CN111829047B - 双水箱固体显热蓄热供热系统及需求响应调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双水箱固体显热蓄热供热系统及需求响应调控方法，包括供热一次侧闭合回路和二次侧管网；所述供热一次侧闭合回路包括通过一次侧管网依次连接的一次侧第一循环水泵、固体显热蓄热换热器、第一缓冲水箱、换热器、一次侧第二循环水泵以及第二缓冲水箱；所述一次侧管网与所述二次侧管网通过所述换热器相连，实现一二次侧换热。本发明通过加装水箱改善了蓄热器输出温度波动，并且利用一次侧的双水箱带来的双重流量调节能力，提出针对二次侧需求变化的响应调控策略，本发明可增强固体蓄热系统在工程应用中的稳定性和适应性。

Description

双水箱固体显热蓄热供热系统及需求响应调控方法

技术领域

本发明属于显热蓄热供热技术领域，具体来说，涉及一种双水箱固体显热蓄热供热系统及需求响应调控方法。

背景技术

在以新能源为主导的能源供应系统中，能源的需求和供应之间往往存在时间与空间上不连续、不匹配的矛盾。作为解决途径之一，蓄热技术已广泛应用于可再生能源系统和节能系统中，例如工业烟气余热利用、峰谷电调节供热、热水供应系统和建筑物采暖系统等。根据热能存储的形式，蓄热技术可以分为：潜热蓄热和显热蓄热。其中，显热蓄热是通过升高或降低蓄热材料的温度而实现热量的储存或释放的过程。

显热蓄热的具体形式包括固体显热蓄热和液体显热蓄热两种。液体显热蓄热换热器与传统换热器类似，通过高温与低温流体换热，可调节流量来控制换热功率。但固体显热蓄热材料的温度随工质换热过程的进行而降低，难以保证固体显热蓄热器的输出参数和换热功率恒定。新型固体显热蓄热换热器主要通过并联或串联换热管路的方法增大换热面积，减小单个管路内的流量，来获得在目标值附近波动的输出功率。输出波动的大小取决于管路的分段控制数，分段控制的增加虽能减小波动范围，却会威胁换热器控制部件的可靠性。同时，蓄热体的尺寸限制了管路排布和控制的复杂程度。仅从固体显热蓄热换热器的优化预设着手不足以实现稳定功率输出。

实际应用中，显热蓄热系统不仅要满足预设工况下运行的稳定性，在需求变化的工况也要具备相应的调节能力。分段控制法仅针对预设工况的输出波动，其有效实施的前提是显热换热器的总流量为预设值，调控准则为蓄热材料工作温度。当系统流量在蓄热材料放热的任一阶段发生变化，现有系统预设难以保证系统的稳定有效运行。如何在保证功率输出波动小、输出量满足需求的条件下实行有效调节，使得系统由预设工况切换至稳定运行的新工况是当前显热蓄热系统的关键问题。

发明内容

本发明克服了现有技术中存在的不足，提供一种双水箱固体显热蓄热供热系统及需求响应调控方法。

本申请的第一方面，提供一种双水箱固体显热蓄热供热系统，包括供热一次侧闭合回路和二次侧管网；所述供热一次侧闭合回路包括通过一次侧管网依次连接的一次侧第一循环水泵、固体显热蓄热换热器、第一缓冲水箱、换热器、一次侧第二循环水泵以及第二缓冲水箱；所述一次侧管网与所述二次侧管网通过所述换热器相连。

可选的，所述固体显热蓄热换热器内的换热管路采用若干段串联和/或并联的方式连接，以调节不同蓄热温区的换热面积。

本申请的另一方面，通过一种固体显热蓄热供热系统的需求响应调控方法，基于上述任一项所述的双水箱固体显热蓄热供热系统，包括以下步骤：

启动一次侧第一循环水泵和一次侧第二循环水泵到预设循环流量，固体显热蓄热换热器内管路按照最低蓄热温度开启管路阀门，对一次侧管网内的低温水进行加热，同时开启第一缓冲水箱和第二缓冲水箱内的加热器，加速启动预热；

