本發(fā)明涉及空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分布式水汽冷熱電聯(lián)供裝置及方法。

背景技術(shù)：

伴隨著人們對于生活舒適度越來越高的要求，冷、熱、電、水、濕成為人們生活的基本需求，這些需求也導(dǎo)致了居民生活用電的大幅增加，進(jìn)而導(dǎo)致了我國電力的供需不平衡。為了滿足電力負(fù)荷的要求，電力部門不得不根據(jù)最大負(fù)荷進(jìn)行發(fā)電，這也在一定程度上導(dǎo)致了電力的過剩和浪費(fèi)，同時又不得不在用電高峰期進(jìn)行限電管理。尤其是近年來，我國的“限電”問題和世界“大停電”事故越來越頻繁地出現(xiàn)在人們的視野中，這與我國長期提倡的可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能降耗的理念很不相符。

現(xiàn)有的大型空氣調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括吸收式空氣調(diào)節(jié)技術(shù)和蒸汽壓縮式空氣調(diào)節(jié)技術(shù)，這些主流的空氣調(diào)節(jié)技術(shù)大都依托電網(wǎng)運(yùn)行，這使得其使用范圍局限于某一固定區(qū)域，這使得設(shè)備在移動過程中有很大的不便，針對一些電網(wǎng)未能達(dá)到的區(qū)域諸如邊疆、荒島等，空氣調(diào)節(jié)裝置也都得不到穩(wěn)定便捷的使用。另外，這些設(shè)備的運(yùn)行這在對電網(wǎng)帶來很大的用電壓力的同時，也會因電網(wǎng)“限電”“停電”等問題影響其穩(wěn)定運(yùn)行。

燃料電池比技術(shù)被認(rèn)為是解決能源危機(jī)的終極方案，該技術(shù)可以將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高效、無污染、無噪聲、可靠性高、模塊化、對負(fù)載變化可以快速響應(yīng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，燃料電池技術(shù)在分布式能源技術(shù)中得到了越來越多的應(yīng)用。

但是，在燃料電池運(yùn)行過程中，其生成產(chǎn)物未能得到有效處理，其長時間工作會產(chǎn)生大量熱量，這些問題一直影響基于燃料電池的分布式能源裝置的高效穩(wěn)定運(yùn)行。因此，一種更加節(jié)能環(huán)保高效穩(wěn)定的供冷供熱供電的裝置亟待出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種在保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的前提下，能夠持續(xù)輸出水、汽、冷、熱、電的分布式水汽冷熱電聯(lián)供裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括制冷制熱模塊、供能模塊、加濕模塊、用電模塊和用水模塊；

其中供能模塊的輸電側(cè)與各模塊用電設(shè)備通過電路相連，制冷制熱模塊的循環(huán)回路與供能模塊的冷卻回路相連，供能模塊的反應(yīng)產(chǎn)物出口與用水模塊相連，用水模塊與加濕模塊相連；

所述供能模塊包括燃料電池電堆，在燃料電池電堆外側(cè)纏繞有與制冷制熱模塊的循環(huán)回路相連的電堆冷卻回路，燃料電池電堆的陰極產(chǎn)物出口通過氣液分離器與用水模塊相連；

所述制冷制熱模塊包括風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)與室內(nèi)換熱器通過帶有節(jié)流閥的回路相連，室內(nèi)換熱器與室外換熱器通過帶有膨脹閥的壓縮機(jī)所在外回路相連，壓縮機(jī)所在內(nèi)回路與壓縮機(jī)所在外回路通過四通換向閥相連，室外換熱器出口與冷卻塔水箱通過節(jié)流閥、第一三通閥相連，冷卻塔水箱出口通過第二三通閥與室外換熱器的入口相連，供能模塊的電堆冷卻回路的兩端分別與第一、第二三通閥相連，且氣液分離器的氣相出口與室外換熱器相連用于除霜；

