本實用新型涉及船舶空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船載熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，民用漁船、游艇等中小型船舶主要以內(nèi)燃機為動力，內(nèi)燃機主要問題是燃料燃燒會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢氣，燃油泄漏會污染水域，這些污染對于水產(chǎn)品養(yǎng)殖、生長水域或是優(yōu)美環(huán)境的水上景區(qū)的影響要遠遠大于一般地區(qū)。而且內(nèi)燃機工作時會發(fā)出很大噪音，給船上作業(yè)、休閑和休息帶來干擾。為應(yīng)對此問題，以燃料電池為船舶動力的技術(shù)逐漸開發(fā)出來。由于傳統(tǒng)船舶空調(diào)在制熱時能利用燃油發(fā)動機熱量制熱，而燃料電池船舶的空調(diào)系統(tǒng)則難以利用發(fā)動機熱量制熱，不能提供作為船舶空調(diào)冬天采暖的熱源，因此，現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池船舶，需要采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)進行制熱及制冷，而熱泵型空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)的制熱耗能較高。

船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)原理就是利用逆卡諾原理，在制熱工況下，船艙內(nèi)換熱器為冷凝器，船艙外換熱器為蒸發(fā)器，蒸發(fā)器從室外空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給用熱的船艙內(nèi)空間，冷凝后的傳熱工質(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。在制冷工況下，船艙外換熱器為冷凝器，船艙內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器，蒸發(fā)器從船艙內(nèi)空間空氣中的熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞至室外，冷凝后的傳熱工質(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。然而，船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的缺點是船艙外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當(dāng)船艙外空氣溫度低于-5℃時，熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低。船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)在制熱工況下，蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，除霜模塊技術(shù)可參照中國專利申請201210152219.4用于空氣源熱泵系統(tǒng)的除霜方法、201410108455.5一種熱泵空調(diào)除霜控制方法及熱泵空調(diào)系統(tǒng)，空氣源熱泵增加除霜模塊之后，不但穩(wěn)定性降低、維護成本增加，而且也損失相當(dāng)大一部分能量。

