CN1894502A - 生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统 - Google Patents

生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种生活和工业用设施的独立电能、热能和热水供应用的动力供应系统。生活和工业用设施的独立电能－热能供应系统包含与用电设备相连的风力发电的动力装置(1)，通过装置(1)与风力发电机和用电设备相连的蓄电器(2)，与热能用户相连的太阳能转换成热能的装置(3)和蓄热器(4)。

Description

生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统
技术领域
本发明涉及动力供应的装置，具体涉及生活和工业用设施的独立电能、热能和热水供应用的动力供应装置。
背景技术
电能和热能联合生产的独立装置是人所共知。这装置的主要部件是生产电能的柴油机。柴油发电机装有热交换器，可使用冷却发动机液体的热能发动机的排出气热能为用户供热。这种系统有以下缺点：由于排出气而污染周围环境；能源成本很高；同时由于燃料的缺少和低劣质量，此种系统工作可能发生中断。
人所共知，由大气环境良好条件恢复的能源(风、太阳等)形成动力系统。但由于动力能源不稳定(风力变化、季度和气候的光能量流的波动)影响用户用动力的保证问题。为了整平由于能源不稳定而发生振荡能力波动和调和电能供应的状态应使用动力蓄电器。人所共知，用恢复能源的独立动力装置，包括把动力变为电能电气、蓄电池组的变换器，蓄热器，电力装置，它用于蓄电器和蓄热器之间进行重新分配动力。
与本发明最接近的现有技术的基本特征如下：包含一个把可恢复动力能源变成电能的能源变换器；蓄电池组和蓄热器。现有技术的缺点是：装置效果不够好，其原因是在动力的双重转化过程中存在损失：即可恢复能源变成电能和电能变成热能。
农村用户的独立供能—供热的装置与本发明中的特征比较相近，称其为本发明的原型。此装置包括煤气工作的热电发动器，风力电气组；蓄电池组；而太阳能源变成热力能的装置；蓄热器通过自动开关的设备风力电气发动机和热电发动器，蓄电机相联而蓄电器和用电设备相联。太阳能装置联着热点发动机和热能蓄热器，同时蓄热器与热能用户相联。
此原型同本发明的的共同特征是：包含一个与动力能用户相联的风力发电器组；一套与热能用户相联的把太阳能变成热能的装置；与太阳能转换装置和热能用户相联的集热器；与风力发电器组和用电设备相联蓄电器。
须用煤气作为主要的能源之一使上述装置的运行依赖于一种特定燃料资源的存在，并导致燃料的运输，储藏和周围环境的污染问题。除此外其装置的特征是操作复杂，因此降低装置工作可靠性和效果性。此装置的另一个缺点是缺乏废料余热利用和周围环境和地球的热能利用，降低了其经济上的可行性。
本发明主要解决的任务是提高在房屋内独立供热/供电系统可靠性和节约经济费用。
发明概要
利用发明所得到的技术成果是：由于采用补充热能的热泵，热能控制和操作的自动化，系统部件之间负荷的合理分配，和污水热能的余热利用，提高了在房屋的动力供应系统工作效果。
上述技术成果获得的原因是生活和工业用设施独立供电供热的系统，其包括：与用电设备联接的生产电能的风力发动机设备；与用电设备和风力发动机联接的电能蓄电器；与热能用户联接的把太阳能变成热能的变化装置和蓄热器；与热能用户联接的利用风力发电机装置工作的热泵；换流器，通过它电能蓄电器连接到用电设备；污水余热回收器；地热收集器和通过热能和电能负荷的测量装置与系统的机械连接起来的自动控制独立供能系统。把太阳能变为热能的设备包括一块太阳能收集器由热载体与至少两个热交换器相连，其中：至少一个是装在蓄热器上，而另一个装在通过热气体道与地热的收集器相连的热交换器内。