CN112710021A - 一种源网荷储热泵供暖系统 - Google Patents

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Abstract

一种源网荷储热泵供暖系统，包括：源、网、荷、储四个部分，以及能量系统和信息、智能感知、智能控制系统，其特征是：热泵供暖系统中设置光伏发电电源，电负荷是多源热泵供暖或空气源热泵设施，多源热泵供暖设施集热器，同时能够吸收太阳能、空气能、风能和环境能，能效高于空气源热泵。水储热能与蓄电池储电能结合，进行源网荷储物联网融合，将光伏发电电源技术、电网技术、储能技术、热泵供暖技术与计算机、互联网技术相结合。其优点是：实现了光伏发电、电网、储能、热泵供暖之间、环境以及源网荷储多源热泵供暖系统状态信息实时的共享，实现了节约成本、提高人民生活质量的目的。净零碳运行模式，实现了建筑物碳中和。

Description

一种源网荷储热泵供暖系统
技术领域
本发明涉及一种源网荷储热泵供暖系统，属于可再生能源发电、热利用技术领域。
背景技术
热泵供暖可以利用一部分低温热源的热能，供热系数大于1，提高了能源利用率。空气源热泵供暖的低温热源是空气，供暖的热能利用了一部分空气低温热源中的低温热能，在严寒地区供暖得到广泛应用，但是空气源热泵供暖，不能利用太阳能，供热系数不高。太阳能铝排管热泵供暖，低温热源来自铝排管吸收的太阳能、空气能、风能等，提高了供热系数，但是驱动压缩机需要消耗电能，我国目前电能中火电占约69%，消耗电能就是消耗煤炭、就要排放二氧化碳。总体来说，热泵供暖用户没有直接烧煤，但是消耗公用电网电能就消耗煤炭、就要排放二氧化碳，所有电驱动压缩式热泵供暖都存在这一共性问题，热泵供暖系统不能实现碳中和。
“源网荷储一体化”围绕负荷需求，通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源要素，以储能等先进技术和体制机制创新为支撑，以安全、绿色、高效为目标， 创新电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代电力系统探索发展路径，实现源、网、荷、储的深度协同。充分发挥负荷侧的调节能力，进一步加强电源侧、电网侧、负荷侧、储能的多向互动， 通过一体化管理模式聚合分布式电源、充电站和储能等负荷侧资源组成虚拟电厂，参与市场交易，为系统提供调节支撑能力。 实现就地就近、灵活坚强发展，增加本地电源支撑，提升电源供电保障能力、调动负荷响应能力，推进局部电力就地就近平衡，降低对大电网电力调节支撑需求，提升重要负荷中心的应急保障能力，降低一次能源转化、输送、 分配、利用等各环节的损耗，提高电力基础设施的利用效率。
源网荷储一体化主要包括“区域（省）级源网荷储一体化”、“市（县）级源网荷储一体化”、“园区级源网荷储一体化” 等具体模式。区域（省）级源网荷储一体化，依托区域（省）级电力辅助服务市场、电力中长期和现货市场等市场体系建设，以完善区域（省）级主网架为基础，公平、 无歧视引入电源侧、负荷侧、独立电储能等市场主体，全面放开市场化交易，通过价格信号引导各类电源、电力用户、储能和虚拟电厂灵活调节、多向互动，推动建立可调负荷参与承担辅助服务的市场交易机制，培育用户负荷管理能力， 提高用户侧调峰积极性。以本地区电力安全、绿色、高效发展为导向，以解决电力供需矛盾为切入点，研究提出源网荷储一体化实施的总体方案，依托现代信息通讯及智能化技术， 加强全网统一调度，研究建立源网荷储灵活高效互动的电力运行与市场体系，充分发挥区域电网的调节作用，落实各类电源、电力用户、储能、虚拟电厂参与市场的机制。市（县）级源网荷储一体化，以保障重点城市清洁可靠用能、支持县域经济高质量发展和满足人民多元化美好用能需求为出发点，开展市（县）级源网荷储一体化。在重点城市开展源网荷储一体化坚强局部电网建设，梳理保障城市基本运转的重要负荷，研究局部电网结构加强方案，提出本地保障电源方案以及自备应急电源配置方案，结合清洁取暖和清洁能源消纳工作开展市（县）级源网荷储一体化研究与示范，研究通过热电联产机组、新能源、灵活运行电热负荷一体化运营方案，实现能源的安全高效清洁利用，达到多能互补效果。园区级源网荷储一体化，以现代信息通讯技术、大数据、人工智能、储能等新技术为依托，充分调动负荷侧的调节响应能力，在城市商业区、商业综合体，依托光伏发电、并网型微电网和电动汽车充电基础设施建设等，开展分布式发电与电动汽车灵活充放电相结合的园区级源网荷储一体化研究，在工业负荷规模大、新能源资源条件好的地区，进行分布式电源就近接入消纳，研究源、网、荷、储的综合优化配置方案，促进与多能互补与智慧综合能源服务的融合，提高自我平衡能力，减少对大电网调峰和容量备用需求。
微网传统运营模式为“自发自用,余量上网”。微网的源网荷储优化控制运行模式为，减少弃风弃光率，降低微网运行成本，促进节能减排，实现技术、经济、环境等综合效益最大化。微网运营主体满足微网内部的负荷需求，对状态偏离、设备故障等事件具有不平衡校正能力，实现微网内部源网荷储各元件的自适应主动控制，符合电、热、气多种能源供应的安全可靠性和质量要求，实现微网独立/并网运行模式的平滑切换，有效减少微网和外部电网并联/脱离冲击。
