CN114623487A - 一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及实现方法，其以太阳能为主要能源，以液氨制氢为补充能源为建筑供能并提高环境舒适度，实现了零碳排放，高能效、经济性好，其特征在于：其包括光伏电池，所述光伏电池通过DC‑AC逆变器连接建筑的电网，所述光伏电池还通过DC‑DC变换器连接水电解制氢系统，所述水电解制氢系统连接燃料电池系统，所述燃料电池系统通过DC‑AC逆变器连接建筑的电网，所述燃料电池系统还与液氨催化制氢补能系统连接，所述水电解制氢系统还与储热水箱连接。

Description

一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及实现 方法
技术领域
本发明涉及建筑供能相关技术领域，具体涉及一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及实现方法。
背景技术
由于化石能源的大量使用，使得地球气候受到温室效应的巨大影响，这已经开始危及到人类和自然界生物的生存。基于2016年巴黎公约的要求，期望到本世纪末地球温度的升高能控制在1.5℃以内。因此，在人类社会活动的每一个环节都需要减少的化石能源使用。
建筑的供能主要包括供电和供热/冷，如果能采用无碳排放的供电系统，同时又能保证人体的舒适性，而且在经济性上具有相当的竞争力，这无疑会对减排做出巨大的贡献。因此，当前亟需设计一种能够实现无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及设计相应的实现方法。
发明内容
为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统以及实现方法，其以太阳能为主要能源，以液氨制氢为补充能源为建筑供能并提高环境舒适度，实现了零碳排放，高能效、经济性好。
其技术方案是这样的：
一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：其包括光伏电池，所述光伏电池通过DC-AC逆变器连接建筑的电网，所述光伏电池还通过DC-DC变换器连接水电解制氢系统，所述水电解制氢系统连接燃料电池系统，所述燃料电池系统通过DC-AC逆变器连接建筑的电网，所述燃料电池系统还与液氨催化制氢补能系统连接，所述水电解制氢系统还与储热水箱连接。
进一步的，所述水电解制氢系统包括电解槽，所述电解槽连接DC-DC变换器，所述电解槽还依次与电解槽水-水热交换器、电解槽供水水泵、电解槽水箱连接，所述电解槽还通过氧气除湿器、氧气压缩机连接氧气瓶，所述电解槽还通过氢气除湿器、氢气压缩机连接氢气瓶，所述电解槽水-水热交换器还连接储热水箱。
进一步的，所述液氨催化制氢补能系统包括液氨罐、液氨泵、液氨汽化器、氨气换热器、燃烧器、氨催化反应器、氨气吸附过滤装置。
进一步的，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆依次连接空气增湿器、鼓风机、空气过滤器，所述燃料电池堆还连接氢气增湿器，所述氢气增湿器还通过氢气输入管分别与水电解制氢系统和液氨催化制氢补能系统的氢气输出管连接，所述燃料电池堆还连接DC-AC逆变器。
进一步的，所述氢气增湿器还依次连接有电堆水-水热交换器、电堆冷却水泵和电堆水箱，所述电堆水-水热交换器通过热水泵连接电解槽水-水热交换器。
进一步的，所述燃料电池堆还连接燃烧器。
进一步的，基于上述系统的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其包括以下模式：白天模式、夜晚模式和室内模式。
进一步的，所述白天模式，其包括以下步骤：
步骤1-1、通过光伏电池和DC-AC逆变器将太阳能转换成交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑白天的能耗；
步骤1-2、通过光伏电池和DC-DC变换器将太阳能转换成直流电输出至水电解制氢系统，水电解制氢系统产生氢气和氧气，氢气和氧气被分别压缩到氢气瓶和氧气瓶中存储；
步骤1-3、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑白天的能耗。
进一步的，所述夜晚模式，其包括以下步骤：
步骤2-1、将氢气瓶中的氢气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑夜晚的能耗；
