CN103256119A - 一种区域建筑用能集成系统 - Google Patents

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康书硕
李洪强
张国强
胡姗
胡艳
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湖南大学
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Abstract

本发明公开了一种区域建筑用能集成系统,包括产能端、输配端和用能端,产能端至少包括燃气轮机、补燃式余热锅炉、烟气型双效吸收式制冷机组、土壤源热泵机组、水源热泵机组、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组和太阳能光伏组件;输配端至少包括管网;用能端至少包括居住建筑、商业建筑、办公建筑、旅游建筑、科教文卫建筑和通信建筑。本发明通过将天然气基燃气轮机冷热电联供系统与太阳能光伏组件、太阳能集热器、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组、土壤源热泵机组及水源热泵机组进行有机整合,不仅降低了一次能源消耗量,提高了系统总热效率,而且对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。

Description

一种区域建筑用能集成系统

技术领域

[0001] 本发明涉及能源技术与建筑节能技术领域,特别是一种区域建筑用能集成系统。背景技术

[0002] 分布式能源系统是解决目前全球能源危机一种重要途径,受到研究者以及大众的广泛关注,而区域建筑冷热电联供系统是分布式能源系统应用的一个重要领域。为减少一次能源消耗,将可再生能源与化石能源相结合的方式应用于分布式冷热电联供系统是目前研究与探讨的主题。可再生能源系统将由太阳能、风能、地热能和地热能等作为热源承担。近年来,因天然气具备清洁、便捷输送以及管网覆盖等特点,已普遍作为分布式能源系统中供能系统的主要一次能源燃料。因此,分布式冷热电联供系统为“第二代能源系统”,其涵盖了以燃气轮机、燃气内燃机、蒸汽轮机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、太阳能光伏组件、太阳能集热器、风力发电机组、地源热泵机组、能源综合控制体系等高新技术和设备为一体的最先进的现代高环保型能源系统,实现多种能源耦合高效利用,将能源利用水平和环保标准提高到一个新的层次,已经凸显安全可靠、能源效率高、环境友好、良好的社会效益和经济性等特点。

[0003] 由于可再生能源的间断性、初投资较高并且设计要求更为严苛,因此基于可再生能源的多能源系统的设计与运行较为复杂。如何确定优化系统分布及能源组合尤为重要。目前一些海外学者已对多能源系统进行了相关研究,其中Enrico Fabrizio和Vincenzo Corrado已经在设计阶段对建筑多能源系统进行了优化设计,M.K.Deshmukh和S.S.Deshmukh进行了基于可再生能源的多能源系统模拟工作,Geidl提出了多能源系统总线的概念。而本发明研究区域建 筑用能系统的集成设计着重于一次能源与地热能、太阳能、风能的匹配。

[0004] 而对于中国既有国情而言,不同于发达国家,存在自身的问题。中国冷热电联供系统面临的最大考验则是供电不能上网问题,原电力工业部1996年颁布的《供电营业规则》中规定,用户自行发电只能自发自供内部的用电,并应采取必要的措施防止向电网返送电力,也就是说要么离网、要么并网。因此,对于分布式能源系统中天然气基冷热电燃气轮机系统到底该如何抉择“以热定电”还是“以电定热”,需要通过冷热电需求来确定,其目的是最大限度提高系统效率,降低一次能源的消耗量。

[0005]目前对现有设计理念和实施方案的区域建筑用能系统的研究存在的主要问题在:I)分布式冷热电联供系统主要是以化石能源系统为主,可再生能源为辅的系统设计,没有真正意义实现可再生能源适度、深度应用。2)建筑冷热负荷需求方面,虽然已对建筑负荷进行了耦合,但由于建筑负荷随时间的波动,系统仍无法满负荷运行,造成总效率的降低。3)电力需求方面,依赖电网补偿,即分布式冷热电联供系统发电上网紧缺时需大电网补充,不能完全实现区域建筑电力的自给自足。4)系统容量匹配方面,未能充分达到满负荷运行,系统实际运行效率较低,可再生能源系统的介入也未能降低化石能源系统的容量。发明内容

