CN111197787A - 一种蓄能式热泵耦合系统及其供热调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了储能式热泵耦合系统，包括风冷冷热水机组、水源热泵及蓄热/冷设备，制热时：水源热泵输入端连接风冷冷热水机组输出，蓄热设备输入端与水源热泵的输出连接，水源热泵的另一输出与蓄热设备输出连接后接入用户负载系统；制冷时：风冷冷热水机组、水源热泵及蓄热/冷设备均分别连接用户负载系统，水源热泵另一输出连接蓄热/冷设备输入。本技术通过不同设备的耦合方式，蓄能利用低谷电价政策，保证全天持续负载供给，充分消纳夜间电量，实现“削峰填谷，低谷储热”，在一定区域内保证发电及输配电均衡，增加发电和输配电企业效益，既解决了清洁能源供热难题，又在特殊室外环境下，调整设备运行策略，保持系统能效最优，降低运行成本。
Description
技术领域
本申请的技术主要涉及工业、生活中的热力供给与调节技术领域，特别是针对不同地理、气候环境调节下运用不同的热力设备之间的热能耦合实现工作、生活建筑环境内部的温度调节，即一种蓄能式热泵耦合系统及其供热调节方法。
背景技术
在工业和生活中，热力系统是保证生产及生活环境的必要条件之一，其通过不同形式的热源热泵将热量输送至生产、生活的建筑环境中，在建筑规划设计中，热力系统的设计已经成为重要的一项内容。热力系统的热力有不同的来源方式：空气源热泵系统、水源热泵系统、土壤源热泵系统等，这些不同热力系统在实际工程应用过程中均有一定的局限性和适用性：空气源热力装置在室外空气温度低于-20℃时，效率衰减严重，供热温度低，基本失去了供热功能；水源热力系统应用的局限性在于需要较大体量的地下水或地表水，对环境造成一定的影响；土壤源热泵则需要较大的土地面积，且冬夏冷热不平衡，土壤冷堆积严重。
中国地域面积辽阔，南、北方气候差异显著，在热力供给上也存在多样化。通常的热力供给包括天然气形式的热力方式和电力热力供给方式。天然气与电力已经成为城市能源互补的优先选择策略。目前，城镇中的天然气主要用于炊事及采暖，炊事天然气的利用在全年每月用量基本均衡，但采暖用天然气却只有在冬季才大量消耗，为保障冬季采暖天然气使用需求，需要建设满足冬季采暖及炊事负荷的天然气储存站及输配管网等设施，投资巨大，但这些设施在非采暖季却处于较低负荷状态下运行，天然气储存及输配能力得不到有效发挥，存在投资浪费的情况。而城市的电力负荷高峰因普遍使用空调而往往发生在夏季，为满足夏季电力高峰负荷，同样需要投入大量资金建设发电厂、输配电网及变电设施，在非空调季同样未发挥出发电和输配电的能力，固定资产投资未高效利用。天然气与电力的能源互补利用形式，可有效解决以上两方面的问题：夏季适当发展燃气吸收式制冷，可充分发挥燃气储存及输配管网的能力，同时降低夏季空调负荷带来的发电及输配电网压力，减少电力设施投资；冬季发展电采暖，则可有效减少燃气储存、输配管网投资，同时客观上消纳了城市发电及输配电网的冗余容量，从而为城市能源供应及消费提供高效健康的发展方向。
天然气采暖的优点在于：(1)建造灵活，燃气锅炉集中管理，便于修理；(2)在节假日或无人的夜间可下降采暖温度或中止采暖，节省燃气和运转费用。但天然气属于不可再生资源，其主要缺点在于：(1)天然气采暖的热源设备(燃气锅炉)的排烟热损失大；(2)天然气冬季供应容易出现短缺。中国目前的地下储气库严重缺乏，地下储气地库气量为61亿立方米，仅占天然气消费总量的3％左右，远低于美国及俄罗斯17％的比例，目前国内的天然气短缺量为8000万立方米/日，缺口约10％。(3)利用天然气实现调峰能力严重不足；一个地区一旦大规模使用天然气采暖，则采暖季和非采暖季的用气量差异会非常大。以北京市为例，在非采暖季，北京市的天然气主要用于燃气调峰发电、工业燃气锅炉、居民的燃气热水小锅炉，厨房里的燃气炉灶等；到了冬季，因为供暖的需求，燃气的用气量增加，区域燃气锅炉供暖，家用燃气供暖小锅炉供暖，都是在采暖季才有的用气需求。以北京为例，北京的采暖季是大约4个月，占全年时间的1/3，但是用气量却超过全年的一半。此外，采暖用气量是与室外的气温呈正比，用气量波动非常剧烈，以北方某城市为例，1月份日平均最低温度与日平均最高温度的当天采暖用气量可相差2.5倍。城市燃气小时调峰问题一般均采用储气设施来储存一定量的燃气来解决，天然气储气设施及管网布局不到位，使得气源应急调度的成效大打折扣，在采暖季峰值期间调峰能力不足。