微网的源网荷储一体化运营主体更加保障微网内能源供需实时平衡，保障微网的统一自治。源网荷储一体化优化控制运行、微平衡市场交易、内外两级购售电、网对网辅助服务、内外两级需求响应和新型备用容量机制的源网荷储一体化运营模式,为微网提供合理的投资回报途径。
源网荷储一体化，将创新电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代电力系统探索发展路径，在这过程中有诸多技术问题需要创新和解决。
发明内容
本发明的目的是为了在供暖系统中减少消耗公用电网电能，降低对电网的依赖，实现碳中和，提供一种将光伏发电电源技术、电网技术、储能技术、热泵供暖技术与计算机、互联网技术的结合，进行源网荷储物联网融合，实现光伏发电、电网、储能、热泵供暖之间、环境以及源网荷储热泵供暖系统状态信息实时的共享，实现智能化的源网荷储热泵供暖系统数据收集、传递、处理、执行，在供暖中增加可再生能源成份，使采暖用户电费最低的源网荷储热泵供暖系统。
本发明的技术方案如下：
一种源网荷储热泵供暖系统，包括：源、网、荷、储四个部分，以及能量系统和信息、智能感知、智能控制系统，能量系统包括电能量系统和热能系统，其特征是：所述源是太阳能光伏发电，热泵供暖系统中设置太阳能光伏发电，增加热泵供暖系统可再生能源比重；所述网是共用电网，通过智能感知和智能控制减少热泵供暖设施对电网的依赖，降低采暖电费；所述荷是热泵供暖系统设施中的电负荷；所述储是水储热能与蓄电池储电结合，以减少太阳能间歇性、不稳定性的影响，削峰填谷，保证稳定供暖，充分利用电网峰谷电价差，进一步降低供暖电费；所述太阳能光伏发电包括太阳能光伏发电组件及其光伏并网逆变器，所述蓄电池储电包括蓄电池组和蓄电池并网变流器，太阳能光伏发电及其光伏并网逆变器、公用电网、热泵供暖系统设施电负荷、蓄电池组与蓄电池并网变流器组成电能量系统，分别通过电路联接到交流电母线，电能量系统共用同一个交流电母线，光伏并网逆变器通过电路联接到交流电母线、公用电网通过电路联接到交流电母线、热泵供暖系统设施电负荷通过电路联接到交流电母线、蓄电池并网变流器通过电路联接到交流电母线，光伏发电的光伏组件与光伏并网逆变器联接，蓄电池组与蓄电池并网变流器联接；所述热能系统包括热泵机组、储热水罐、供暖水循环泵，热泵机组吸收的低温热能来自低温热源，热泵机组供出的高温热能传递到储热水罐，供暖水循环泵入口联接到储热水罐出口，供暖水循环泵出口联接到用户散热系统供水口，用户散热系统回水口联接到储热水罐进口；所述信息、智能感知、智能控制系统包括控制器、室内温控器、气温传感器，光伏并网逆变器通过总线联接到控制器，光伏并网逆变器的状态信息通过总线送到控制器，光伏并网逆变器的状态信息主要包括光伏发电功率、光伏发电量、电压、电流，热泵机组通过总线联接到控制器，热泵机组的状态信息通过总线送到控制器，热泵机组的状态信息主要包括耗电功率、耗电量、供热功率、供热量、电压、电流、蒸发温度、冷凝温度，储热水罐温度信号联接到控制器，储热水罐的温度信号是温度梯度信号；蓄电池并网变流器通过总线联接到控制器，蓄电池并网变流器的状态信息通过总线送到控制器，蓄电池并网变流器的状态信息主要包括蓄电池组充电电功率、蓄电池并网变流器送到交流电母线的电功率、蓄电池组电量、电压、电流，室内温控器通过总线联接到控制器，室内温控器的状态信息通过总线送到控制器，室内温控器的状态信息主要包括室内温度设定值、室内温度；气温传感器气温信号联接到控制器；控制器控制信号联接到热泵机组压缩机变频器频率给定端；控制器控制信息通过总线联接到蓄电池并网变流器控制信号，控制器控制信息主要包括蓄电池组充电电功率、蓄电池并网变流器送到交流电母线的电功率；控制器与蓄电池并网变流器控制信号的联接总线、控制器与蓄电池并网变流器联接总线，可以共用；系统有三种运行模式，分别是：净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式，净零碳运行模式：光伏发电发出的电能与建筑物电负荷消耗的电能相匹配，白天光伏发电发出的电能一部分供给负荷，另一部分存储于蓄电池，夜间由蓄电池给负荷供电，整个系统不吸收电网电能，可以孤网运行，实现建筑物碳中和；净发电运行模式：光伏发电容量足够大，发出的电能大于负荷消耗的电能，白天光伏发电发出的电能一部分供给负荷，另一部分存储于蓄电池，蓄电池存储的电能足够夜间负荷消耗的电能，多出的电能送入电网，光伏发电发出的电能不仅满足负荷消耗的电能，而且还有一部分电能送入电网，尤其是在夏季，没有供暖负荷，光伏发电发出的电能除自用外全部送入电网；净负载运行模式：光伏发电容量有限，发出的电能小于负荷消耗的电能，负荷消耗的电能大于光伏发电发出的电能，差额部分由电网供给，发挥储能作用，结合峰谷分时段电价政策，通过智能控制，实现电费最低；光伏发电每天发电量受到日照时间、气象条件的影响，建筑物需热量和供热量受到气象条件的影响，源网荷储热泵供暖系统智能感知光伏发电量、建筑物需热量和供热量，智能控制源网荷储热泵供暖系统的净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式。