[0006](一)要解决的技术问题

[0007] 为了最大限度的提高系统总能效率,真正意义实现可再生能源适度、深度应用,并且满足不同功能建筑群体的供能需求,本发明提出了一种区域建筑用能集成系统。

[0008] ( 二 )技术方案

[0009] 为了达到上述目的,本发明提供了一种区域建筑用能集成系统,该系统包括产能端、输配端和用能端,产能端通过输配端连接于用能端,其中:产能端至少包括燃气轮机、补燃式余热锅炉、烟气型双效吸收式制冷机组、土壤源热泵机组、水源热泵机组、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组和太阳能光伏组件;输配端至少包括管网;用能端至少包括居住建筑、商业建筑、办公建筑、旅游建筑、科教文卫建筑和通信建筑。

[0010] 上述方案中,所述燃气轮机用于将气体压缩、加热后送入透平膨胀做功,直接带动发动机发电,将热能转变为机械能;其排气采用余热回收的方式输出至所述补燃式余热锅炉,作为热源带动其它设备进行供冷、采暖和制取生活热水。所述燃气轮机是所述区域建筑用能集成系统的原动机,提供稳定的冷热电,包括燃气压气机、空气压气机、燃烧室、透平和回热器,其中燃气压气 机用于燃气的压缩,空气压气机用于空气的压缩,燃烧室用于加热压缩后的燃气和空气的混合气体,透平用于将加热后的混合气体膨胀做功发电,回热器用于利用透平排气预热已压缩后的空气。空气经空气压气机压缩和预热后,产生高温高压气体

(2),高温高压气体(2)进入回热器与透平排出的烟气(7)换热,换热后的气体(5)进入燃烧室与被燃气压气机压缩后的天然气(4)混合燃烧,高温燃气(6)送到透平膨胀做功,透平直接带动发电机提供高品位的电;发电机发出电能一是用于满足用能端的电需求,二是用于向土壤源地源热泵系统供应电力、向水源热泵机组供应电力以及向烟气型双效吸收式制冷机组提供少量动力设备用电。所述回热器能够被设定于一个最低换热温度与一个最高换热温度之间,在这温度区间内进行调节,最大限度的满足区域建筑终端的用电需求,小范围的调节基本负荷,而调峰负荷由太阳能光伏组件或者风力发电机组共同承担。经所述回热器换热后的烟气分为两股热流进入所述烟气型双效吸收式制冷机组,其中一股热流直接进入吸收式制冷机组的高发端,另一股热流则经补燃式余热锅炉后进入吸收式制冷机组的低发端。

[0011] 上述方案中,所述补燃式余热锅炉用于当烟气量不足时且用能端冷热需求增大时进行补燃,并向用能端提供所需的热量。所述补燃式余热锅炉的开启与否由所述用能端冷热负荷变化而定,当冷热负荷增大时,采取补燃方式加以提高吸收式制冷机组的进气温度和产气量;而当供需稳定时则不补燃。

[0012] 上述方案中,所述烟气型双效吸收式制冷机组用于提供用能端的冷量和热量,其中热量包括采暖与生活热水。所述土壤源热泵机组与所述水源热泵机组,其电力驱动均来源于所述燃气轮机透平膨胀做功带动发动机发电所发出的电能,用于向用能端提供冷量和热量,满足用能端的基本冷热负荷,其中热量包括采暖与生活热水。

[0013] 上述方案中,所述太阳能吸收式制冷机组由太阳能集热器、吸收式制冷机组和辅助锅炉构成,其中:太阳能集热器用于吸收太阳辐射使之转换为热能并传递给热介质,并作为单独的系统提供热量和用来预热空气压气机的排气;吸收式制冷机组用于提供用能端的冷量和热量,其中热量包括采暖与生活热水;辅助锅炉用于在用能端热需求增大或者太阳能光热不足时进行补燃,提供热媒水给吸收式制冷机组。利用所述太阳能集热器提供的热量预热空气压气机的排气,经两次加热空气,使进入燃烧室的空气温度升高,用太阳能和一部分排气的热量来代替一部分燃料,减少燃料的注入量。所述吸收式制冷机组的热媒水来源于两种方式:太阳能光热和辅助锅炉补燃;两种供给方式优先太阳能光热,当用能端热需求增大时,或者太阳能光热不足时,采用辅助锅炉补偿。

