CN106642816A - 一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统。本发明属于可再生能源利用领域，涉及一种采用电动热泵和蓄能系统，提高可再生能源年利用小时数，为用户进行供热/供冷的集中供热系统。由于风能或太阳能具有随机性的特点，当城市电网输送能力饱和时，往往不能满足可再生能源上网发电的需求，导致我国北方地区风力发电或太阳能发电弃能现象较为普遍，导致可再生能源发电年利用小时数低。本发明通过对可再生能源发电机组增设电动热泵（空气源热泵、水源热泵或土壤源热泵）和蓄能系统进行集中供热，满足用户冬天供热和夏天供冷的需求，消纳可再生能源发电量，提升其年利用小时数，同时增大热网集中供热能力，降低供热或供冷的能耗成本。该发明适用于风能或太阳能较为富裕且有供热需求的地区。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源利用技术领域，特别涉及一种空气源热泵与蓄能系统联用的集中供热供冷系统及运行方法。
背景技术
我国风电和太阳能发电近些年发展迅速，装机容量不断上升，风电和太阳能发电在全国发电总量中所占稳步增加。但是风电和太阳能发电受气候条件制约较为显著，其发电负荷的波动性较大。因此，当城市用电负荷比较低时，电网给可再生能源发电上网的空间较小，诸多因素导致风电或者太阳能发电年平均利用小时数偏低，可再生能源得不到充分的利用，因此“弃能”问题越来越显著。同时，我国北方采暖地区集中供热比例偏低，供暖期空气污染严重，需要增加供热热源。针对可再生能源发电的消纳和集中供热问题，目前主要采用电锅炉等形式将电能直接转变为热量使用，但由于电能品位高，转换能到的热量品位较低，存在很大的不可逆损失，导致供热能源成本较高。在此背景之下，本专利提出了一种可消纳风电或者太阳能发电等发电负荷波动比较大的可再生能源发电利用系统，用于满足用户冬天供热和夏天供冷的需求，提升风电或太阳能发电年利用小时数，同时增大热网集中供热能力，降低集中供热和供冷的能源成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气源热泵与蓄能系统联用，同时满足用户供热和供冷需求的系统及其运行方法，适用于消纳风电或者太阳能发电等发电负荷波动较大的场合，用于提升其年利用小时数，同时增加热网的集中供热能力。
为了实现上述目标，风电或者太阳能发电驱动的空气源热泵与蓄能装置组合的系统包括风电或太阳能发电机组1、空气源热泵2、蓄能罐3和用户4，其中空气源热泵2包括电机5、压缩机6、蒸发器(冷凝器)7、冷凝器（蒸发器）8和节流装置9组成。风电或者太阳能发电机组1与空气源热泵2相连接。蓄能罐3进出口通过阀门13、阀门14、阀门15、阀门16和循环泵11与管网相连接。其中空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8的水侧进出口与管网连接。
管网系统连接方式如下：回水管网与用户4相连，此外回水管路通过阀门13和增压泵11与蓄能罐3底部相连，回水管路同时通过阀门12与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，回水管路通过阀门15与蓄能罐3的顶部连接。供水管路与用户4连接，同时与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，供水管路通过阀门16和增压泵11与蓄能罐3的底部连接，同时供水管路通过阀门14与蓄能罐3的顶部连接。
风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2连接方式如下：风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2的电机5连接，电机5与压缩机6连接，蒸发器（冷凝器）7与压缩机6和节流装置9连接，冷凝器（蒸发器）8与压缩机6和节流装置9连接。
该系统可以通过阀门13、阀门14、阀门15和阀门16的切换，实现在夏季给用户供冷和冬季给用户供热的目的。运行方式如下：
冬季供热运行方式：