一种源网荷储热泵供暖系统中的热泵供暖，采用铝排管集热器的多源热泵供暖，集热器不设透光和保温材料，通过控制集热器运行温度低于气温，实现了用同一个集热器同时吸收太阳能、空气能、风能和环境能，且不再向外散热，极大地提高了集热效率，大幅度降低了成本。克服了真空玻璃管或平板玻璃集热器太阳能供暖热损失大、不能吸收空气能的缺点，同时克服了空气源热泵供暖不能以辐射换热的方式吸收太阳能和环境能的缺点。智能控制集热器温度高于露点温度，集热器不凝霜，无需除霜耗电，提高了供暖能效。集热器中流动的是制热剂或防冻液，不存在防冻问题。集热器吸收的太阳能、空气能、风能和环境能，通过热泵，转换为能够供暖的高温热能（40℃-65℃），再经过换热器传递到储热水罐再循环供暖。
一种源网荷储热泵供暖系统中的热泵供暖，也可以采用空气源热泵或其他热泵供暖系统。
把传感器嵌入到光伏发电、共用电网、储热水罐、多源热泵供暖系统、家居建筑、室外环境的各种有关物体中，并且被连接形成“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现物理系统的整合与人机对话。应用现代传感器技术，这也是计算机智能控制中的关键技术。主要传感器有：光伏发电的电压、电流、发电功率、发电电量，公用电网的电压、电流、供电功率、供电电量，储热水罐的温度，多源热泵供暖系统的蒸发温度、冷凝温度、液体循环，家居建筑的室内温度，室外环境的气温传感器。
物联网一方面把源、网、荷、储、热泵供暖、环境状态传感器进行连接，另一方面具有智能处理的能力，将传感器和智能处理相结合，利用智能技术，能够对源、网、荷、储、热泵供暖实施智能控制。从传感器获得的信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，通过机器学习实现供暖系统智能感知与智能控制，在两化融合的智能化与信息化条件下进行数据的分析与技术优化。
智能家居供暖的任务面向家居安全性、舒适性、功能多样性需求，开展远程无人化供暖智能控制以及智能计量，解决供暖成本过高、运行电费过高等问题，带动智能供暖技术和产品突破，推动供暖发展方式的转变。分布式能源依赖于最先进的信息技术，采用智能化监控、网络化群控和远程遥控技术，实现用户侧能源自动调配、峰值管理、自动计量、现场无人值守等功能。物联网有效解决分布式能源网络信息的过程化、精细化和快速化采集等问题。基于物联网技术建设分布式能源系统，实现分布式能源系统信息传感、传输和监控与优化调度。物联网技术下的分布式能源系统信息化管理包括感知层、网络层和应用层。
源、网、荷、储协调控制、智能感知与智能控制。净负载运行模式，光伏发电额定功率小于负荷功率，光伏发电量不足负荷消耗量，电网需要供给负荷一部分电能，负荷主要是热泵供暖电负荷。结合“煤改电”峰谷分时电价政策，峰时段，光伏发电与峰时段负荷曲线基本相吻合，光伏发电全部用于驱动负荷，热泵产生的热能存储于储热水罐，供暖循环水热源来自于储热水罐存储的热能，整个供暖系统峰时段不从电网吸收电能。谷时段，通过机器学习，神经网络智能感知一天的建筑物需热量和光伏发电驱动负荷多源热泵产生的热量，估计出来需要从电网供给的能量，电网供给的能量也存储于储热水罐，智能控制峰时段不消耗电网电能，使采暖用户电费最低。
净零碳运行模式，光伏发电发出的电能与负荷消耗的电能相匹配，白天光伏发电发出的电能除供给负荷外，多余部分存储于蓄电池，夜间由蓄电池给负荷供电，整个系统不吸收电网电能，也不向电网发电，可以离网运行。建筑物能量消耗来源于光伏发电和热泵吸收的太阳能、空气能、风能和环境能，建筑物能量消耗全部来自于可再生能源，实现建筑物净零碳运行的碳中和。储能设施包含蓄电池和储热水罐，蓄电池存储电能，储热水罐存储热能。
净发电运行模式，光伏发电发出的电能一部分供给负荷，一部分送入电网，一部分存储于蓄电池，光伏发电容量足够大，发出的电能除负荷消耗外，多余部分送入电网。
智能感知、智能控制系统构建有多层感知的机器学习模型，智能控制储能部件的储存与放出能量，包括储热水罐存储热能与放出热能、蓄电池存储电能和放出电能。供暖建筑物室温与源网荷储状态相关，模型极复杂，利用储热水罐大的热惯性特征，实现室温与源网荷储的解偶控制，供暖水系统的循环控制室温，室温控制器只控制供暖水系统循环泵，室温的控制与源网荷储状态不发生关系，室温控制与源网荷储的控制是解偶的。储热水罐温度决定存储的热能，存储的热能与气温相关，多层感知的机器学习模型输入层由气温、室温、室温设定值等组成，输出层包括储热水罐水温，智能控制储热水罐水温。
本发明是终端源网荷储供暖系统，能够实现终端用户建筑物供暖净零碳运行的碳中和。光伏电源、电网、热泵供暖系统及其电负荷、储能融合成为源网荷储热泵供暖系统，供暖系统在净零碳运行模式下，光伏发电发出的电能与负荷消耗的电能相匹配，整个系统不吸收电网电能，也不向电网发电，可以离网运行，建筑物供暖能量消耗来源于光伏发电和热泵吸收的可再生能源，建筑物能量消耗全部来自于可再生能源，实现建筑物供暖净零碳运行的碳中和。2019年全国发电量75034亿千瓦时，其中火电发电量52201亿千瓦时，占比69.6%，利用电网电能负载电阻电供暖，总体约69.6%的电供暖能量来自火电，电供暖在供暖侧是清洁的，但是其所消耗电能的69.6%来自于煤，总体来说利用电网电能负载电阻电供暖是耗碳供暖，排放量甚至比散煤燃烧供暖还要大。