[0014] 上述方案中,所述风力发电机组和所述太阳能光伏组件用于辅助电力供应,满足用能端的调峰负荷,并向所述太阳能吸收式制冷机组提供少量电力。

[0015] 上述方案中,所述燃气轮机是一种天然气基燃气轮机冷热电联供系统,其运行方式如下:首先通过建筑负荷模拟软件分别算出用能端各个建筑的逐时冷热负荷,然后累加得出用能端的总冷负荷和总热负荷;通过参考以往电力负荷监测系统得出的不同功能建筑的日负荷,分别乘以运行时间并累加得出用能端的总电负荷;当热电需求比确定后,该热电需求中的热是总冷负荷和总热负荷之和,根据热电比选择天然气基燃气轮机冷热电联供系统的运行方式,即“以热定电”和“以电定热”;当热电需求比在I〜1.75时,采用“以热定电”运行方式;当热电需求比在1.75〜2.5时,采用“以电定热”运行方式;而当热电需求比等于1.75时,两种方式均能够采用。

[0016] 当热电需求比在I〜1.75时,天然气基燃气轮机冷热电联供系统采用“以热定电”运行方式,即以热需求(冷热负荷)确定电力输出;首先,天然气基燃气轮机冷热电联供系统、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷热量满足用能端的基本冷热负荷,土壤源热泵机组和水源热泵机组所需的电力驱动来源于天然气基燃气轮机发电,在没有满足电需求的情况下,采用太阳能光伏组件或者风力发电机组补偿;

[0017] 当热电需求比在1.75〜2.5时,天然气基燃气轮机冷热电联产系统采用“以电定热”运行方式,即以电力需求确定冷热输出。首先,以天然气基燃气轮机冷热电联供系统满足用能端的基本电力负荷,采用燃气轮机组余热驱动烟气型双效吸收式制冷机组以及发电机组驱动土壤源热泵机组和水源热泵机组提供用能端所需基本冷热量,在无法满足用能端的冷热需求时,由太阳能吸收式制冷机组和太阳能集热器补偿,当需要更多冷热量时,采用余热锅炉和辅助锅炉补燃方式补偿。

[0018] 上述方案中,将整个用能端的冷热电负荷分为基本负荷与调峰负荷,该区域建筑用能集成系统并无蓄能系统和并网系统,完全采取按需供能方式;考虑到不能送电上网原因且同时满足区域建筑用电需求,因此需进行调峰运行的控制;天然气基燃气轮机发电机组承担整个用能端的基本电力负荷、土壤源热泵机组和水源热泵机组的电力驱动,以及烟气型双效吸收式制冷机组的少量电力驱动,而太阳能光伏组件或者风力发电承担用能端的调峰负荷,以及太阳能吸收式制冷机组的少量电力驱动。

[0019] 上述方案中,所述调峰运行的控制,具体如下:首先参考以往电力负荷监测系统得出的用能端不同功能建筑的日负荷,作为各个建筑的逐时电负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑电负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的电负荷最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本电负荷曲线,直线以下表示基本电负荷,由天然气基燃气轮机发电机组提供电量,高出部分面积作为调峰电负荷,由太阳能光伏组件或者风力发电机组提供。

[0020] 上述方案中,所述调峰运行的控制,包括冷负荷调峰运行方式和热负荷调峰运行方式,其中:冷负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时冷负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑冷负荷曲线以耦合方式进行叠力口,此时,以叠加后的冷负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本冷负荷曲线,直线以下表示基本冷负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷量,高出部分面积作为调峰冷负荷,由太阳能吸收式制冷机组提供;热负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时热负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑热负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的热负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本热负荷曲线,直线以下表示基本热负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供热量,高出部分面积作为调峰热负荷,由太阳能集热器提供生活热水,太阳能吸收式制冷机组供暖。

[0021](三)有益效果

[0022] 从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:

