CN103528266A - 双回路三级闭式循环区域能源站系统 - Google Patents

Abstract

双回路三级闭式循环区域能源站系统，整个系统为封闭式水循环，通过热源水和冷源水双回路向用户提供冷/热能源，热源水回路向用户提供热量，冷源水回路向用户提供冷量。系统通过初级循环、次级循环和第三级循环三个级次的水循环完成能源收集、转输、使用和弃置过程。初级循环又称热源站循环，其作用是将外界能源如地热、太阳能及工业与民用余热等纳入系统，并且将系统中多余的热量释放到地层土壤中；次级循环又称中间转输循环，其作用是将热源站的能量转输到用户，或者将用户弃置的能量转输给其他用户或者转输到地热源站；第三级循环又称用户循环，其作用是将系统的能量输送到用户的耗能点，同时将用户弃置的能量接收到系统中。

Description

双回路三级闭式循环区域能源站系统

技术领域：

本发明涉及一种低碳型区域集中能源供应设施和方法。

背景技术：

区域集中能源供应是一种经济、高效和环保的能源供应方式，是将来城市发展过程中基础设施建设的必然趋势，目前的区域集中能源供应方式有蒸汽或热水区域集中供热系统、单回路单级或双级开式循环区域集中能源站系统、单回路单级或双级闭式循环区域集中能源站系统。

蒸汽或热水区域集中供热系统能源来自集中锅炉房或热电厂，以枝状或环状管网向用户供应蒸汽或热水，其缺点是：热源点单一，供热安全性差；热媒介质单一，热媒参数固定，不能满足不同客户对能源多样性的要求；能源通过燃煤或燃气取得，热效率很低，而且不属于清洁能源；高温管网，热损失大；系统运行及维护费用高；能源综合成本高，用户负担重。

单回路单级或双级开式循环区域集中能源站系统能源来自地表水或地下水，系统通过水循环从表水或地下水中取得或向水中释放能量，地表水直接从水体中抽取和返还，地下水通过抽水井一回灌井循环方式取得，系统采用单回路循环，使用同一介质供热和供冷，其缺点是：需要有可以采集和应用的地下或地表水源，但地下水和地表水都会随季节变化，政府对抽取地下水和地表水的政策也有可能随时变化，能源供应安全性差；热源点单一，随着使用年限的增加，地下抽水井和回灌井有可能越变越差甚至失效，地表水也有可能干枯或被污染；热媒介质单一，使用同一介质供热和供冷，不能避免冷热冲突的发生，换热效率降低；无法将余热源及太阳能纳入系统；水质较差，换热设备易赃污结垢，系统清洗要求高，设备使用寿命短；负荷变化时，系统调整不灵活，运行成本较高；能源综合成本较高，用户负担较重。

单回路单级或双级闭式循环区域集中能源站系统能源来自地层土壤，系统通过水循环从地层中取得或向地层释放能量，采用单回路循环，使用同一介质供热和供冷，其缺点是：热源点单一，能源供应安全性差；热媒介质单一，使用同一介质供热和供冷，不能避免发生冷热冲突，换热效率降低；不太容易将余热源及太阳能纳入系统；负荷变化时，系统调整不灵活，运行成本较高；能源综合成本较高，用户负担较重。

发明内容：

本发明的目的是提供一种低投资、低能耗、高可靠性、无污染、低运转费用、适用面广、调度调节灵活、运行管理方便的低碳型区域集中能源供应设施和方法。

双回路三级闭式循环区域能源站系统，顾名思义，整个系统为封闭式水循环，系统通过热源水和冷源水双回路向用户提供冷/热能源，热源水回路向用户提供热量，冷源水回路向用户提供冷量。系统通过初级循环、次级循环和第三级循环三个级次的水循环完成能源收集、转输、使用和弃置过程。初级循环又称热源站循环，其作用是将外界能源如地热、太阳能及工业与民用余热等纳入系统，并且将系统中多余的热量释放到地层土壤中；次级循环又称中间转输循环，其作用是将热源站的能量转输到用户，或者将用户弃置的能量转输给其他用户或者转输到地热源站；第三级循环又称用户循环，其作用是将系统的能量输送到用户的耗能点，同时将用户弃置的能量接收到系统中。