大容量太阳能发电站和风电场，设置储能，可以增加可再生电源的灵活性，使电源具有了调节电源的能力，减少弃光弃风。本发明是终端用户源网荷储供暖系统，与大容量可再生电源不同，本发明的目的是为了降低对电网的依赖，供暖中增加可再生能源成份。增加的可再生能源成份分两部分，一部分是光伏发电，另一部分是热泵通过其集热器吸收的可再生能源。供暖供的是热能，储热水罐存储的热能直接供给供暖循环水，不必要转换成电能，热能直接利用，提高了能效。结合“煤改电”峰谷分时电价政策，形成控制策略，峰时段，光伏发电与峰时段负荷曲线基本相吻合，光伏发电全部用于驱动负荷，多源热泵产生的热能存储于储热水罐，供暖循环水热源来自于储热水罐存储的热能。谷时段，通过机器学习，神经网络智能感知一天的建筑物需热量和多源热泵产生的热量，智能控制峰时段不消耗电网电能，实现了削峰填谷，又使采暖用户电费最低。
供暖建筑物室温与源网荷储状态相关，模型极复杂，利用储热水罐大的热惯性特征，实现室温与源网荷储的解偶控制，供暖水系统的循环控制室温，室温控制器只控制供暖水系统循环泵，室温的控制与源网荷储状态不发生关系，实现室温控制与源网荷储的解偶控制。储热水罐温度决定存储的热能，存储的热能与气温相关，多层感知的机器学习模型输入层由气温、室温、室温设定值等组成，输出层包括储热水罐水温，智能控制储热水罐水温。
本发明的优点是：将光伏发电电源技术、电网技术、储能技术、热泵供暖技术与计算机、互联网技术的结合，进行源网荷储物联网融合，实现光伏发电、电网、储能、热泵供暖之间、环境以及源网荷储热泵供暖系统状态信息实时的共享，实现智能化的源网荷储热泵供暖系统数据收集、传递、处理、执行，实现源网荷储热泵供暖系统远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现供暖系统“管理、控制、营运” 的一体化，实现人与设备、设备与设备的信息交互，达到提高经济效益、节约成本的目的，发挥了物联网技术优势。本发明创新了一种电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代微网探索发展了新路径，实现了源、网、荷、储的深度协调运行。
综上所述，本发明源网荷储热泵供暖与其他清洁供暖方式相比具有明显的优势，源网荷储热泵供暖有望成为主要清洁供暖方式。
附图说明
图1是一种源网荷储热泵供暖能量系统结构示意图；
图2是一种源网荷储热泵供暖信息、智能感知、智能控制系统示意图。
附图中：1-公用电网；2-光伏组件；3-光伏并网逆变器；4-交流电母线；5-低温热源；6-热泵机组吸收的低温热能；7-热泵机组；8-热泵机组供出的高温热能；9-储热水罐；10-供暖水循环泵；11-用户散热系统；12-蓄电池组；13-蓄电池并网变流器；14-室内温控器；15-控制器；16-热泵机组压缩机变频器频率给定端；17-蓄电池并网变流器控制信号；18-气温传感器。
具体实施方式
本发明具体实施方式分三部分：电能量系统、热能系统和信息智能感知智能控制系统，电能量系统、热能系统组成能量系统。
参照附图1，本发明电能量系统，公用电网1、光伏并网逆变器3、热泵机组7、蓄电池并网变流器13分别通过电路联接到交流电母线4，光伏组件2与光伏并网逆变器3联接，蓄电池组12与蓄电池并网变流器13联接。
参照附图1，本发明热能系统，热泵机组7吸收的低温热能6来自低温热源5，热泵机组7供出的高温热能8传递到储热水罐9，供暖水循环泵10入口联接到储热水罐9出口，供暖水循环泵10出口联接到用户散热系统11供水口，用户散热系统11回水口联接到储热水罐9进口。
参照附图2，本发明信息、智能感知、智能控制系统。光伏并网逆变器3通过总线联接到控制器15，光伏并网逆变器3的状态信息通过总线送到控制器15，光伏并网逆变器3的状态信息主要包括光伏发电功率、光伏发电量、电压、电流。热泵机组7通过总线联接到控制器15，热泵机组7的状态信息通过总线送到控制器15，热泵机组7的状态信息主要包括耗电功率、耗电量、供热功率、供热量、电压、电流、蒸发温度、冷凝温度。储热水罐9温度信号联接到控制器15，储热水罐9的温度信号是温度梯度信号。蓄电池并网变流器13通过总线联接到控制器15，蓄电池并网变流器13的状态信息通过总线送到控制器15，蓄电池并网变流器13的状态信息主要包括蓄电池组12充电电功率、蓄电池并网变流器13送到交流电母线4的电功率、蓄电池组12电量、电压、电流。室内温控器14通过总线联接到控制器15，室内温控器14的状态信息通过总线送到控制器15，室内温控器14的状态信息主要室内温度设定值、室内温度。气温传感器18气温信号联接到控制器15。控制器15控制信号联接到热泵机组压缩机变频器频率给定端16。控制器15控制信息通过总线联接到蓄电池并网变流器控制信号17，控制器15控制信息主要包括蓄电池组12充电电功率、蓄电池并网变流器13送到交流电母线4的电功率。控制器15与蓄电池并网变流器控制信号17的联接总线、控制器15与蓄电池并网变流器13联接总线，可以共用，在图2中分别画出来，主要为了分别说明控制器15与蓄电池并网变流器13的控制和信号传输。