[0023] 1、本发明提供的区域建筑用能集成系统,通过将天然气基燃气轮机冷热电联供系统与太阳能光伏组件、太阳能集热器、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组、土壤源热泵机组及水源热泵机组进行有机整合,不仅降低了一次能源消耗量,提高了系统总热效率,而且对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。

[0024] 2、本发明提供的区域建筑用能集成系统,利用太阳能集热器提供的热量预热空气压气机的排气,再进入回热器与透平排气换热,两次加热使进入燃烧室的空气温度升高,用一部分排气的热量来代替一部分燃料,减少燃料量的注入。

[0025] 3、本发明提供的区域建筑用能集成系统,将整个用能端的冷热电负荷分为基本负荷与调峰负荷,该区域建筑用能系统并无蓄能系统和并网系统,完全采取按需产能方式,目的在于基于合理分配冷热电,达到供需平衡。

[0026] 4、本发明提供的区域建筑用能集成系统,天然气基燃气轮机冷热电联供系统的补燃式余热锅炉和太阳能吸收式制冷机组的辅助锅炉对区域用能系统起到补偿作用。因用能端冷热负荷随时间而变化,当冷热负荷增大时,采取以上两种补燃方式可以分别满足用能端的基本冷热负荷和调峰冷热负荷。

[0027] 5、本发明提供的区域建筑用能集成系统,土壤源热泵机组与水源热泵机组,其电力驱动来源于天然气基燃气轮机冷热电联供系统,并向用能端提供热量(采暖和生活热水)和冷量,用来满足用能端的基本冷热负荷。同时,烟气型双效吸收式制冷系统和太阳能吸收式制冷机组的电力驱动分别来源于天然气基燃气轮机冷热电联供系统和风力发电与太阳能光伏并联系统,整个区域建筑供电无外界电网补偿。

附图说明

[0028] 图1是本发明提供的区域建筑用能集成系统的示意图;

[0029] 图2是根据图1所示热负荷调峰运行策略示意图;

[0030] 图3是根据图1所示冷负荷调峰运行策略示意图;

[0031] 图4是根据图1所示电负荷调峰运行策略示意图。

具体实施方式[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。

[0033] 如图1所示,是本发明提供的区域建筑用能集成系统的示意图,该系统包括产能端、输配端和用能端三个部分,产能端通过输配端连接于用能端,其中:产能端至少包括燃气轮机、补燃式余热锅炉、烟气型双效吸收式制冷机组、土壤源热泵机组、水源热泵机组、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组和太阳能光伏组件;输配端至少包括管网;用能端至少包括居住建筑、商业建筑、办公建筑、旅游建筑、科教文卫建筑和通信建筑。

[0034] 燃气轮机用于将气体压缩、加热后送入透平膨胀做功,直接带动发动机发电,将热能转变为机械能;其排气采用余热回收的方式输出至所述补燃式余热锅炉,作为热源带动其它设备进行供冷、采暖和制取生活热水。燃气轮机是所述区域建筑用能集成系统的原动机,提供稳定的冷热电,包括燃气压气机、空气压气机、燃烧室、透平和回热器,其中燃气压气机用于燃气的压缩,空气压气机用于空气的压缩,燃烧室用于加热压缩后的燃气和空气的混合气体,透平用于将加热后的混合气体膨胀做功发电,回热器用于利用透平排气预热已压缩后的空气。

[0035] 空气I经空气压气机压缩和预热后,产生高温高压气体2,高温高压气体2进入回热器与透平排出的烟气7换热,换热后的气体5进入燃烧室与被燃气压气机压缩后的天然气4混合燃烧,高温燃气6送到透平膨胀做功,透平直接带动发电机提供高品位的电。发电机发出电能一是用于满足用能端的电需求15,二是用于向土壤源地源热泵系统供应电力

