脱电独立运行复合式热泵空调系统及其控制方法与流程

本发明属于空调节能设备技术领域，具体涉及一种脱电独立运行复合式热泵空调系统及其控制方法。

背景技术：

随着人们生活水平的不断提高，人们对生活和工作环境的舒适度及洁净度要求愈来愈高。因此，我国大部分地区的建筑都具有冬季供热、夏季空调及全年提供生活热水的多重需求，电动热泵虽然在冷热源及系统内部采用了各种较为先进的节能技术而具有较高的能量利用率，但由于我国的电网电力大多是由燃煤电厂供应，增加用电设备基本上等同于增加环境污染，因此从提高大气环境质量及减少温室气体排放角度考虑有必要推广其它能源的建筑冷热源系统。以天然气或其他燃料为输入能源的内燃机热泵空调系统具有高效、节能、安全、环保等众多优点而日益受到广泛的关注。

对于常规燃气热泵系统的辅助设备如风机、水泵、控制仪器等仍然需要消耗少量电力供应，这些电力要由电网提供，因此系统不能脱离电网独立运行，一旦由于出现电力供应紧张而出现电力供应中断它们也将同电力空调一样陷入瘫痪。因此脱电独立运行燃气热泵系统成为人们关注的重点。从目前公开发表的资料看，脱电独立运行燃气热泵系统主要有以下几种方式实现：1.燃气机拖动发电机来实现系统独立运行[CN201310010199.1]，由于燃气机热泵系统需要根据负荷变化调节发动机的转速，因此该方式存在系统容量调节和发电机恒速之间的矛盾，同时由于发电机发电效率相对较低，能源浪费相对较大；2.利用太阳能光伏发电来实现系统独立运行[CN201310365773.5]，由于太阳能电池吸收的太阳辐射大部分没有被转变为电能，而是升高了电池的温度，电池温度的升高又减小了太阳能电池的光电转换效率，因此该方式存在光电转换效率与电池温度升高之间的矛盾；同时燃气热泵末端水泵由于功率较大，耗电量较多，而太阳能发电受外界环境影响较大，很难保证系统完全独立于电网运行；3.光电光热综合利用来实现系统独立运行[CN 201410222276.4]，该专利只说明冬季供热时光电光热综合利用的方法，没有给出夏季供冷时光热与光电利用方式，存在一定的局限性。

对于燃气热泵技术研究一个很重要的方面就是余热利用技术，目前对于燃气热泵余热利用主要用于供热或提供生活热水，但是在天气炎热的夏季，不需要供热而且对热水的需求量相对较少，因此大量的余热不能有效的利用，能源浪费十分严重。因此，解决提高燃气热泵系统的余热利用率，减轻电力系统的负担，提高冬夏季太阳能光伏光热利用效率等问题具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种将太阳能光伏光热利用技术、内燃机热泵技术、吸收式制冷技术以及多级传动技术有机结合的脱电独立运行复合式热泵空调系统。