参照附图1、2，本发明一种源网荷储热泵供暖系统。源－供暖系统中设太阳能光伏发电（由光伏组件2和光伏并网逆变器3组成），增加供暖系统可再生能源比重；网－公用电网1，供暖电系统（热泵机组7）与电网（公用电网1）连接，减少供暖设施对电网的依赖，降低采暖电费；荷－热泵供暖系统设施电负荷（热泵机组7的电负荷）；储－由储热水罐9、蓄电池组12和蓄电池并网变流器13组成，水储热能(储热水罐9)与蓄电池储电能（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）结合，减少太阳能间歇性、不稳定性的影响，削峰填谷，保证稳定供暖，充分利用电网峰谷电价差，进一步降低供暖电费。有三种运行模式即净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式。净零碳运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能与建筑物电负荷消耗的电能相匹配，白天光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能一部分供给负荷（热泵机组7），另一部分存储于蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13），夜间由蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）给负荷（热泵机组7）供电，整个系统不吸收电网（公用电网1）电能，可以孤网运行，实现建筑物碳中和；净发电运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）容量足够大，发出的电能大于负荷（热泵机组7）消耗的电能，白天光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能一部分供给负荷（热泵机组7），另一部分存储于蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13），蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）存储的电能足够夜间负荷（热泵机组7）消耗的电能，多出的电能送入电网（公用电网1），光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能不仅满足负荷（热泵机组7）消耗的电能，而且还有一部分电能送入电网（公用电网1），尤其是在夏季，没有供暖负荷（热泵机组7），光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能除自用外全部送入电网（公用电网1）；净负载运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）容量有限，发出的电能小于负荷（热泵机组7）消耗的电能，负荷（热泵机组7）消耗的电能大于光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能，差额部分由电网（公用电网1）供给，发挥储能（储热水罐9、蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）作用，结合峰谷分时段电价政策，通过智能控制，实现电费最低。光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）每天发电量受到日照时间、气象条件的影响，建筑物需热量和供热量受到气象条件的影响，本发明源网荷储热泵供暖系统智能感知光伏发电量、建筑物需热量和供热量，智能控制源网荷储热泵供暖系统的净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式。
参照附图1、2，源网荷储物联网融合，将光伏发电电源技术、电网技术、储能技术、热泵供暖技术与计算机、互联网技术的结合，进行源网荷储物联网融合，实现光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）、电网（公用电网1）、储能（储热水罐9、蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）、热泵（热泵机组7）供暖之间、环境以及源网荷储热泵供暖系统状态信息实时的共享，实现智能化的源网荷储热泵供暖系统数据收集、传递、处理、执行，实现源网荷储热泵供暖系统远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现供暖系统“管理、控制、营运”的一体化，实现人与设备、设备与设备的信息交互，达到提高经济效益、节约成本的目的，发挥物联网技术优势，提高人民生活质量。
参照附图1、2，采用铝排管集热器的多源热泵（热泵机组7）供暖，集热器不设透光和保温材料，通过控制集热器运行温度低于气温，实现了用同一个集热器同时吸收太阳能、空气能、风能和环境能（低温热源5），且不再向外散热，极大地提高了集热效率，大幅度降低了成本。智能控制集热器温度高于露点温度，集热器不凝霜，无需除霜耗电，提高了供暖能效。集热器（低温热源5、热泵机组吸收的低温热能6）中流动的是制热剂或防冻液，不存在防冻问题。集热器吸收的太阳能、空气能、风能和环境能（低温热源5），通过热泵（热泵机组7），转换为能够供暖的高温热能（40℃-65℃）（热泵机组供出的高温热能8），再经过换热器传递到储热水罐9再循环供暖。