16、向水源热泵机组供应电力17以及向烟气型双效吸收式制冷机组提供少量动力设备用电14。

[0036] 回热器能够被设定于一个最低换热温度与一个最高换热温度之间,在这温度区间内进行调节,最大限度的满足区域建筑终端的用电需求,小范围的调节基本负荷,而调峰负荷由太阳能光伏组件或者风力发电机组共同承担。透平产生的烟气7经回热器换热后,一部分烟气进入补燃式余热锅炉换热,以 生活热水方式向用能端提供热量20,换热后的烟气10进入烟气型双效吸收式制冷机组的低发端用于冷量供应22。另一部分烟气9则直接进入烟气型双效吸收式制冷机组高发端,同样用于热量供应(采暖和生活热水)21或者双效制冷22。此分流的目的在于当用能端的需求稳定时,烟气经余热锅炉换热制取生活热水后,排气进入烟气型双效吸收式制冷机组低发端制冷,夏季满足冷需求和热水需求;冬季,烟气8完全进入吸收式制冷机高发端供热,满足热需求。当烟气量不足时,且用能端冷热需求增大时,加注燃气11进行补燃。

[0037] 补燃式余热锅炉用于当烟气量不足时且用能端冷热需求增大时进行补燃,并向用能端提供所需的热量。补燃式余热锅炉的开启与否由所述用能端冷热负荷变化而定,当冷热负荷增大时,采取补燃方式加以提高吸收式制冷机组的进气温度和产气量;而当供需稳定时则不补燃。烟气型双效吸收式制冷机组用于提供用能端的冷量和热量,其中热量包括采暖与生活热水。土壤源热泵机组与水源热泵机组,其电力驱动来源于燃气轮机冷热电联供系统,并向用能端提供热量18 (采暖和生活热水)和冷量19,用来满足用能端的基本冷热负荷。

[0038] 太阳能吸收式制冷机组由太阳能集热器、吸收式制冷机组和辅助锅炉构成,并且太阳能集热器可作为单独的系统提供热量25 (生活热水)和提供部分热量28加热空气压气机的排气2。其中,太阳能集热器用于吸收太阳辐射使之转换为热能并提供热媒水31给吸收式制冷机组。其次,当用能端热需求增大时,或者太阳能光热不足时,辅助锅炉用于加注燃气29进行补燃方式提供热媒水30给吸收式制冷机组。吸收式制冷机组用于提供用能端的热量26(采暖与热水)和冷量27。风力发电机组或者太阳能光伏组件用于辅助电力供应23,同时用于满足用能端的调峰负荷,并且提供太阳能吸收式制冷机组的少量电力需求24。该两种发电系统是根据当地可再生能源的资源利用情况而定,两者并无主次之分。

[0039] 风力发电机组和所述太阳能光伏组件用于辅助电力供应,满足用能端的调峰负荷,并向所述太阳能吸收式制冷机组提供少量电力。

[0040] 燃气轮机是一种天然气基燃气轮机冷热电联供系统,其运行方式如图1所。首先通过建筑负荷模拟软件分别算出用能端各个建筑的逐时冷热负荷,然后累加得出用能端的总冷负荷和总热负荷;通过参考以往电力负荷监测系统得出的不同功能建筑的日负荷,分别乘以运行时间并累加得出用能端的总电负荷;当热电需求比确定后,该热电需求中的热是总冷负荷和总热负荷之和,根据热电比选择天然气基燃气轮机冷热电联供系统的运行方式,即“以热定电”和“以电定热”。

[0041] 当热电需求比在I〜1.75时,天然气基燃气轮机冷热电联供系统采用“以热定电”运行方式,即以热需求(冷热负荷)确定电力输出。首先,以天然气基燃气轮机冷热电联供系统、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷热量满足用能端的基本冷热负荷,土壤源热泵机组和水源热泵机组所需的电力驱动来源于天然气基燃气轮机组发电,在没有满足电需求的情况下,采用太阳能光伏组件或者风力发电机组补偿。

[0042] 当热电需求比在1.75〜2.5时,天然气基燃气轮机冷热电联产系统采用“以电定热”运行方式,即以电力需求确定冷热输出。首先,以天然气基燃气轮机冷热电联供系统满足用能端的基本电力负荷,采用燃气轮机组余热带动烟气型双效吸收式制冷机组以及燃气轮机发电机组带动土壤源热泵机组和水源热泵机组提供用能端所需基本冷热量,在无法满足用能端的冷热需求时,由太阳能吸收式制冷机组和太阳能集热器补偿,当需要更多冷热量时,采用余热锅炉和辅助锅炉补燃方式补偿。