热能泵包括：支持空气压缩机工作的风力发动机装置，至少两个单独的蒸发器，其中一个装在通过热载体与地热收集器相联的热交换器上，另一个单独的蒸发器是装在污水热能的回收器上，和至少两个单独的的冷凝器，一个放在热水容器里，另一个放在通过热载体与热能用户相联的热交换器里。比较可取的是：独立供能和供热系统包括与自动控制系统相连的房外温度测量装置，热载体温度测量装置装在热能用户线路输入处，水容器里温度测量装置，污水余热回收器内污水温度测量装置，蓄热器的热载体温度测量装置。在个别情况下，独立供能和供热系统包括调整电能供应和电能蓄电器状态的测量装置。比较可取的是：独立供能和供热的系统包括循环泵，它使热载体沿系统路线进行循环流通。还有比较可取的是此系统应有阀门和调整沿着系统路线活动的热载体流的三向开关。特殊情况下，本发明的装置中，集热器可以是带水的隔热容量器。在某些情况下，为了更好的发挥效果，本系统还可包括额外的热载体容器，其中，至少一个装在太阳能收集器的热载体线路里，另一个在蓄热器里。比较可取的是：独立供能/供热的系统里包含自动控制系统的单独的电能收集器。特殊情况下，电能收集器可以为蓄电池组。比较可取的是，“热地板”系统在独立的供能，供热的系统里作为暖气的设备像加热装置一样被采用。
本发明的所有实施例和上述的与其最接近的现有装置有以下几点区别：
-有与热能用户相联的用风力发动器工作的热泵；
-有换流器，通过它蓄电器与用电设备相联接；
-有污水余热回收器；
-有地热收集器；
-有独立动力供应系统的自动控制系统；
-有热能和电能负荷的测量装置；
-有通过热能和电能负荷测控器与自动控制系统联起来的运行设备；
-使用把太阳能变为热能的装置，装置包括与热载体相连的太阳能收集器，和至少两个热交换器，一个装在蓄热器内，另一个装在热交换器内，它沿着载热器与地热收集器连接起来；
-使用热气泵，包括支持压缩器运行的风力发动机装置，有两个单独的蒸发器，其中至少一个有内置的与太阳能收集器和地热收集器相连的热交换器，另一个蒸发器它沿着热载体的太阳能收集器与地热的收集器连接起来，另一个单独的蒸发器通过热载体装在内置的污水余热回收器里，还有两个单独的冷凝器，其中至少一个是内置式热水容器，而其中的另一个是通过热载体与热能用户相联的内置式的热交换器。
在个别的情况下本发明的装置与现有的装置有如下区别：
-自动控制系统有外部温度测量装置，在热能用户网的出口处有热载体温度测量装置，热水容器里有温度测量装置；污水余热回收器中有污水温度测量装置；蓄热器里的载热器温度测量装置；
-有供电和蓄电器状态的测量-调节器；
-有循环泵，它使热载体在系统路线内环流；
-有活门和三路开关，调节系统路线内热载体的通量；
-蓄热器作为带水的隔热容量器；
-有额外的热载体容器的膨胀器，其中至少一个装在太阳能收集器的热载体路线里，另一个装在蓄热器里；
-有用于自动控制系统的单独的蓄电器；
-蓄电能器作为蓄电池组；
-用作为暖气设备的“热地板”系统。
利用热气泵可以得到热能补充的能源和提高独立动力应用系统工作的效果。污水余热回收器和地热收集器以及以风力发电机工作的压缩机上的热泵；和装在热载体装置上的单独的蒸发器，通过热量把热载体与太阳能，地热收集器和污水余热回收器相连；装在热水容器里的单独的冷凝器；和通过热载体与暖气用户相联的热交换装置，可以更合理地使用太阳能设备的热能，保证余热的使用以及地球低位能的应用。
通过热能和电能负荷测量装置与工作机械相连的自动控制系统，可以调整系统部件之间的负荷，提高对独立动力供应系统工作的控制和增强其可靠性。通过换流器把蓄电器接上用电设备网，并把多余的蓄电器作为自动控制系统的电能来源，蓄电器的补充利用可允许提高系统工作的可靠性，并可以使用户提高系统稳定性，阻止由于不良天气和气候条件而引起的电力供应上不稳定的现象。使用“热地板”系统作为加热设备可保证热能合理的应用和减低热量的损失。
附图说明
本发明由提交的说明书附图图1至图6解释：
图1为生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统的总体结构示意图。
