专利名称：用于混合能量设备的耦合系统的制作方法
用于混合能量设备的耦合系统本发明涉及一种按照权利要求1前叙部分的用于混合能量设备的耦合系统，该混合能量设备包括一个热泵装置和一个力-热耦合装置，该耦合系统具有至少一个用于耦合该热泵装置和该力-热耦合装置的耦合设施。本发明还涉及一种按照权利要求10前叙部分的能量转换系统，具有一个用于产生热和/或冷的热泵装置和一个用于产生电流和/或热的力-热耦合装置。此外本发明还涉及一种按照权利要求12前叙部分的用于通过耦合系统进行能量转换的方法。力-热耦合装置在家用技术和建筑物供电技术中已普遍公知。这种装置在输入燃料例如油或者木材的情况下产生电流和热。该装置有很高的总效率，因为在产生电流过程中出现的副产品热可用于给建筑物供热。市场上的力-热耦合装置有很宽的功率范围，从IKff到150丽电功率，总效率达到90%以上。此外热泵也是普遍公知的。它是一种热动力机器，它能够由一个辅助能量驱动并实现介质温度的上升和下降。热泵不仅被用作所谓制冷机如冰箱用于降低温度，也可用作制热机来提高温度。这种热泵可以通过小份额的输入驱动能量而将大份额的环境热提高或降低到可利用的温度。众所周知，热泵能够可逆地使用，即驱动能量既可用于提升温度，如用于供热或提供热水，也可用于降低温度，如空调或冷却。这可通过冷却回路例如借助一个4通阀转换来实现。这两种技术的直接耦合，即由力-热耦合装置和热泵组成的能够同时或原则上产生电流、热和冷的混合能量设备，迄今没有被公开。本发明的任务在于，提供一种装置和方法，以实现热泵装置和力-热耦合装置的耦合，其中，与已知的不耦合的装置相比，可以保证尽可能高的总效率和低的能源消耗。此夕卜，不仅热泵的电机排热可以尽可能有效地被利用，而且首先将环境热提高或降低到可利用的温度水平。根据本发明，上述任务通过具有权利要求1、10、12的特征的对象解决。有利的扩展方案可由从属权利要求得知。本发明的用于混合能量设备的耦合系统包括一个热泵装置和一个力-热耦合装置，具有至少一个用于耦合该热泵装置和该力-热耦合装置的耦合设施，其特征在于，该至少一个耦合设施具有一电耦合单元和/或一液压耦合单元，该耦合单元为了该热泵装置和该力-热耦合装置的耦合而实施为可转换的。本发明稱合系统的一个有利实施方式规定，该稱合设施包括一燃料驱动的马达。本发明耦合系统的一个进一步有利的实施方式规定，该耦合设施包括一与该马达率禹合的变速器。本发明稱合系统的一个更有利实施方式规定，该稱合设施包括一与该变速器I禹合的电机，以便在马达驱动下将经过变速器变换的力传递给电机或从电机传出。本发明耦合系统的另一个有利实施方式规定，该耦合设施包括一与变速器耦合的压缩机，以便将变速器变换后的力传递给压缩机。
该耦合系统的又另一个有利实施方式规定，该耦合设施包括一控制装置用于转换该奉禹合系统。该耦合系统的一个有利实施例规定，该控制装置包括一马达控制单元用于控制马达。本发明耦合系统的另一个有利实施例规定，该控制装置包括一功率电子单元用于根据功率来调节该耦合系统。因此本发明耦合系统的另一个有利实施方式规定，该控制装置包括一接口单元，用于实现连接到其它构件上。本发明的能量转换系统具有一个用于产生热和/或冷的热泵装置和一个用于产生电流和/或热的力-热耦合装置，其特征在于，该热泵装置和该力-热耦合装置通过至少一个根据本发明的稱合系统相互f禹合。该能量转换系统的一个有利实施方式规定，该热泵装置通过压缩机和/或变速器与马达和/或电机实现可转换的耦合。用于借助本发明耦合系统来进行能量转换的本发明方法包括运行热泵装置和运行力-热耦合装置的步骤，其特征在于，该热泵装置和该力-热耦合装置相互之间可转换地耦合，可以选择式地将它们中的一个装置的能量提供给对应的另一个装置。本发明方法的一个有利实施方式规定，该转换包括不同运行模式之间的互换。本发明方法的另一个有利实施方式规定，运行模式的互换包括从下面的组中选出的运行方式的互换:产生电流和/或产生热和/或产生冷。本发明方法的又一个有利实施方式规定，该耦合以电的方式或以电和液的方式来实施。本发明方法的另一个有利实施方式规定，该耦合被逆转实施，使得可以从产生能量的运行模式转换到消耗能量的运行模式。通过本发明耦合系统、本发明能量转换系统和用于能量转换的本发明能量转换方法尤其可以实现以下优点:通过一作为热泵的一部分的压缩机、一燃料驱动的马达和一既可作为马达也可作为发电机使用的电机的组合，将合并了两种技术即热泵和力-热耦合装置的优点。