CN114322037A - 一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站及运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，包括污水源热泵系统、辅助系统、储能系统和太阳能辅热系统。还公开了该节能型工业能源站的运行控制方法。本发明利用蓄能水箱向空调用户提供能量（夏季提供冷量，冬季提供热量），一方面可以减少空调用户负荷波动对热泵机组（污水源热泵机组和风冷源热泵机组）的影响，使热泵机组始终处于高效工作区间；另一方面，热泵机组可以利用低谷电进行制冷或制热并储存在蓄能水箱，减少用电成本。

Description

一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站及运行控 制方法

技术领域

本发明涉及综合能源利用技术领域，具体涉及一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站及运行控制方法。

背景技术

目前，工业能源站的建设是国家推进能源生产消费革命的重要一环。国家为发展多主体联动的综合能源系统提供了政策支持，鼓励电、热、气等多种能源形态协同转化，明确了建设综合能源网络基础设施的重要性，但是现在工业园区中还是以中央空调系统为主。

国内大部分工业园区的中央空调冷热源系统还是粗放式的，夏季采用空调进行制冷，或者采用制冷机房进行制冷，需由建设单位根据设计院的初步设计采购制冷机房主要设备，然后由机电安装公司在现场安装机电工程，用电量高，造成供电不足；冬季供暖系统则是由市政供热公司集中供暖，而市政供暖主要还是采用烧煤，造成严重的空气污染。工业园区产生的污水被直接排放，造成资源的浪费。现在在夏季和冬季的用电高峰期通常是采用局部限电的方式来缓解，给人们的生活带来极大的不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种运行成本低、环境友好型的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，还提供了该节能型工业能源站的运行控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，包括污水源热泵系统、辅助系统和储能系统；所述污水源热泵系统包括污水换热器和污水池，所述污水池通过设有自吸泵的污水管与所述污水换热器的进水端连接，所述污水换热器的出水端与污水池的出口处连接，所述污水换热器的制冷剂入口和出口分别连接有进液管和安装有冷热源循环泵的回液管，在所述进液管上并联有分流管Ⅰ和分流管Ⅱ，所述回液管的末端并联设有回流管Ⅰ和回流管Ⅱ，所述回流管Ⅰ和分流管Ⅰ与污水源热泵机组内的冷凝器连接，所述回流管Ⅱ和分流管Ⅱ与污水源热泵机组内的蒸发器连接；在回流管Ⅰ上分别设有电动阀门V1和电动阀门V4，在回流管Ⅱ上分别设有电动阀门V2和电动阀门V3，在分流管Ⅰ上分别设有电动阀门V5和电动阀门V8，在分流管Ⅱ上分别设有电动阀门V6和电动阀门V7；

所述储能系统包括与自来水管连接的蓄能水箱；所述蓄能水箱通过循环回水管与回流管Ⅰ和回流管Ⅱ连通，其另一侧通过循环供水管与分流管Ⅰ和分流管Ⅱ连通；所述蓄能水箱还连接有采暖供水管道和采暖回水管道；

所述辅助系统为与所述蓄能水箱循环连接的风冷热泵机组，在所述风冷热泵机组的进水管上设有辅助能源循环泵。

针对上述技术方案，污水源热泵系统充分利用污水进行热量交换，和辅助系统一起用来对蓄能水箱内的自来水进行制热或制冷，节约大量的一次能源，降低运行成本；储能系统可用来储能（蓄热或蓄冷），减少用能高峰期对风冷热泵机组的冲击，同时降低用电高峰期的压力。

优选的，还包括太阳能辅热系统。

优选的，所述太阳能辅热系统包括太阳能储热水箱、通过连接管与所述太阳能储热水箱连接的太阳能集热器和设置在所述污水源热泵机组内的热回收换热器；所述热回收换热器的进水端通过出水管与太阳能集热器的出水口连接，其出水端通过加热管与太阳能出热水箱连接；所述太阳能储热水箱还分别连接有自来水补水管路、热水回水管路和热水给谁管路。

太阳能辅热系统在冬天用来对生活用水进行加热，太阳能集热器充分利用太阳能，热回收换热器充分利用污水源热泵机组内的余热，共同对生活用水进行加热，同时解决了冬季太阳能集热不足的弊端。