本发明的另一个目的是针对上述问题，提供一种自动化程度高、脱电独立运行的脱电独立运行复合式热泵空调系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本脱电独立运行复合式热泵空调系统，其特征在于，本系统包括压缩机，所述的压缩机出口端通过管道依次与所述的四通换向阀、板式换热器和电子膨胀阀连接，在所述的电子膨胀阀出口管路分别连接有光伏光热利用系统和热泵空调系统，所述的热泵空调系统包括相互并联的光伏换热器和翅片管换热器，所述的光伏光热利用系统包括与光伏换热器相连的逆变控制器，所述的逆变控制器通过蓄电池与用电侧相连，所述的压缩机通过第一电磁离合变速器与多级机械传动机构相连，且所述的多级机械传动机构与内燃机连接，本系统还包括余热回收系统，且所述的余热回收系统包括与板式换热器相连的用户侧回水管路，且所述的用户侧回水管路分别连接有第一回水管路和第二回水管路。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的电子膨胀阀出口管路分为两路；所述的电子膨胀阀一路与所述的翅片管换热器和第一电磁阀相连；电子膨胀阀另一路与光伏换热器的制冷剂管路和第二电磁阀相连；所述的第一电磁阀出口与第二电磁阀出口通过管路连接后依次与所述的四通换向阀，且所述的四通换向阀与压缩机进口相连。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的光伏换热器的冷却水管路通过管道依次与第七截止阀和蓄热水箱以及第八截止阀连接构成冷却水回路，所述光伏换热器的制冷剂回路通过制冷剂管道分别与翅片管换热器和第二电磁阀相连。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的第一回水管路包括通过管道与用户侧回水管路依次相连的板式换热器和用户侧循环水泵，所述的用户侧循环水泵出口管路分为两路；所述的用户侧循环水泵一路通过管道与所述的第九截止阀和所述的第十截止阀相连；所述的用户侧循环水泵另一路与所述的第一截止阀相连；所述的第一截止阀出口分为两路；所述的第一截止阀一路通过管道依次与缸套水换热器、烟气换热器以及第二截止阀相连，所述的第一截止阀另一路连接有溴化锂制冷机组高温水回路，且所述的溴化锂制冷机组高温水回路包括通过管道与第一截止阀依次相连的第五截止阀、高温水水泵以及溴化锂制冷机组的高温管路，所述的溴化锂制冷机组的高温管路依次与高温水箱、第六截止阀以及烟气换热器相连。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的第二回水管路包括通过与用户侧回水管路相连的溴化锂制冷机组冷冻水回路，所述的溴化锂制冷机组冷冻水回路包括与用户侧回水管路相连的第三截止阀，所述的第三截止阀通过溴化锂制冷机组的冷冻水管路依次与第四截止阀和第二截止阀出口管路相连。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的溴化锂制冷机组连接有溴化锂制冷机组冷却水回路，且所述的溴化锂制冷机组冷却水回路包括与溴化锂制冷机组的冷却水管路相连的冷却水水泵，所述的冷却水水泵与空冷塔相连。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的用户侧循环水泵、冷却水水泵和高温水水泵分别通过第二电磁离合变速器、第三电磁离合变速器、第四电磁离合变速器与多级机械传动机构相连，且所述的用户侧循环水泵、冷却水水泵和高温水水泵的启停控制及转速控制均通过电磁离合变速器进行控制。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的光伏换热器包括相互平行设置的第一铝合金板和第二铝合金板，所述的光伏换热器的冷却水管路和制冷剂回路依次交替设置在第一铝合金板和第二铝合金板之间，且所述的第一铝合金板一侧通过导热胶依次设有若干光电玻璃板，所述的第二铝合金板外侧表面设有绝热材料层。

在上述的脱电独立运行复合式热泵空调系统中，所述的冷却水管路和制冷剂回路的横截面均呈正方形且冷却水管路和制冷剂回路互不相通。

基于上述脱电独立运行复合式热泵空调系统的脱电独立运行复合式热泵空调系统的控制方法如下所述：本脱电独立运行复合式热泵空调系统的控制方法，包括下述步骤：

A、冬季运行:光伏换热器和翅片管换热器并联使用，光伏换热器表面的光电板吸收太阳光后产生电能，一部分作为电能储存在蓄电池中，一部分向系统供电，余热回收系统将余热作为高温热源来进一步加热系统回水，余热回收系统提供系统供水温度；

B、夏季运行:光伏换热器只作为发电不作为换热使用，翅片管换热器作为冷凝器使用，余热回收系统将余热余热作为余热回收系统的驱动热源，将热量转化为冷量向用户侧供冷。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明在冬季运行，当太阳辐射强度较好时，一方面通过光伏换热器吸收太阳能发电向系统供电，同时将多余的电量通过蓄电池储存起来供阴雨天气和晚上使用，另一方面通过制冷剂流经光伏换热器时吸收太阳能电池发电所产生的热量作为热泵系统的低温热源，提高蒸发器的蒸发温度，有利于提高热泵系统的能效比，当阴雨天气或晚上时，本发明通过电动三通阀自动切换，利用翅片管换热器吸收室外空气中的热量作为低温热源向用户侧供热。

2.本发明在夏季运行时，通过电动三通阀自动切换，利用翅片管换热器将室内的热量排放到室外空气中，同时打开光伏换热器蓄热水箱侧阀门，利用水的自然循环带走却光伏换热器由于发电所产生的热量，不但提高光伏电池的光电转换效率，而且可以将热量储存在蓄热水箱中作为生活热水使用。

3.为了减少系统用电设备的用电量，保证系统能完全独立于电网运行，本发明采用多级机械传动机构，系统中所有水泵的驱动动力均通过内燃机提供，发电系统只为控制系统和翅片管换热器风机提供所需的少量电力，大大降低系统用电量。同时，系统中各个水泵的启停及转速流量控制均通过电磁离合变速器进行控制，实现能量最优分配。