图2为生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统的风力发动器装置的结构示意图。
图3为生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统的太阳能转换装置的结构示意图。
图4为生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统的热泵的结构示意图。
图5为生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统的用户输入暖气的热载体路线示意图。
图6为通风系统和空气调节系统的结构示意图。
具体实施方式
生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统包括：生产电能的风力发动装置，它与电能用户相联；与风力发动器装置1和电能用户相联的电能蓄电器2；太阳能—热能转化装置3和蓄热器4，它们和热能用户相联；利用风力发动器装置1工作的热泵5，它与热能用户相联；转换器6和污水余热回收器7；地热收集器8；和自动控制系统9。电能蓄电器2通过转换器6与电能用户相联。太阳能—热能转化装置3包括一块太阳能收集器10，所述收集器沿着热载体与至少两个热交换器11，12相联起来。第一热交换器11位于蓄热器4里，第二热交换器12位于热交换装置13内，所述热交换装置13沿着热载体与地热收集器8相联。热泵5包括压缩器14，以及至少有两个单独的第一蒸发器15，16和两个单独的电容器17，18。压缩器14是依靠风力发动器装置1来工作。单独的第一蒸发器15安装在沿着热载体与地热收集器8相联的热交换器13内。单独的第二蒸发器16是安装在污水余热回收器7内。单独的冷凝器17装在热水容器19里，单独的冷凝器18装在热交换器20内，所述热交换器沿着热载体与热能用户相联。太阳能—热能转化装置3路线里的热载体的循环通过循环泵21来实现。蓄热器4—热能用户系统中路线的载热器循环是采用循环泵22。从低势能(地热能)收集器8到热交换装置13的线路里的热载体循环由循环泵23提供。该装置有热负荷测量器，包括：室外大气温度测量器24；暖气设置输入端热载体温度的测量器25；热水容器19温度的测量器26；污水余热回收器7中污水温度的测量器27；蓄热器4里热载体温度的测量器28。通过测量—调节器29来控制电能蓄电器2工作的情况，调节独立供电—供热系统的电力供应情况。所述系统包括调节系统路线里热载体流量的机械装置，它们是；三向开关，用于调节用户系统的热热载体和冷热载体输出量情况，控制热能储存状态的阀门31，控制暖气状态的阀门32；三向阀33调整蓄热器4中太阳能收集器的热载体输送和与地热收集器8相连的热交换器13热载体输送。通过热负荷测量器24-28和电负荷测量器29，自动控制系统9相联着第一循环泵21、第二循环泵22和第三循环泵23；三向开关，33和阀门31，32。蓄热器4能作为装水的隔热容量运作。独立供电/供热系统可包括附加容器34，它位在太阳能收集器10的路线里，而附加容器35则位于蓄热器4的线路里。申请发明的系统最好是能包括附加的电能蓄电器(图未示)，用于自动控制系统9电能的来源。电能的蓄电器可作为蓄电池组。作为暖气的设备最好采用“热地板”系统。
生活和工业用设施的独立电能/热能供应系统工作原理简述如下。
电力供应系统
保障供暖，供冷水，热水和日常用具的电能的基本来源是风力发动器装置1。采用蓄电池组2来保证电源的不中断。自动控制系统9通过测量—调节器29来控制供电系统，测量一调节器29控制蓄电池组2的状态和调节系统的供电状态。在蓄电池组放电的情况下，调节器29输出电能给蓄电池组2补充充电。在电能不足的情况下(如风力很弱)，调节器29通过转换器6把蓄电池组2的直流电变为交流电，以便将所缺电能从蓄电池组输出给用户系统。
暖气供应系统