通过具有本发明耦合系统、构造为混合能量设备的能量转换系统，可以只用一台唯一的器具产生热、冷和电流，甚至可以同时产生热、冷和电流。在此，在目标参数如初级能量消耗、C02排放、经济性，价格和需求等方面对运行进行优化。运行的灵活性对于用于优化能量流和适应不同边界条件如变化的电价等的分散的能量管理(DEM)是有利的。这同样可能对于能量供给也是重要的。这些不同的运行模式是:力-热耦合装置的单个运行，产生电流和热；力-热耦合装置和燃料驱动热泵耦合运行，产生热和少部分电流；燃料驱动热泵耦合运行，产生热和冷；例如电流驱动的热泵耦合运行，产生热和冷；热泵用燃气和电流同时运行(增强功能)。根据需要和应用情况可将关注点放在产生电流、热或产生冷上。
此外，马达和电机的功率调制和功率叠加是有利的。在此电机可以承担热泵的压缩机的马达驱动。该原理相当于汽车的混合驱动。这里对于电机可以理解为即可以作为马达也可以作为发电机工作的电气机器。通过功率叠加可以省去峰值负荷容器，即所谓增压器。这不仅对于节省所需的安装空间而且对于投资费用都是有利的，尤其对于私人使用者有利。在电耦合情况下该系统可以在极小的空间内运行。紧凑的外部单元与挂壁式微力-热耦合装置组合就可以满足整个建筑的能量需求。此外，通过热交换器冷却的马达排气还可以供热泵用作附加的热源。此外还可以将斯特灵马达以机械方式或电方式耦合到本发明系统中，该斯特灵马达通过外部热源达到相对有利的热效率并且例如用木材燃料也能实现好的初级能量系数。还可以将燃气轮机和燃料电池以电的方式耦合到本发明系统中。总之，此类混合能量设备首先在应用中的灵活性和多面性上是有利的。附图描述了本发明的多个实施例，在附图中示出:
图1本发明混合能量设备的耦合系统的原理框图，图2力-热耦合装置的单个运行的框图，图3力-热耦合装置和热泵的耦合运行的第一运行模式的框图，图4力-热耦合装置和热泵的耦合运行的第二运行模式的框图，图5力-热耦合装置和热泵的耦合运行的第三运行模式的框图，图6力-热耦合装置和热泵的耦合运行的第四运行模式的框图，图7力-热耦合装置和热泵的耦合运行的第五运行模式的框图，图8第一电耦合的电路图，图9第二电耦合的电路图，图10第一液压耦合的线路图，图11第二液压耦合的线路图。图1表不用于混合能量设备的稱合系统100的原理框图，它包括一个热泵110和一个力-热耦合装置120，具有至少一个耦合设施130用于耦合热泵110和力-热耦合装置120。该至少一个耦合设施130具有一个电耦合单元和/或一个液压耦合单元，该耦合单元为了耦合热泵110和力-热耦合装置120的耦合而构造成可转换的。该电耦合单元或液压耦合单元在这里没有明确示出。该混合能量设备一方面具有燃料输入部40和电流输入部41,另一方面具有产生的热42的输出部、产生的冷43的输出部和产生的电流44的输出部。此外，耦合设施130包括燃料驱动的马达20，与马达20耦合的变速器21和与变速器21耦合的电机22，变速器由马达20驱动并将变换后的力传递给电机22或从电机22传出。变速器21可以构造为行星变速器或差速变速器。热泵装置110的压缩机23也与变速器21耦合，用于将变速器转换后的力传递给压缩机23。为了控制和转换耦合系统100，耦合设施130包括一个控制装置30，该控制装置还具有以下构件:一个用于控制马达20的马达控制单元31，一个用于根据功率来调节耦合系统100的功率电子单元32和一个接口单元33，以便能够实现与其它构件的连接。按照图1构造为混合能量设备的本发明能量转换系统具有用于产生热42和/或冷43的热泵装置110和用于产生电流44和/或热42的力-热耦合装置120，该能量转换系统包含热泵装置110与力-热耦合装置120至少通过耦合系统100的耦合。在此尤其是，热泵装置Iio通过压缩机23和/或变速器21与马达20和/或电机22可转换地耦合。变速器21和马达20或电机22或压缩机23之间的小的双向箭头表示这些构件之间一般存在的连接，通过该连接可以传递能量。图2到图7分别表示按照图1的耦合系统100的各种不同运行模式的框图。这些部件可以通过合适的变速器21耦合，该变速器允许功率分支和叠加。混合能量设备的被对应运行模式所需的构件被画上阴影线。在图8到图11中描述了耦合系统100的各种不同耦合可能性。图2描述了力-热耦合装置120的标准单个运行的框图。