从构成方面看，系统的初级循环由各类能源站组成，包括地热源站、太阳能站和余热源站，实际应用时系统可以根据具体情况设置一个或多个、一类或多类热源站，地热源站由埋地换热管组、循环水泵和管道组成，太阳能站由太阳能集热板、循环水泵和管道组成，余热源站由余热/冷回收装置、循环水泵和管道组成。系统的次级循环由循环水泵和管网组成，循环水泵可以是一组或多组，管网结构为环状加枝状管网。系统的第三级循环由用户的用能装置、循环水泵和管道组成，用户的用能装置可以是冷水机组、热水机组、冷/热水机组及热交换器等。监测控制与计量系统由温度、压力、流量、能量等传感计量仪器仪表，调节阀、控制阀、变频器等执行机构，以及计算机软件硬件等组成，监测控制和计量系统作为独立技术已经另行申请专利。

双回路三级闭式循环区域能源站系统有两个最显著的特征，特征一是100％使用绿色能源----地热、太阳能及低品位工业与民用余热，特别是使那些温度低、数量少、流量不均甚至时断时续，平时被视而不见甚至被认为不可利用工业与民用低品位余热得到充分利用，实现了变废为宝的目的，因此双回路三级闭式循环区域能源站又被称为超级低碳能源站。特征二其特有的热源水和冷源水双回路系统使能源用户在消耗能源的同时又能为系统提供免费能源，比如热用户从热源水回路中取得热量的同时又向冷源水回路提供免费冷量，冷用户从冷源水回路中取得冷量的同时又向热源水回路提供免费热量，在加拿大有一个特别案例：一座溜冰场和一个市政苗圃比邻而居，溜冰场制冷机房的冷却水余热为苗圃免费供热，苗圃热泵机组为溜冰场制冷机提供免费低温冷却水，使双方的能耗都大为降低，这就是“零成本能源”概念的由来，能源公司可以利用双方的互补性以极低的成本代价两头得利，因此双回路三级闭式循环区域能源站也被称为超低成本能源站。

双回路三级闭式循环区域能源站系统还具有其他一系列优点：管网为闭式循环，管道和设备腐蚀小，结垢少，使用寿命长；系统结构明晰，运转可靠，调度灵活，管理方便，可实现无人值守全自动控制；接近于常温的冷源水和热源水的介质参数及超大的系统容量使得可利用的太阳能和余热量成倍增加，大大提高了太阳能集热器和余热回收设备的效率；能量源具有多样性、互补性和可持续性，能源供应安全可靠；能源用户具有多样性和互补性的特点，可以在能耗介质、能耗时段和能耗数量方面实现互补，从而减小系统总装机容量和总体能源消耗，节约初投资和运转成本；与其他同类系统相比，本发明可减少能源消耗60～80％，减少项目初投资60～80％。

本发明可以广泛用于新建及改建的工业区和商住区，建设周期短，建设与运营方式可以是政府或业主投资建设运营，也可以以BOT的方式由能源公司投资建设运营，通过收取能源费用逐步回收成本取得利润。建设规模可大可小，服务范围可以是一座公共建筑，一片小区，一个工厂，一个校园，可以是几十平方公里的开发区，建设规模可以随城市建设进度从小到大滚动发展，能源公司也可以在发展建设过程中逐步开发区域内的各类余热资源，开拓用户市场，在发展中优化自我。

如果政府能够提前把能源站系统的规划纳入城市或区域总体规划，对于建设低碳型新城市将起到事半功倍的作用。

附图说明：

图1为本发明系统总图，图中分界线01和02所包容的范围为系统的初级循环部分，包括地热源站、太阳能站和余热源站，系统中可以有一座或多座、一类或多类热源站，运转过程中可以是一个热源站独立工作，也可以是多个热源站联合工作，本图示意出两座地热源站、一座太阳能站和四座余热源站；分界线02和03所包容的范围为系统的次级循环部分，包括循环泵站和管网，系统中可以有一座或多座次级循环泵站，可以有或没有连通管，本图示意出两座次级循环泵站和一处连通管；分界线03所包容的范围为系统的第三级循环部分，包括各种类型的用户，本图示意出的有热水机组用户、冷水机组用户、冷热水机组用户，直接热用户及直接冷用户。

