一種解決可再生能源發電棄能問題的冷熱聯供系統的製作方法
2023-10-28 11:02:38
本實用新型屬於可再生能源利用技術領域，特別涉及一種空氣源熱泵與蓄能系統聯用的集中供熱供冷系統及運行方法。
背景技術：
我國風電和太陽能發電近些年發展迅速，裝機容量不斷上升，風電和太陽能發電在全國發電總量中所佔穩步增加。但是風電和太陽能發電受氣候條件制約較為顯著，其發電負荷的波動性較大。因此，當城市用電負荷比較低時，電網給可再生能源發電上網的空間較小，諸多因素導致風電或者太陽能發電年平均利用小時數偏低，可再生能源得不到充分的利用，因此「棄能」問題越來越顯著。同時，我國北方採暖地區集中供熱比例偏低，供暖期空氣汙染嚴重，需要增加供熱熱源。針對可再生能源發電的消納和集中供熱問題，目前主要採用電鍋爐等形式將電能直接轉變為熱量使用，但由於電能品位高，轉換能到的熱量品位較低，存在很大的不可逆損失，導致供熱能源成本較高。在此背景之下，本專利提出了一種可消納風電或者太陽能發電等發電負荷波動比較大的可再生能源發電利用系統，用於滿足用戶冬天供熱和夏天供冷的需求，提升風電或太陽能發電年利用小時數，同時增大熱網集中供熱能力，降低集中供熱和供冷的能源成本。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種空氣源熱泵與蓄能系統聯用，同時滿足用戶供熱和供冷需求的系統及其運行方法，適用於消納風電或者太陽能發電等發電負荷波動較大的場合，用於提升其年利用小時數，同時增加熱網的集中供熱能力。
為了實現上述目標，風電或者太陽能發電驅動的空氣源熱泵與蓄能裝置組合的系統包括風電或太陽能發電機組1、空氣源熱泵2、蓄能罐3和用戶4，其中空氣源熱泵2包括電機5、壓縮機6、蒸發器(冷凝器)7、冷凝器（蒸發器）8和節流裝置9組成。風電或者太陽能發電機組1與空氣源熱泵2相連接。蓄能罐3進出口通過閥門13、閥門14、閥門15、閥門16和循環泵11與管網相連接。其中空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8的水側進出口與管網連接。
管網系統連接方式如下：回水管網與用戶4相連，此外回水管路通過閥門13和增壓泵11與蓄能罐3底部相連，回水管路同時通過閥門12與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，回水管路通過閥門15與蓄能罐3的頂部連接。供水管路與用戶4連接，同時與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，供水管路通過閥門16和增壓泵11與蓄能罐3的底部連接，同時供水管路通過閥門14與蓄能罐3的頂部連接。
風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2連接方式如下：風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2的電機5連接，電機5與壓縮機6連接，蒸發器（冷凝器）7與壓縮機6和節流裝置9連接，冷凝器（蒸發器）8與壓縮機6和節流裝置9連接。
該系統可以通過閥門13、閥門14、閥門15和閥門16的切換，實現在夏季給用戶供冷和冬季給用戶供熱的目的。運行方式如下：
冬季供熱運行方式：
閥門16和閥門15關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以制熱模式運行，蒸發器7從空氣中提取熱量，冷凝器8將熱網回水進行加熱，當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量超過用戶4需要的供熱量時，閥門13和閥門14打開，增壓泵11打開，蓄能罐3底部的冷水通過增壓泵11和閥門13後與管網回水混合後共同進入空氣源熱泵2的冷凝器8，混合水被加熱後部分熱水通過閥門14從蓄能罐3頂部進入後在罐內儲存，蓄能罐3處於蓄熱狀態；當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量不能滿足用戶4需要的供熱量時，閥門16和閥門15仍然保持關閉，此時增壓泵11關閉，閥門13和閥門14保持開啟，從用戶4的回水分兩路同時經過冷凝器8和蓄能罐3，部分回水從蓄能罐3底部進入，其它回水進入空氣源熱泵2的冷凝器8被加熱，此時蓄能罐3中儲存的熱水從罐體頂部流出，與經過冷凝器8被加熱的熱水混合後共同供給用戶4，蓄能罐3處於放熱狀態。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的熱水維持用戶4的供熱需求。
夏季供冷運行方式：