当第二缓冲水箱内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankII 1}时，关闭一次侧第二循环水泵和第二缓冲水箱内的加热器，一次侧第一循环水泵仍旧按照预设流量工作，第一缓冲水箱的预热阶段继续进行，如果在该预热阶段完成前，第二缓冲水箱内的水位降至循环所需的最低水位，则关闭一次侧第一循环水泵，仅通过第一缓冲水箱内的加热器完成剩下的预热过程；

如果第一缓冲水箱内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankI 1}时，一次侧第一循环水泵、一次侧第二循环水泵和固体显热蓄热换热器根据蓄热体温度，自动调节到相应温区的预设循环流量和换热管路；

二次侧管路开启，冷水流入换热器的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，实现供热循环，在换热过程中，蓄热体的温度在不断下降，固体显热蓄热换热器出口的水温会出现逐渐下降的趋势，当下降到预设阈值时，固体显热蓄热换热器的管路开始调节，增加换热面积，提升出口温度。

可选的，所述实现供热循环的方法包括：

将固体显热蓄热换热器加热循环水的过程划分为n个时间段；

当温度变化到第i阶段时，该阶段第一缓冲水箱内的初始水温为T_tanki，入口流量为q_in(t)，出口流量为q_out(t)，第一缓冲水箱的初始储水量为M_(i-1)，Δt时刻后，第一缓冲水箱出口水温为：

式中，T_in为第i阶段流入第一缓冲水箱的平均温度，T_t'_anki为第i阶段经过Δt时刻流出第一缓冲水箱的温度。

可选的，所述实现供热循环的具体调控方法包括：

S101，定义固体显热蓄热换热器工作的最小流量q_min为系统压力下不产生蒸汽的临界流量，当二次侧流量减小，调整一次侧第一循环水泵的流量至最小值q_min，此时固体显热蓄热换热器的出口水温急剧升高，高温水进入第一缓冲水箱与水箱内的水混合，大幅度提升水箱的温度；同时，换热器一次侧的水以特定的质量流量q_I工作，该质量流量由以下公式确定：

q_I＝b*x*q_Idesign

式中，q_Idesign为一次侧的预设循环流量，x为二次侧变化后的流量q_II与二次侧预设流量q_IIdesign的比值，系数b主要通过换热器的热平衡计算来确定，第一缓冲水箱的升温近似看作线性上升，初始温度计为T_tanki，终温为新工况下固体显热蓄热换热器的平均输出温度T_SHSout，则换热器热平衡计算中涉及的一次侧入口温度为：

T_exchanger＝(T_tanki+T_SHSout)/2

S102，根据换热器两侧换热功率P_I与P_II平衡的原理，可求解出二次侧流量变化系数x对应的一次侧流量系数b；

S103，第二循环水泵的流量保持为q_I，第一缓冲水箱的温度升高，进而导致换热器入口温度升高，加之换热器中冷热流体温差变大，最终会导致系统输出功率近似线性上升，为保证该阶段输出功率的平均值接近系统的预设功率，第一步骤持续时间τ的确定基于下式：

式中，

表示经过

时间后P_I的值；

经过τ时间，第一缓冲水箱温度升高至一次侧流量调控系数y对应的固体显热蓄热换热器平均输出温度T_SHSout，该步骤完成；

S104，第一循环水泵与第二循环水泵的流量都调为y*q_Idesign，此时，第一缓冲水箱重新作为新工况下改善温度波动的设备工作，固体显热蓄热系统对二次侧需求变化的响应调控完成。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1)第一缓冲水箱主控一次侧换热器入口温度的波动，第二缓冲水箱配合进一步改善由系统循环传递的波动，从而提高了一次侧换热对二次侧的响应速率；

2)缓冲水箱提高了蓄热器出口温度的允许波动范围，从而降低了管路串并联排布的复杂程度，提高控制分流的可靠性；

3)本系统通过双缓冲水箱的预设，实现一次侧流量的双重调控，增加了一次侧流量调控的灵活性，从而将系统应对需求变化引起的输出偏差控制在有限范围内。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请第一方面提供的双水箱固体显热蓄热供热系统的结构示意图。