优选的，所述蓄能水箱还连接有工业耗能端，在蓄能水箱与工业耗能端之间设有耗热换热器。冬季，蓄能水箱内的热水通过耗热换热器与工业耗能端进行热交换，从而对工业耗能端进行加热，例如发酵池。

优选的，在所述污水管上设有旋流除沙器。用来对污水中的泥沙进行过滤，对污水换热器起到保护作用。

一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站的运行控制方法，包括夏季运行方法和冬季运行方法；

夏季运行方法，包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制冷，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V1和电动阀门V5，进入冷凝器中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池内的污水进行热交换，使制冷剂温度降低；

②打开电动阀门V3和电动阀门V7，进入蓄能水箱中的自来水经过蒸发器制冷后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行冷源储能；

（2）辅助系统制冷：风冷热泵机组开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步制冷，同时蓄能水箱进行储能；

（3）蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行制冷；

冬季运行方法：冬季空调热负荷低，但加热负荷大，白天通过开启污水源热泵系统以及太阳能辅热系统进行供暖和生产用水加热，夜晚开启辅助系统和储能系统进行供暖。

优选的，冬季运行方法包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制热，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V2和电动阀门V6，进入蒸发器中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池内的污水进行热交换，使制冷剂温度升高；

②打开电动阀门V4和电动阀门V8，进入蓄能水箱中的自来水经过冷凝器加热后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行热源储能，蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行取暖；

（2）太阳能辅热系统：太阳能储热水箱中的水经过太阳能集热器进行加热后，再经过热回收换热器进一步加热回流至太阳能储热水箱，由热水给水管路进入用户，对生生用水进行加热；

（3）辅助系统制热：风冷热泵机组开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步加热，同时蓄能水箱进行储能，用来满足夜间供暖需求。

本发明的有益效果是：

本发明利用工厂废水作为主机冷热源，通过输入少量的电能，回收排放废水中大量低位能源，将其转化成高位的能源供给空调（或其他）系统使用，从而降低用户的能源使用费用。同时利用太阳能集热器采集太阳热量，将系统采集到的热量传输到保温热水箱中，并匹配当量的风冷热泵机组（防止冬季太阳能集热不足的问题），一年四季保证太阳能储热水箱中稳定的温度和水量。

本发明利用太阳能、空气能和余热能向工业园区内提供热量和冷量能够节约大量的一次能源和减少能源消耗，降低运行成本的同时减少污染物的排放。储能（蓄热或蓄冷）能够减少用能高峰时刻对供能机组的冲击和减少供能机组的安装负荷，同时，可以利用夜晚低谷电来生产热量（或冷量），减少白天电力消耗，降低生产成本。将太阳能、空气能和余热能综合利用向园区提供热量实现（冷量）、并采用蓄能方式，利用不同的运行方式使一次能源消耗量最小，降低生产运行成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为污水源热泵机组内制冷剂的工作原理图。

图中：1污水池，2自吸泵，3冷热源循环泵，4回液管，5污水源热泵机组，6蒸发器，7冷凝器，8热回收换热器，9太阳能集热器，10太阳能储能热水箱，11蓄能水箱，12风冷热泵机组，13耗能端，14旋流除沙器，15污水管，16进液管，17循环回水管，18回流管Ⅰ，19回流管Ⅱ，20循环供水管，21分流管Ⅰ，22分流管Ⅱ，23出水管，24连接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1所示，一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，包括污水源热泵系统、辅助系统、储能系统和太阳能辅热系统。

污水源热泵系统包括污水换热器和污水池1，污水池1通过设有自吸泵2的污水管15与污水换热器的进水端连接，在污水管15上设有旋流除沙器14。污水换热器的出水端与污水池1的出口处连接，污水换热器的制冷剂入口和出口分别连接有进液管16和安装有冷热源循环泵3的回液管4，在进液管16上并联有分流管Ⅰ21和分流管Ⅱ22，回液管4的末端并联设有回流管Ⅰ18和回流管Ⅱ19，回流管Ⅰ18和分流管Ⅰ21与污水源热泵机组5内的冷凝器7连接，回流管Ⅱ19和分流管Ⅱ22与污水源热泵机组5内的蒸发器6连接；在回流管Ⅰ18上分别设有电动阀门V1和电动阀门V4，在回流管Ⅱ19上分别设有电动阀门V2和电动阀门V3，在分流管Ⅰ21上分别设有电动阀门V5和电动阀门V8，在分流管Ⅱ22上分别设有电动阀门V6和电动阀门V7。