电力采暖的优点:(1)电能传输方便，损耗小。(2)电能转换成其他形式的能最方便。电能转换成其他形式的能不但设备简单，而且效率较高。(3)电力设施的发电和输配电能力较大。目前的经济发展由过去依靠“高投入、高能耗、高污染、低效率”的粗放式增长向“低碳、环保、高效”的集约式增长转变。当前及未来的低碳、环保、高效的产业模式下，电力负荷会减小，已建成的电厂、输配电网及变电设施的发电和输配电的容量较大，不会出现天然气供热的的问题。(4)电采暖的经济性较好。(a)随着清洁能源概念的普及，越来越多的企业和资金进入光伏及风力发电行业，我国目前已成为全世界光伏、风力发电装机容量增速最大的国家，在可预见的未来，势必降低电力发电综合成本，从而降低消费终端的电价，为电力采暖的经济性提供可预期的行业性保障。(b)随着各种蓄热技术的日趋成熟，利用夜间低谷电已成为电采暖系统必要的手段，夜间低谷时段电价仅为白天平段电价的1/2—1/3，且在全国范围内推行峰谷电价制度，为电力采暖的经济性提供了强有力的制度性保障。(c)随着热泵技术的日益进步，其效率在不断地提高，且热泵采暖的适用性得到较大的提升，地下水、地表水、污水、空气、土壤均可成为热泵取热的热源。技术的进步使得电力采暖的效率得到提高，目前，在夏热冬冷地区，热泵供热的效率可达到3—5，即1个单位的电能可以制出3—5个单位的热能，这为电力采暖的经济性提供了坚实的技术性保障。(d)随着国家输配电网络的不断完善，现在已近基本实现有人口居住生活及工作的地方就有电力供应，电力已成为目前社会较为便利的能源利用手段，这为电力采暖的经济性提供了较为可靠的普遍性保障。(e)因昼夜用电负荷极大地不均衡，白天用电量大，夜间用电量小，使得发电及电网输配电存在较大不平衡。
在热力供应过程中如何平衡因昼夜用电负荷不均衡性，提高热力供应的有效性，实现能源的平衡供给，解决清洁能源供热难题，是热力系统技术发展的技术前沿。
发明内容
本发明申请就是针对城市生产、生活中的供热平衡性缺陷，借助不同热力设备的耦合方式，采用蓄热存储技术设计实现一种蓄能式热泵耦合系统，同时利用该系统的储热装置实现供热用电的峰、谷平衡，提高热力系统的运行效率，降低运行成本。
为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案为：一种储能式热泵耦合系统，该系统包括风冷冷热水机组、水源热泵机组及蓄热/冷设备，该系统作为制热系统使用时：水源热泵机组的输入端连接风冷冷热水机组的输出，蓄热/冷设备的输入端与水源热泵机组的一个输出连接，水源热泵机组的另一输出与蓄热/冷设备的输出连接后接入用户负载系统；该系统作为制冷系统使用时：风冷冷热水机组、水源热泵机组及蓄热/冷设备均分别连接用户负载系统，同时水源热泵机组的另一输出连接蓄热/冷设备的输入。该蓄能式热泵耦合系统中，将空气源热泵和水源热泵的优势通过蓄热技术有效耦合，系统由低温级空气源热泵，即风冷冷热水机组和高温级高温水源热泵机组，即水源热泵机组组成，夜间谷电时段可以产生≥60℃的高温水储存在蓄能装置中。解决了单纯空气源热泵、水源热泵的使用限制和性能弱点。系统最大限度利用空气能、“峰谷”电价差以及其他可再生能源，实现多能互补、综合利用，构建适合有取暖和制冷需求地区的可靠供热/供冷系统。
本申请的储能式热泵耦合系统中，风冷冷热水机组、水源热泵机组均通过外部电力设备提供动力。
为更高效提高使用效率，用户负载系统是多个并联的系统分别与蓄热/冷设备和水源热泵机组的混合管路连接。
本申请利用该储能式热泵耦合系统实现供热调节，该调节步骤为：