步骤2-2、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑夜晚的能耗。
进一步的，所述室内模式，其包括以下部分：
1、如果监测到氧气浓度偏低或二氧化碳浓度偏高时，则将氧气瓶中的氧气混入到被中央空调系统净化过的空气中，并与上述空气一同送入到房间内；
2、将储热水箱中的热水用于建筑所需的生活热水和冬季供暖；
3、将液氨催化制氢补能系统中的冷量由中央空调系统输入室内，用于房间供冷。
本发明的有益效果为：
1、本发明中以本系统为基础实现三种工作模式即以太阳能为主要能源，利用光伏电池为建筑白天提供能源，并且通过光伏电池给水电解制氢系统供电产生并存储氧气和氢气，夜晚将氢气输入燃料电池系统，燃料电池系统为建筑夜晚提供能源，同时利用液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气并输入燃料电池系统产生电能用于补充建筑的能耗；上述系统以及方法实现了为建筑供能，达到了零碳排放，效能高、经济性好的技术效果。
2、本发明同时还将水电解制氢系统产生的氧气供给室内、将燃料电池系统和水电解制氢系统产生的废热以热水的形式存储在储热水箱中以用于建筑所需的生活热水和冬季供暖、在夏季将液氨中的冷量通过中央空调带入室内、将燃料电池堆的氢气尾气供给液氨催化制氢补能系统的燃烧器，进一步实现了系统的高能效和提高了舒适性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为燃料电池系统的示意图；
图3为DC-AC逆变器的示意图；
图4为光伏电池的示意图；
图5为 DC-DC变换器的示意图；
图6为水电解制氢系统的示意图；
图7为储热水箱的示意图；
图8为液氨制氢系统的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。
图1为本发明的整体结构示意图，一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其包括光伏电池11，所述光伏电池11通过DC-AC逆变器10连接建筑的电网，所述光伏电池11还通过DC-DC变换器29连接水电解制氢系统，所述水电解制氢系统连接燃料电池系统，所述燃料电池系统通过DC-AC逆变器10连接建筑的电网，所述燃料电池系统还与液氨催化制氢补能系统连接，所述水电解制氢系统还与储热水箱21连接。
本发明系统的具体结构如下：
图2-8为本系统中各个部分的示意图，图中所述液氨催化制氢补能系统的氢气输出管、水电解制氢系统的氢气输出管和燃料电池系统的氢气输入管在A处连接；所述燃料电池系统的燃料电池堆4输出的电能与DC-AC逆变器10在B处电连接；所述燃料电池系统的冷却水管路与水电解制氢系统的冷却水管路在C处连接；所述燃料电池系统的燃料电池堆4的氢气尾气排气管与液氨催化制氢补能系统的燃烧器26在D处管路连接；所述光伏电池11与DC-AC逆变器10在E处电连接；所述光伏电池11与DC-DC变换器29在F处电连接；所述DC-DC变换器29与水电解制氢系统的电解槽14在H处电连接；所述水电解制氢系统的电解槽水-水热交换器13的冷却水管路与储热水箱21的进水管路在G处连接。
如图3-5所示，光伏电池11将太阳能转换成直流电能其中一部分通过E处被送入DC-AC逆变器10中被逆变成交流电直接供给用户在白天使用；另一部分通过F处被送入DC-DC变换器29被变换成所需电压的直流电，该直流电再通过H处被输送给水电解制氢系统的电解槽14进行水电解反应。
如图6所示，所述水电解制氢系统包括电解槽14，所述电解槽14连接DC-DC变换器29，所述电解槽14还依次与电解槽水-水热交换器13、电解槽供水水泵30、电解槽水箱12连接，所述电解槽14还通过氧气除湿器15、氧气压缩机16连接氧气瓶17，所述电解槽14还通过氢气除湿器18、氢气压缩机19连接氢气瓶20，所述电解槽水-水热交换器13还连接储热水箱21。
所述水电解制氢系统的工作原理：水电解制氢系统的电解槽供水水泵30将电解槽水箱12中的去离子水送入电解槽14的阳极进行电化学反应生成氧气；多余的去离子水将电解槽14产生的热量带出，再进入电解槽水-水热交换器13，将电解产生的热量释放给由C处进入的自来水；产生的氧气通过氧气除湿器15变成干燥的氧气，经由氧气压缩机16被压缩到氧气瓶17中，在需要时氧气被减压释放出来；在电解槽14的阴极进行电化学反应生成的氢气通过氢气除湿器18变成干燥的氢气，经由氢气压缩机19被压缩到氢气瓶20中，在晚上，氢气被减压释放出来，在A处和来自液氨催化制氢补能系统的混合气一同被送入到燃料电池系统的燃料电池堆4中进行电化学反应发电。如图7所示，自来水进一步在热水泵9的压力作用下从G处被送入到储热水箱21中，在需要时热水被释放出来。
