一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法
阅读说明：本技术 一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法 (Building distributed energy supply system based on hydrogen fuel cell and operation method ) 是由 刘凤国 赵楠楠 陈祖银 于 2021-02-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法,包括氢燃料电池系统和空气源热泵系统、余热回收系统；所述的氢燃料电池系统产生电力,并利用蓄电池存储电力用于驱动压缩机和向建筑供电；所述的空气源热泵系统在制冷模式下,制冷剂通过板式换热器制取冷冻水用于制冷,在制热模式下,制冷剂通过翅片式换热器从空气中取热,利用板式换热器制取热水用于供暖,所述余热回收系统回收氢燃料电池余热用于制取生活热水,在冬季气温低时作为空气源热泵系统的辅助热源。本发明充分合理地利用了氢燃料电池的电力和余热,实现了建筑供电、制冷、供暖和供生活热水的目的,能源利用率提升,符合当今节能减排的能源政策需求,社会效益显著。(The invention discloses a building distributed energy supply system based on a hydrogen fuel cell and an operation method, wherein the building distributed energy supply system comprises a hydrogen fuel cell system, an air source heat pump system and a waste heat recovery system; the hydrogen fuel cell system generates electricity and uses the storage battery to store the electricity for driving the compressor and supplying electricity to the building; in the air source heat pump system, in a refrigeration mode, a refrigerant is used for preparing chilled water through a plate heat exchanger for refrigeration, in a heating mode, the refrigerant is used for taking heat from air through a fin type heat exchanger, hot water is prepared through the plate heat exchanger for heating, the waste heat recovery system is used for recovering the waste heat of a hydrogen fuel cell for preparing domestic hot water, and the waste heat is used as an auxiliary heat source of the air source heat pump system when the air temperature is low in winter. The invention fully and reasonably utilizes the electric power and the waste heat of the hydrogen fuel cell, realizes the purposes of building power supply, refrigeration, heating and domestic hot water supply, improves the energy utilization rate, meets the energy policy requirements of energy conservation and emission reduction at present, and has remarkable social benefit.)
