CN109944773A - 一种小区复合供能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小区复合供能系统及方法，节能环保，降低用电成本，减少热排放和碳排放，降低城市热岛效应。所述系统包括二氧化碳循环回路；所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储罐、第一换热器、压缩机组、超临界二氧化碳储罐和膨胀机组；所述液态二氧化碳储罐的出口经第一换热器蒸发侧依次连接压缩机组和超临界二氧化碳储罐入口；所述超临界二氧化碳储罐的出口经依次连接的膨胀机组和第一换热器冷凝侧连接的液态二氧化碳储罐入口；所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能。

Description

一种小区复合供能系统及方法
技术领域
本发明涉及供能系统，具体为一种小区复合供能系统及方法。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高，人们对室内舒适度的要求也越来越高，建筑能耗也随之大幅上涨，但我国的建筑供能系统还存在较大问题。首先传统供能系统完全依赖电网，没有独立发电能力，小区供能系统缺乏自主性、机动性，遇到电网故障，小区的供能系统停运将会严重影响住户生活；同时小区的用电价格完全由电网决定，用电高峰期的高电价导致了昂贵的用电成本。其次，传统供能系统产生的大量热排放及碳排放大幅加重了城市热岛效应。为有效解决上述问题，亟需一种绿色、节能、环保的小区供能系统。
现有的较为智能的小区供能系统，虽利用太阳能等可再生能源进行供能，但可再生能源固有的间歇性和不稳定性等特点，使其难以被充分利用，系统效率低下，且仍未解决供能系统对电网依赖性强的缺点，供能缺乏保障，用电成本高昂。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种小区复合供能系统及方法，节能环保，降低用电成本，减少热排放和碳排放，降低城市热岛效应。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种小区复合供能系统，包括二氧化碳循环回路；
所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储罐、第一换热器、压缩机组、超临界二氧化碳储罐和膨胀机组；
所述液态二氧化碳储罐的出口经第一换热器蒸发侧依次连接压缩机组和超临界二氧化碳储罐入口；
所述超临界二氧化碳储罐的出口经依次连接的膨胀机组和第一换热器冷凝侧连接的液态二氧化碳储罐入口；
所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；
所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能。
优选的，压缩机组采用多级压缩方式进行低谷电储能，膨胀机组采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电。
优选的，还包括热源与冷源循环回路；所述的热源与冷源循环回路包括热源储罐、换热器组和冷源储罐；所述的换热器组包括压缩侧换热器和膨胀侧换热器；
压缩侧换热器设置在对应压缩机的工质出口，初级压缩机的工质入口连接第一换热器蒸发侧出口，压缩机级间的压缩侧换热器蒸发侧连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口，末级压缩侧换热器的蒸发侧出口连接至超临界二氧化碳储罐入口进行能量存储；每一压缩侧换热器的冷凝侧出口均与热源储罐进口相连接，冷凝侧入口均与冷源储罐出口相连接；
膨胀侧换热器设置在对应膨胀机的工质入口，超临界二氧化碳储罐出口连接初级膨胀侧换热器的蒸发侧入口，膨胀机级间的膨胀侧换热器蒸发侧连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，末级膨胀机的工质出口连接第一换热器的冷凝侧工质入口；每一膨胀侧换热器的冷凝侧入口均与热源储罐出口相连接，冷凝侧出口均与冷源储罐进口相连接。
进一步，热源储罐温度保持在135～150摄氏度，冷源储罐温度保持在-5～5摄氏度，热源储罐和冷源储罐外部均设绝热材料。
进一步，还包括太阳能集热装置和与用户相连的地源热泵系统；热源储罐还由太阳能集热器连接热源储罐对其进行供热，保持介质温度；地源热泵系统用于为用户提供热量与冷量。
再进一步，超临界二氧化碳储罐与地源热泵系统均设于地下40～100m处。
优选的，液态二氧化碳储罐与第一换热器之间设置一节流阀；超临界二氧化碳储罐与膨胀机组之间设置另一节流阀；膨胀机组和第一换热器之间设置有冷却器。
一种小区复合供能方法，基于上述任意一项所述的系统，包括，