太阳—热能的转化装置3是热能的基本来源。例如热载体，在太阳能收集器10受热形成的防冻流通过热交换器11输送热能到蓄热器4的热载体中。在太阳能—热能转化装置3中载热器的循环通过泵21来实现。根据室外大气温度测量器24和在蓄热器4中热载体温度测量器28的温度显示，可能发生以下工作状态：(1)当测量器24所测的温度大于测量器28所测的温度，泵21便一直开启，热载体在线路里不断循环；(2)当测量器24所测温度小于或等于测量器28的温度，那么泵21便关闭，系统处于等候状态。当太阳能收集器10的温度上升至28+Δ℃时，泵21便开启了。(3)当测量器21的温度大于90℃，测量器28实际温度比在测量器测量28的温度高时，三向阀33关闭太阳能收集器10，开启热交换器12，同时开启泵21，23，这样可保证把多余的热气排出到土壤里。泵22使蓄热器4和暖气设备间的热载体进行循环。采用“热地板”系统作为暖气设备系统，其散热率比一般“散热器”的散热率要好。热泵5也同时开启补充风力发动器装置1运作所需热能，同时在需要的情况下，这热泵能给热能用户系统的热载体额外加热。
在温暖的日子或时间(夏季)在蓄热器4内开始储存热能。这时暖气装置关闭：即阀门31开着，而阀门32关着。如果在蓄热器4的温度低于60℃(没有阳光或在夜间)热泵22便开启，它通过热交换器20使蓄热器4的热载体循环，在热交换器20里装有提供热量的热泵5的冷凝器18。
在寒冷的季节(冬季)用户系统储存的热能开始反馈。开启暖气装置，关闭阀门31，开启阀门32。自动控制系统9监控供暖系统的工作。蓄热器4和供暖设备间的热载体循流通过泵22完成。供暖装置输入端的温度是根据室外大气的温度来确定的，同时由温度测量器25来控制的。自动控制系统的三向开关调节和保持必需的温度，其方法是将逆向收集器的热载体融入到系统的输入端。当热泵5工作时，在热交换器20的输出端的温度上升。温度增加的补偿由自动控制系统操控的三向开关来实现的，即在输入热量交换器20中增加部分“逆反”的冷载体，蓄热器4的热气减少，同时在一定的条件下，甚至完全停止。这样可以节省蓄热器4的热能消耗。
热水供应系统
热泵5保证热水供应系统的工作。当热水容器内温度低于测量仪器26确定的温度时，线路内的热泵5和泵23内的循环热载体开始运转，所述线路由置于地面的地热收集器8、热交换装置13组成，所述热交换装置13中有一些由第一蒸发器15过滤的热量，并通过冷凝器17传递至水槽的水中。在午后，打开热泵5，太阳能收集器10成为热能的来源，这本质上提高了生产热水过程的效率。三向阀33将太阳能收集器与热交换器12接通，所述热交换器12是热交换装置13的一部分。在热交换装置13内，不开启泵23，通过热交换器12内的热载体就把热能传递至蒸发器15。
生产热水时，另一个热能的来源是污水余热回收器7。在被排入地下水道前，将污水送入污水余热回收器7，在污水余热回收器7内，用第二蒸发器16、热泵5发生热能的选择，然后经过冷凝器17返回到热水容器19。从污水回收余热能将准备热水的费用降低80％。
动力供应控制系统
动力供应控制系统完全是自动的。自动控制系统9的运行是以有相应的软件的电脑为基础。从测量仪器24，25，26，27，28，29输出的信号被传送至系统的输入。接收到的信息被处理并且系统的所有原件的运算行为被确定。然后为配电盘36输出AMS信号，基本的系统装置控制管理器就形成了。AMS的电源是由单独的蓄电池来供应的(图中未示出)。
通风及空气调节装置
纬度较低地域的气候是：年平均温度总高于零摄氏度，而且夏季很热。在这些地区，本系统以相反的模式工作，即生产、存储和分配“冷气”而不是热能。在此种情况下，有一些改变的初始系统在图6中示出了。在图6中，1.热泵；2.热水容器；3.冷压缩机；4.第一循环泵；5.第二循环泵；6.第一三向阀；7.第二三向阀；11.第三三向阀；8.第一热交换器；9.第二热交换器；10.第三热交换器；12.第四热交换器；13.蓄热器。
