。

所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***的控制方法，所述的利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵***发生器的驱动热源控制方法为：

低温循环水在循环水泵的抽吸作用下进入电加热器，被加热后，流入燃气发动机的缸套换热器，与缸套换热器中的高温冷却水进行换热,温度升高后，流入尾气余热回收器与更高温度的烟气进行换热，此时循环水与发生器中溴化锂水溶液换热后，进入下一个循环；

发生器中溴化锂水溶液被加热后，水蒸气进入冷凝器，在冷凝器中向冷却水放热，凝结成冷剂水，冷剂水经节流装置节流后流入蒸发器，在蒸发器中蒸发制冷，并将冷量传递给冷媒水，在蒸发器中产生的冷剂蒸气进入吸收器被从发生器来的溴化锂浓溶液吸收，同时溴化锂浓溶液变成稀溶液，从而完成了制冷剂回路；从吸收器流出的稀溶液经发生泵升压流经溶液交换器，同时被从发生器流出来的浓溶液加热，然后进入发生器被加热浓缩成浓溶液，溴化锂浓溶液在压差的作用下经溶液热交换器进入吸收器去吸收冷剂蒸气，从而完成了溶液回路；热水回水经过吸收器的吸收泵和发生器流出来浓溶液喷淋作用后，温度升高，然后进入冷凝器中进一步吸热，被加热后冷却水可实现供暖或生活热水的供应；低温冷媒水在蒸发器中被降温后，可用于制冷。

有益效果：

本发明提出了一种采用混合动力驱动技术、利用***余热来驱动吸收式热泵运行的双热泵***，该***在传统燃气热泵的基础上，引入了电机的辅助驱动***，以确保燃气发动机的经济运行；通过高效的回收发动机缸套和尾气的余热，以此作为溴化锂吸收式热泵***的驱动热源，有效的提高了低品位热能的利用率；提高整个***的能源利用率。相对于现有技术，该发明具有如下优点：

1.解决了燃气热泵单一能源的驱动模式，通过发动机与电机的合理配合，实现发动机的经济运行，多余的电能用于循环水的加热，这种控制方式可以有效的避免电池的过充，延长电池组使用寿命。

2.充分利用了燃气热泵***的高温低品位余热，解决了夏季余热利用率低的问题，该***具有较高的COP值，节能效果明显。

3.该***可用于夏季制冷、冬季采暖，兼顾提供生活热水之用。能够实现能源消耗的季节平衡，有利于多能源的互补。

附图说明

图1是本发明的结构示意图：

图中：燃气发动机1、电机2、无级变速装置3、动力耦合器4、逆变器5、磷酸铁锂电池组6、压缩机7、四通阀8、室外机9、第一节流阀10、室内机11、电加热器12、缸套换热器13、尾气余热回收器14、发生器15、冷凝器16、第二节流阀17、蒸发器18、吸收器19、溶液热交换器20、第一循环水泵P1、第二循环水泵P2、蒸发泵P3、吸收泵P4、发生泵P5、空气散热器AR、第一离合器M-1、第二离合器M-2、第三离合器M-3。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

参见图1所示，本实施例中提供一种混合动力驱动余热利用的双热泵***。包括：混合动力驱动的燃气热泵***、余热回收水循环***、吸收式热泵***；

所述混合动力驱动的燃气热泵***包括燃气发动机1、电机2、无级变速装置3、动力耦合器4、逆变器5、磷酸铁锂电池组6、压缩机7、四通阀8、室外机9、第一节流阀10、室内机11；

所述余热回收水循环***包括电加热器12、缸套换热器13、尾气余热回收器14、第一循环水泵P1，第二循环水泵P2和空气散热器AR；

所述吸收式热泵***包括发生器15、冷凝器16、第二节流阀17、蒸发器18、吸收器19、溶液热交换器20、蒸发泵P3、吸收泵P4、发生泵P5；

混合动力动力驱动***通过发动机1和电机2的扭矩的合理分配，利用无级变速装置3实现对压缩机7的连续控制，实现热泵***的夏季制冷、冬季供热循环。水循环***分别回收发动机缸套13、尾气回收器14的余热以及磷酸铁锂电池组6的电加热，产生的高温热水作为溴化锂吸收式热泵***发生器15端的热量输入，从而驱动吸收式热泵***的稳定运行，提升其热能的品位。

所述混合动力驱动的燃气热泵***的燃气发动机1、电机2的连接方式为同轴并联：发动机1通过第一离合器M-1连接动力耦合器4，电机2通过第二离合器M-2连接动力耦合器4，无级变速器3通过第三离合器M-3连接动力耦合器4；所述电机2、逆变器5、磷酸铁锂电池组6、电加热器12采用电气方式连接； 所述压缩机7通过四通阀8与室外机9连接，室外机9的另一端与第一节流阀10连接，第一节流阀10另一端与室内机11连接，室内机11另一端经四通阀8与压缩机7连接，形成热泵循环***。