低谷储能；在第一换热器中气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，经过压缩后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐中；
释能供电；超临界二氧化碳储罐释放工质，工质在膨胀机内膨胀做功，带动发电机为用户供电；经过膨胀后的二氧化碳处于气体状态，经第一换热器液化后储存于液态二氧化碳储罐中。
优选的，低谷储能时；气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由压缩侧换热器吸收压缩热，同时压缩侧换热器还连接冷源储罐出口和热源储罐，利用压缩热加热来自冷源储罐的介质并输送至热源储罐中，气化的二氧化碳经过多级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐中；
释能供电时；超临界二氧化碳储罐释放工质，在膨胀机内膨胀做功，级间由膨胀侧换热器储存膨胀冷量，同时膨胀侧换热器还连接冷源储罐出口和热源储罐，利用热源储罐中的高温介质对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐进行储存。
进一步，热源储罐还由太阳能集热器对其进行供热，保持介质温度；用户产生的余热排向地下由地源热泵系统回收。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用跨临界二氧化碳储能技术，可有效解决空气低温液态储存的困难，相比于空气，二氧化碳的临界点温度较高，低压液态下装置安全性好，在常温下也能实现液态储存，可以大大减小液化难度；同时跨临界二氧化碳储能技术相比于压缩空气储能，不需要大型储气洞穴，不受地理条件限制。
进一步的，本发明采用多级压缩方式，压缩过程中的电力由低谷电进行供给，解决了用电成本高昂的问题；本发明采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电，利用低谷电储能，需要用电时发电，可赚取峰谷电差价，不但可以解决小区完全依赖电网的缺陷，峰谷电之间的差价也极为可观。
进一步的，本发明构建了热源与冷源循环回路，压缩机级间设有压缩侧换热器，对压缩热进行回收，减小热能的耗散。压缩侧换热器储存的热量集中于热源，用来加热进入膨胀机的工质；膨胀机机组中均设有膨胀侧换热器，有效储存膨胀过程中产生的冷量，膨胀侧换热器储存的冷量集中于冷源，用于压缩机级间冷却，提升系统储能与释能效率；。
进一步的，本发明结合了太阳能集热技术，收集的热量供给热源，有效利用了太阳能这一清洁可再生能源。
进一步的，本发明利用地源热泵系统，提供冷量与热量供用户使用，实现“冬冷夏用，夏热冬用”，构建舒适的人居环境；本发明地源热泵系统与超临界二氧化碳储罐位于地下。
附图说明
图1为本发明一种先进复合供能系统的结构示意图。
图中：1、液态二氧化碳储罐；2、第一节流阀；3、第二节流阀；4、第一压缩机；5、第二压缩机；6、第三压缩机；7、第一膨胀机；8、第二膨胀机；9、第三膨胀机；10、第一换热器；11、第二换热器；12、第三换热器；13、第四换热器；14、第五换热器；15、第六换热器；16、第七换热器；17、太阳能集热器；18、热源储罐；19、冷源储罐；20、超临界二氧化碳储罐；21、冷却器；22、地源热泵系统。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种小区复合供能系统，适用于小区的跨临界二氧化碳储能、太阳能以及地源热泵的耦合供能。其包括液态二氧化碳储罐1、超临界二氧化碳储罐20、第一换热器10、压缩机组、膨胀机组、换热器组、太阳能集热装置17、热源储罐18、冷源储罐19以及地源热泵系统22；与膨胀机组相连的发电机与用户相连，提供用户电力；地源热泵系统22与用户相连，提供热量与冷量。
其中，液态二氧化碳储罐1通过管道与第一换热器10，进而与初级压缩机入口相连，液态二氧化碳储罐1与第一换热器10相连之前，先设置一节流阀。压缩机为多级且通过联轴器连接电动机，电动机使用低谷电进行驱动。压缩机的工质出口端均设有压缩侧换热器，级间的压缩侧换热器连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口。同时压缩侧换热器通过管道均连接在冷源和热源之间。末级压缩机通过管道经对应的压缩侧换热器连接至超临界二氧化碳储罐20进行能量存储。超临界二氧化碳储罐20通过管道和初级膨胀侧换热器连接至初级膨胀机，超临界二氧化碳储罐20与初级膨胀侧换热器之间设置一节流阀。
膨胀机组同样为多级且通过联轴器在释能阶段驱动发电机发电。膨胀机的工质入口端均设有膨胀侧换热器，级间的膨胀侧换热器连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，膨胀侧换热器通过管道均连接在热源与冷源之间，末级膨胀机通过管道和冷却器21连接至第一换热器10，工质在经过末级膨胀机之后对其进行冷却处理，进而与二氧化碳储罐1相连，形成一循环回路；压缩机组、膨胀机组对应的换热器组中的换热器两端均与热源储罐18、冷源储罐19相连接，形成另一循环回路；太阳能集热装置17与热源储罐18相连接；地源热泵系统22与用户相连。