所述用水模塊包括與供能模塊的氣液分離器的出水口相連的保溫水箱，其他用水設(shè)備進(jìn)口與保溫水箱出口相連；

所述加濕模塊包括與用水模塊的保溫水箱出口相連的水分配器，水分配器出口與濕膜材料進(jìn)口相連，濕膜材料出口與儲水槽相連；

所述用電模塊包括與供能模塊通過電路相連的其他用電設(shè)備。

所述燃料電池電堆的陰極、陽極室分別與氧化劑儲存罐和燃料儲存罐相連，陽極產(chǎn)物出口與燃料儲存罐相連通，所述的氧化劑儲存罐和燃料儲存罐均采用壓力容器。

所述燃料電池電堆的陰極室與空氣循環(huán)泵或制氧設(shè)備相連。

所述燃料電池電堆的陽極室與外接燃料供給管路相連。

所述壓縮機(jī)采用容積式制冷壓縮機(jī)或離心式制冷壓縮機(jī)。

所述室內(nèi)換熱器采用表面式換熱器、蓄熱式換熱器、直接接觸式換熱器或復(fù)式換熱器。

所述室外換熱器采用表面式換熱器、蓄熱式換熱器、直接接觸式換熱器或復(fù)式換熱器。

所述保溫水箱采用壓力容器，包括不銹鋼保溫水箱、承壓保溫水箱或玻璃鋼保溫水箱。

所述加濕模塊的濕膜材料對應(yīng)位置還安裝有用于蒸發(fā)濕膜材料水分的加熱器或超聲波發(fā)生器。

本發(fā)明的分布式水汽冷熱電聯(lián)供方法包括以下步驟：

s100：電堆放電和壓縮工質(zhì)：將氧化劑儲存罐中的氧化劑、燃料儲存罐中的燃料分別通入燃料電池電堆的陰極、陽極使電堆放電，陰極產(chǎn)物流入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，陽極產(chǎn)物回流至燃料儲存罐；同時燃料電池電堆放電壓縮機(jī)做功使制冷制熱模塊中的循環(huán)工質(zhì)流動換熱；

步驟s200：電堆供電供水和冷卻電堆：燃料電池電堆工作產(chǎn)生的電能提供給建筑中其他用電設(shè)備，氣液分離器流出的具有一定熱量的水流入保溫水箱對其他用水設(shè)備進(jìn)行供水或流入冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)水，氣液分離器流出的具有一定熱量的氣體通向室外換熱器以備除霜使用；同時，循環(huán)工質(zhì)再次流入壓縮機(jī)之前先通向電堆冷卻回路對燃料電池電堆進(jìn)行冷卻降溫；

步驟s300：根據(jù)制熱、制冷除霜和加濕目標(biāo)運(yùn)行裝置：

若目標(biāo)為制熱，部分循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔水箱前通過第一三通閥流入電堆冷卻回路冷卻燃料電池電堆并預(yù)熱循環(huán)水后通過室外換熱器與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱后流入冷卻塔水箱；循環(huán)工質(zhì)流入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮做功，由四通換向閥流入室內(nèi)換熱器與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)回路進(jìn)行流動換熱，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)回路通過獲得的高溫工質(zhì)使用風(fēng)機(jī)吹出熱風(fēng)對建筑進(jìn)行制熱；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥流入室外換熱器與冷卻塔水箱回路進(jìn)行膨脹吸熱，冷卻塔水箱回路將獲得的低溫循環(huán)水分流，其中一部分通過冷卻塔水箱與室外環(huán)境進(jìn)行換熱升溫，另一部分循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔水箱前通過電堆冷卻回路冷卻燃料電池電堆并預(yù)熱循環(huán)水后流入冷卻塔水箱回路，通過室外換熱器與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；