这里在输入燃料40的情况下电机22被马达20驱动。马达20和电机22通过变速器21相互连接。电流44被产生，同时马达20的排热被用于产生热42。箭头50表示从马达20到电机22的主能量流方向。在这种运行模式中，本发明混合能量设备的总效率大约在90%。图3描述了力-热耦合装置120和热泵110耦合运行的第一运行模式的框图。这里，热泵10的压缩机23被用燃料40驱动的马达20驱动。在该运行模式下马达20的排热也被用于产生热42。如果需要制冷，则热泵110可被逆向使用，因此原理上可以产生热42和冷43。对此的可能的应用是提供热水和夏季住所制冷。箭头51表示从马达20到热泵110的主能量流方向。图4描述力-热耦合装置120和热泵110耦合运行的第二运行模式的框图。这里，热泵10的压缩机23被用电流41驱动的电机22驱动。箭头52表示从电机22到热泵110的主能量流方向。热泵110在该运行模式下利用回收的环境热。如果需要制冷，则热泵110也可逆向运行并产生冷43。用于驱动电机22的电流41例如可以由电网或由再生能源、例如光伏设备供给。图5描述力-热耦合装置120和热泵110耦合运行的第三运行模式的框图。在该运行模式中存在两个驱动源一马达20和电机22的功率叠加。为此，马达20和电机22通过变速器21相互耦合。因此，热泵110的压缩机23的最大功率可以通过两个驱动源的叠加得到提高。热泵110的这种功率调制的运行可以或者通过马达20的调制或者通过电机22的调制来实现。马达20还由燃料40驱动，电机由电流41驱动。在该运行模式下不仅可以产生热42，而且可以产生冷43。箭头51和52表示从驱动源20和22到热泵110的主能量流方向。图6描述力-热耦合装置120和热泵110耦合运行的第四运行模式的框图。该运行模式是一种混合运行，可以根据需要来调节。马达20由燃料40驱动。它的驱动功率的一部分可以分支给电机22，其余的用于驱动热泵110的压缩机23。这里，对热42和电流44的需求或者对热42、冷43和电流44的需求能够变化地得到满足，例如用于空调、提供热水和产生电流。该运行模式的另一优点是能够对热42和电流44的产生进行分开的功率调节。不仅可以调节热的提供，同时也可以调节电流的提供。这在传统的力-热耦合装置中是做不到的。在那些装置中只能或者由热引导来调节，例如在带有燃气马达的力-热耦合装置中，或者由电流引导来调节，例如在带有燃料电池的力-热耦合装置中。箭头51和52表示从马达20到热泵110或从马达20经过变速器21到电机22的能量流方向。图7描述力-热耦合装置120和热泵110耦合运行的第五运行模式的框图。这里涉及所谓起动运行。在此可以在输入电流41的情况下将电机22用作马达20的启动器。箭头53表示从电机22经过变速器21到马达20的能量流方向。图8到图11表示本发明耦合系统100根据不同实施方式的不同耦合可能性的线路图。在这里，这些部件可以通过允许功率分支和功率叠加的变速器21耦合。分别可以看到热泵110，加热回路60，至少一个热交换器61，功率电子单元32，至少一个连接电网64的接口，电机22，热水输出部62和冷水输入部63。图8表示第一电耦合的电路图。在这里，混合动力装置的部件通过中央功率电子单元32相互耦合，其中，功率电子单元32调节电网64、热泵一这里没有明确示出一和力-热耦合装置120之间的功率流。如果存在通到产生电流的光伏设备的接口，则功率电子单元32还可以承担逆变器的功能。如果热泵110不具有反转调节功能，则反转器可集成在功率电子单元32中。图9表示第二电耦合的电路图。在这里，力-热耦合装置120、功率电子装置32和电机22通过电网64相互耦合。电网64在这里用作储能器和耦合元件。运行方式控制装置具有一通往各个部件120，32和22的信息接口，这里没有示出，这样来通过电网控制功率流。图10和图11分别表示液压耦合的线路图。这里各个部件通过具有恒定压力的载热流体网相耦合。耗能器，即热泵110和电机22或马达20，通过所谓静压调节器(Hydrostaten)稱合并能通过可变的体积流改变它们的功率。在按照图4的电流驱动的热泵110的运行模式中，静压调节器也可以作为液压泵来工作并为压力网供给。在这里也可以实施功率叠加并将两个供给源耦合到载热流体网上。这里，热泵110也可通过直接来自液压网的压力变换器来驱动。图10表示第一液压耦合的线路图，这里，热泵110的压缩机23直接与力-热耦合装置120的液压装置耦合。图11表示第二液压耦合的线路图，这里，热泵110实施为所谓“独立(stand-alone)”器具。在这里通过功率电子装置32与力-热耦合装置120耦合。