阀门16和阀门15关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制热模式运行，蒸发器7从空气中提取热量，冷凝器8将热网回水进行加热，当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量超过用户4需要的供热量时，阀门13和阀门14打开，增压泵11打开，蓄能罐3底部的冷水通过增压泵11和阀门13后与管网回水混合后共同进入空气源热泵2的冷凝器8，混合水被加热后部分热水通过阀门14从蓄能罐3顶部进入后在罐内储存，蓄能罐3处于蓄热状态；当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量不能满足用户4需要的供热量时，阀门16和阀门15仍然保持关闭，此时增压泵11关闭，阀门13和阀门14保持开启，从用户4的回水分两路同时经过冷凝器8和蓄能罐3，部分回水从蓄能罐3底部进入，其它回水进入空气源热泵2的冷凝器8被加热，此时蓄能罐3中储存的热水从罐体顶部流出，与经过冷凝器8被加热的热水混合后共同供给用户4，蓄能罐3处于放热状态。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的热水维持用户4的供热需求。
夏季供冷运行方式：
阀门13和阀门14关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制冷模式运行，蒸发器8从回水中提取热量，冷凝器8将热量释放到空气中，当空气源热泵2的蒸发器8制取的回水的冷量超过用户4需要的供冷量时，阀门15和阀门16打开，增压泵11关闭，通过蒸发器8制取的冷水部分通过阀门16进入蓄能罐3的底部，同时蓄能罐3中的热水从顶部流出通过阀门15与用户回水混合，蓄能罐3处于蓄冷模式；当空气源热泵2的蒸发器8所制取的冷量不能满足用户4的需求时，阀门13和阀门14仍然保持关闭，阀门15和阀门16开启，增压泵11开启，用户4的回水分两路，部分回水进入蒸发器8，其它回水通过阀门15进入蓄能罐3的顶部，进入蒸发器8的回水被降温后与蓄能罐3底部流出的冷水混合后共同输送给用户，蓄能罐3处于放冷模式。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的冷水维持用户4的供冷需求。
蓄能罐3的内部可以填充相变材料或者不填充相变材料，如果填充相变材料，其工作原理为热水进入蓄能罐3时，其中填充的相变材料被加热产生相变（相变温度低于热水温度，相变材料变成热态），进而吸收热水的热量，热水温度降低变成冷水从蓄能罐3的另一侧流出，完成蓄热过程；当冷水进入蓄能罐3时，相变材料产生相变释放热量（相变温度高于冷水温度，相变材料变成冷态），冷水被加热成热水后从另一侧流出，完成放热过程，相变材料可以采用石蜡型、熔融盐型或者水和盐类组合类型等蓄热材料。如果不填充蓄热材料，则利用热水和冷水的密度差实现自然分层，热水从蓄能罐3上方进出，冷水从蓄能罐3下方进出。
本发明的有益效果为，通过空气源热泵与蓄能装置联用，增加热网的集中供热能力。在冬季和夏季进行运行模式切换，满足用户供热和供冷的需求同时，显著的提升风电和太阳能发电年利用小时数，同时降低了供热和供冷的能源成本。
附图说明
图1为采用本系统时管网与热用户直接连接的示意图;
图2为采用本系统时管网与热用户间接连接的示意图；
图中，1-风电或太阳能发电机组，2-空气源热泵，3-蓄能罐，4-用户，5-电机，6-压缩机，7-蒸发器（冷凝器），8-冷凝器（蒸发器），9-节流装置，10-循环泵，11-增压泵，12-阀门，13-阀门，14-阀门，15-阀门，16-阀门。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，如图1所示的管网与用户采用直接连接的方式，此方式中通过空气源热泵制取的热水或者冷水直接进入用户中的换热设备，从而实现供热或者供冷。
管网连接方式如下：
管网系统连接方式如下：回水管网与用户4相连，此外回水管路通过阀门13和增压泵11与蓄能罐3底部相连，回水管路同时通过阀门12与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，回水管路通过阀门15与蓄能罐3的顶部连接。供水管路与用户4连接，同时与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，供水管路通过阀门16和增压泵11与蓄能罐3的底部连接，同时供水管路通过阀门14与蓄能罐3的顶部连接。
风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2连接方式如下：风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2的电机5连接，电机5与压缩机6连接，蒸发器（冷凝器）7与压缩机6和节流装置9连接，冷凝器（蒸发器）8与压缩机6和节流装置9连接。
该系统可以通过阀门13、阀门14、阀门15和阀门16的切换，实现在夏季给用户供冷和冬季给用户供热的目的。运行方式如下：
冬季供热运行方式：