若目標(biāo)為制冷，部分循環(huán)水由冷卻塔水箱流出，經(jīng)第二三通閥流入電堆冷卻回路冷卻燃料電池電堆后流入冷卻塔水箱回路，經(jīng)過冷卻塔水箱再次冷卻后通過室外換熱器與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥流入室內(nèi)換熱器與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)回路進(jìn)行膨脹吸熱，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)回路通過獲得的冷卻工質(zhì)使用風(fēng)機(jī)吹出冷風(fēng)對建筑進(jìn)行制冷；循環(huán)工質(zhì)通過四通換向閥流入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮做功，并由四通換向閥流入室外換熱器與冷卻塔水箱回路進(jìn)行流動換熱，冷卻塔水箱回路將獲得的高溫工質(zhì)通過冷卻塔水箱與室外環(huán)境進(jìn)行換熱降溫；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥流入室外換熱器與冷卻塔水箱回路進(jìn)行蒸發(fā)放熱，冷卻塔水箱回路將獲得的高溫循環(huán)水流入冷卻塔水箱冷卻降溫；循環(huán)水在冷卻塔水箱出口進(jìn)行分流，其中一部分通過冷卻塔水箱流入室外換熱器進(jìn)行換熱降溫，另一部分循環(huán)水由冷卻塔水箱經(jīng)第二三通閥流入電堆冷卻回路冷卻燃料電池電堆后流入冷卻塔水箱回路，經(jīng)過冷卻塔水箱再次冷卻后通過室外換熱器與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；

若目標(biāo)為除霜，開通氣液分離器氣路出口，使具有一定熱量的氣體通向室外換熱器，對室外換熱器進(jìn)行除霜；

若目標(biāo)為加濕，打開保溫水箱出口通過水分配器使儲存的水流入濕膜材料，利用制冷制熱模塊的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的氣流使水分吹出，對建筑進(jìn)行加濕。

本發(fā)明通過燃料電池驅(qū)動壓縮機(jī)做功對周圍環(huán)境進(jìn)行制熱制冷，壓縮機(jī)運(yùn)行過程通過冷卻塔回路對電池進(jìn)行冷卻降溫，燃料電池產(chǎn)物能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的加濕以及室外換熱器的除霜，同時，裝置可以為建筑整體提供必需的電能和熱水。運(yùn)行過程中，所需全部電能均由燃料電池提供，并能夠?yàn)榻ㄖ衅渌秒娪盟O(shè)備提供所需的電能和熱水；在制熱過程中，裝置在循環(huán)過程對燃料電池進(jìn)行有效地冷卻，其所需部分熱量可由電池產(chǎn)物提供；在制冷過程中，裝置在循環(huán)過程對燃料電池進(jìn)行有效地冷卻；在除霜過程中，室外換熱器所需的熱量可由燃料電池產(chǎn)物提供；在加濕過程中，裝置所需水分和熱量可從電池產(chǎn)物中獲得。

由以上技術(shù)方案可見，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、分布式水汽冷熱電聯(lián)供裝置外部獨(dú)立于電網(wǎng)且內(nèi)部協(xié)同互補(bǔ)運(yùn)行，使用燃料電池作為電源，輸出獨(dú)立清潔的電能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定制冷、制熱、加濕、除霜、供水、供電，另外，燃料電池所消耗的燃料和氧化劑簡單易得，產(chǎn)物清潔無污染，使裝置運(yùn)行成本降低且工作產(chǎn)物環(huán)境友好。

2、利用裝置冷卻塔循環(huán)水冷卻燃料電池，冷卻過程無需額外做功，在制冷模式中保證裝置制冷效果正常的同時能夠冷卻電堆提高電堆運(yùn)行效率，在制熱模式中保證冷卻電堆的同時還可以預(yù)熱循環(huán)水，進(jìn)而降低了壓縮機(jī)做功，提高電堆工作效率的同時能夠有效地提升裝置的運(yùn)行效率。

3、充分利用燃料電池產(chǎn)物，利用燃料電池電堆產(chǎn)生的熱氣在無需額外加熱的條件下對空調(diào)室外換熱器進(jìn)行除霜，利用燃料電池電堆產(chǎn)生的熱水實(shí)現(xiàn)裝置的加濕供能并在無需額外加熱的條件下其他用水設(shè)備提供熱水，整個產(chǎn)物利用過程節(jié)能環(huán)保。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，i-制冷制熱模塊，ii-供能模塊，iii-加濕模塊，iv-用電模塊，v-用水模塊，1-風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，2-節(jié)流閥，3-室內(nèi)換熱器，4-四通換向閥，5-壓縮機(jī)，6-膨脹閥，7-室外換熱器，8-分流器，9-冷卻塔水箱，10-分流器，11-節(jié)流閥，12-燃料電池電堆，13-氧化劑儲存罐，14-燃料儲存罐，15-電堆冷卻回路，16-氣液分離器，17-水分配器，18-濕膜材料，19-儲水槽，20-其他用電設(shè)備，21-保溫水箱，22-其他用水設(shè)備。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1，本發(fā)明包括制冷制熱模塊i、供能模塊ii、加濕模塊iii、用電模塊iv和用水模塊v；