权利要求
1.用于混合能量设备的耦合系统(100)，该耦合系统包括一热泵装置(110)和一力-热耦合装置(120)，该耦合系统具有用于耦合该热泵装置(110)和该力-热耦合装置(120)的至少一个耦合设施(130)，其特征在于，所述至少一个耦合设施(130)具有一电耦合单元和/或一液压耦合单元，该耦合单元为了该热泵装置(110 )和该力-热耦合装置(120 )的耦合而实施为可转换的。
2.按权利要求1的耦合系统(100)，其特征在于，该耦合设施(130)包括一燃料驱动的马达(20)。
3.按权利要求2的耦合系统(100)，其特征在于，该耦合设施(130)包括一与该马达(20)耦合的变速器(21)。
4.按权利要求3的耦合系统(100)，其特征在于，该耦合设施(130)包括一与该变速器(21)耦合的电机(22)，用于通过马达(20)的驱动将经变速器变换的力传递给该电机(22)或从该电机(22)传出。
5.按权利要求3或4的耦合系统(100)，其特征在于，该耦合设施(130)包括一与该变速器(21)耦合的压缩机(23)，以便将变速器经变换的力传递给该压缩机(23)。
6.按权利要求1到5之一的稱合系统(100),其特征在于,该稱合设施(130)包括一用于转换该耦合系统(100)的控制装置(30)。
7.按权利要求6的耦合系统(100)，其特征在于，该控制装置(30)包括一用于控制所述马达(20)的马达控制单元(31)。
8.按权利要求6或7的耦合系统(100)，其特征在于，该控制装置(30)包括一功率电子单元(32)用于根据功率来调节该耦合系统(100)。
9.按权利要求6到8之一的耦合系统(100)，其特征在于，该控制装置(30)包括一接口单元(33)，用于连接到其它构件上。
10.能量转换系统，具有一用于产生热和/或冷的热泵装置(110)和一用于产生电流和/或热的力-热耦合装置(120)，其特征在于，该热泵装置(110)和该力-热耦合装置(120)通过至少一个按权利要求1的耦合系统(100)相互耦合。
11.按权利要求10的能量转换系统，其特征在于，该热泵装置(110)通过压缩机(23)和/或变速器(21)与马达(20)和/或电机(22)可转换地耦合。
12.用于借助按权利要求1的耦合系统(100)进行能量转换的方法，包括运行一热泵装置(110)和运行一力-热耦合装置(120)的步骤，其特征在于，该热泵装置(110)和该力-热耦合装置(120)可转换地相互耦合，能够选择式地将这些装置中的一个的能量提供给对应的另一个装置。
13.按权利要求12的方法，其特征在于，该转换包括不同运行模式之间的互换。
14.按权利要求12或13的方法，其特征在于，不同运行模式的互换包括从下组中选出的运行模式的互换:产生电流和/或产生热和/或产生冷。
15.按权利要求12到14之一的方法,其特征在于,所述f禹合以电的方式或以电和液的方式实施。
16.按权利要求12到15之一的方法，其特征在于，所述耦合被逆向实施，使得从产生能量的运行模式转换到消耗能量的运行模式。
全文摘要
本发明涉及一种用于混合能量设备的耦合系统(100)，该混合能量设备包括一热泵装置(110)和一力-热耦合装置(120)，该耦合系统具有至少一个耦合设施(130)用于耦合该热泵装置(110)和该力-热耦合装置(120)。本发明的任务在于提供一种装置和方法来实现热泵装置(110)和力-热耦合装置(120)的耦合，与已知的不耦合的设备相比可保证尽可能高的总效率和低的能源消耗。本发明的特征在于，该至少一个耦合设施(130)具有一电耦合单元和/或一液压耦合单元，用于实现该热泵装置(110)和该力-热耦合装置(120)可转换的耦合。本发明还涉及一种用于产生热和/或产生冷的能量转换系统以及一种用于借助耦合系统(100)实现能量转换的方法。
文档编号F01K13/00GK103180552SQ201180031835
公开日2013年6月26日 申请日期2011年4月12日 优先权日2010年4月27日
发明者C·蒙茨, E·拉夸 申请人:罗伯特·博世有限公司