技术领域
本发明涉及一种建筑分布式供能系统运行方法，具体涉及一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法。
背景技术
能源的集中式开发利用一直以来都是我国能源供给的主要模式，传统的集中式供能系统采用大容量设备、集中生产，然后通过专门的输送设施将各种能量输送给较大范围内的众多用户。然而，随着我国能源结构优化和清洁化目标的提出，集中式供能系统在传输损耗、利用效率、环境污染等方面都不能满足要求。分布式供能系统作为一种开放性的能源系统，呈现出多功能的趋势，能源利用率提升，能源传输成本和环境污染减少，又可同时满足用户的多种能量需求。
氢燃料电池由于其高效清洁、可靠性高、可操作性好而被用于新型绿色的能源系统中。氢燃料电池建筑分布式供能系统利用氢燃料电池技术产生放电反应，同时实现反应余热的利用，提供热力和电力的联合供应服务。氢燃料电池产生电力向用户提供生活用电，并驱动空气源热泵系统的压缩机。空气源热泵在夏季运行产生冷冻水向用户制冷，冬季制热运行产生热水向用户供暖。同时回收氢燃料电池的余热可全年向用户提供生活热水。此外，冬季气温较低时，氢燃料电池余热可以作为热泵系统室外换热器的辅助热源。建立基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统，提高能源控制能力，形成多元化供应体系，是未来能源系统的发展趋势。
发明内容
本发明提出了一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，可充分利用氢燃料电池的电能和热能，灵活的向用户提供制冷、供暖、供电和生活热水。
所述的氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，包括氢燃料电池系统、空气源热泵系统以及余热回收系统；
所述的氢燃料电池系统，包括氢气供应管路，空气供应管路，燃料电池，蓄电池，直流-交流转换器；所述的氢气供应管路包括储氢罐，减压阀，手动截止阀，防爆电磁阀，氢气循环泵；所述的空气供应管路包括空气过滤器，空压机，中冷器，空气截止阀；所述氢气供应管路和空气供应管路均连接燃料电池，氢气和空气中的氧气在燃料电池中发生反应生成直流电，反应后的氢气通过氢气循环泵再次送入氢气供应管路，反应后的空气乏气通过空气截止阀排放到空气中；所述蓄电池存储直流电，所述直流-交流转换器将直流电转换成交流电，用于建筑用电和驱动空气源热泵系统的压缩机；
所述的空气源热泵系统，包括制冷剂循环、水循环以及辅助散热循环；
所述的制冷剂循环过程如下：制热模式下，压缩机将制冷剂压缩为气态，压缩后的气态制冷剂进入油分离器，将与制冷剂中的润滑油分离出来，润滑油通过回油管返回压缩机，气态制冷剂通过四通换向阀进入板式换热器放热冷凝为液态，液态制冷剂经过第三单向阀进入贮液器，液态制冷剂经贮液器排出后依次经过干燥过滤器，供液电磁阀，视液镜，电子膨胀阀，液态制冷剂在电子膨胀阀中降压变为低压液态后通过第二单向阀进入翅片式换热器的制冷剂单元吸热蒸发为气态，气态制冷剂通过四通换向阀进入气液分离器，气液分离器出口的气态制冷剂再次被压缩机吸入，进入下一个制热循环；制冷模式下，压缩机将制冷剂压缩为气态，压缩后的气态制冷剂进入油分离器，将与制冷剂中的润滑油分离出来，润滑油通过回油管返回压缩机，气态制冷剂通过四通换向阀进入翅片式换热器的制冷剂单元放热冷凝为液态，液态制冷剂经过第四单向阀进入贮液器，液态制冷剂经贮液器排出后依次经过干燥过滤器，供液电磁阀，视液镜，电子膨胀阀，液态制冷剂在电子膨胀阀中降压变为低压液态，而后通过第一单向阀进入板式换热器吸热蒸发为气态，气态制冷剂通过四通换向阀进入气液分离器，气液分离器出口的气态制冷剂被压缩机吸入，进入下一个制冷循环；
所述的水循环过程如下：空调水箱中的水经过空调循环水泵送入到板式换热器中，在制热模式下吸收制冷剂循环侧气态制冷剂冷凝的热量，为用户供暖；在制冷模式下，空调水箱中的水经板式换热器被制冷剂循环侧的制冷剂降温，为用户制冷；