[0043] 如图2、图3和图4所示,`是根据本发明提供的图1所示热、冷、电负荷调峰运行策略示意图,该策略是将整个用能端的冷热电负荷分为基本负荷与调峰负荷,整个区域建筑用能系统并无蓄能系统和并网系统,完全采取按需产能方式,目的在于基于合理分配冷热电,达到供需平衡。考虑到不能送电上网原因且同时满足区域建筑用电需求,因此需进行调峰运行的控制;天然气基燃气轮机发电机组承担整个用能端的基本电力负荷、土壤源热泵机组和水源热泵机组的电力驱动,以及烟气型双效吸收式制冷机组的少量电力驱动,而太阳能光伏组件或者风力发电承担用能端的调峰负荷,以及太阳能吸收式制冷机组的少量电力驱动。

[0044] 如图2所示,是根据本发明提供的图1所示热负荷调峰运行策略示意图,该运行策略如下:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出各个建筑的逐时热负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑热负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的热负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本热负荷曲线,直线以下表示基本热负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供热量,高出部分面积作为调峰热负荷,由太阳能集热器提供生活热水,太阳能吸收式制冷机组供暖。[0045] 如图3所示,是根据本发明提供的图1所示冷负荷调峰运行策略示意图,该运行策略如下:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出各个建筑的逐时冷负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑冷负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的冷负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本冷负荷曲线,直线以下表示基本冷负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷量,高出部分面积作为调峰冷负荷,由太阳能吸收式制冷机组供冷。

[0046] 如图4所示,是根据本发明提供的图1所示电负荷调峰运行策略示意图,该运行策略如下:首先参考以往电力负荷监测系统得出的不同功能建筑的日负荷,作为各个建筑的逐时电负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑电负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的电负荷最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本电负荷曲线,直线以下表示基本电负荷,由天然气基燃气轮机发电机组提供电量,高出部分面积作为调峰电负荷,由太阳能光伏组件或者风力发电机组提供。

[0047] 其中,所述调峰运行的控制,包括冷负荷调峰运行方式和热负荷调峰运行方式。冷负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时冷负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑冷负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的冷负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本冷负荷曲线,直线以下表示基本冷负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷量,高出部分面积作为调峰冷负荷,由太阳能吸收式制冷机组提供;热负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时热负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑热负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的热负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本热负荷曲线,直线以下表示基本热负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供热量,高出部分面积作为调峰热负荷,由太阳能集热器提供生活热水,太阳能吸收式制冷机组供暖。

[0048] 本发明提供的区域建筑用能集成系统,具有以下几个特点:

[0049] I)整个冷热电联供系统中燃料来源为以城市管网覆盖面大且输送快捷的天然气,其次,结合当地可再生能源资源利用现状,合理的选择冷热源,来匹配可再生能源系统,主要供能系统和辅助供能系统需根据当地实际资源情况选定,高度集成可再生能源系统与化石能源系统。

[0050] 2)不同功能建筑负荷进行耦合后,将进一步分析多个建筑全年负荷变化,划分出基本冷热电负荷和调峰冷热电负荷,合理配备主要供能系统和辅助供能系统的机组容量,从而降低一次能源消耗,提高系统总能效率。

[0051] 3)电力供应不依赖电网补偿,即用能端耗电无需大电网补充,所需电力来源于冷热电联供系统燃气轮机发电以及可再生能源系统补偿发电,完全实现区域建筑电力的自给自足。

[0052] 4)系统余热的分级利用,以及利用太阳能光热预热联供系统中压气机的排气,进一步降低一次能源消耗量。

[0053] 以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。·

Claims (19)