储能系统包括与自来水管连接的蓄能水箱11；蓄能水箱11通过循环回水管17与回流管Ⅰ18和回流管Ⅱ19连通，其另一侧通过循环供水管20与分流管Ⅰ21和分流管Ⅱ22连通；蓄能水箱11还连接有采暖供水管道和采暖回水管道，为用户端提供热源或冷源；蓄能水箱11还可连接工业耗能端13，在蓄能水箱11与工业耗能端13之间设有耗热换热器，对工业耗能端13进行加热。

辅助系统为与蓄能水箱11循环连接的风冷热泵机组12，在风冷热泵机组12的进水管上设有辅助能源循环泵。

太阳能辅热系统包括太阳能储热水箱10、通过连接管24与太阳能储热水箱10连接的太阳能集热器9和设置在污水源热泵机组5内的热回收换热器8；热回收换热器8的进水端通过出水管23与太阳能集热器9的出水口连接，其出水端通过加热管与太阳能出热水箱连接；太阳能储热水箱10还分别连接有自来水补水管路、热水回水管路和热水给谁管路。

如图2所示，污水源热泵系统中制冷剂的循环原理：储液罐内的高温高压液态制冷剂经膨胀阀节流降压后变成低温低压液体进入蒸发器6，变成低温低压的气体进入压缩机后变成高温高压的气体；从压缩机中排出的高温高压气态制冷剂通过热回收换热器8，在热回收换热器8中与待加热的水进行热交换，使制冷剂的温度下降，水被加热，然后较低温度的高压气态制冷剂进入冷凝器7被进一步冷却成液体。

该节能型工业能源站的工作原理：在夏季时，

污水源热泵机组5采用制冷模式，高温高压的制冷剂蒸气被30℃的污水在污水换热器中进行换热后冷却，在进入冷凝器7进一步冷却，充分利用污水中的低能热，节约能源。进入蓄能水箱中的自来水经过蒸发器6进行冷却，再回流至蓄能水箱；同时风冷热泵机组12采用制冷模式，对蓄能水箱中的水进一步制冷，满足制冷需求；蓄能水箱同时进行蓄冷。

在冬季时：

污水源热泵机组5采用制热模式，高温高压的制冷剂蒸气与12℃的污水在污水换热器中进行换热被加热，在进入冷凝器7进一步加热，充分利用污水中的热能，节约能源。进入蓄能水箱中的自来水经过冷凝器7进行加热，再回流至蓄能水箱；同时风冷热泵机组12采用加热模式，对蓄能水箱中的水进一步加热，满足供暖需求；蓄能水箱同时进行蓄热。

太阳能集热器9和热回收换热器8共同对自来水进行加热，满足冬季工业用户的热水需求。

自吸泵2、污水换热器、冷热源循环泵3、水箱循环泵、污水源热源机组、风冷热泵机组12、电动阀门V1、电动阀门V2、电动阀门V3、电动阀门V4、电动阀门V5、电动阀门V6、电动阀门V7、电动阀门V8、耗能换热器均连接有控制器。控制器为现有技术，其连接方式和工作方式均为常规方式。

实施例2

一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站的运行控制方法，包括夏季运行方法和冬季运行方法；

夏季运行方法，包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制冷，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V1和电动阀门V5，进入冷凝器7中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池1内的污水进行热交换，使制冷剂温度降低；

②打开电动阀门V3和电动阀门V7，进入蓄能水箱中的自来水经过蒸发器6制冷后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行冷源储能；

（2）辅助系统制冷：风冷热泵机组12开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步制冷，同时蓄能水箱进行储能；

（3）蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行制冷。

污水池1内的污水经过污水管15在自吸泵2的作用下进入污水换热器与制冷剂进行热交换，之后回流至污水池1的出口处；污水源热泵机组5中的制冷剂经过进液管16进入污水换热器中与污水进行热交换，使污水由30℃变成35℃，制冷剂由12℃变成7℃，冷热源循环泵3通过电动阀门V1进入冷凝器7进一步冷却，达到节能的效果。