阀门16和阀门15关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制热模式运行，蒸发器7从空气中提取热量，冷凝器8将热网回水进行加热，当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量超过用户4需要的供热量时，阀门13和阀门14打开，增压泵11打开，蓄能罐3底部的冷水通过增压泵11和阀门13后与管网回水混合后共同进入空气源热泵2的冷凝器8，混合水被加热后部分热水通过阀门14从蓄能罐3顶部进入后在罐内储存，蓄能罐3处于蓄热状态；当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量不能满足用户4需要的供热量时，阀门16和阀门15仍然保持关闭，此时增压泵11关闭，阀门13和阀门14保持开启，从用户4的回水分两路同时经过冷凝器8和蓄能罐3，部分回水从蓄能罐3底部进入，其它回水进入空气源热泵2的冷凝器8被加热，此时蓄能罐3中储存的热水从罐体顶部流出，与经过冷凝器8被加热的热水混合后共同直接供给用户4，蓄能罐3处于放热状态。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的热水维持用户4的供热需求。
夏季供冷运行方式：
阀门13和阀门14关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制冷模式运行，蒸发器8从回水中提取热量，冷凝器8将热量释放到空气中，当空气源热泵2的蒸发器8制取的回水的冷量超过用户4需要的供冷量时，阀门15和阀门16打开，增压泵11关闭，通过蒸发器8制取的冷水部分通过阀门16进入蓄能罐3的底部，同时蓄能罐3中的热水从顶部流出通过阀门15与用户回水混合，蓄能罐3处于蓄冷模式；当空气源热泵2的蒸发器8所制取的冷量不能满足用户4的需求时，阀门13和阀门14仍然保持关闭，阀门15和阀门16开启，增压泵11开启，用户4的回水分两路，部分回水进入蒸发器8，其它回水通过阀门15进入蓄能罐3的顶部，进入蒸发器8的回水被降温后与蓄能罐3底部流出的冷水混合后共同直接输送给用户，蓄能罐3处于放冷模式。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的冷水维持用户4的供冷需求。
实施例2，如图2所示的管网与用户采用直接间连的方式，此方式中通过空气源热泵制取的热水或者冷水不直接进入用户中的换热设备，而是通过一个换热器得到用户需要的温度的热水或者冷水，从而实现供热或者供冷，适用于空气源热泵制取的热水温度较高和制取的冷水温度较低的场合。
管网连接方式如下：
管网系统连接方式如下：回水管网与用户4相连，此外回水管路通过阀门13和增压泵11与蓄能罐3底部相连，回水管路同时通过阀门12与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，回水管路通过阀门15与蓄能罐3的顶部连接。供水管路与用户4连接，同时与空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8连接，供水管路通过阀门16和增压泵11与蓄能罐3的底部连接，同时供水管路通过阀门14与蓄能罐3的顶部连接。
风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2连接方式如下：风电或太阳能发电机组1与空气源热泵2的电机5连接，电机5与压缩机6连接，蒸发器（冷凝器）7与压缩机6和节流装置9连接，冷凝器（蒸发器）8与压缩机6和节流装置9连接。
该系统可以通过阀门13、阀门14、阀门15和阀门16的切换，实现在夏季给用户供冷和冬季给用户供热的目的。运行方式如下：
冬季供热运行方式：
阀门16和阀门15关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制热模式运行，蒸发器7从空气中提取热量，冷凝器8将热网回水进行加热，当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量超过用户4需要的供热量时，阀门13和阀门14打开，增压泵11打开，蓄能罐3底部的冷水通过增压泵11和阀门13后与管网回水混合后共同进入空气源热泵2的冷凝器8，混合水被加热后部分热水通过阀门14从蓄能罐3顶部进入后在罐内储存，蓄能罐3处于蓄热状态；当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量不能满足用户4需要的供热量时，阀门16和阀门15仍然保持关闭，此时增压泵11关闭，阀门13和阀门14保持开启，从用户4的回水分两路同时经过冷凝器8和蓄能罐3，部分回水从蓄能罐3底部进入，其它回水进入空气源热泵2的冷凝器8被加热，此时蓄能罐3中储存的热水从罐体顶部流出，与经过冷凝器8被加热的热水混合后经过一个换热器得到用户需要温度的热水再供给用户4，蓄能罐3处于放热状态。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的热水维持用户4的供热需求。