参照附图1、2，一种源网荷储热泵供暖系统中的热泵供暖，也可以采用空气源热泵（热泵机组7）或其他热泵（热泵机组7）供暖系统。
参照附图1、2，物联网一方面把源、网、荷、储、热泵供暖、环境状态传感器的连接，另一方面具有智能处理的能力，将传感器和智能处理相结合，利用智能技术，能够对源、网、荷、储、热泵供暖实施智能控制。从传感器获得的信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，通过机器学习实现供暖系统智能感知与智能控制，在两化融合的智能化与信息化条件下进行数据的分析与技术优化。
参照附图1、2，把传感器嵌入到光伏发电（光伏并网逆变器3）、电网（公用电网1）、储热水罐9、多源热泵（热泵机组7）供暖系统、家居建筑、室外环境等各种有关物体中，并且被连接形成“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现物理系统的整合与人机对话。应用现代传感器技术，这也是计算机智能控制中的关键技术。主要传感器：光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）有电压、电流、发电功率、发电电量，电网（公用电网1）有电压、电流、供电功率、供电电量，储热水罐9有温度，多源热泵（热泵机组7）供暖系统有蒸发温度、冷凝温度、液体循环，家居建筑有室内温度（室内温控器14），室外环境有气温（气温传感器18）。
参照附图1、2，智能家居供暖的任务面向家居安全性、舒适性、功能多样性需求，开展远程无人化供暖智能控制以及智能计量，解决供暖成本过高、运行电费过高等问题，实现用户侧能源自动调配、峰值管理、自动计量、现场无人值守等功能。
参照附图1、2，源网荷储协调控制、智能感知与智能控制（控制器15）。净负载运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）额定功率小于负荷（热泵机组7）功率，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）量不足负荷（热泵机组7）消耗量，电网（公用电网1）需要供给负荷（热泵机组7）一部分电能，负荷（热泵机组7）主要是热泵（热泵机组7）供暖电负荷（热泵机组7）。结合“煤改电”峰谷分时电价政策，峰时段，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）与峰时段负荷曲线基本相吻合，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）全部用于驱动负荷（热泵机组7），热泵（热泵机组7）产生的热能存储于储热水罐9，供暖循环水热源来自于储热水罐9存储的热能，整个供暖系统峰时段不从电网（公用电网1）吸收电能。谷时段，通过机器学习，神经网络智能感知（控制器15）一天的建筑物需热量和光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）驱动负荷多源热泵（热泵机组7）产生的热量，估计出来需要从电网（公用电网1）供给的能量，电网（公用电网1）供给的能量也存储于储热水罐9，智能控制（控制器15）峰时段不消耗电网（公用电网1）电能，使采暖用户电费最低。
参照附图1、2，净零碳运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能与负荷（热泵机组7）消耗的电能相匹配，白天光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能除供给负荷（热泵机组7）外，多余部分存储于蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13），夜间由蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）给负荷（热泵机组7）供电，整个系统不吸收电网（公用电网1）电能，也不向电网（公用电网1）发电，可以离网运行。建筑物能量消耗来源于光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）和热泵（热泵机组7）吸收的太阳能、空气能、风能和环境能（低温热源5），建筑物能量消耗全部来自于可再生能源，实现建筑物净零碳运行的碳中和。储能设施包含蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）和储热水罐9，蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）存储电能，储热水罐9存储热能。
参照附图1、2，净发电运行模式，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能一部分供给负荷（热泵机组7），一部分送入电网（公用电网1），一部分存储于蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13），光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）容量足够大，发出的电能除负荷（热泵机组7）消耗外，多余部分送入电网（公用电网1）。