图中标记编号及名称为：分界线01，分界线02，分界线03，埋地换热管组04，循环管道05，循环水泵06，控制阀07，控制阀08，埋地换热管组09，循环管道10，循环水泵11，控制阀12，控制阀13，太阳能集热器14，循环管道15，循环水泵16，烟气余热回收装置17，循环管道18，循环水泵19，蒸气余热回收装置20，循环管道21，循环水泵22，冷/热风余热回收装置23，循环管道24，循环水泵25，控制阀26，控制阀27，控制阀28，控制阀29，热风余热回收装置30，循环管道31，循环水泵32，热源水管33，冷源水管34，次级循环水泵35，次级循环水泵36，次级循环水泵37，次级循环水泵38，平衡管39，平衡管40，膨胀管41，膨胀水箱42，次级管网连通管43，次级管网连通管44，连通控制阀45，连通控制阀46，阀门47，阀门48，阀门49，阀门50，阀门51，阀门52，阀门53，阀门54，冷/热水机组55，循环管道56，用户循环水泵57，控制阀58，控制阀59，控制阀60，控制阀61，热水机组62，循环管道63，用户循环水泵64，用户直接用热设备65，循环管道66，用户循环水泵67，循环管道68，用户循环水泵69，冷水机组70，循环管道71，用户循环水泵72，用户直接冷却设备73。

具体实施方式：

初级循环的作用是将外界的能源纳入系统，或者将系统中多余的能源通过地热源站转移出去。

埋地换热管组04、循环管道05、循环水泵06、以及控制阀07和08构成地热源站，埋地换热管组04可以埋设在公园、绿地、运动场等场地的地下，埋管后不影响用地功能。当次级管网需要地热源站提供热量时，控制系统指令循环水泵06启动，控制阀08开启，控制阀07处于关闭状态，循环水泵06的进水管从管网平衡管40中抽取低温水，这些低温水全部或部分来自冷源水管34，低温水流经埋地换热管组04时从地层土壤中吸热变成高温水，高温水然后进入热源水管，再通过次级循环被输送到用户处；当次级管网需要地热源站提供冷量时，循环水泵06启动，控制阀07开启，控制阀08处于关闭状态，循环水泵06的进水管从平衡管40中抽取高温水，这些高温水全部或部分来自热源水管33，高温水流经埋地换热管组04时向地层土壤中放热变成低温水，低温水然后进入热冷源水管，再通过次级循环被输送到用户处；当次级管网既不部需要地热源站提供热量也不需要提供冷量时，地热源站进入停机待命状态，以减少能源消耗。

埋地换热管组09、循环管道10、循环水泵11、以及控制阀12和13构成另一地热源站，其功能与作用与上述地热源站相同。

太阳能集热器14、循环管道15和循环水泵16构成太阳能站。当次级循环管网需要热量并且太阳能集热器有热可供时，系统指令循环水泵16开启，来自热源水管33的水在太阳能集热器14处吸热升温后再返回热源水管33；当次级循环管网不需要热量或者太阳能集热器无热可供时，太阳能站进入停机待命状态。

烟气余热回收装置17、循环管道18和循环水泵19构成(烟气)余热源站。当次级循环管网需要热量并且有烟气余热可利用时，系统指令循环水泵19开启，来自热源水管33的水在烟气余热回收装置17处吸热升温后再返回热源水管33；当次级循环管网不需要热量或者在烟气余热源中断的时段，(烟气)余热源站进入停机待命状态。

蒸气或热水余热回收装置20、循环管道21和循环水泵22构成(蒸气或热水)余热源站。当次级循环管网需要热量并且有蒸气或热水余热可利用时，系统指令循环水泵22启动，来自热源水管33的水在蒸气或热水余热回收装置17处吸热升温后再返回热源水管33；当次级循环管网不需要热量或者在蒸气或热水余热源中断的时段，(蒸气或热水)余热源站进入停机待命状态。