1.热压缩机将以积聚冷的方式工作。假设压缩机装满水。我们利用相位转化(由固态至液态)的潜能量。
蓄热器作为蓄冷气器。作为蓄冷气器的填料可利用水，和相位转化的潜热能(冰—水)。
让我们计算将1m3(1m3水的质量是1000kg)的水由初始温度t1＝+20℃冷却到第二温度t2＝-20℃所需要的能量值。
Q＝cwm(t1-0)+qw-im+c1m(0-t2)＝84+340+42＝466MJ≈130kW·h
上式中：
水的比热容：cw＝4.2×103J/(kg·℃)；
冰的比热容：ci＝2.1×103J/(kg·℃)，
相位转化比能qw-i＝34000J/kg(即溶化1kg冰至0℃的水需340000J热能，反之0℃的水转换成冰放出340000J热能)
2.在寒冷的季节，热泵1通过热交换器(其内有冷水)从蓄电池获得热量(直接模式)并通过第一热交换器8和空气调节器(第二热交换器9)传递至热水供应系统。当系统工作在逆向的状态下，则采用蓄热器13的空气通风装置和空气调节装置的相合系统。在这情况下，不需采用加热单元(“热地板”)和污水余热回收单元。
在炎热的季节，冬天所储存的“冷气”能用来冷却进入屋内的空气(第三热交换器10)，尤其在风平静的时期这能降低供电系统的负荷。
对于冬季和夏季屋外平均空气温度的梯度恒定的气候条件下：应指出，在冬季和夏季屋外空气平均温度在相梯度时，即
t1s-t20≈t20-t1w
其中
t1s代表夏季屋外空气的平均温度；
t20代表屋内的温度；
t1w代表冬季屋外的空气平均温度；
热泵仅在冬季以最大功率工作，在夏季仅采用热泵来生产热水。所以在这种情况下，空气调节器的耗电量能减少两倍。
3.安装光电板以代替太阳能收集器10，从而提高电系统的可靠性并减小蓄电池组的电容量

Claims (10)

1.一种生活和工业用设施独立供能和供热系统，包括：
与用电设备相联的生产电能的风力发电机；
与风力发电机和用电设备相联的电能的蓄电器；
与热能用户相联的集收太阳能和热能的装置，其特征在于，有附加的风力发电器工作的热泵与用户相连；
换流器，电能蓄电器通过其联接用电设备；
污水余热回收器；
地热收集器和独立动力供应的自动控制系统，通过热能和电能负荷的测量仪器与执行机械装置相连；并且
其中将太阳能转化成热能的能量转化设备包含一块与热载体连接的太阳能收集板，至少两个热交换器，一个位于热能收集器中，另一个在通过热载体与地热收集器相连的热交换装置中；热泵包含使风力发电器工作的压缩机，和至少有两个单独的蒸发器；一个有一个通过热载体与地热收集器相连的热交换器，另一个蒸发器有污水热能的收集器，和至少两个单独的冷凝器，其中一个装在热水容器里，另一个装在通过热载体和热能用户相联的热交换装置上。
2.根据权利要求1所述的独立供热和供能系统，包括屋外空气温度的测量装置，热载体的测量装置，它位于热能用户网的入口处，污水余热回收器里的污水温度测量装置，以及蓄热器里的热载体温度的测量装置。
3.根据权利要求1-2所述的独立供热和供能系统，包括电能的测量装置-调整器，它控制蓄电器工作的状态。
4.根据权利要求1-3所述的独立供热和供能系统，包括循环泵，它们在系统里保证热载体环流过程。
5.根据权利要求1-4所述的独立供热和供能系统，包括阀和三路开关，用于调整系统里热载体的流量。
6.根据权利要求1-5所述的独立供热和供能系统，其中蓄热器是装满水的隔热贮水器。
7.根据权利要求1-6所述的，独立供热和供能系统，还包括额外的容器，其中至少有一个装在太阳能收集器的热能交换网络里，另一个装在蓄热器上。
8.根据权利要求1-7所述的独立供热和供能系统，还包括一个用于自动控制系统的单独的蓄电器。
9.根据权利要求1-8所述的独立供热和供能系统，其中蓄电池组作为电能的蓄电器。
10.根据权利要求1-9所述的独立供热和供能系统，用“热地板”来作为暖气装置。
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