中國專利申請201410259775.0公開了一種以燃料電池為船舶動力及熱源的裝置，其燃料電池由供氧回路、供氫回路、除氫回路、散熱回路、電堆總成及控制系統(tǒng)構(gòu)成；該燃料電池為船舶動力及熱源的裝置包括小功率的電池單體串聯(lián)組成的大功率燃料電池組，甲醇燃料儲罐或氫氣燃料儲罐通過管道與燃料電池的重整器相通連，重整器與燃料電池相連，燃料罐與流體送泵進行連接，并裝設(shè)有控制流量的流量計；船上用電設(shè)備為兩類，包括直流電設(shè)備和交流電設(shè)備；燃料電池動力裝置由燃料電池、電動機、變速箱和推進裝置組成，燃料電池輸出電源與逆變器相連，后與電動機連接，電動機通過連接連軸器連接變速箱，變速箱與推進裝置的主軸相連；燃料電池組自帶一套冷卻系統(tǒng)，設(shè)有冷卻劑的循環(huán)管道和輻射器，在原輻射器外再增加并聯(lián)一套輻射器，兩套輻射器均設(shè)有兩套輻射器切換截斷閥，燃料電池純凈水出口與反應(yīng)氣體出口處的換熱器相連接，其燃料電池排水口與集水器相連，集水器上設(shè)有溢流裝置與下水道相連。燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱量有一部分需要排出，以維持電池組正常工作的溫度范圍，燃料電池自帶一套冷卻系統(tǒng)，通過冷卻劑的循環(huán)和輻射器的輻射向外釋放熱量。供暖系統(tǒng)設(shè)計是通過在原輻射器之外再并聯(lián)一套輻射器，兩套輻射器都有截斷閥，可以通過閥門進行切換，平時由原冷卻系統(tǒng)運行散熱，熱量排向大氣；若溫度低船艙內(nèi)需要供暖，則切換到向艙內(nèi)散熱的冷卻系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)艙內(nèi)溫度，可以降低使用專用的調(diào)溫設(shè)備（如空調(diào)）的能量消耗。然而，上述以燃料電池為船舶動力及熱源的裝置至少還具有如下缺失：其一、僅僅利用燃料電池發(fā)電時散發(fā)的熱量，未利用重整器排出的高溫余氣熱量，熱量利用率低；其二、燃料電池發(fā)電時散發(fā)的熱量，是通過冷卻系統(tǒng)直接向艙內(nèi)散熱的，其與船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)是相互獨立的，因此，當(dāng)船艙外空氣溫度低時，船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)仍然難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低，并且船舶熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器上仍然會存在結(jié)霜問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種船載熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該熱泵空調(diào)系統(tǒng)能利用重整器排出的高溫余氣熱量，在制熱工況下，船舶外空氣低于-5℃時，仍能正常高效工作，蒸發(fā)器上也不會結(jié)霜。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是：一種船載熱泵空調(diào)系統(tǒng)，包括壓縮機、四通換向閥、船艙內(nèi)換熱器、節(jié)流閥、船艙外換熱器、甲醇水儲存容器、至少兩個輸送泵、至少兩套甲醇水重整制氫發(fā)電模組、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、船舶推進系統(tǒng)及空氣余氣混合器，所述甲醇水重整制氫發(fā)電模組與輸送泵的數(shù)量相匹配；所述壓縮機、四通換向閥、船艙內(nèi)換熱器、節(jié)流閥與船艙外換熱器之間形成熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工質(zhì)輸送回路；所述甲醇水儲存容器儲存有液態(tài)的甲醇水原料；所述輸送泵用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水原料輸送至甲醇水重整制氫發(fā)電模組的重整器；所述甲醇水重整制氫發(fā)電模組整合有重整器及燃料電池，所述重整器設(shè)有重整室、氫氣純化裝置、燃燒腔及排氣囪口，所述重整室用于甲醇與水蒸氣發(fā)生重整制氫反應(yīng)制得氫氣和二氧化碳的混合氣體，所述氫氣純化裝置用于分離出制得的氫氣，該氫氣輸向燃料電池，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器的運行提供熱量；所述氫氣純化裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內(nèi)氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成高溫余氣，從排氣囪口排向空氣余氣混合器或外界；所述空氣余氣混合器用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向船艙外換熱器；所述燃料電池用于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能輸出；所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于將燃料電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為負載所需求的電，為壓縮機、輸送泵及船舶推進系統(tǒng)供電。

優(yōu)選地，所述工質(zhì)輸送回路設(shè)有用于輸送制冷工況狀態(tài)下的工質(zhì)的止回閥，所述節(jié)流閥包括主毛細管和副毛細管，其中副毛細管與止回閥相并聯(lián)；所述工質(zhì)輸送回路上還設(shè)有過濾器及消聲器。

優(yōu)選地，所述排氣囪口與空氣余氣混合器之間設(shè)有換向閥，在制熱工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向空氣余氣混合器，在制冷工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向外界。

優(yōu)選地，所述空氣余氣混合器設(shè)有風(fēng)扇及溫度感應(yīng)器，風(fēng)扇用于將外界空氣扇入空氣余氣混合器，溫度感應(yīng)器用于檢測空氣余氣混合器內(nèi)的混合氣體溫度，該混合氣體溫度范圍為15～60℃。

優(yōu)選地，所述甲醇水重整制氫發(fā)電模組還整合有換熱器，換熱器安裝于輸送泵與重整器之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水原料在換熱器中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水溫度升高，氫氣溫度降低。