冬季从空调或采暖房间排出的热风也是可以利用的余热，热风余热回收装置30、循环管道31和循环水泵32构成(热风)余热源站。当次级循环管网需要热量并且有热风余热可利用时，系统指令循环水泵32启动，来自热源水管33的水在热风余热回收装置17处吸热升温后再返回热源水管33；当次级循环管网不需要热量或者在热风余热源中断的时段，(热风)余热源站进入停机待命状态。

有些房间冬季排出的热风夏季排出冷风，可以在不同的季节分别加以利用，冷/热风余热回收装置23、循环管道24、循环水泵25、以及控制阀26、27、28和29构成(冷/热风)余热源站。当次级循环管网需要热量并且有热风余热可利用时，系统指令循环水泵32启动，控制阀27和29开启，控制阀26和28处于关闭状态，来自热源水管33的水在冷/热风余热回收装置23处吸热升温后再返回热源水管33；当次级循环管网需要冷量并且有冷风余热可利用时，系统指令循环水泵32启动，控制阀26和28开启，控制阀27和29处于关闭状态，来自冷源水管34的水在冷/热风余热回收装置23处放热降温后再返回冷源水管33；当次级循环管网不需要冷/热量或者在冷/热风余热源中断的时段，(冷/热风)余热源站进入停机待命状态。

次级循环的作用是将能源站的能量转输到用户，或者将用户弃置的能量转输给其他用户或者转输到地热源站中，冷源水和热源水分别在各自的管道循环流动。

次级循环水泵35、36、37、38可以根据系统需要相互配合工作，比如当系统符合较大时，四组水泵同时工作；系统负荷处于中间状态时，两组水泵同时工作，两组水泵工作时，可以是循环水泵35+36组合、或者37+38组合、或者35+38组合、或者36+37组合，控制系统将根据负荷大小和负荷分布情况自动调整；当系统中只有少量用户并且负荷种类比较单一时，也可以只维持单组水泵运转。

次级管网连通管43、44和连通控制阀45、46起到增加系统安全可靠性和能源调度灵活性的作用，例如当系统左半区出现故障时，可以关闭阀门47、48、51、52，开启连通控制阀45和46，保持系统右半区正常运转，同理也可以通过关闭阀门49、50、53、54，开启连通控制阀45和46，保持系统左半区正常运转；当某个时段系统负荷全部集中在右半区时，停止左半区次级循环泵37和38，开启连通控制阀45和46，使系统循环维持在右半区，节约运转费用。

平衡管39和40起平衡冷源水管和热源水管水量的作用，当系统中热负荷大于冷负荷时，冷源水管34中多余的水量从平衡管39和40进入热源水管33，当系统中冷负荷大于热负荷时，热源水管33中多余的水量从平衡管39和40进入冷源水管34。平衡管处的水温与地层土壤温差最大，以这个点作为地热源站水循环的起点，能够提高埋地换热管组的热交换效率。

膨胀水箱42和膨胀管41起到为系统定压、承接系统膨胀水量及为系统补充水的作用。

第三级循环的作用是将系统中的能源输送给用户并且将用户弃置的能源纳入到系统中。

热水机组62、循环管道63和用户循环水泵64构成热水机组用户循环，用户循环水泵64从热源水管33中抽取热源水，热源水在热水机组的蒸发器中放热降温后被送入冷源水管34，当用户不需要能源时，用户循环水泵停机待命。

冷水机组70、循环管道71和用户循环水泵72构成冷水机组用户循环，用户循环水泵72从冷源水管34中抽取冷源水，冷源水在冷水机组的冷凝器中吸热升温后被送入热源水管33，当用户不需要能源时，用户循环水泵停机待命。

冷/热水机组55、循环管道56、用户循环水泵57、以及控制阀58、59、60、61构成冷/热水机组用户循环，夏季时用户循环水泵72从冷源水管34中抽取冷源水，冷源水在冷/热水机组的冷凝器中吸热升温后被送入热源水管33，冬季时用户循环水泵72从热源水管33中抽取热源水，热源水在冷/热水机组的蒸发器中放热降温后被送入冷源水管34，冬夏季转换通过开启和关闭以及控制阀58、59、60、61来完成，当用户不需要能源时，用户循环水泵停机待命。