进入蓄能水箱的自来水经过循环回水管17经过水箱循环泵、电动阀门V3进入蒸发器6被冷却，再经过电动阀门V7沿循环供水管20回流至蓄能水箱；风冷热泵机组12对蓄能水箱中的自来水再进一步冷却，蓄能水箱中的自来水通过采暖供水管道为用户提供冷源。

实施例3

一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站的运行控制方法，其冬季运行方法为：冬季空调热负荷低，但加热负荷大，白天通过开启污水源热泵系统以及太阳能辅热系统进行供暖和生产用水加热，夜晚开启辅助系统和储能系统进行供暖。

具体的冬季运行方法包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制热，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V2和电动阀门V6，进入蒸发器6中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池1内的污水进行热交换，使制冷剂温度升高；

②打开电动阀门V4和电动阀门V8，进入蓄能水箱中的自来水经过冷凝器7加热后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行热源储能，蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行取暖；

（2）太阳能辅热系统：太阳能储热水箱10中的水经过太阳能集热器9进行加热后，再经过热回收换热器8进一步加热回流至太阳能储热水箱10，由热水给水管路进入用户，对生生用水进行加热；

（3）辅助系统制热：风冷热泵机组12开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步加热，同时蓄能水箱进行储能，用来满足夜间供暖需求。

污水池1内的污水经过污水管15在自吸泵2的作用下进入污水换热器与制冷剂进行热交换，之后回流至污水池1的出口处；污水源热泵机组5中的制冷剂经过进液管16进入污水换热器中与污水进行热交换，使污水由12℃变成7℃，制冷剂由3℃变成8℃，冷热源循环泵3通过电动阀门V2进入蒸发器6进一步加热，达到节能的效果。

进入蓄能水箱的自来水经过循环回水管17经过水箱循环泵、电动阀门V4进入冷凝器7被加热，再经过电动阀门V8沿循环供水管20回流至蓄能水箱；风冷热泵机组12对蓄能水箱中的自来水再进一步加热，蓄能水箱中的自来水通过采暖供水管道为用户供暖。同时蓄能水箱也可为工业园区内的其他耗能端13提供热源，例如发酵池，冬季室温较低，发酵池需要热量来维持池内温度，蓄能水箱中的热水通过耗能换热器来维持发酵池内温度稳定在25℃。

实施例4

某一工厂总建筑面积为10608.9平方米，包括办公区以及生活区，空调使用面积约为8500平方米。建筑物的夏季空调冷负荷为850kW，冬季空调热负荷为680kW，生活热水最大需求量10吨/h。在工业能源站内，设计有采用太阳能、空气能、污水源热泵技术，同时配置有蓄能系统。为了减少运行设备功耗，空调系统采用大温差小流量运行模式。由于此系统运行过程复杂，可以利用云管理平台在线监测系统运行参数和能效，亦可实现远程控制，故障提醒及时发送，不仅降低系统管理费用，同时使设备在最优状态长期稳定运行，延长设备的使用寿命。

水源热泵机组以及四台风冷模块机组进行制冷，当用冷量下降时，可根据用冷实时负荷选择关闭风冷模块以及水源热泵，以此减少能耗。同时蓄能水箱11进行蓄能，待负荷最高时释放出去。以此降低用冷高峰期的冷量需求。这样可使整个系统在满足用冷需求的同时，也可降低能耗，节约能源，提高系统整体效率。污水源热泵机组52台夏季全天运行12小时，功率78.77kw；四台风冷热泵机组12按每天运行12小时，功率40.7kw；另有水泵数台，功率94kw。夏季供冷时间按100天计算。电费0.8元/度，运行费用总计约为445766.4元。

冬季空调热负荷较冷负荷低，但加热负荷很大，白天可通过只开启2台污水源热泵机组5以及4台风冷热泵机组12即可全部满足供暖和生产用水加热，夜晚开启四台风冷热泵机组12和蓄能水箱则可满足供暖需求。冬季室温较低，发酵池需要热量来维持池内温度，热水通过耗能换热器来维持发酵池内温度稳定在25摄氏度。污水源热泵机组2台冬季白天运行12小时，功率为99.57kw；风冷模块4台，白天运行12小时，夜晚四台风冷模块运行12小时，功率为41.8kw。水泵数台，功率94kw。

冬季供暖时间按120天计算，电费0.8元/度，运行费用约为587911.68元。另有热水加热系统加热费用240000元。采暖和加热共计费用约827911.68元。