所述余热回收***的循环水泵P2出口的循环水与电加热器12连接，电加热器12的另一端与缸套换热器13采用旁通的方式连接，由13-a进入板式换热器，从13-b流出与尾气余热回收器14连接，尾气余热回收器14的另一端与吸收式热泵***的发生器端15-a连接，换热后从15-b流出与循环水泵P2连接。

所述的吸收式热泵***所采用的工质对为水—溴化锂。所述发生器15的输出端15-c与冷凝器16的16-a连接，冷凝器16的输出端16-b与第二节流阀17连接，第二节流阀17的另一端与蒸发器18的输入端18-a连接，蒸发器18的输出端18-b与吸收器19的输入端19-a连接，吸收器19的输出端19-b与发生泵P5连接，发生泵P5的另一端与溶液热交换器20连接，换热后与发生器15的输入端15-e连接，发生器15的输出端15-d与溶液热交换器20连接，换热后与吸收器19的输入端19-c连接。

本发明还提供一种混合动力驱动余热利用的双热泵***的控制方法，该方法包括：混合动力驱动燃气热泵的控制方法和利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵***发生器的驱动热源控制方法，所述的混合动力驱动燃气热泵的控制方法包括：

当需求负荷≦10%设定负荷时，闭合第二离合器M-2和第三离合器M-3，断开第一离合器M-1，电机2连接动力耦合器，通过无级变速器3变速后单独驱动压缩机工作，此时电机2作为电动机，磷酸铁锂电池6放电工作；当:10%设计负荷＜需求负荷≤40%设计负荷时，闭合第一离合器M-1、第二离合器M-2、第三离合器M-3，发动机1驱动压缩机7工作的同时带动电机2的运行，此时电机为发电机，磷酸铁锂电池处于充电状态；当需求负荷介于：40%设计负荷＜需求负荷≤80%设计负荷时，处于发动机1的经济运行区时，闭合第一离合器M-1、第三离合器M-3，断开第二离合器M-2，发动机1单独驱动压缩机7工作；当需求负荷﹥80%设计负荷时，闭合第一离合器M-1、第二离合器M-2、第三离合器M-3，发动机1和电机2同轴连接，以相同的速度共同驱动压缩机7工作；

当***长时间处于充电工作状态，磷酸铁锂电池组6的剩余电量达到范围上限时，停止对电池组的充电，逆变器5将电能切换到对电加热器12的加热模式。

余热回收***中的循环水在循环水泵P2的驱动下，进入电加热器12，被加热后，从13-a进入缸套换热器13，与缸套换热器（缸套换热器中冷却水温度一般为80～1000C）中的高温冷却水进行换热,温度提高后，从13-b流出，进入尾气余热回收器14与更高温度的烟气（烟气温度一般在5000C左右）进行换热，此时循环水已达到足够的温度，由15-a进入发生器15加热溴化锂水溶液，然后通过15-b流出，完成循环水回路；

缸套换热器13与发动机1缸体间的冷却水从发动机壳体内流出，在循环水泵P1作用下从13-d进入缸套换热器（板式换热器）13，与循环水换热后从13-c进入空气散热器AR，散热后再流回发动机壳体内部完成冷却水的循环。

吸收式热泵***发生器15中溴化锂水溶液被加热至沸点，水蒸气从15-c流出发生器，从16-a进入冷凝器16，在冷凝器16中向冷却水放热，凝结成冷剂水后从16-b流出，经节流装置17节流后，从18-a进入蒸发器18，在蒸发器18中蒸发制冷，将冷量传递给冷媒水，汽化吸热变成冷剂蒸气从18-b流出蒸发器，由19-a进入吸收器19被从发生器15来的溴化锂浓溶液喷淋吸收，同时溴化锂浓溶液变成稀溶液，从而完成了制冷剂回路；溴化锂稀溶液从19-b流出吸收器19，在发生泵P5升压后进入溶液交换器20，被从发生器15输出端15-d流出来的浓溶液加热，然后从15-e进入发生器15被加热浓缩成浓溶液，溴化锂浓溶液在压差的作用下经溶液热交换器20换热后，从19-c进入吸收器19去吸收冷剂蒸气，从而完成了溶液回路；热水回水由19-e进入吸收器19，与来自吸收泵P4和从19-c进入的浓溶液喷淋换热后从19-f流出，温度得到升高，然后由16-c进入冷凝器16中进一步吸热，被加热后冷却水可实现供暖或生活热水的供应；低温冷媒水从18-d进入蒸发器18，在蒸发器18中被冷却降温后从18-e流出，可用于空调制冷。