4.对于内燃机余热的利用，在冬季作为高温热源进一步加热系统回水；在夏季用于驱动溴化锂吸收式制冷机组向末端供冷，不但最大限度的提高了内燃机热泵余热利用效率，节约能源，同时也可最优化匹配系统冬夏季的负荷，减小机组设计容量，节约投资成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的光伏换热器结构剖面图；

图中，压缩机1、板式换热器2、电子膨胀阀3、翅片管换热器4、四通换向阀5、光伏换热器6、光电玻璃板61、第一铝合金板62、第二铝合金板63、绝热材料层64、冷却水管路65、制冷剂回路66、逆变控制器7、蓄电池8、空冷塔9、第一电磁阀10、第二电磁阀11、内燃机12、缸套水换热器13、烟气换热器14、溴化锂制冷机组15、用户侧循环水泵16、冷却水水泵17、高温水水泵18、多级机械传动机构19、第一电磁离合变速器20、第二电磁离合变速器21、第三电磁离合变速器22、第四电磁离合变速器23、高温水箱24、蓄热水箱25、第一截止阀26、第二截止阀27、第三截止阀28、第四截止阀29、第五截止阀30、第六截止阀31、第七截止阀32、第八截止阀33、第九截止阀34、第十截止阀35。

具体实施方式

如图1和图2所示，本脱电独立运行复合式热泵空调系统，包括压缩机1，所述的压缩机1出口端通过管道依次与四通换向阀5、板式换热器2和电子膨胀阀3连接，在电子膨胀阀3出口管路分别连接有光伏光热利用系统和热泵空调系统，热泵空调系统包括相互并联的光伏换热器6和翅片管换热器4，光伏光热利用系统包括与光伏换热器6相连的逆变控制器7，逆变控制器7通过蓄电池8与用电侧相连，压缩机1通过第一电磁离合变速器20与多级机械传动机构19相连，且多级机械传动机构19与内燃机12连接，本系统还包括余热回收系统，且余热回收系统包括与板式换热器2相连的用户侧回水管路，且用户侧回水管路分别连接有第一回水管路和第二回水管路，热泵空调系统由两个室外换热器并联组成，一个是所述的光伏换热器6，一个是所述的翅片管换热器4。冬季运行时，两个换热器并联使用，通过两个换热器的制冷剂流量根据出口制冷剂的过热度通过电磁阀进行控制；夏季运行时，光伏换热器6只作为发电不作为换热使用，翅片管换热器4作为冷凝器使用，其中，这里的余热回收系统采用两种余热利用方式，在冬季运行时，余热作为高温热源来进一步加热系统回水，提供系统供水温度，减少供水流量，从而减少水泵功率消耗，节约能源；在夏季运行时，余热作为溴化锂吸收式制冷机组的驱动热源，将热量转化为冷量向用户侧供冷，不但最大限度利用余热，而且减少热泵系统的供冷量，有效的节约能源，系统产生的冷凝热和吸收热有所述的空冷器进行冷却排放到室外大气中。

其中，这里的电子膨胀阀3出口管路分为两路；电子膨胀阀3一路与翅片管换热器4和第一电磁阀10相连；电子膨胀阀3另一路与光伏换热器6的制冷剂管路和第二电磁阀11相连；第一电磁阀10出口与第二电磁阀11出口通过管路连接后依次与四通换向阀5，且四通换向阀5与压缩机1进口相连。

这里的光伏换热器6的冷却水管路65通过管道依次与第七截止阀32和蓄热水箱25以及第八截止阀33连接构成冷却水回路，所述光伏换热器6的制冷剂回路66通过制冷剂管道分别与翅片管换热器4和第二电磁阀11相连，光电玻璃板由于发电产生的热量通过制冷剂换热回路作为热泵系统的低温热源使用；在夏季运行时，光电玻璃由于发电产生的热量通过冷却水回路被水吸收，并将热量通过蓄热水箱25储存起来作为生活热水使用。

其中，这里的第一回水管路包括通过管道与用户侧回水管路依次相连的板式换热器2和用户侧循环水泵16，用户侧循环水泵16出口管路分为两路；用户侧循环水泵16一路通过管道与第九截止阀34和第十截止阀35相连；用户侧循环水泵16另一路与第一截止阀26相连；第一截止阀26出口分为两路；第一截止阀26一路通过管道依次与缸套水换热器13、烟气换热器14以及第二截止阀27相连，第一截止阀26另一路连接有溴化锂制冷机组高温水回路，且溴化锂制冷机组高温水回路包括通过管道与第一截止阀26依次相连的第五截止阀30、高温水水泵18以及溴化锂制冷机组15的高温管路，溴化锂制冷机组15的高温管路依次与高温水箱24、第六截止阀31以及烟气换热器14相连，高温水水泵18、冷却水泵17、压缩机1和用户侧循环水泵16通过所述的多级机械传动机构9和电磁离合变速器与内燃机12连接，由内燃机12提供动力。