在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件，所涉及的结构设置方式、工作方式或控制方式如无特别说明，均为本领域常规的设置方式、工作方式或控制方式。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，其特征在于，包括污水源热泵系统、辅助系统和储能系统；所述污水源热泵系统包括污水换热器和污水池，所述污水池通过设有自吸泵的污水管与所述污水换热器的进水端连接，所述污水换热器的出水端与污水池的出口处连接，所述污水换热器的制冷剂入口和出口分别连接有进液管和安装有冷热源循环泵的回液管，在所述进液管上并联有分流管Ⅰ和分流管Ⅱ，所述回液管的末端并联设有回流管Ⅰ和回流管Ⅱ，所述回流管Ⅰ和分流管Ⅰ与污水源热泵机组内的冷凝器连接，所述回流管Ⅱ和分流管Ⅱ与污水源热泵机组内的蒸发器连接；在回流管Ⅰ上分别设有电动阀门V1和电动阀门V4，在回流管Ⅱ上分别设有电动阀门V2和电动阀门V3，在分流管Ⅰ上分别设有电动阀门V5和电动阀门V8，在分流管Ⅱ上分别设有电动阀门V6和电动阀门V7；

所述储能系统包括与自来水管连接的蓄能水箱；所述蓄能水箱通过循环回水管与回流管Ⅰ和回流管Ⅱ连通，其另一侧通过循环供水管与分流管Ⅰ和分流管Ⅱ连通；所述蓄能水箱还连接有采暖供水管道和采暖回水管道；

所述辅助系统为与所述蓄能水箱循环连接的风冷热泵机组，在所述风冷热泵机组的进水管上设有辅助能源循环泵。

2.根据权利要求1所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，其特征在于，还包括太阳能辅热系统。

3.根据权利要求2所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，其特征在于，所述太阳能辅热系统包括太阳能储热水箱、通过连接管与所述太阳能储热水箱连接的太阳能集热器和设置在所述污水源热泵机组内的热回收换热器；所述热回收换热器的进水端通过出水管与太阳能集热器的出水口连接，其出水端通过加热管与太阳能出热水箱连接；所述太阳能储热水箱还分别连接有自来水补水管路、热水回水管路和热水给水管路。

4.根据权利要求1所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，其特征在于，所述蓄能水箱还连接有工业耗能端，在蓄能水箱与工业耗能端之间设有耗热换热器。

5.根据权利要求1所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站，其特征在于，在所述污水管上设有旋流除沙器。

6.根据权利要求1-5任一所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站的运行控制方法，其特征在于，包括夏季运行方法和冬季运行方法；

夏季运行方法，包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制冷，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V1和电动阀门V5，进入冷凝器中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池内的污水进行热交换，使制冷剂温度降低；

②打开电动阀门V3和电动阀门V7，进入蓄能水箱中的自来水经过蒸发器制冷后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行冷源储能；

（2）辅助系统制冷：风冷热泵机组开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步制冷，同时蓄能水箱进行储能；

（3）蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行制冷；

冬季运行方法：冬季空调热负荷低，但加热负荷大，白天通过开启污水源热泵系统以及太阳能辅热系统进行供暖和生产用水加热，夜晚开启辅助系统和储能系统进行供暖。

7.根据权利要求6所述的利用余热回收和清洁能源的节能型工业能源站的运行控制方法，其特征在于，冬季运行方法包括以下步骤：

（1）开启污水源热泵系统进行制热，同时开始储能系统进行蓄能：

①打开电动阀门V2和电动阀门V6，进入蒸发器中的制冷剂通过换热器Ⅰ与污水池内的污水进行热交换，使制冷剂温度升高；

②打开电动阀门V4和电动阀门V8，进入蓄能水箱中的自来水经过冷凝器加热后再回流至蓄能水箱，蓄能水箱进行热源储能，蓄能水箱中的水通过采暖供水管道进入用户进行取暖；

（2）太阳能辅热系统：太阳能储热水箱中的水经过太阳能集热器进行加热后，再经过热回收换热器进一步加热回流至太阳能储热水箱，由热水给水管路进入用户，对生生用水进行加热；

（3）辅助系统制热：风冷热泵机组开启，用于对蓄能水箱中的水进行进一步加热，同时蓄能水箱进行储能，用来满足夜间供暖需求。

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