通过上述连接，压缩机组与膨胀机组之间形成循环回路，工质为二氧化碳。同时，每一压缩侧换热器均与热源储罐18进口相连接，与冷源储罐19出口相连接；每一膨胀侧换热器与热源储罐18出口相连接，与冷源储罐19进口相连接。也就是，压缩机组中压缩侧换热器出口通过管道连接至热源，进而连接至膨胀机组中的膨胀侧换热器进口；膨胀机组中的膨胀侧换热器出口通过管道连接至冷源，进而连接至压缩机组中的压缩侧换热器进口。热源、换热器组、冷源之间形成一循环回路，循环回路采用水或导热油为介质。其中，热源储罐18温度保持在135～150摄氏度为宜，冷源储罐19温度保持在-5～5摄氏度为宜，热源储罐18和冷源储罐19外部均设绝热材料以保证其温度。
膨胀机组连接的发电机发电供给小区用户使用。同时，地源热泵系统22为用户提供冷量与热量，用户产生余热排向地下由地源热泵系统22回收。地源热泵系统22与超临界二氧化碳储罐20均设于地下，埋管深度视不同地区土壤构成而定，40～100m为宜。
具体的，如图1所示，本发明包括液态二氧化碳储罐1、超临界二氧化碳储罐20、第一换热器10、压缩机组、膨胀机组、换热器组、太阳能集热装置17、热源储罐18、冷源储罐19以及地源热泵系统22。
为提高工质压力，减少压缩机组耗功，压缩部分采用多级压缩蓄热式级间冷却方式，本发明压缩机组以3级为例；为增加工质做功能力，提高系统效率，膨胀部分采用多级膨胀级间再热方式，本发明膨胀机组以3级为例。
其中，压缩机组包括第一级4、第二级压缩机5以及第三级压缩机6；膨胀机组包括第一级膨胀机7、第二级膨胀机8以及第三级膨胀机9；换热器组包括作为压缩侧换热器的第二换热器11、第三换热器12、第四换热器13和作为膨胀侧换热器的第五换热器14、第六换热器15以及第七换热器16。
液态二氧化碳储罐1通过第一节流阀2连接至第一换热器10，经第一节流阀2降压，在第一换热器10内吸热气化，同时将冷量储存在第一换热器10中。第一换热器10通过管道连接至第一级压缩机4进口，第二换热器11连接第一级压缩机4出口与第二级压缩机5进口，第三换热器12连接第二级压缩机5出口与第三级压缩机6进口。压缩机组由联轴器连接，第一级压缩机4与电动机相连，电动机由低谷电驱动供能。
本发明所述的小区复合供能方法；气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由第二、三和四换热器11、12、13吸收压缩热，同时第二、三和四换热器11、12、13还连接冷源储罐19出口和热源储罐17，利用压缩热加热来自冷源储罐19的介质并输送至热源储罐18中。气化的二氧化碳经过三级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐20中。
当需要供电时，超临界二氧化碳储罐20释放工质并经过第二节流阀3降压至释能压力，通过管道与第五换热器14相连接。第五换热器14同时连接第一级膨胀机7入口，第六换热器15连接第一级膨胀机7出口及第二级膨胀机8进口，第七换热器16连接第二级膨胀机出口及第三级膨胀机9进口。膨胀机组通过联轴器与发电机相连，释能阶段通过发电机为用户供电。其中，第五、六和七换热器14、15、16同时连接热源储罐18出口和冷源储罐19进口。热源储罐18中的高温介质通过第五、六和七换热器14、15、16对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐19进行储存。同时，热源储罐18还由太阳能集热器17对其进行供热，保持介质温度。通过上述方式，热源储罐18、换热器组以及冷源储罐19构成一循环回路，循环回路采用水或导热油为介质，对二氧化碳工质进行级间加热和冷却处理。
末级膨胀机9通过管路与第一换热器10相连，通过冷却器21先冷却至常温，再通过第一换热器10冷却至液态于二氧化碳储罐1中储存。通过上述方式，压缩机组、膨胀机组、第一换热器10以及储罐间构成另一循环回路，工质为二氧化碳；膨胀机发电释能阶段多数在用电高峰时，以赚取峰谷电差价。
超临界二氧化碳储罐20与地源热泵系统22均设于地下，埋管深度视不同地区土壤构成而定，40～100m为宜。

Claims (10)

1.一种小区复合供能系统，其特征在于，包括二氧化碳循环回路；
所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储罐(1)、第一换热器(10)、压缩机组、超临界二氧化碳储罐(20)和膨胀机组；
所述液态二氧化碳储罐(1)的出口经第一换热器(10)蒸发侧依次连接压缩机组和超临界二氧化碳储罐(20)入口；
所述超临界二氧化碳储罐(20)的出口经依次连接的膨胀机组和第一换热器(10)冷凝侧连接的液态二氧化碳储罐(1)入口；