(1)用电低峰时段，以电为能源驱动风冷冷热水机组基于热泵工作原理将传热介质(一般为水)从当地地表水温度提升至适于水源热泵工作点的设定温度，作为水源热泵机组的源侧能量供给，水源热泵机组通过对传热介质的二级温度提升，将输出的高温采暖热水一部分直接供给用户负载，另一部分传输至蓄热设备实现热量存储；
(2)用电高峰时段，优先利用蓄能装置作为主热源给用户负载供给热量，当冬季热负荷需求高峰时段：若外界环境为低温且高湿度时，则利用风冷冷热水机组工作为水源热泵机组提供输入，再将水源热泵机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；若外界环境为低湿度状态，则水源热泵机组停止工作，风冷冷热水机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；这里所述的高、低湿度标准为在温度0℃附近、湿度值为70％，在这个工况点下空气绝对含湿量的值作为高湿。
上述热量调节过程中，由于不同地区(南、北)环境气候的差异，在南方潮湿环境下，温度降低后容易结霜，特别是在水源热泵机组的表面凝结形成霜层，从而影响机组的正常运行，因此使用风冷热水机组一级热源供给，为水源热泵提供一定温度热量的介质，水源热泵机组在此基础上工作，可以避免机组表面结霜情况的发生。由于储能设备在存储高温热量方面的优越性，用户负载的使用中首选储能设备的输出作为能源来源，风冷冷热水机组或水源热泵机作为辅助热量补充。
本申请的储能式热泵耦合系统实现制冷调节时，步骤(1)在夜间谷电阶段直接通过水源热泵机组(3)为蓄热/冷设备储存低温介质；步骤(2)在制冷情况下首先利用水源热泵机组作为基础供给用户负载，在白天用电高峰期间且冷负荷需求高峰时段用蓄冷装置作为削峰装置，在冷负荷需求尖峰时段，同时开启风冷冷热水机组作为冷源补充供给用户负载。
本申请技术方案的储热式供热/冷方式，通过每天夜间低谷电价时段通电加热8-10小时(根据不同地区的峰谷电时段划分有所不同)，将廉价的电能转换成热能，并存储起来；在第二天白天14-16小时用电高峰时段断电，释放储存的热量向供热系统供热，不仅利用低谷电价政策，又可以24小时持续向供热系统放热，充分消纳夜间多余电量，实现了“削峰填谷，低谷储热，电费减半”，保证了一定区域内实现发电及输配电的均衡，增加发电企业和输配电企业的效应，同时解决了清洁能源供热的难题。
附图说明
图1本申请的储能式热泵耦合系统实现制热时的连接方式；
图2本申请的储能式热泵耦合系统实现制冷时的连接方式；
图中，1、风冷冷热水机组；2、电力设备；3、水源热泵机组；4、用户负载系统；5、阀门；6、蓄热/冷设备。
具体实施方式
以下结合具体制热或制冷的实施方案对本申请的技术方案进行解释说明。如图1所示为申请的储能式热泵耦合系统实现制热时的连接方式，该系统的构成和连接为水源热泵机组3的输入端连接风冷冷热水机组1的输出，蓄热设备6的输入端与水源热泵机组的一个输出连接，水源热泵机组的另一输出与蓄热设备的输出连接后接入用户负载系统4，整个系统的工作电能由外部电力设备2提供；实现的调峰控制过程如下：(1)用电低峰时段，以电为能源驱动风冷冷热水机组基于热泵工作原理将传热介质(一般为水)从当地地表水温度提升至适于水源热泵工作点的设定温度，作为水源热泵机组的源侧能量供给，水源热泵机组通过对传热介质的二级温度提升，将输出的高温采暖热水一部分直接供给用户负载，另一部分传输至蓄热设备实现热量存储；(2)用电高峰时段，优先利用蓄能装置作为主热源给用户负载供给热量，当冬季热负荷需求高峰时段：若外界环境为低温且高湿度时，则利用风冷冷热水机组工作为水源热泵机组提供输入，再将水源热泵机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；若外界环境为低湿度状态，则水源热泵机组停止工作，风冷冷热水机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；这里所述的高、低湿度标准为在温度0℃附近、湿度值为70％，在这个工况点下空气绝对含湿量的值作为高湿。