所述的辅助散热循环过程如下：防冻液吸收余热水箱中的余热，通过第二电磁阀进入翅片式换热器的辅助蒸发单元；在冬季，作为制冷剂循环的辅助热源，随后依次通过第一电磁阀和第三循环水泵进入散热换热器，进行下一个循环；在夏季，防冻液吸收余热水箱中的余热，通过第三电磁阀进入翅片式换热器的散热单元，将余热回收系统多余的热量释放到空气中，随后通过依次第一电磁阀和第三循环水泵进入散热换热器，进行下一个循环；
所述的余热回收系统，包括冷却液循环泵，余热回收换热器，第一循环水泵，余热水箱，第二循环水泵；所述的冷却液循环泵连接燃料电池和余热回收换热器，余热水箱通过第一循环水泵与余热回收换热器相连，将燃料电池余热收集到余热水箱中，余热水箱中的水在系统全年运行时用于生活热水。
本发明与现有技术相比的优点和效果如下：
(1)本发明提出的基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，实现了制冷、供暖、供电和生活热水集一体的能源供应方式，提高了能源利用效率；
(2)本发明提出的基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，针对燃料电池余热利用不合理问题，设计了余热回收系统，回收氢燃料电池的余热可全年向用户提供生活热水。此外，冬季气温较低时，燃料电池余热可以作为热泵系统室外换热器的辅助热源。
附图说明
图1为本发明的氢燃料电池的建筑分布式供能系统流程图。
图2为本发明的氢燃料电池的建筑分布式供能系统的制热模式流程图。
图3为本发明的氢燃料电池的建筑分布式供能系统的制冷模式流程图。
图中，箭头方向表示管路中流体的流向。附图标记：①-氢燃料电池系统，②-空气源热泵系统，③-余热回收系统，1-燃料电池，2-蓄电池，3-直流-交流转换器，4-储氢罐，5-减压阀，6-手动截止阀，7-防爆电磁阀，8-氢气循环泵，9-空气过滤器，10-空压机，11-中冷器，12-空气截止阀，13-电网，14-冷却液循环泵，15-余热回收换热器，16-第一循环水泵，17-余热水箱，18-第二循环水泵，19-散热换热器，20-第三循环水泵，21-第一电磁阀，22-空调水箱，23-空调循环水泵，24-压缩机，25-避震管一，26-油分离器，27-四通换向阀，28-板式换热器，29-第一单向阀，30-第二单向阀，31-第三单向阀，32-第四单向阀，33-贮液器，34-干燥过滤器，35-供液电磁阀，36-视液镜，37-电子膨胀阀，38-翅片式换热器，39-第二电磁阀，40-第三电磁阀，41-气液分离器，42-避震管二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进行详细说明。
请参考图1，本发明提供了一种基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，包括氢燃料电池系统①，空气源热泵系统②以及余热回收系统③。
氢燃料电池系统①包括氢气供应管路，空气供应管路，燃料电池1，蓄电池2，直流-交流转换器3；氢气供应管路，空气供应管路和蓄电池2均与燃料电池1相连接。
氢气供应管路供应氢气，氢气供应管路包括储氢罐4，减压阀5，手动截止阀6，防爆电磁阀7，氢气循环泵8；氢气从储氢罐4出来，依次经过减压阀5，手动截止阀6，防爆电磁阀7进入燃料电池1，燃料电池1的氢气出口连接氢气循环泵8，氢气循环泵8将未参与反应的氢气再次泵入燃料电池1。
空气供应管路供应空气，空气供应管路包括空气过滤器9，空压机10，中冷器11，空气截止阀12；空气经过空气过滤器9处理后进入空压机10，空压机10将空气压缩后进入中冷器11进行冷却，空气经中冷器11冷却后进入燃料电池1，燃料电池1的空气出口连接空气截止阀12，反应后的空气乏气排放到空气中。
氢气和空气中的氧气在燃料电池1中发生反应产生直流电，产生的电能供给蓄电池2，蓄电池2中的直流电经过直流-交流转换器3转换为交流电，转换后的电能一方面用于驱动压缩机24，一方面用于给建筑供电13。
空气源热泵系统②包括制冷剂循环、水循环、辅助散热循环循环；