優(yōu)選地，所述氫氣純化裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金。

本實用新型的有益效果是：其一、本實用新型采用甲醇和水作為原料進行重整制氫，再利用燃料電池發(fā)電，無廢渣和有害廢氣污染,清潔，不影響人體健康，甲醇來源廣泛，是可再生能源，且重整器及燃料電池噪聲小、耗能低；其二、在制熱工況下，由于高溫余氣排向空氣余氣混合器，并與外界空氣混合成中溫混合氣體輸向船艙外換熱器，此時，船艙外換熱器為蒸發(fā)器，在船艙外換熱器中，中溫混合氣體與工質(zhì)換熱，轉(zhuǎn)化成低溫混合氣體后排出，因此，在任何低溫空氣環(huán)境（例如-5℃以下的空氣環(huán)境），熱泵空調(diào)均能正常高效工作；其三、在制熱工況下，由于船艙外換熱器（即蒸發(fā)器）輸入的是中溫混合氣體，因此也不會結(jié)霜，無需定期除霜；其四、本實用新型使重整器的高溫余氣熱量得到利用，從而提高了甲醇水原料的利用效率，與此同時，高溫余氣與外界空氣混合后，熱泵空調(diào)能同時利用高溫余氣及外界空氣的熱量，使得熱泵空調(diào)更節(jié)能省電。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)方框示意圖。

圖2為圖1中甲醇水重整制氫發(fā)電模組的結(jié)構(gòu)方框示意圖。

圖3為甲醇水重整制氫發(fā)電模組的優(yōu)選結(jié)構(gòu)方框示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進一步詳細說明。

如圖1、圖2和圖3所示，一種船載熱泵空調(diào)系統(tǒng)，包括壓縮機1、四通換向閥2、船艙內(nèi)換熱器3、節(jié)流閥4、船艙外換熱器5、甲醇水儲存容器6、至少兩個輸送泵7、至少兩套甲醇水重整制氫發(fā)電模組8、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10、船舶推進系統(tǒng)9及空氣余氣混合器11；所述壓縮機1、四通換向閥2、船艙內(nèi)換熱器3、節(jié)流閥4與船艙外換熱器5之間形成熱泵空調(diào)的工質(zhì)輸送回路，在圖1的工質(zhì)輸送回路中，虛線箭頭表示制熱工況，實線箭頭表示制冷工況；所述甲醇水儲存容器6儲存有液態(tài)的甲醇水原料；所述輸送泵7用于將甲醇水儲存容器6中的甲醇和水原料輸送至甲醇水重整制氫發(fā)電模組8的重整器81；所述甲醇水重整制氫發(fā)電模組8整合有重整器81及燃料電池82，重整器81設(shè)有重整室、氫氣純化裝置、燃燒腔及排氣囪口，重整器的結(jié)構(gòu)可參照本申請人在此之前申請的中國專利申請201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，所述重整室用于甲醇與水蒸氣發(fā)生重整制氫反應(yīng)制得氫氣和二氧化碳的混合氣體，重整室內(nèi)的溫度為300-570℃溫度，重整室內(nèi)設(shè)有催化劑，在重整室內(nèi)，甲醇與水蒸氣在1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應(yīng)和一氧化碳的變換反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應(yīng)的氣固催化反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)方程為：(1)CH₃OH→CO+2H₂、(2)H₂O+CO→CO₂+H₂ 、(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂ ，重整反應(yīng)生成的H₂和CO₂，所述氫氣純化裝置用于分離出制得的氫氣，該氫氣輸向燃料電池82，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器81的運行提供熱量；所述氫氣純化裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內(nèi)氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成高溫余氣，從排氣囪口排向空氣余氣混合器11或外界；所述空氣余氣混合器11用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向船艙外換熱器5；所述燃料電池82用于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能輸出，在燃料電池82的陽極：2H₂→4H⁺+4e^-，H₂分裂成兩個質(zhì)子和兩個電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜（PEM），電子通過陽極板，通過外部負載，并進入陰極雙極板；在燃料電池82的陰極：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O，質(zhì)子、電子和O₂重新結(jié)合以形成H₂O；所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10用于將燃料電池82輸出的電能轉(zhuǎn)換為負載所需求的電，為壓縮機1、輸送泵7及船舶推進系統(tǒng)9供電，還可為船內(nèi)其他負載16供電；所述船舶推進系統(tǒng)9用于驅(qū)動船舶行駛。

如圖1所示，所述工質(zhì)輸送回路設(shè)有用于輸送制冷工況狀態(tài)下的工質(zhì)的止回閥12，所述節(jié)流閥4包括主毛細管41和副毛細管42，其中副毛細管42與止回閥12相并聯(lián)；所述工質(zhì)輸送回路上還設(shè)有過濾器13及消聲器14。