本申请的储能式热泵耦合系统还可以作为制冷系统使用时，此时，风冷冷热水机组1、水源热泵机组3及蓄冷设备6均分别连接用户负载系统，同时水源热泵机组的另一输出连接蓄冷设备的输入。使用时，步骤(1)在夜间谷电阶段直接通过水源热泵机组3为蓄冷设备储存低温介质；步骤(2)在制冷情况下首先利用水源热泵机组作为基础供给用户负载，在白天用电高峰期间且冷负荷需求高峰时段用蓄冷装置作为削峰装置，在冷负荷需求尖峰时段，同时开启风冷冷热水机组作为冷源补充供给用户负载。
本申请的设计方案，其产出形式为冷量和热量，具有可靠性高的特点。在制热工况下：通过低温级互联热泵室外机和相变蓄能技术耦合，为高温级水源热泵系统提供有效热源，实现全采暖季稳定高温采暖热水供热(在采暖负荷需求高峰时段可实现60℃的高温供水，满足不同节能建筑不同末端形式的供热需求)。打破水地源热泵的使用限制，缓解了空气源热泵低环温运行能效比低、压缩比高、结霜严重、故障率高的难题；在制冷工况下：根据空调末端冷负荷需求，优先由水源热泵联合冷却塔高效供冷，负荷较高时由低温级互联热泵室外机进行补充调节。避免了空气源热泵高温环境制冷能力衰减、能效比低的问题，大大降低了制冷运行费用。
本发明中的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种储能式热泵耦合系统，包括风冷冷热水机组(1)、水源热泵机组(3)及蓄热/冷设备(6)，其特征在于，该系统作为制热系统使用时：水源热泵机组的输入端连接风冷冷热水机组的输出，蓄热设备的输入端与水源热泵机组的一个输出连接，水源热泵机组的另一输出与蓄热设备的输出连接后接入用户负载系统(4)；该系统作为制冷系统使用时：风冷冷热水机组、水源热泵机组及蓄热/冷设备均分别连接用户负载系统，同时水源热泵机组的另一输出连接蓄热/冷设备的输入。
2.根据权利要求1所述的储能式热泵耦合系统，其特征在于，蓄热设备的输出端连接阀门(5)实现输出控制。
3.根据权利要求1所述的储能式热泵耦合系统，其特征在于，风冷冷热水机组、水源热泵机组均通过外部电力设备(2)提供动力。
4.根据权利要求1所述的储能式热泵耦合系统，其特征在于，用户负载系统是多个并联的系统分别与蓄热/冷设备和水源热泵机组的混合管路连接。
5.一种利用权利要求1所述的储能式热泵耦合系统实现供热调节的方法，其特征在于，该方法包括步骤为：
(1)用电低峰时段，以电为能源驱动风冷冷热水机组基于热泵工作原理将传热介质(一般为水)从当地地表水温度提升至适于水源热泵工作点的设定温度，作为水源热泵机组的源侧能量供给，水源热泵机组通过对传热介质的二级温度提升，将输出的高温采暖热水一部分直接供给用户负载，另一部分传输至蓄热设备实现热量存储；
(2)用电高峰时段，优先利用蓄能装置作为主热源给用户负载供给热量，当冬季热负荷需求高峰时段：若外界环境为低温且高湿度时，则利用风冷冷热水机组工作为水源热泵机组提供输入，再将水源热泵机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；若外界环境为低湿度状态，则水源热泵机组停止工作，风冷冷热水机组的输出作为该时段的削峰热量同蓄能装置一同输出供给用户负载；这里所述的高、低湿度标准为在温度0℃附近、湿度值为70％，在这个工况点下空气绝对含湿量的值作为高湿。
6.根据权利要求1所述的利用储能式热泵耦合系统实现供冷调节的方法，其特征在于，所述方法进行制冷过程的调节时，步骤(1)在夜间谷电阶段直接通过水源热泵机组(3)为蓄热/冷设备储存低温介质；步骤(2)在制冷情况下首先利用水源热泵机组作为基础供给用户负载，在白天用电高峰期间且冷负荷需求高峰时段用蓄冷装置作为削峰装置，在冷负荷需求尖峰时段，同时开启风冷冷热水机组作为冷源补充供给用户负载。
7.根据权利要求5或6所述的利用储能式热泵耦合系统实现供热调节的方法，其特征在于，上述方法中通过基于负载冷热量需求及用电峰、谷时段的反馈控制蓄热/冷设备是否予以热/冷量储存及补给。
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