本发明设计采用混合动力技术驱动燃气热泵，利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵的驱动热源，从而形成了一种双热泵***，该***有效的提升了低品位热能的利用率，降低了燃气发动机的排放，减少了电能的消耗，有效弥补了季节能源的不平衡。以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合动力驱动余热利用的双热泵***，其特征在于：该***包括混合动力驱动的燃气热泵***、余热回收水循环***、吸收式热泵***；所述混合动力驱动的燃气热泵***包括燃气发动机、电机、无级变速装置、动力耦合器、逆变器、磷酸铁锂电池组、压缩机、四通阀、压缩机、第一离合器、第二离合器和第三离合器，所述燃气发动机与电机之间通过动力耦合器实现同轴并联，所述燃气发动机通过所述第一离合器连接所述的动力耦合器，所述的电机通过所述的第二离合器连接所述的动力耦合器，所述的动力耦合器通过所述的第三离合器连接所述的无级变速装置，所述的无级变速装置连接所述的压缩机，所述的压缩机通过四通阀连接压缩机，所述的电机通过逆变器连接所述的磷酸铁锂电池组。

2.根据权利要求1所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，其特征在于：所述的余热回收水循环***包括电加热器、缸套换热器、尾气余热回收器、第二循环水泵；所述的缸套换热器与所述的燃气发动机的缸套连接，所述的尾气余热回收器与所述的燃气发动机的尾气管道连接，所述的第二循环水泵与电加热器连接，电加热器的另一端与缸套换热器采用旁通的方式连接，所述缸套换热器与尾气余热回收器连接，尾气余热回收器的另一端与吸收式热泵***连接，吸收式热泵***通过第二循环水泵与电加热器连接。

3.根据权利要求2所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，其特征在于：所述的余热回收水循环***还包括与所述的缸套换热器连接的第一循环水泵、第二循环水泵和空气散热器。

4.根据权利要求1或2或3所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***，其特征在于：所述的吸收式热泵***包括发生器、冷凝器、第二节流阀、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、蒸发泵、吸收泵、发生泵；所述发生器的输出端与冷凝器的输入端连接，冷凝器的输出端与第二节流阀连接，第二节流阀的另一端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端与吸收器的输入端连接，吸收器的输出端与发生泵连接，发生泵的另一端与溶液热交换器连接，换热后与发生器的输入端连接，发生器的输出端与溶液热交换器连接，换热后与吸收器的输入端连接。

5.一种混合动力驱动余热利用的双热泵***的控制方法，其特征在于：该方法包括：混合动力驱动燃气热泵的控制方法和利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵***发生器的驱动热源控制方法，所述的混合动力驱动燃气热泵的控制方法包括：

当压缩机需求负荷≦10%设定负荷时，闭合第二离合器和第三离合器，断开第一离合器，电机连接动力耦合器，通过无级变速装置变速后单独驱动压缩机工作，此时电机作为电动机，磷酸铁锂电池处于放电工作；

当10%设计负荷﹤需求负荷≦40%设计负荷时，闭合第一离合器、第二离合器、第三离合器，发动机驱动压缩机工作的同时带动电机的运行，此时电机为发电机，磷酸铁锂电池处于充电状态；

当40%设计负荷﹤需求负荷≦80%设计负荷，处于发动机的经济区时，闭合第一、第三离合器，断开第二离合器，发动机单独驱动压缩机工作；

当压缩机需求负荷﹥设计负荷的80%时，闭合第一、第二、第三离合器，发动机和电机同轴连接，以相同的速度共同驱动压缩机工作；

当***长时间处于充电工作状态使得磷酸铁锂电池组的剩余电量达到范围上限时，停止对电池组的充电，逆变器将电能切换到循环水的电加热模式。

6.根据权利要求5所述的混合动力驱动余热利用的双热泵***的控制方法，其特征在于：所述的利用发动机和尾气的高温余热作为溴化锂吸收式热泵***发生器的驱动热源控制方法为：

低温循环水在循环水泵的抽吸作用下进入电加热器，被加热后，流入燃气发动机的缸套换热器，与缸套换热器中的高温冷却水进行换热,温度升高后，流入尾气余热回收器与更高温度的烟气进行换热，此时循环水与发生器中溴化锂水溶液换热后，进入下一个循环；

发生器中溴化锂水溶液被加热后，水蒸气进入冷凝器，在冷凝器中向冷却水放热，凝结成冷剂水，冷剂水经节流装置节流后流入蒸发器，在蒸发器中蒸发制冷，并将冷量传递给冷媒水，在蒸发器中产生的冷剂蒸气进入吸收器被从发生器来的溴化锂浓溶液吸收，同时溴化锂浓溶液变成稀溶液，从而完成了制冷剂回路；从吸收器流出的稀溶液经发生泵升压流经溶液交换器，同时被从发生器流出来的浓溶液加热，然后进入发生器被加热浓缩成浓溶液，溴化锂浓溶液在压差的作用下经溶液热交换器进入吸收器去吸收冷剂蒸气，从而完成了溶液回路；热水回水经过吸收器的吸收泵和发生器流出来浓溶液喷淋作用后，温度升高，然后进入冷凝器中进一步吸热，被加热后冷却水可实现供暖或生活热水的供应；低温冷媒水在蒸发器中被降温后，可用于制冷。