图中：1-一次侧第一循环水泵、2-固体显热蓄热换热器、3-第一缓冲水箱、4-换热器、5-一次侧管网、6-二次侧管网、7-一次侧第二循环水泵、8-第二缓冲水箱。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明装置及需求响应调控方法进行更全面的描述。但是，该装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的内容。相反地，提供这些实施例的目的是对本发明公开内容更加透彻全面。

以下实施例只是对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构与思路，因此仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本申请的第一方面，提供一种双水箱固体显热蓄热供热系统，包括供热一次侧闭合回路和二次侧管网6；所述供热一次侧闭合回路包括通过一次侧管网5依次连接的一次侧第一循环水泵1、固体显热蓄热换热器2、第一缓冲水箱3、换热器4、一次侧第二循环水泵7以及第二缓冲水箱8；所述一次侧管网5与所述二次侧管网6通过所述换热器4相连。

可选的，所述固体显热蓄热换热器2内的换热管路采用若干段串联和/或并联的方式连接，以调节不同蓄热温区的换热面积。

本申请的另一方面，通过一种固体显热蓄热供热系统的需求响应调控方法，基于上述任一项所述的双水箱固体显热蓄热供热系统，包括以下步骤：

启动一次侧第一循环水泵1和一次侧第二循环水泵7到预设循环流量，固体显热蓄热换热器2内管路按照最低蓄热温度开启管路阀门，对一次侧管网内的低温水进行加热，同时开启第一缓冲水箱3和第二缓冲水箱8内的加热器，加速启动预热；

当第二缓冲水箱内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankII 1}时，关闭一次侧第二循环水泵7和第二缓冲水箱8内的加热器，一次侧第一循环水泵1仍旧按照预设流量工作，第一缓冲水箱3的预热阶段继续进行，如果在该预热阶段完成前，第二缓冲水箱8内的水位降至循环所需的最低水位，则关闭一次侧第一循环水泵1，仅通过第一缓冲水箱3内的加热器完成剩下的预热过程；

如果第一缓冲水箱3内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankI 1}时，一次侧第一循环水泵1、一次侧第二循环水泵7和固体显热蓄热换热器2根据蓄热体温度，自动调节到相应温区的预设循环流量和换热管路；

二次侧管路开启，冷水流入换热器4的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，实现供热循环，在换热过程中，蓄热体的温度在不断下降，固体显热蓄热换热器2出口的水温会出现逐渐下降的趋势，当下降到预设阈值时，固体显热蓄热换热器2的管路开始调节，增加换热面积，提升出口温度。

可选的，所述实现供热循环的方法包括：

将固体显热蓄热换热器2加热循环水的过程划分为n个时间段；

当温度变化到第i阶段时，该阶段第一缓冲水箱内的初始水温为T_tanki，入口流量为q_in(t)，出口流量为q_out(t)，第一缓冲水箱的初始储水量为M_(i-1)，Δt时刻后，第一缓冲水箱出口水温为：

式中，T_in为第i阶段流入第一缓冲水箱的平均温度，T'_tanki为第i阶段经过Δt时刻流出第一缓冲水箱的温度。

可选的，所述实现供热循环的具体调控方法包括：

S101，定义固体显热蓄热换热器2工作的最小流量q_min为系统压力下不产生蒸汽的临界流量，当二次侧流量减小，调整一次侧第一循环水泵1的流量至最小值q_min，此时固体显热蓄热换热器2的出口水温急剧升高，高温水进入第一缓冲水箱3与水箱内的水混合，大幅度提升水箱的温度；同时，换热器4一次侧的水以特定的质量流量q_I工作，该质量流量由以下公式确定：

q_I＝b*x*q_Idesign

式中，q_Idesign为一次侧的预设循环流量，x为二次侧变化后的流量q_II与二次侧预设流量q_IIdesign的比值，系数b主要通过换热器的热平衡计算来确定，第一缓冲水箱3的升温近似看作线性上升，初始温度计为T_tanki，终温为新工况下固体显热蓄热换热器2的平均输出温度T_SHSout，则换热器4热平衡计算中涉及的一次侧入口温度为：