这里的第二回水管路包括通过与用户侧回水管路相连的溴化锂制冷机组冷冻水回路，溴化锂制冷机组冷冻水回路包括与用户侧回水管路相连的第三截止阀28，第三截止阀28通过溴化锂制冷机组15的冷冻水管路依次与第四截止阀29和第二截止阀27出口管路相连。

优选地，这里的溴化锂制冷机组15连接有溴化锂制冷机组冷却水回路，且溴化锂制冷机组冷却水回路包括与溴化锂制冷机组15的冷却水管路65相连的冷却水水泵17，冷却水水泵17与空冷塔9相连。

这里的用户侧循环水泵16、冷却水水泵17和高温水水泵18分别通过第二电磁离合变速器21、第三电磁离合变速器22、第四电磁离合变速器23与多级机械传动机构19相连，且用户侧循环水泵16、冷却水水泵17和高温水水泵18的启停控制及转速控制均通过电磁离合变速器进行控制。

如图2所示，这里的光伏换热器6包括相互平行设置的第一铝合金板62和第二铝合金板63，光伏换热器6的冷却水管路65和制冷剂回路66依次交替设置在第一铝合金板62和第二铝合金板63之间，且第一铝合金板62一侧通过导热胶依次设有若干光电玻璃板61，第二铝合金板63外侧表面设有绝热材料层64，防止热量损失。这里的冷却水管路65和制冷剂回路66的横截面均呈正方形且冷却水管路65和制冷剂回路66互不相通。

本脱电独立运行复合式热泵空调系统的控制方法，包括下述步骤：

A、冬季运行:光伏换热器6和翅片管换热器4并联使用，光伏换热器6表面的光电板吸收太阳光后产生电能，一部分作为电能储存在蓄电池8中，一部分向系统供电，余热回收系统将余热作为高温热源来进一步加热系统回水，余热回收系统提供系统供水温度；

B、夏季运行:光伏换热器6只作为发电不作为换热使用，翅片管换热器4作为冷凝器使用，余热回收系统将余热余热作为余热回收系统的驱动热源，将热量转化为冷量向用户侧供冷。

具体工作过程如下：

本发明在冬季运行时，系统处于供热模式，关闭第三截止阀28、第四截止阀29、第五截止阀30、第六截止阀31、第七截止阀32、第八截止阀33、第九截止阀34和第十截止阀35，打开第一截止阀26和第二截止阀27，断开第三电磁离合变速器22和第四电磁离合变速器23，合上第一电磁离合变速器20和第二电磁离合变速器21，四通换向阀5换向，使得板式换热器2为冷凝器，翅片管换热器4或光伏换热器6为蒸发器。

当室外太阳辐射强度较强且通过光伏换热器吸收的热量满足热泵供热需求时，关闭第一电磁阀10，打开第二电磁阀11，内燃机12通过多级机械传动机构19驱动压缩机1运行，高温高压的制冷剂蒸汽在板式换热器2中放热冷凝成高温高压的液态制冷剂，高温高压的液态制冷剂经过电子膨胀阀3节流后变成低温低压的气液两相制冷剂，低温低压的气液两相制冷剂进入光伏换热器6后吸收来自太阳能光电板发电产生的热量后变成低温低压的气态制冷剂蒸汽，随后进入到压缩机1中压缩成高温高压的气态制冷剂形成一个循环。同时光伏换热器6表面的光电板吸收太阳光后产生电能，一部分作为电能储存在蓄电池8中，一部分向系统供电。

内燃机12通过多级机械传动机构19驱动用户侧循环水泵，为用户侧循环水提供循环动力，用户侧回水通过板式换热器2后吸收高温高压的制冷剂冷凝产生的冷凝热，温度升高后进入到缸套水换热器13和烟气换热器14后进一步吸收内燃机余热提升温度后向用户供水。

当室外太阳辐射强度较弱且通过光伏换热器吸收的热量不能满足热泵供热需求时，同时打开第一电磁阀10和第二电磁阀11，通过出口制冷剂的过热度自动调节第一电磁阀10和第二电磁阀11的开度，使得一部分制冷剂进入光伏换热器6吸收热量，另一部分制冷剂进入翅片管换热器4中吸收室外空气的热量，从而保证热泵系统正常运行。