如图8所示，所述液氨催化制氢补能系统包括液氨罐22、液氨泵23、液氨汽化器24、氨气换热器25、燃烧器26、氨催化反应器27、氨气吸附过滤装置28。
所述液氨催化制氢补能系统的工作原理：液氨催化制氢补能系统的液氨泵23将液氨罐22中的液氨送入液氨汽化器24中吸热后变成氨气，氨气进一步通过氨气换热器25吸收热量，然后氨气中的一小部分进入燃烧器26进行燃烧，为氨催化反应器27提供热量，而氨气中的大部分则进入氨催化反应器27被催化反应成含有氮气的富氢混合气，富氢混合气通过氨气换热器25向氨气放出热量，再通过液氨汽化器24向液氨放热后进一步被降温，然后富氢混合气进入氨气吸附过滤装置28将其中残留的微量氨气去除，再通过A处和来自水电解制氢系统的氢气一同进入燃料电池系统，为燃料电池堆4的发电提供燃料。燃料电池堆4发电后排出的氢气尾气从D处被送入燃烧器26中与氨气一起燃烧为氨催化反应器27提供反应所需的热量。
如图2所示，所述燃料电池系统包括燃料电池堆4，所述燃料电池堆4依次连接空气增湿器3、鼓风机2、空气过滤器1，所述燃料电池堆4还连接氢气增湿器5，所述氢气增湿器5还通过氢气输入管分别与水电解制氢系统和液氨催化制氢补能系统的氢气输出管连接，所述燃料电池堆4还连接DC-AC逆变器10，所述氢气增湿器5还依次连接有电堆水-水热交换器8、电堆冷却水泵6和电堆水箱7，所述电堆水-水热交换器8通过热水泵9连接电解槽水-水热交换器13；所述燃料电池堆4还连接燃烧器26。
所述燃料电池系统的工作原理：由大气中来的新鲜空气通过空气过滤器1被鼓风机2送入到空气增湿器3中与燃料电池堆4排出的空气尾气进行热湿交换，新鲜空气在温度和湿度升高后进入燃料电池堆4的阴极进行电化学反应；从液氨催化制氢补能系统和水电解制氢系统输出的富氢混合气从A处进入到燃料电池系统的氢气增湿器5中进行吸热吸湿，富氢混合气在温度和湿度被提高后进入燃料电池堆4的阳极进行电化学反应，反应后剩余的氢气尾气通过D处被送入到液氨催化制氢补能系统的燃烧器26中被燃烧；燃料电池堆4通过电化学反应生成的直流电在B处被输入到DC-AC逆变器10中被逆变成交流电供给用户使用；电堆冷却水泵6将存储在电堆水箱7中的去离子水送入燃料电池堆4中吸收其放出的废热，吸收热量的去离子水再进入氢气增湿器5与富氢混合气进行热湿度交换，从而释放出小部分热量和水分，这之后去离子水再进入电堆水-水热交换器8将来自燃料电池堆的热量释放给来自管网的自来水，自来水被热水泵9从C处送入电解槽水-水热交换器13中。
基于上述系统的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其包括以下模式：白天模式、夜晚模式和室内模式。
所述白天模式，其包括以下步骤：
步骤1-1、通过光伏电池和DC-AC逆变器将太阳能转换成交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑白天的能耗；
步骤1-2、通过光伏电池和DC-DC变换器将太阳能转换成直流电输出至水电解制氢系统，水电解制氢系统产生氢气和氧气，氢气和氧气被分别压缩到氢气瓶和氧气瓶中存储；
步骤1-3、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑白天的能耗。
所述夜晚模式，其包括以下步骤：
步骤2-1、将氢气瓶中的氢气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑白天的能耗；
步骤2-2、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑夜晚的能耗。
所述室内模式，其包括以下部分：
1、如果监测到氧气浓度偏低或二氧化碳浓度偏高时，则将氧气瓶中的氧气混入到被中央空调系统净化过的空气中，并与上述空气一同送入到房间内；
2、将储热水箱中的热水用于建筑所需的生活热水和冬季供暖；
3、将液氨催化制氢补能系统中的冷量由中央空调系统输入室内，用于为房间供冷。