其中供能模塊ii的輸電側(cè)與各模塊用電設(shè)備通過電路相連，制冷制熱模塊i的循環(huán)回路與供能模塊ii的冷卻回路相連，供能模塊ii的反應(yīng)產(chǎn)物出口與用水模塊iv相連，用水模塊v與加濕模塊iii相連；

所述供能模塊ii包括燃料電池電堆12，在燃料電池電堆12外側(cè)纏繞有與制冷制熱模塊i的循環(huán)回路相連的電堆冷卻回路15，燃料電池電堆12的陰極產(chǎn)物出口通過氣液分離器16與用水模塊v相連，陽極產(chǎn)物出口與燃料儲存罐14相連通；

所述制冷制熱模塊i包括風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1與室內(nèi)換熱器3通過帶有節(jié)流閥2的回路相連，室內(nèi)換熱器3與室外換熱器7通過帶有膨脹閥6的壓縮機(jī)5所在外回路相連，壓縮機(jī)5所在內(nèi)回路與壓縮機(jī)5所在外回路通過四通換向閥4相連，室外換熱器7出口與冷卻塔水箱9通過節(jié)流閥11、第一三通閥8相連，冷卻塔水箱9出口通過第二三通閥10與室外換熱器7的入口相連，供能模塊ii的電堆冷卻回路15的兩端分別與第一、第二三通閥8、10相連，且氣液分離器16的氣相出口與室外換熱器7相連用于除霜；

所述用水模塊iv包括與供能模塊ii的氣液分離器16的出水口相連的保溫水箱21，其他用水設(shè)備22進(jìn)口與保溫水箱21出口相連；

所述加濕模塊iii包括與用水模塊v的保溫水箱18出口相連的水分配器17，水分配器17出口與濕膜材料18進(jìn)口相連，濕膜材料18出口與儲水槽19相連；

所述用電模塊iv包括與供能模塊ii通過電路相連的其他用電設(shè)備20。

本發(fā)明的燃料電池電堆12的陰極、陽極室分別與氧化劑儲存罐13和燃料儲存罐14相連，所述的氧化劑儲存罐13和燃料儲存罐14均采用壓力容器；

所述燃料電池電堆12的陰極室與空氣循環(huán)泵或制氧設(shè)備相連。

所述燃料電池電堆12的陽極室與外接燃料供給管路相連。

所述壓縮機(jī)5采用容積式制冷壓縮機(jī)或離心式制冷壓縮機(jī)。

所述室內(nèi)換熱器3采用表面式換熱器、蓄熱式換熱器、直接接觸式換熱器或復(fù)式換熱器。

室外換熱器7采用表面式換熱器、蓄熱式換熱器、直接接觸式換熱器或復(fù)式換熱器。

所述保溫水箱21采用壓力容器，包括不銹鋼保溫水箱、承壓保溫水箱或玻璃鋼保溫水箱。

所述加濕模塊iii的濕膜材料18對應(yīng)位置還安裝有用于蒸發(fā)濕膜材料水分的加熱器或超聲波發(fā)生器。

其中，燃料電池電堆12應(yīng)為交換膜燃料電池，所述交換膜包括陽離子交換膜、陰離子交換膜或中性交換膜，所消耗的燃料包括h2、ch4、ch3oh、c2h5oh等醇類；所述h2來自于光催化、生物質(zhì)發(fā)酵、工業(yè)副產(chǎn)品等；所述h2來自于ch4、ch3oh重整。

本發(fā)明分布式水汽冷熱電聯(lián)供方法包括以下步驟：

s100：電堆放電和壓縮工質(zhì)：將氧化劑儲存罐13中的氧化劑、燃料儲存罐14中的燃料分別通入燃料電池電堆12的陰極、陽極使電堆放電，陰極產(chǎn)物流入氣液分離器16進(jìn)行氣液分離，陽極產(chǎn)物回流至燃料儲存罐14；同時燃料電池電堆12放電壓縮機(jī)5做功使制冷制熱模塊ii中的循環(huán)工質(zhì)流動換熱；