閥門13和閥門14關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以製冷模式運行，蒸發器8從回水中提取熱量，冷凝器8將熱量釋放到空氣中，當空氣源熱泵2的蒸發器8製取的回水的冷量超過用戶4需要的供冷量時，閥門15和閥門16打開，增壓泵11關閉，通過蒸發器8製取的冷水部分通過閥門16進入蓄能罐3的底部，同時蓄能罐3中的熱水從頂部流出通過閥門15與用戶回水混合，蓄能罐3處於蓄冷模式；當空氣源熱泵2的蒸發器8所製取的冷量不能滿足用戶4的需求時，閥門13和閥門14仍然保持關閉，閥門15和閥門16開啟，增壓泵11開啟，用戶4的回水分兩路，部分回水進入蒸發器8，其它回水通過閥門15進入蓄能罐3的頂部，進入蒸發器8的回水被降溫後與蓄能罐3底部流出的冷水混合後共同輸送給用戶，蓄能罐3處於放冷模式。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的冷水維持用戶4的供冷需求。
蓄能罐3的內部可以填充相變材料或者不填充相變材料，如果填充相變材料，其工作原理為熱水進入蓄能罐3時，其中填充的相變材料被加熱產生相變（相變溫度低於熱水溫度，相變材料變成熱態），進而吸收熱水的熱量，熱水溫度降低變成冷水從蓄能罐3的另一側流出，完成蓄熱過程；當冷水進入蓄能罐3時，相變材料產生相變釋放熱量（相變溫度高於冷水溫度，相變材料變成冷態），冷水被加熱成熱水後從另一側流出，完成放熱過程，相變材料可以採用石蠟型、熔融鹽型或者水和鹽類組合類型等蓄熱材料。如果不填充蓄熱材料，則利用熱水和冷水的密度差實現自然分層，熱水從蓄能罐3上方進出，冷水從蓄能罐3下方進出。
本實用新型的有益效果為，通過空氣源熱泵與蓄能裝置聯用，增加熱網的集中供熱能力。在冬季和夏季進行運行模式切換，滿足用戶供熱和供冷的需求同時，顯著的提升風電和太陽能發電年利用小時數，同時降低了供熱和供冷的能源成本。
附圖說明
圖1為採用本系統時管網與熱用戶直接連接的示意圖;
圖2為採用本系統時管網與熱用戶間接連接的示意圖；
圖中，1-風電或太陽能發電機組，2-空氣源熱泵，3-蓄能罐，4-用戶，5-電機，6-壓縮機，7-蒸發器（冷凝器），8-冷凝器（蒸發器），9-節流裝置，10-循環泵，11-增壓泵，12-閥門，13-閥門，14-閥門，15-閥門，16-閥門。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
實施例1，如圖1所示的管網與用戶採用直接連接的方式，此方式中通過空氣源熱泵製取的熱水或者冷水直接進入用戶中的換熱設備，從而實現供熱或者供冷。
管網連接方式如下：
管網系統連接方式如下：回水管網與用戶4相連，此外回水管路通過閥門13和增壓泵11與蓄能罐3底部相連，回水管路同時通過閥門12與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，回水管路通過閥門15與蓄能罐3的頂部連接。供水管路與用戶4連接，同時與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，供水管路通過閥門16和增壓泵11與蓄能罐3的底部連接，同時供水管路通過閥門14與蓄能罐3的頂部連接。
風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2連接方式如下：風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2的電機5連接，電機5與壓縮機6連接，蒸發器（冷凝器）7與壓縮機6和節流裝置9連接，冷凝器（蒸發器）8與壓縮機6和節流裝置9連接。
該系統可以通過閥門13、閥門14、閥門15和閥門16的切換，實現在夏季給用戶供冷和冬季給用戶供熱的目的。運行方式如下：
冬季供熱運行方式：
閥門16和閥門15關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以制熱模式運行，蒸發器7從空氣中提取熱量，冷凝器8將熱網回水進行加熱，當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量超過用戶4需要的供熱量時，閥門13和閥門14打開，增壓泵11打開，蓄能罐3底部的冷水通過增壓泵11和閥門13後與管網回水混合後共同進入空氣源熱泵2的冷凝器8，混合水被加熱後部分熱水通過閥門14從蓄能罐3頂部進入後在罐內儲存，蓄能罐3處於蓄熱狀態；當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量不能滿足用戶4需要的供熱量時，閥門16和閥門15仍然保持關閉，此時增壓泵11關閉，閥門13和閥門14保持開啟，從用戶4的回水分兩路同時經過冷凝器8和蓄能罐3，部分回水從蓄能罐3底部進入，其它回水進入空氣源熱泵2的冷凝器8被加熱，此時蓄能罐3中儲存的熱水從罐體頂部流出，與經過冷凝器8被加熱的熱水混合後共同直接供給用戶4，蓄能罐3處於放熱狀態。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的熱水維持用戶4的供熱需求。
夏季供冷運行方式：