当室外为阴雨天气和晚上时，打开第一电磁阀10，关闭第二电磁阀11，热泵系统通过翅片管换热器4吸收室外空气的热量来保证系统正常运行。

本发明在夏季运行时，系统处于供冷模式，关闭第一截止阀26和第二截止阀27，打开第三截止阀28、第四截止阀29、第五截止阀30、第六截止阀31、第七截止阀32、第八截止阀33、第九截止阀34和第十截止阀35。合上第一电磁离合变速器20、第二电磁离合变速器21、第三电磁离合变速器22和第四电磁离合变速器23，四通换向阀5换向，使得板式换热器2为蒸发器，翅片管式换热器2为冷凝器。

内燃机12通过多级机械传动机构19和第一电磁离合变速器20驱动压缩机1运行，高温高压的气态制冷剂进入翅片管换热器4将热量放给室外空气后变成高温高压的液态制冷剂，高温高压的液态制冷剂经电子膨胀3节流后变成低温低压的气液两相制冷剂，气液两相制冷剂进入板式换热器2吸热后变成低温低压的气态制冷剂，随后进入压缩机压缩成高温高压的气态制冷剂形成一个循环。

在夏季制冷运行时，光伏换热器6的主要作用是利用光电板发电，同时打开第七截止阀32和第八截止阀33，利用水的自然循环带走由于光电板发电产生的热量，不但提高光电板的光电转换效率，而且通过蓄热水箱25将热量储存起来作为生活热水使用。

内燃机12通过多级机械传动机构19和第二电磁离合变速器21驱动用户侧循环水泵16，为用户侧循环水提供循环动力，用户侧回水分为两路：一路通过板式换热器2将热量释放给低温低压的气液两相制冷剂后温度降低，经过第九截止阀34和第十截止阀35所在的旁通管后向用户侧供冷冻水；另一路经过第三截止阀28进入溴化锂吸收式制冷机组15的冷冻水管路，放出热量温度降低后，经过第四截止阀29向用户供冷冻水。

溴化锂制冷机组冷却水回路主要用于冷却溴化锂制冷机组内部溶液吸收热和冷凝热，冷却水经过冷却水水泵17进入溴化锂制冷机组15，吸收溴化锂制冷机组15中的溶液吸收热和冷凝热后进入到空冷塔9中，将吸收的热量释放给空气冷却后重新进入冷却水水泵17，形成一个冷却循环。内燃机12通过多级机械传动机构19驱动冷却水水泵，为冷却水提供循环动力。

溴化锂吸收式制冷机组15的驱动热源主要来自于内燃机回收的余热，从溴化锂吸收式制冷机组15高温管路中流出的中温水经过高温水水泵18、第五截止阀30后进入到缸套水换热器13和烟气换热器14吸热后变成90℃左右的高温水，高温水经过第六截止阀31和高温水箱24后进入溴化锂吸收式制冷机组，驱动溴化锂制冷机组运行放出热量后变成中温水重新进入高温水水泵18，形成一个循环。内燃机12通过多级机械传动机构19和第四电磁离合变速器23驱动高温水水泵，为高温水循环提供动力。

本发明将太阳能蓄热技术、太阳能发电技术、内燃机燃烧技术、吸收式制冷技术、余热利用技术、热泵技术、换热原理、自动控制等技术有机的结合起来，实现了系统冬季供热、夏季空调的双重需求，同时，最大限度的提高了内燃机热泵余热利用效率，节约了能源，是一种能源利用率高、环境污染小、运行成本低、运行稳定的新型绿色高效热泵空调系统。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了压缩机1、板式换热器2、电子膨胀阀3、翅片管换热器4、四通换向阀5、光伏换热器6、光电玻璃板61、第一铝合金板62、第二铝合金板63、绝热材料层64、冷却水管路65、制冷剂回路66、逆变控制器7、蓄电池8、空冷塔9、第一电磁阀10、第二电磁阀11、内燃机12、缸套水换热器13、烟气换热器14、溴化锂制冷机组15、用户侧循环水泵16、冷却水水泵17、高温水水泵18、多级机械传动机构19、第一电磁离合变速器20、第二电磁离合变速器21、第三电磁离合变速器22、第四电磁离合变速器23、高温水箱24、蓄热水箱25、第一截止阀26、第二截止阀27、第三截止阀28、第四截止阀29、第五截止阀30、第六截止阀31、第七截止阀32、第八截止阀33、第九截止阀34、第十截止阀35等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。