T_exchanger＝(T_tanki+T_SHSout)/2

S102，根据换热器4两侧换热功率P_I与P_II平衡的原理，可求解出二次侧流量变化系数x对应的一次侧流量系数b；

S103，第二循环水泵7的流量保持为q_I，第一缓冲水箱3的温度升高，进而导致换热器4入口温度升高，加之换热器4中冷热流体温差变大，最终会导致系统输出功率近似线性上升，为保证该阶段输出功率的平均值接近系统的预设功率，第一步骤持续时间τ的确定基于下式：

式中，

表示经过

时间后P_I的值；

经过τ时间，第一缓冲水箱3温度升高至一次侧流量调控系数y对应的固体显热蓄热换热器2平均输出温度T_SHSout，该步骤完成；

S104，第一循环水泵1与第二循环水泵7的流量都调为y*q_Idesign，此时，第一缓冲水箱3重新作为新工况下改善温度波动的设备工作，固体显热蓄热系统对二次侧需求变化的响应调控完成。

本实施例通过加装水箱改善了蓄热器输出温度波动，并且利用一次侧的双水箱带来的双重流量调节能力，提出针对二次侧需求变化的响应调控策略，本实施例可增强固体蓄热系统在工程应用中的稳定性和适应性。

需要说明的是，本项发明的技术性范围并不在局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。本发明所述装置可以以多种不同的形式来实现，并不限于所述实施例，凡是本领域普通技术人员利用本发明说明书及附图内容所作的任何等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双水箱固体显热蓄热供热系统，其特征在于：包括供热一次侧闭合回路和二次侧管网(6)；所述供热一次侧闭合回路包括通过一次侧管网(5)依次连接的一次侧第一循环水泵(1)、固体显热蓄热换热器(2)、第一缓冲水箱(3)、换热器(4)、一次侧第二循环水泵(7)以及第二缓冲水箱(8)；所述一次侧管网(5)与所述二次侧管网(6)通过所述换热器(4)相连；所述固体显热蓄热换热器(2)内的换热管路采用若干段串联和/或并联的方式连接，以调节不同蓄热温区的换热面积；

所述双水箱固体显热蓄热供热系统被配置为：

启动一次侧第一循环水泵(1)和一次侧第二循环水泵(7)到预设循环流量，固体显热蓄热换热器(2)内管路按照最低蓄热温度开启管路阀门，对一次侧管网(5)内的低温水进行加热，同时开启第一缓冲水箱(3)和第二缓冲水箱(8)内的加热器，加速启动预热；

当第二缓冲水箱(8)内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankII 1}时，关闭一次侧第二循环水泵(7)和第二缓冲水箱(8)内的加热器，一次侧第一循环水泵(1)仍旧按照预设流量工作，第一缓冲水箱(3)的预热阶段继续进行，如果在该预热阶段完成前，第二缓冲水箱(8)内的水位降至循环所需的最低水位，则关闭一次侧第一循环水泵(1)，仅通过第一缓冲水箱(3)内的加热器完成剩下的预热过程；

如果第一缓冲水箱(3)内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankI 1}时，一次侧第一循环水泵(1)、一次侧第二循环水泵(7)和固体显热蓄热换热器(2)根据蓄热体温度，自动调节到相应温区的预设循环流量和换热管路；

二次侧管路开启，冷水流入换热器(4)的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，实现供热循环，在换热过程中，蓄热体的温度在不断下降，固体显热蓄热换热器(2)出口的水温会出现逐渐下降的趋势，当下降到预设阈值时，固体显热蓄热换热器(2)的管路开始调节，增加换热面积，提升出口温度。

2.一种固体显热蓄热供热系统的需求响应调控方法，其特征在于，基于权利要求1所述的双水箱固体显热蓄热供热系统，包括以下步骤：

启动一次侧第一循环水泵(1)和一次侧第二循环水泵(7)到预设循环流量，固体显热蓄热换热器(2)内管路按照最低蓄热温度开启管路阀门，对一次侧管网(5)内的低温水进行加热，同时开启第一缓冲水箱(3)和第二缓冲水箱(8)内的加热器，加速启动预热；