閥門13和閥門14關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以製冷模式運行，蒸發器8從回水中提取熱量，冷凝器8將熱量釋放到空氣中，當空氣源熱泵2的蒸發器8製取的回水的冷量超過用戶4需要的供冷量時，閥門15和閥門16打開，增壓泵11關閉，通過蒸發器8製取的冷水部分通過閥門16進入蓄能罐3的底部，同時蓄能罐3中的熱水從頂部流出通過閥門15與用戶回水混合，蓄能罐3處於蓄冷模式；當空氣源熱泵2的蒸發器8所製取的冷量不能滿足用戶4的需求時，閥門13和閥門14仍然保持關閉，閥門15和閥門16開啟，增壓泵11開啟，用戶4的回水分兩路，部分回水進入蒸發器8，其它回水通過閥門15進入蓄能罐3的頂部，進入蒸發器8的回水被降溫後與蓄能罐3底部流出的冷水混合後共同直接輸送給用戶，蓄能罐3處於放冷模式。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的冷水維持用戶4的供冷需求。
實施例2，如圖2所示的管網與用戶採用直接間連的方式，此方式中通過空氣源熱泵製取的熱水或者冷水不直接進入用戶中的換熱設備，而是通過一個換熱器得到用戶需要的溫度的熱水或者冷水，從而實現供熱或者供冷，適用於空氣源熱泵製取的熱水溫度較高和製取的冷水溫度較低的場合。
管網連接方式如下：
管網系統連接方式如下：回水管網與用戶4相連，此外回水管路通過閥門13和增壓泵11與蓄能罐3底部相連，回水管路同時通過閥門12與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，回水管路通過閥門15與蓄能罐3的頂部連接。供水管路與用戶4連接，同時與空氣源熱泵2的冷凝器（蒸發器）8連接，供水管路通過閥門16和增壓泵11與蓄能罐3的底部連接，同時供水管路通過閥門14與蓄能罐3的頂部連接。
風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2連接方式如下：風電或太陽能發電機組1與空氣源熱泵2的電機5連接，電機5與壓縮機6連接，蒸發器（冷凝器）7與壓縮機6和節流裝置9連接，冷凝器（蒸發器）8與壓縮機6和節流裝置9連接。
該系統可以通過閥門13、閥門14、閥門15和閥門16的切換，實現在夏季給用戶供冷和冬季給用戶供熱的目的。運行方式如下：
冬季供熱運行方式：
閥門16和閥門15關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以制熱模式運行，蒸發器7從空氣中提取熱量，冷凝器8將熱網回水進行加熱，當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量超過用戶4需要的供熱量時，閥門13和閥門14打開，增壓泵11打開，蓄能罐3底部的冷水通過增壓泵11和閥門13後與管網回水混合後共同進入空氣源熱泵2的冷凝器8，混合水被加熱後部分熱水通過閥門14從蓄能罐3頂部進入後在罐內儲存，蓄能罐3處於蓄熱狀態；當空氣源熱泵2的冷凝器8加熱熱網回水的熱量不能滿足用戶4需要的供熱量時，閥門16和閥門15仍然保持關閉，此時增壓泵11關閉，閥門13和閥門14保持開啟，從用戶4的回水分兩路同時經過冷凝器8和蓄能罐3，部分回水從蓄能罐3底部進入，其它回水進入空氣源熱泵2的冷凝器8被加熱，此時蓄能罐3中儲存的熱水從罐體頂部流出，與經過冷凝器8被加熱的熱水混合後經過一個換熱器得到用戶需要溫度的熱水再供給用戶4，蓄能罐3處於放熱狀態。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的熱水維持用戶4的供熱需求。
夏季供冷運行方式：
閥門13和閥門14關閉，循環泵10開啟，空氣源熱泵2以製冷模式運行，蒸發器8從回水中提取熱量，冷凝器8將熱量釋放到空氣中，當空氣源熱泵2的蒸發器8製取的回水的冷量超過用戶4需要的供冷量時，閥門15和閥門16打開，增壓泵11關閉，通過蒸發器8製取的冷水部分通過閥門16進入蓄能罐3的底部，同時蓄能罐3中的熱水從頂部流出通過閥門15與用戶回水混合，蓄能罐3處於蓄冷模式；當空氣源熱泵2的蒸發器8所製取的冷量不能滿足用戶4的需求時，閥門13和閥門14仍然保持關閉，閥門15和閥門16開啟，增壓泵11開啟，用戶4的回水分兩路，部分回水進入蒸發器8，其它回水通過閥門15進入蓄能罐3的頂部，進入蒸發器8的回水被降溫後與蓄能罐3底部流出的冷水混合後通過一個換熱器得到用戶需要溫度的冷水後再輸送給用戶，蓄能罐3處於放冷模式。當風電或者太陽能發電不足以驅動空氣源熱泵2時，閥門12關閉，僅依靠蓄能罐3中的冷水維持用戶4的供冷需求。
本實用新型適用於提升風電或者太陽能發電的年利用小時數，解決目前比較普遍的「棄能」問題，同時滿足用戶的供熱和供冷需求，相比電鍋爐供熱等方式能源消耗水平顯著降低。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。