步驟s200：電堆供電供水和冷卻電堆：燃料電池電堆12工作產(chǎn)生的電能提供給建筑中其他用電設(shè)備20，氣液分離器16流出的具有一定熱量的水流入保溫水箱21對其他用水設(shè)備22進(jìn)行供水或流入冷卻塔9進(jìn)行補(bǔ)水，氣液分離器16流出的具有一定熱量的氣體通向室外換熱器7以備除霜使用；同時，循環(huán)工質(zhì)再次流入壓縮機(jī)5之前先通向電堆冷卻回路15對燃料電池電堆12進(jìn)行冷卻降溫；

步驟s300：根據(jù)制熱、制冷除霜和加濕目標(biāo)運(yùn)行裝置：

若目標(biāo)為制熱，部分循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔水箱9前通過第一三通閥8流入電堆冷卻回路15冷卻燃料電池電堆12并預(yù)熱循環(huán)水后通過室外換熱器7與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱后流入冷卻塔水箱9；循環(huán)工質(zhì)流入壓縮機(jī)5進(jìn)行壓縮做功，由四通換向閥4流入室內(nèi)換熱器3與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1回路進(jìn)行流動換熱，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1回路通過獲得的高溫工質(zhì)使用風(fēng)機(jī)吹出熱風(fēng)對建筑進(jìn)行制熱；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥6流入室外換熱器7與冷卻塔水箱9回路進(jìn)行膨脹吸熱，冷卻塔水箱9回路將獲得的低溫循環(huán)水分流，其中一部分通過冷卻塔水箱9與室外環(huán)境進(jìn)行換熱升溫，另一部分循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔水箱9前通過電堆冷卻回路15冷卻燃料電池電堆12并預(yù)熱循環(huán)水后流入冷卻塔水箱9回路，通過室外換熱器7與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；

若目標(biāo)為制冷，部分循環(huán)水由冷卻塔水箱9流出，經(jīng)第二三通閥10流入電堆冷卻回路15冷卻燃料電池電堆12后流入冷卻塔水箱9回路，經(jīng)過冷卻塔水箱9再次冷卻后通過室外換熱器7與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥6流入室內(nèi)換熱器3與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1回路進(jìn)行膨脹吸熱，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1回路通過獲得的冷卻工質(zhì)使用風(fēng)機(jī)吹出冷風(fēng)對建筑進(jìn)行制冷；循環(huán)工質(zhì)通過四通換向閥4流入壓縮機(jī)5進(jìn)行壓縮做功，并由四通換向閥4流入室外換熱器7與冷卻塔水箱9回路進(jìn)行流動換熱，冷卻塔水箱9回路將獲得的高溫工質(zhì)通過冷卻塔水箱9與室外環(huán)境進(jìn)行換熱降溫；循環(huán)工質(zhì)通過膨脹閥6流入室外換熱器7與冷卻塔水箱9回路進(jìn)行蒸發(fā)放熱，冷卻塔水箱9回路將獲得的高溫循環(huán)水流入冷卻塔水箱9冷卻降溫；循環(huán)水在冷卻塔水箱9出口進(jìn)行分流，其中一部分通過冷卻塔水箱9流入室外換熱器7進(jìn)行換熱降溫，另一部分循環(huán)水由冷卻塔水箱9經(jīng)第二三通閥10流入電堆冷卻回路15冷卻燃料電池電堆12后流入冷卻塔水箱9回路，經(jīng)過冷卻塔水箱9再次冷卻后通過室外換熱器7與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱；

若目標(biāo)為除霜，開通氣液分離器16氣路出口，使具有一定熱量的氣體通向室外換熱器7，對室外換熱器7進(jìn)行除霜；

若目標(biāo)為加濕，打開保溫水箱21出口通過水分配器17使儲存的水流入濕膜材料18，利用制冷制熱模塊i的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)1的氣流使水分吹出，對建筑進(jìn)行加濕。