夏季供冷运行方式：
阀门13和阀门14关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制冷模式运行，蒸发器8从回水中提取热量，冷凝器8将热量释放到空气中，当空气源热泵2的蒸发器8制取的回水的冷量超过用户4需要的供冷量时，阀门15和阀门16打开，增压泵11关闭，通过蒸发器8制取的冷水部分通过阀门16进入蓄能罐3的底部，同时蓄能罐3中的热水从顶部流出通过阀门15与用户回水混合，蓄能罐3处于蓄冷模式；当空气源热泵2的蒸发器8所制取的冷量不能满足用户4的需求时，阀门13和阀门14仍然保持关闭，阀门15和阀门16开启，增压泵11开启，用户4的回水分两路，部分回水进入蒸发器8，其它回水通过阀门15进入蓄能罐3的顶部，进入蒸发器8的回水被降温后与蓄能罐3底部流出的冷水混合后通过一个换热器得到用户需要温度的冷水后再输送给用户，蓄能罐3处于放冷模式。当风电或者太阳能发电不足以驱动空气源热泵2时，阀门12关闭，仅依靠蓄能罐3中的冷水维持用户4的供冷需求。
本发明适用于提升风电或者太阳能发电的年利用小时数，解决目前比较普遍的“弃能”问题，同时满足用户的供热和供冷需求，相比电锅炉供热等方式能源消耗水平显著降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统，其特征在于系统包括风电或太阳能发电机组1、空气源热泵2、蓄能罐3和用户4，其中空气源热泵2包括电机5、压缩机6、蒸发器(冷凝器)7、冷凝器（蒸发器）8和节流装置9组成，风电或者太阳能发电机组1与空气源热泵2相连接，蓄能罐3进出口通过阀门13、阀门14、阀门15、阀门16和循环泵11与管网相连接，其中空气源热泵2的冷凝器（蒸发器）8的水侧进出口与管网连接。
2.如权利要求1所述的一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统，用户4需要的热负荷或者冷负荷由空气源热泵2和蓄能罐3所储存的能量共同承担。
3.如权利要求1所述的一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统，当用户4需要供热时，阀门16和阀门15关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制热模式运行，蒸发器7从空气中提取热量，冷凝器8将热网回水进行加热，当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量超过用户4需要的供热量时，阀门13和阀门14打开，增压泵11打开，蓄能罐3底部的冷水通过增压泵11和阀门13后与管网回水混合后共同进入空气源热泵2的冷凝器8，混合水被加热后部分热水通过阀门14从蓄能罐3顶部进入后在罐内储存，蓄能罐3处于蓄热状态；当空气源热泵2的冷凝器8加热热网回水的热量不能满足用户4需要的供热量时，阀门16和阀门15仍然保持关闭，此时增压泵11关闭，阀门13和阀门14保持开启，从用户4的回水分两路同时经过冷凝器8和蓄能罐3，部分回水从蓄能罐3底部进入，其它回水进入空气源热泵2的冷凝器8被加热，此时蓄能罐3中储存的热水从罐体顶部流出，与经过冷凝器8被加热的热水混合后共同供给用户4，蓄能罐3处于放热状态。
4.如权利要求1所述的一种解决可再生能源发电弃能问题的冷热联供系统，当用户4需要供冷时，阀门13和阀门14关闭，循环泵10开启，空气源热泵2以制冷模式运行，蒸发器8从回水中提取热量，冷凝器8将热量释放到空气中，当空气源热泵2的蒸发器8制取的回水的冷量超过用户4需要的供冷量时，阀门15和阀门16打开，增压泵11关闭，通过蒸发器8制取的冷水部分通过阀门16进入蓄能罐3的底部，同时蓄能罐3中的热水从顶部流出通过阀门15与用户回水混合，蓄能罐3处于蓄冷模式；当空气源热泵2的蒸发器8所制取的冷量不能满足用户4的需求时，阀门13和阀门14仍然保持关闭，阀门15和阀门16开启，增压泵11开启，用户4的回水分两路，部分回水进入蒸发器8，其它回水通过阀门15进入蓄能罐3的顶部，进入蒸发器8的回水被降温后与蓄能罐3底部流出的冷水混合后共同输送给用户，蓄能罐3处于放冷模式。
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