当第二缓冲水箱(8)内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankII 1}时，关闭一次侧第二循环水泵(7)和第二缓冲水箱(8)内的加热器，一次侧第一循环水泵(1)仍旧按照预设流量工作，第一缓冲水箱(3)的预热阶段继续进行，如果在该预热阶段完成前，第二缓冲水箱(8)内的水位降至循环所需的最低水位，则关闭一次侧第一循环水泵(1)，仅通过第一缓冲水箱(3)内的加热器完成剩下的预热过程；

如果第一缓冲水箱(3)内的温度传感器监测到温度达到设定温度T_{tankI 1}时，一次侧第一循环水泵(1)、一次侧第二循环水泵(7)和固体显热蓄热换热器(2)根据蓄热体温度，自动调节到相应温区的预设循环流量和换热管路；

二次侧管路开启，冷水流入换热器(4)的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，实现供热循环，在换热过程中，蓄热体的温度在不断下降，固体显热蓄热换热器(2)出口的水温会出现逐渐下降的趋势，当下降到预设阈值时，固体显热蓄热换热器(2)的管路开始调节，增加换热面积，提升出口温度。

3.根据权利要求2所述的固体显热蓄热供热系统的需求响应调控方法，其特征在于，所述实现供热循环的方法包括：

将固体显热蓄热换热器(2)加热循环水的过程划分为n个时间段；

当温度变化到第i阶段时，该阶段第一缓冲水箱内的初始水温为T_tanki，入口流量为q_in(t)，出口流量为q_out(t)，第一缓冲水箱的初始储水量为M_(i-1)，Δt时刻后，第一缓冲水箱出口水温为：

式中，T_in为第i阶段流入第一缓冲水箱的平均温度，T'_tanki为第i阶段经过Δt时刻流出第一缓冲水箱的温度。

4.根据权利要求2所述的固体显热蓄热供热系统的需求响应调控方法，其特征在于，所述实现供热循环的具体调控方法包括：

S101，定义固体显热蓄热换热器(2)工作的最小流量q_min为系统压力下不产生蒸汽的临界流量，当二次侧流量减小，调整一次侧第一循环水泵(1)的流量至最小值q_min，此时固体显热蓄热换热器(2)的出口水温急剧升高，高温水进入第一缓冲水箱(3)与水箱内的水混合，大幅度提升水箱的温度；同时，换热器(4)一次侧的水以特定的质量流量q_I工作，该质量流量由以下公式确定：

q_II＝b*x*q_Idesign

式中，q_Idesign为一次侧的预设循环流量，x为二次侧变化后的流量q_II与二次侧预设流量q_IIdesign的比值，系数b主要通过换热器的热平衡计算来确定，第一缓冲水箱(3)的升温近似看作线性上升，初始温度计为T_tanki，终温为新工况下固体显热蓄热换热器(2)的平均输出温度T_SHSout，则换热器(4)热平衡计算中涉及的一次侧入口温度为：

T_exchanger＝(T_tanki+T_SHSout)/2

S102，根据换热器(4)两侧换热功率P_I与P_II平衡的原理，可求解出二次侧流量变化系数x对应的一次侧流量系数b；

S103，第二循环水泵(7)的流量保持为q_I，第一缓冲水箱(3)的温度升高，进而导致换热器(4)入口温度升高，加之换热器(4)中冷热流体温差变大，最终会导致系统输出功率近似线性上升，为保证该阶段输出功率的平均值接近系统的预设功率，第一步骤持续时间τ的确定基于下式：

式中，

表示经过

时间后P_I的值；

经过τ时间，第一缓冲水箱(3)温度升高至一次侧流量调控系数y对应的固体显热蓄热换热器(2)平均输出温度T_SHSout，该步骤完成；

S104，第一循环水泵(1)与第二循环水泵(7)的流量都调为y*q_Idesign，此时，第一缓冲水箱(3)重新作为新工况下改善温度波动的设备工作，固体显热蓄热系统对二次侧需求变化的响应调控完成。

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