1. 一种区域建筑用能集成系统,其特征在于,该系统包括产能端、输配端和用能端,产能端通过输配端连接于用能端,其中: 产能端至少包括燃气轮机、补燃式余热锅炉、烟气型双效吸收式制冷机组、土壤源热泵机组、水源热泵机组、太阳能吸收式制冷机组、风力发电机组和太阳能光伏组件; 输配端至少包括管网; 用能端至少包括居住建筑、商业建筑、办公建筑、旅游建筑、科教文卫建筑和通信建筑。
2.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述燃气轮机用于将气体压缩、加热后送入透平膨胀做功,直接带动发动机发电,将热能转变为机械能;其排气采用余热回收的方式输出至所述补燃式余热锅炉,作为热源带动其它设备进行供冷、采暖和制取生活热水。
3.根据权利要求2所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述燃气轮机是所述区域建筑用能集成系统的原动机,提供稳定的冷热电,包括燃气压气机、空气压气机、燃烧室、透平和回热器,其中燃气压气机用于燃气的压缩,空气压气机用于空气的压缩,燃烧室用于加热压缩后的燃气和空气的混合气体,透平用于将加热后的混合气体膨胀做功发电,回热器用于利用透平排气预热已压缩后的空气。
4.根据权利要求3所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,空气经空气压气机压缩和预热后,产生高温高压气体(2),高温高压气体(2)进入回热器与透平排出的烟气(7)换热,换热后的气体(5)进入燃烧室与被燃气压气机压缩后的天然气(4)混合燃烧,高温燃气(6)送到透平膨胀做功,透平直接带动发电机提供高品位的电;发电机发出电能一是用于满足用能端的电需求,二是用于向土壤源地源热泵系统供应电力、向水源热泵机组供应电力以及向烟气型双效吸收式制冷机组提供少量动力设备用电。
5.根据权利要求3所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述回热器能够被设定于一个最低换热温度与一个最高换热温度之间,在这温度区间内进行调节,最大限度的满足区域建筑终端的用电需求,小范围的调节基本负荷,而调峰负荷由太阳能光伏组件或者 风力发电机组共同承担。
6.根据权利要求3所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,经所述回热器换热后的烟气分为两股热流进入所述烟气型双效吸收式制冷机组,其中一股热流直接进入吸收式制冷机组的高发端,另一股热流则经补燃式余热锅炉后进入吸收式制冷机组的低发端。
7.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述补燃式余热锅炉用于当烟气量不足时且用能端冷热需求增大时进行补燃,并向用能端提供所需的热量。
8.根据权利要求7所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述补燃式余热锅炉的开启与否由所述用能端冷热负荷变化而定,当冷热负荷增大时,采取补燃方式加以提高吸收式制冷机组的进气温度和产气量;而当供需稳定时则不补燃。
9.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述烟气型双效吸收式制冷机组用于提供用能端的冷量和热量,其中热量包括采暖与生活热水。
10.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述土壤源热泵机组与所述水源热泵机组,其电力驱动均来源于所述燃气轮机透平膨胀做功带动发动机发电所发出的电能,用于向用能端提供冷量和热量,满足用能端的基本冷热负荷,其中热量包括采暖与生活热水。
11.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述太阳能吸收式制冷机组由太阳能集热器、吸收式制冷机组和辅助锅炉构成,其中:太阳能集热器用于吸收太阳辐射使之转换为热能并传递给热介质,并作为单独的系统提供热量和用来预热空气压气机的排气;吸收式制冷机组用于提供用能端的冷量和热量,其中热量包括采暖与生活热水;辅助锅炉用于在用能端热需求增大或者太阳能光热不足时进行补燃,提供热媒水给吸收式制冷机组。
12.根据权利要求11所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,利用所述太阳能集热器提供的热量预热空气压气机的排气,经两次加热空气,使进入燃烧室的空气温度升高,用太阳能和一部分排气的热量来代替一部分燃料,减少燃料的注入量。
13.根据权利要求11所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述吸收式制冷机组的热媒水来源于两种方式:太阳能光热和辅助锅炉补燃;两种供给方式优先太阳能光热,当用能端热需求增大时,或者太阳能光热不足时,采用辅助锅炉补偿。
14.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述风力发电机组和所述太阳能光伏组件用于辅助电力供应,满足用能端的调峰负荷,并向所述太阳能吸收式制冷机组提供少量电力。