所述的制冷剂循环具体为，由燃料电池1产生的电能驱动压缩机24做功，压缩机24将吸入的低温低压气态制冷剂压缩为高温高压的气态，而后送入油分离器26，油分离器26将混在制冷剂中的润滑油分离出来，并经过回油管将润滑油送回到压缩机24内，制冷剂从油分离器26的出口排出；在制热模式下，油分离器26出口排出的气态制冷剂经过四通换向阀27的D-C管路进入板式换热器28，在板式换热器28中制冷剂所携带的热量传递给冷却水，制冷剂被冷凝为高压的液态，液态的制冷剂经第三单向阀31进入贮液器33，由贮液器33出口排出后依次流经干燥过滤器34、供液电磁阀35、视液镜36和电子膨胀阀37，制冷剂在电子膨胀阀37中节流降压，由高压的液态变为低温低压的液态，随后经由第二单向阀30进入到翅片式换热器38的制冷剂单元38(b)(其中38(b)包含38(b1)和38(b2)两部分)，制冷剂在制冷剂单元38(b)中吸收空气的热量被气化为低温低压的气态，由翅片式换热器38的制冷剂单元38(b)排出的低温低压的气态制冷剂，随后制冷剂经四通换向阀27的E-S管路进入气液分离器41，制冷剂流出气液分离器41后进入压缩机24的吸气口，进入下一制热循环，如此循环往复。在制冷模式下，从油分离器26出口排出的气态制冷剂经过四通换向阀27的D-E管路进入翅片式换热器38的制冷剂单元38(b)，在制冷剂单元38(b)中高温高压的气态制冷剂将所携带的热量传递给空气后被冷凝为高压的液态制冷剂，液态制冷剂经过第四单向阀32进入到贮液器33，由贮液器33出口排出后依次流经干燥过滤器34、供液电磁阀35、视液镜36、电子膨胀阀37，制冷剂在电子膨胀阀37中节流降压，由高压的液态变为低温低压的液态，然后通过第一单向阀29进入板式换热器28，制冷剂通过板式换热器28吸收空调水箱22中的水的热量，被气化为低温低压的气态，低温低压的气态制冷剂经四通换向阀27的C-S管路进入气液分离器41，随后再次被压缩机24吸入，进入下一制冷循环，如此循环往复。
所述的水循环，具体为，空调水箱22中的水经过空调循环水泵23送入到板式换热器28中，在制热模式下吸收制冷剂循环侧气态制冷剂冷凝的热量，为用户供暖；在制冷模式下，空调水箱22中的水经板式换热器28被制冷剂循环侧的制冷剂降温，为用户制冷。
所述的辅助散热循环，具体为，在夏季运行时，防冻液进入散热换热器19带走余热水箱17中的多余热量，通过第三电磁阀40进入到翅片式换热器38的散热单元38(c1)和38(c2)，将热量释放到空气中。在冬季气温较低时，防冻液进入散热换热器19带走余热水箱17中的热量，通过第二电磁阀39进入到翅片式换热器38的辅助蒸发单元38(a1)和38(a2)，作为制冷剂循环的辅助热源。
余热回收系统③包括余热回收换热器15、冷却液循环泵14、第一循环水泵16、余热水箱17、第二循环水泵18，冷却液通过冷却液循环泵14不断循环，将燃料电池1所产生的热量带出，以达到给燃料电池1降温的目的，当携带热量的冷却液进入到余热回收换热器15中，余热水箱17中的水在第一循环水泵16的作用下进入到余热回收换热器15中并将冷却液的热量带走，余热水箱17中的水温会上升以达到为用户供生活热水的目的。
本发明的氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法可用于供电、供暖、供冷和供生活热水用途。
请参考图2，本发明提出的基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，在制热模式下，能够满足冬季建筑的热、电和生活热水需求。在该模式下，板式换热器28中制冷剂所携带的热量用于加热建筑空调系统的回水，水温提升后被输送到建筑空调末端用于供暖。当外界气温较低时，翅片式换热器38从环境中取热的能力衰减，会出现供热不足的情况。此时，防冻液通过散热换热器19吸收余热水箱17的热量，通过第三循环水泵20和第一电磁阀21进入翅片式换热器38的辅助蒸发单元38(a1)和38(a2)，作为制冷剂循环的辅助热源。
请参考图3，本发明的提出基于氢燃料电池的建筑分布式供能系统及运行方法，在制冷模式下，能够满足夏季建筑的冷、电和生活热水需求。在该模式下，建筑空调系统的冷冻水回水在板式换热器28中被降温，并再次返回到建筑空调系统末端为建筑提供冷量。当余热水箱17中蓄存的热量高于建筑生活热水热需求时，防冻液通过散热换热器19吸收余热水箱17的热量，通过第三循环水泵20和第一电磁阀21进入翅片式换热器38的散热单元38(c1)和38(c2)，将多余的热量释放到外界环境中。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。因此，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施方式，均应属于本发明的保护范围。