在某些特定的情形下，比如在余热源和太阳能能够把热源水加热到40℃以上时，可以把热源水直接作热媒用于地板采暖系统，用户直接用热设备65、循环管道66和用户循环水泵67构成直接热用户循环，用户循环水泵67从热源水管33中抽取热源水用于采暖，降温后再回到热源水管中，循环到热站再次加热，当用户不需要能源时，用户循环水泵停机待命。

在某些情形下，可以把冷源水直接用于用户系统的冷却工艺，用户直接冷却设备73、循环管道68和用户循环水泵69构成直接冷用户循环，用户循环水泵69从冷源水管34中抽取冷源水用于冷却工艺，升温后回到热源水管中，当用户不需要能源时，用户循环水泵69停机待命。

本发明中的冷源水和热源水双回路，通过初级、次级、第三级共三级循环共同构成一个有机的整体，经济有效地完成能源收集、转输和供应的过程。

Claims (10)

1.一种区域集中能源供应设施，其特征在于整个系统为闭式循环，有热源水回路和冷源水回路；由初级、次级和第三级共三个级次的循环构成。

2.根据权利要求1所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的三个级次的循环具体构成包括：

初级循环由一个或多个、一类或多类热源站组成，包括地热源站、太阳能站和余热源站；次级循环由循环水泵和管网组成；第三级循环由各类用户组成，包括冷用户、热用户、冷/热用户。

3.根据权利要求2所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的地热源站由埋地换热管组、循环管道和循环水泵组成，地热源站进水管连接在管网的平衡管上，出水管同时连接到冷源水管和热源水管，连接到冷源水管和热源水管的出水管上分别装有控制阀；太阳能站由太阳能集热器、循环管道和循环水泵组成，太阳能站的进水管和出水管连接在热源水管上，进水管在上游，出水管在下游；余热源站的余热来源可以是烟气、蒸汽、热水、热风或者冷风，余热源站田余热回收装置、循环管道和循环水泵组成，余热回收站的进水管和出水管都连接热源水管上，余冷回收站的进水管和出水管连接在冷源水管上，进水管在上游，出水管在下游。

4.根据权利要求2所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的次级循环管网由热源水管和冷源水管组成，次级循环水泵可以是一组，也可以是多组。

5.根据权利要求4所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的次级循环管网可以设一组热源水和冷源水连通管，连通管上设控制阀。

6.根据权利要求4所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的次级循环管网包括有热源水和冷源水平衡管，平衡管设在次级循环水泵吸水管侧。

7.根据权利要求6所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的热源水和冷源水平衡管管内水的流向是可逆的。

8.根据权利要求4所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的次级循环管网设有膨胀管和膨胀水箱和自动补水装置。

9.根据权利要求2所述的区域集中能源供应设施，其特征在于所述的用户可以是各种用能装置，包括冷水机组、热水机组、冷/热水机组、热交换器、地暖盘管和其他冷却与加热设备；冷水机组用户由冷水机组、循环管道和用户循环水泵组成，用户的进水管连接在冷源水管上，出水管连接在热源水管上；热水机组用户由热泵机组、循环管道和用户循环水泵组成，用户的进水管连接在热源水管上，出水管连接在冷源水管上；冷热水机组用户余热源站由冷热水机组、循环管道、用户循环水泵、以及控制阀组成，用户的进水管和出水管同时连接到冷源水和热源水管道上，连接管上分别安装有控制阀；热交换器、地暖盘管和其他冷却与加热设备这类直接用热设备用户，由直接用热设备、循环管道和用户循环水泵组成，用户的进水管连接在冷源水或者热源水管上，出水管视出水温度高低连接在热源水或冷源水管上。

10.一种区域集中能源供应方法，其原理是将地热源、余热源、太阳能热源同时纳入系统，集中作为系统热源，热能通过次级循环管网转输给用户，热用户和冷用户接入同一管网，利用用户多样性和互补性的特点，降低系统总体能源消耗，减少系统建设规模。

Images