参照附图1、2，多层感知（控制器15）的机器学习模型，智能控制（控制器15）储能部件（储热水罐9、蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）的储存与放出能量，包括储热水罐9存储热能与放出热能、蓄电池（蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）存储电能和放出电能。供暖建筑物室温（室内温控器14）与源网荷储状态相关，模型极复杂，利用储热水罐9大的热惯性特征，实现室温（室内温控器14）与源网荷储的解偶控制，供暖水系统的循环（供暖水循环泵10）控制室温（室内温控器14），室温控制器（室内温控器14）只控制供暖水系统循环泵供暖水循环泵10），室温的控制（室内温控器14）与源网荷储状态不发生关系，室温控制（室内温控器14）与源网荷储的控制（控制器15）是解偶的。储热水罐9温度决定存储的热能，存储的热能与气温（气温传感器18）相关，多层感知（控制器15）的机器学习模型输入层由气温（气温传感器18）、室温、室温设定值（室内温控器14）等组成，输出层包括储热水罐9水温，智能控制（控制器15）储热水罐9水温。
参照附图1、2，本发明是终端源网荷储供暖系统，能够实现终端用户建筑物供暖净零碳运行的碳中和。光伏电源（光伏组件2和光伏并网逆变器3）、电网（公用电网1）、热泵供暖系统及其电负荷（热泵机组7）、储能（储热水罐9、蓄电池组12和蓄电池并网变流器13）融合成为源网荷储热泵供暖系统， 供暖系统在净零碳运行模式下，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）发出的电能与负荷（热泵机组7）消耗的电能相匹配，整个系统不吸收电网（公用电网1）电能，也不向电网（公用电网1）发电，可以离网运行，建筑物供暖能量消耗来源于光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）和热泵（热泵机组7）吸收的可再生能源（低温热源5），建筑物能量消耗全部来自于可再生能源，实现建筑物供暖净零碳运行的碳中和。
参照附图1、2，结合“煤改电”峰谷分时电价政策，形成控制策略，峰时段，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）与峰时段负荷曲线基本相吻合，光伏发电（光伏组件2和光伏并网逆变器3）全部用于驱动负荷（热泵机组7），多源热泵（热泵机组7）产生的热能（热泵机组供出的高温热能8）存储于储热水罐9，供暖循环水热源来自于储热水罐9存储的热能。谷时段，通过机器学习（控制器15），神经网络智能感知（控制器15）一天的建筑物需热量和多源热泵产生（热泵机组7）的热量（热泵机组供出的高温热能8），智能控制（控制器15）峰时段不消耗电网（公用电网1）电能，实现了削峰填谷，又使采暖用户电费最低。

Claims (8)

1.一种源网荷储热泵供暖系统，包括：源、网、荷、储四个部分，以及能量系统和信息、智能感知、智能控制系统，能量系统包括电能量系统和热能系统，其特征是：所述源是太阳能光伏发电；所述网是共用电网；所述荷是热泵供暖系统设施中的电负荷；所述储是水储热能与蓄电池储电结合；所述太阳能光伏发电包括太阳能光伏发电组件及其光伏并网逆变器，所述蓄电池储电包括蓄电池组和蓄电池并网变流器，太阳能光伏发电及其光伏并网逆变器、公用电网、热泵供暖系统设施电负荷、蓄电池组与蓄电池并网变流器组成电能量系统，分别通过电路联接到交流电母线，电能量系统共用同一个交流电母线；所述热能系统包括热泵机组、储热水罐、供暖水循环泵，热泵机组吸收的低温热能来自低温热源，热泵机组供出的高温热能传递到储热水罐，供暖水循环泵入口联接到储热水罐出口，供暖水循环泵出口联接到用户散热系统供水口，用户散热系统回水口联接到储热水罐进口；所述信息、智能感知、智能控制系统包括控制器、室内温控器、气温传感器，光伏并网逆变器通过总线联接到控制器，光伏并网逆变器的状态信息通过总线送到控制器，光伏并网逆变器的状态信息主要包括光伏发电功率、光伏发电量、电压、电流，热泵机组通过总线联接到控制器，热泵机组的状态信息通过总线送到控制器，热泵机组的状态信息包括耗电功率、耗电量、供热功率、供热量、电压、电流、蒸发温度、冷凝温度，储热水罐温度信号联接到控制器，储热水罐的温度信号是温度梯度信号；蓄电池并网变流器通过总线联接到控制器，蓄电池并网变流器的状态信息通过总线送到控制器，蓄电池并网变流器的状态信息包括蓄电池组充电电功率、蓄电池并网变流器送到交流电母线的电功率、蓄电池组电量、电压、电流，室内温控器通过总线联接到控制器，室内温控器的状态信息通过总线送到控制器，室内温控器的状态信息包括室内温度设定值、室内温度；气温传感器气温信号联接到控制器；控制器控制信号联接到热泵机组压缩机变频器频率给定端；控制器控制信息通过总线联接到蓄电池并网变流器控制信号，控制器控制信息包括蓄电池组充电电功率、蓄电池并网变流器送到交流电母线的电功率；控制器与蓄电池并网变流器控制信号的联接总线、控制器与蓄电池并网变流器联接总线，可以共用；系统有三种运行模式，分别是：净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式，净零碳运行模式：光伏发电发出的电