15.根据权利要求I所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述燃气轮机是一种天然气基燃气轮机冷热电联供系统,其运行方式如下: 首先通过建筑负荷模拟软件分别算出用能端各个建筑的逐时冷热负荷,然后累加得出用能端的总冷负荷和总热负荷;通过参考以往电力负荷监测系统得出的不同功能建筑的日负荷,分别乘以运行时间并累加得出用能端的总电负荷;当热电需求比确定后,该热电需求中的热是总冷负荷和总热负荷之和,根据热电比选择天然气基燃气轮机冷热电联供系统的运行方式,即“以热定电”和“以电定热”;当热电需求比在I〜I. 75时,采用“以热定电”运行方式;当热电需求比在I. 75〜2. 5时,采用“以电定热”运行方式;而当热电需求比等于I. 75时,两种方式均能够采用。
16.根据权利要求15所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于, 当热电需求比在I〜I. 75时,天然气基燃气轮机冷热电联供系统采用“以热定电”运行方式,即以热需求确定电力输出;首先,天然气基燃气轮机冷热电联供系统、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷热量满足用能端的基本冷热负荷,土壤源热泵机组和水源热泵机组所需的电力驱动来源于天然气基燃气轮机发电,在没有满足电需求的情况下,采用太阳能光伏组件或者风力发电机组补偿; 当热电需求比在I. 75〜2. 5时,天然气基燃气轮机冷热电联产系统采用“以电定热”运行方式,即以电力需求确定冷热输出;首先,以天然气基燃气轮机冷热电联供系统满足用能端的基本电力负荷,采用燃气轮机组余热驱动烟气型双效吸收式制冷机组以及发电机组驱动土壤源热泵机组和水源热泵机组提供用能端所需基本冷热量,在无法满足用能端的冷热需求时,由太阳能吸收式制冷机组和太阳能集热器补偿,当需要更多冷热量时,采用余热锅炉和辅助锅炉补燃方式补偿。
17.根据权利要求15所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,将整个用能端的冷热电负荷分为基本负荷与调峰负荷,该区域建筑用能集成系统并无蓄能系统和并网系统,完全采取按需供能方式;考虑到不能送电上网原因且同时满足区域建筑用电需求,因此需进行调峰运行的控制;天然气基燃气轮机发电机组承担整个用能端的基本电力负荷、土壤源热泵机组和水源热泵机组的电力驱动,以及烟气型双效吸收式制冷机组的少量电力驱动,而太阳能光伏组件或者风力发电承担用能端的调峰负荷,以及太阳能吸收式制冷机组的少量电力驱动。
18.根据权利要求17所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述调峰运行的控制,具体如下: 首先参考以往电力负荷监测系统得出的用能端不同功能建筑的日负荷,作为各个建筑的逐时电负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑电负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的电负荷最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本电负荷曲线,直线以下表示基本电负荷,由天然气基燃气轮机发电机组提供电量,高出部分面积作为调峰电负荷,由太阳能光伏组件或者风力发电机组提供。
19.根据权利要求18所述的区域建筑用能集成系统,其特征在于,所述调峰运行的控制,包括冷负荷调峰运行方式和热负荷调峰运行方式,其中: 冷负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时冷负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑冷负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的冷负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本冷负荷曲线,直线以下表示基本冷负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供冷量,高出部分面积作为调峰冷负荷,由太阳能吸收式制冷机组提供; 热负荷调峰运行方式:首先通过建筑负荷模拟软件分别计算出用能端各个建筑的逐时热负荷,并将其负荷曲线进行拟合,然后将各建筑热负荷曲线以耦合方式进行叠加,此时,以叠加后的热负荷曲线最低点为起始作平行X轴的直线,作为用能端的基本热负荷曲线,直线以下表示基本热负荷,由天然气基燃气轮机组、土壤源热泵机组和水源热泵机组共同提供热量,高出部分面积作为调峰热负荷,由太阳能集热器提供生活热水,太阳能吸收式制冷机组供暖。
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