如圖1所示，所述排氣囪口與空氣余氣混合器11之間設(shè)有換向閥15，在制熱工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥15后排向空氣余氣混合器11，高溫余氣與外界空氣混合后，熱泵空調(diào)能同時利用高溫余氣及外界空氣的熱量，使得熱泵空調(diào)更節(jié)能省電，一般地，熱泵空調(diào)利用的熱量中，外界空氣熱量占比40%-90%，高溫余氣占比10%-60%。在制冷工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥15后排向外界。

如圖1所示，所述空氣余氣混合器11設(shè)有風(fēng)扇及溫度感應(yīng)器，風(fēng)扇用于將外界空氣扇入空氣余氣混合器11，溫度感應(yīng)器用于檢測空氣余氣混合器11內(nèi)的混合氣體溫度，該混合氣體溫度范圍為15～60℃。

如圖2和圖3所示，所述輸送泵7與重整器8之間的輸送管道上設(shè)有換熱器83，低溫的甲醇和水原料在換熱器83中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水原料溫度升高，氫氣溫度降低。

所述氫氣純化裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質(zhì)量百分比鈀占75%-78%，銀占22%-25%。

上述船載熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱制冷方法，其特征在于，包括以下步驟：

a.甲醇水重整制氫發(fā)電模組的重整器在運行過程中，發(fā)生甲醇水重整制氫反應(yīng)，制得的氫氣輸向燃料電池，在燃料電池內(nèi)，氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能輸出，與此同時，從重整器的排氣囪口排出高溫余氣；

b.在制熱工況下，船艙內(nèi)換熱器成為冷凝器，船艙外換熱器成為蒸發(fā)器，高溫余氣排向空氣余氣混合器，并與外界空氣混合成中溫混合氣體輸向船艙外換熱器，在船艙外換熱器中，中溫混合氣體與工質(zhì)換熱，轉(zhuǎn)化成低溫混合氣體后排出；燃料電池輸出的電能經(jīng)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，為壓縮機、輸送泵及船舶推進系統(tǒng)供電；

c.在制冷工況下，船艙內(nèi)換熱器成為蒸發(fā)器，船艙外換熱器成為冷凝器，高溫余氣排向外界；燃料電池輸出的電能經(jīng)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，為壓縮機、輸送泵及船舶推進系統(tǒng)供電。

熱泵空調(diào)的壓縮機及船舶推進系統(tǒng)在工作過程中，將即時功率需求量反饋給船舶控制系統(tǒng)，船舶控制系統(tǒng)根據(jù)即時功率需求量信息控制適當(dāng)數(shù)量的甲醇水重整制氫發(fā)電模組運轉(zhuǎn)，并控制甲醇水儲存輸送裝置向運轉(zhuǎn)的甲醇水重整制氫發(fā)電模組輸送甲醇和水原料；當(dāng)即時功率需求量較小時，控制較少的甲醇水重整制氫發(fā)電模組運轉(zhuǎn)，當(dāng)即時功率需求量較大時，控制較多的甲醇水重整制氫發(fā)電模組運轉(zhuǎn)。本實用新型采用至少兩組甲醇水重整制氫發(fā)電模組，能極大減少空載，其整體耗能較小，甲醇和水原料消耗較低、利用率高；例如，若本實用新型設(shè)置100組甲醇水重整制氫發(fā)電模組，當(dāng)即時功率需求量較小時，控制系統(tǒng)只需要控制較少的甲醇水重整制氫發(fā)電模組（例如20組）運轉(zhuǎn)；當(dāng)即時功率需求量較大時，控制系統(tǒng)則控制較多的甲醇水重整制氫發(fā)電模組（例如70組）運轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，在制熱工況下，溫度傳感器實時檢測空氣余氣混合器中的混合氣體溫度，并將溫度信息反饋給控制裝置，控制裝置通過風(fēng)扇調(diào)整外界空氣的送入量，以控制混合氣體的溫度范圍在15～60℃內(nèi)。

以上所述，僅是本實用新型較佳實施方式，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。