能与建筑物电负荷消耗的电能相匹配，白天光伏发电发出的电能一部分供给负荷，另一部分存储于蓄电池，夜间由蓄电池给负荷供电，整个系统不吸收电网电能，可以孤网运行，实现建筑物碳中和；净发电运行模式：光伏发电容量足够大，发出的电能大于负荷消耗的电能，白天光伏发电发出的电能一部分供给负荷，另一部分存储于蓄电池，蓄电池存储的电能足够夜间负荷消耗的电能，多出的电能送入电网，光伏发电发出的电能不仅满足负荷消耗的电能，而且还有一部分电能送入电网，尤其是在夏季，没有供暖负荷，光伏发电发出的电能除自用外全部送入电网；净负载运行模式：光伏发电容量有限，发出的电能小于负荷消耗的电能，负荷消耗的电能大于光伏发电发出的电能，差额部分由电网供给，发挥储能作用，结合峰谷分时段电价政策，通过智能控制，实现电费最低；光伏发电每天发电量受到日照时间、气象条件的影响，建筑物需热量和供热量受到气象条件的影响，源网荷储热泵供暖系统智能感知光伏发电量、建筑物需热量和供热量，智能控制源网荷储热泵供暖系统的净零碳运行模式、净发电运行模式和净负载运行模式。
2.根据权利要求1所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：把传感器嵌入到光伏发电、公用电网、储热水罐、多源热泵供暖系统、家居建筑、室外环境有关物体中，并且被连接形成“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现物理系统的整合与人机对话；所述传感器有：光伏发电的电压、电流、发电功率、发电电量，公用电网的电压、电流、供电功率、供电电量，储热水罐的温度，多源热泵供暖系统的蒸发温度、冷凝温度、液体循环，家居建筑的室内温度，室外环境的气温传感器。
3.根据权利要求1所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：源网荷储热泵供暖系统中的热泵供暖，采用铝排管集热器的多源热泵供暖，集热器不设透光和保温材料，通过控制集热器运行温度低于气温，实现用同一个集热器同时吸收太阳能、空气能、风能和环境能，智能控制集热器温度高于露点温度；集热器中流动的是制热剂或防冻液，集热器吸收的太阳能、空气能、风能和环境能，通过热泵，转换为能够供暖的高温热能，再经过换热器传递到储热水罐再循环供暖。
4.根据权利要求2所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：物联网一方面把源、网、荷、储、热泵供暖、环境状态传感器进行连接，另一方面具有智能处理的能力，将传感器和智能处理相结合，利用智能技术，能够对源、网、荷、储、热泵供暖实施智能控制；从传感器获得的信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，通过机器学习实现供暖系统智能感知与智能控制。
5.根据权利要求1所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：净负载运行模式，光伏发电额定功率小于负荷功率，光伏发电量不足负荷消耗量，电网需要供给负荷一部分电能，负荷主要是热泵供暖电负荷；结合“煤改电”峰谷分时电价政策，峰时段，光伏发电与峰时段负荷曲线基本相吻合，光伏发电全部用于驱动负荷，热泵产生的热能存储于储热水罐，供暖循环水热源来自于储热水罐存储的热能，整个供暖系统峰时段不从电网吸收电能；谷时段，通过机器学习，神经网络智能感知一天的建筑物需热量和光伏发电驱动负荷多源热泵产生的热量，估计出来需要从电网供给的能量，电网供给的能量也存储于储热水罐，智能控制峰时段不消耗电网电能。
6.根据权利要求1所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：净零碳运行模式，光伏发电发出的电能与负荷消耗的电能相匹配，白天光伏发电发出的电能除供给负荷外，多余部分存储于蓄电池，夜间由蓄电池给负荷供电，整个系统不吸收电网电能，也不向电网发电，可以离网运行；建筑物能量消耗来源于光伏发电和热泵吸收的太阳能、空气能、风能和环境能，建筑物能量消耗全部来自于可再生能源，实现建筑物净零碳运行的碳中和；储能设施包含蓄电池和储热水罐，蓄电池存储电能，储热水罐存储热能。
7.根据权利要求1所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：净发电运行模式，光伏发电发出的电能一部分供给负荷，一部分送入电网，一部分存储于蓄电池，光伏发电容量足够大，发出的电能除负荷消耗外，多余部分送入电网。
8.根据权利要求1或2所述的源网荷储热泵供暖系统，其特征是：智能感知、智能控制系统构建有多层感知的机器学习模型，智能控制储能部件的储存与放出能量，包括储热水罐存储热能与放出热能、蓄电池存储电能和放出电能；利用储热水罐大的热惯性特征，实现室温与源网荷储的解偶控制，供暖水系统的循环控制室温，室温控制器只控制供暖水系统循环泵，室温的控制与源网荷储状态不发生关系，室温控制与源网荷储的控制是解偶的；多层感知的机器学习模型输入层由气温、室温、室温设定值组成，输出层包括储热水罐水温，智能控制储热水罐水温。
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