本发明中以太阳能为主要能源，利用光伏电池为建筑白天提供能源，并且通过光伏电池给水电解制氢系统供电产生并存储氧气和氢气，夜晚将氢气输入燃料电池系统，燃料电池系统为建筑夜晚提供能源，同时利用液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气并输入燃料电池系统产生电能用于补充建筑的能耗；上述系统以及方法实现了为建筑供能，达到了零碳排放，效能高、经济性好的技术效果。本发明同时还将水电解制氢系统产生的氧气供给室内、将燃料电池系统和水电解制氢系统产生的废热以热水的形式存储在储热水箱中以用于建筑所需的生活热水和冬季供暖、在夏季将液氨中的冷量通过中央空调带入室内、将燃料电池堆的氢气尾气供给液氨催化制氢补能系统的燃烧器，进一步实现了系统的高能效和提高了舒适性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：其包括光伏电池，所述光伏电池通过DC-AC逆变器连接建筑的电网，所述光伏电池还通过DC-DC变换器连接水电解制氢系统，所述水电解制氢系统连接燃料电池系统，所述燃料电池系统通过DC-AC逆变器连接建筑的电网，所述燃料电池系统还与液氨催化制氢补能系统连接，所述水电解制氢系统还与储热水箱连接。
2.根据权利要求1所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：所述水电解制氢系统包括电解槽，所述电解槽连接DC-DC变换器，所述电解槽还依次与电解槽水-水热交换器、电解槽供水水泵、电解槽水箱连接，所述电解槽还通过氧气除湿器、氧气压缩机连接氧气瓶，所述电解槽还通过氢气除湿器、氢气压缩机连接氢气瓶，所述电解槽水-水热交换器还连接储热水箱。
3.根据权利要求2所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：所述液氨催化制氢补能系统包括液氨罐、液氨泵、液氨汽化器、氨气换热器、燃烧器、氨催化反应器、氨气吸附过滤装置。
4.根据权利要求3所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆依次连接空气增湿器、鼓风机、空气过滤器，所述燃料电池堆还连接氢气增湿器，所述氢气增湿器还通过氢气输入管分别与水电解制氢系统和液氨催化制氢补能系统的氢气输出管连接，所述燃料电池堆还连接DC-AC逆变器。
5.根据权利要求4所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：所述氢气增湿器还依次连接有电堆水-水热交换器、电堆冷却水泵和电堆水箱，所述电堆水-水热交换器通过热水泵连接电解槽水-水热交换器。
6.根据权利要求5所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的系统，其特征在于：所述燃料电池堆还连接燃烧器。
7.基于权利要求1-6所述系统的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其特征在于：其包括以下模式：白天模式、夜晚模式和室内模式。
8.根据权利要求7所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其特征在于：所述白天模式，其包括以下步骤：
步骤1-1、通过光伏电池和DC-AC逆变器将太阳能转换成交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑白天的能耗；
步骤1-2、通过光伏电池和DC-DC变换器将太阳能转换成直流电输出至水电解制氢系统，水电解制氢系统产生氢气和氧气，氢气和氧气被分别压缩到氢气瓶和氧气瓶中存储；
步骤1-3、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑白天的能耗。
9.根据权利要求7所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其特征在于：所述夜晚模式，其包括以下步骤：
步骤2-1、将氢气瓶中的氢气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于供应建筑夜晚的能耗；
步骤2-2、液氨催化制氢补能系统产生富氢混合气，富氢混合气输入燃料电池系统，燃料电池系统和DC-AC逆变器将交流电输出至建筑的电网，用于补充建筑夜晚的能耗。
10.根据权利要求7所述的一种无碳排放的建筑综合能源及舒适环境的实现方法，其特征在于：所述室内模式，其包括以下部分：
1、如果监测到氧气浓度偏低或二氧化碳浓度偏高时，则将氧气瓶中的氧气混入到被中央空调系统净化过的空气中，并与上述空气一同送入到房间内；
2、将储热水箱中的热水用于建筑所需的生活热水和冬季供暖；
3、将液氨催化制氢补能系统中的冷量由中央空调系统输入室内，用于房间供冷。
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