所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；
所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能。
2.根据权利要求1所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，压缩机组采用多级压缩方式进行低谷电储能，膨胀机组采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电。
3.根据权利要求1所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，还包括热源与冷源循环回路；所述的热源与冷源循环回路包括热源储罐(18)、换热器组和冷源储罐(19)；所述的换热器组包括压缩侧换热器和膨胀侧换热器；
压缩侧换热器设置在对应压缩机的工质出口，初级压缩机的工质入口连接第一换热器(10)蒸发侧出口，压缩机级间的压缩侧换热器蒸发侧连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口，末级压缩侧换热器的蒸发侧出口连接至超临界二氧化碳储罐(20)入口进行能量存储；每一压缩侧换热器的冷凝侧出口均与热源储罐(18)进口相连接，冷凝侧入口均与冷源储罐(19)出口相连接；
膨胀侧换热器设置在对应膨胀机的工质入口，超临界二氧化碳储罐(20)出口连接初级膨胀侧换热器的蒸发侧入口，膨胀机级间的膨胀侧换热器蒸发侧连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，末级膨胀机的工质出口连接第一换热器(10)的冷凝侧工质入口；每一膨胀侧换热器的冷凝侧入口均与热源储罐(18)出口相连接，冷凝侧出口均与冷源储罐(19)进口相连接。
4.根据权利要求3所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，热源储罐(18)温度保持在135～150摄氏度，冷源储罐(19)温度保持在-5～5摄氏度，热源储罐(18)和冷源储罐(19)外部均设绝热材料。
5.根据权利要求3所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，还包括太阳能集热装置(17)和与用户相连的地源热泵系统(22)；热源储罐(18)还由太阳能集热器(17)连接热源储罐(18)对其进行供热，保持介质温度；地源热泵系统(22)用于为用户提供热量与冷量。
6.根据权利要求5所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，超临界二氧化碳储罐(20)与地源热泵系统(22)均设于地下40～100m处。
7.根据权利要求1所述的一种小区复合供能系统，其特征在于，液态二氧化碳储罐(1)与第一换热器(10)之间设置一节流阀；超临界二氧化碳储罐(20)与膨胀机组之间设置另一节流阀；膨胀机组和第一换热器(10)之间设置有冷却器(21)。
8.一种小区复合供能方法，其特征在于，基于权利要求1-7任意一项所述的系统，包括，
低谷储能；在第一换热器(10)中气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，经过压缩后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐(20)中；
释能供电；超临界二氧化碳储罐(20)释放工质，工质在膨胀机内膨胀做功，带动发电机为用户供电；经过膨胀后的二氧化碳处于气体状态，经第一换热器(10)液化后储存于液态二氧化碳储罐(1)中。
9.根据权利要求8所述的一种小区复合供能方法，其特征在于，
低谷储能时；气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由压缩侧换热器吸收压缩热，同时压缩侧换热器还连接冷源储罐(19)出口和热源储罐(18)，利用压缩热加热来自冷源储罐(19)的介质并输送至热源储罐(18)中，气化的二氧化碳经过多级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐(20)中；
释能供电时；超临界二氧化碳储罐(20)释放工质，在膨胀机内膨胀做功，级间由膨胀侧换热器储存膨胀冷量，同时膨胀侧换热器还连接冷源储罐(19)出口和热源储罐(17)，利用热源储罐(18)中的高温介质对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐(19)进行储存。
10.根据权利要求9所述的一种小区复合供能方法，其特征在于，
热源储罐(18)还由太阳能集热器(17)对其进行供热，保持介质温度；
用户产生的余热排向地下由地源热泵系统(22)回收。
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