CN106940033B - 基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统 - Google Patents

Abstract

基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，它涉及一种供热系统，以解决现有电供热系统效率不高，供热可靠性差的问题，它包括一次网供水管和一次网回水管、一次网循环泵和二次网循环泵；它还包括区域能源站和分布式热泵站；所述区域能源站包括电锅炉、空气源热泵、高温蓄热罐、低温蓄热罐、放热泵和蓄热泵；所述分布式热泵站包括换热器和电热泵；一次网供水管和一次网回水管之间布置有并联的电锅炉和空气源热泵，一次网供水管和一次网回水管之间还布置有串联的换热器和电热泵，换热器和现有的用户散热设备之间以及电热泵和现有的用户散热设备之间布置有二次管网，二次管网上布置有二次网循环泵。本发明用于供热。

Description

基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统

技术领域

本发明涉及一种供热系统，属于能源领域。

背景技术

能源和环境问题是新世纪全世界所共同面临的严峻挑战，开发清洁的可再生能源的是解决这一问题的有效途径。我国的风电产业在过去十年间一直保持强劲的增长势头，目前已成为全球风电装机容量最大的国家。

然而，由于电网的配套建设滞后、灵活调峰电源装机容量较小且冬季无电力调峰能力的热电比例较高，三北地区的许多风电场在冬季出现了严重的弃风问题。简单来说“弃风”是指受电网传输通道或安全运行需要等因素的影响，风电场可发而未能发出的电量。为了扩大风电的就地消纳，减小弃风，风电供热成为了一种可能的途径。

在常规电供热系统中，供热设备通常为热泵或电锅炉，然而这两类设备都存在各自的问题：一、利用热泵进行区域供热，则供水温度较低，通常难以满足用户的需求，需要配置额外的辅助热源。另外，当管网回水温度较高时，热泵的冷凝温度升高从而性能系数下降，有时甚至无法正常工作；二、电锅炉可以满足用户对供水温度的要求，但将电能直接转化为热能存在大量的损失，供热系统的效率极低，从按质用能的角度看极不合理。是某种形式能量中，可以无条件转化为其他任何形式能量的部分，效率是一种统一的热力学完善性尺度，体现了热力过程中所有的不可逆能量损失。

另外，在同时具备电锅炉和热泵两种热源的风电供热系统中，通常只有一组蓄热设备，没有实现不同温度的独立蓄热。这造成了冷热流体的混合损失，降低了供热系统的总体效率。

发明内容

本发明提供一种基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，以解决现有电供热系统效率不高，供热可靠性差的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，它包括一次网供水管和一次网回水管、一次网循环泵和二次网循环泵；它还包括区域能源站和分布式热泵站；

所述区域能源站包括电锅炉、空气源热泵、高温蓄热罐、低温蓄热罐、放热泵和蓄热泵；所述分布式热泵站包括换热器和电热泵；

一次网供水管和一次网回水管之间布置有并联的电锅炉和空气源热泵，一次网回水管上安装有一次网循环泵；一次网供水管和一次网回水管之间还连接有与电锅炉并联的高温蓄热罐，一次网供水管和一次网回水管之间还连接有与空气源热泵并联的低温蓄热罐；高温蓄热罐和低温蓄热罐分别与一次网回水管之间布置有并联的放热阀和蓄热泵，高温蓄热罐和低温蓄热罐分别与一次网供水管之间布置有并联的蓄热阀和放热泵；

一次网供水管和一次网回水管之间还布置有串联的换热器和电热泵，换热器和现有的用户散热设备之间以及电热泵和现有的用户散热设备之间布置有二次管网，二次管网上布置有二次网循环泵。

本发明相比现有技术的有益效果是：一、本发明的区域能源站内的空气源热泵利用了环境空气中的低品位可再生能源，提升了电供热系统的总体效率，显著提高了电供热系统的经济性。二、区域能源站内的电锅炉弥补了热泵机组供水温度较低的缺点，保障了严寒期热用户对供水温度的需求。三、独立配置的高、低温蓄热罐使系统具备了更灵活的蓄热调度能力。四、不同温度变化区间的独立蓄热大大减少了蓄热过程的损失。五、蓄热罐对时间尺度上不稳定的弃风电能进行了转移，实现了供热量的稳定。六、分布式热泵站内的电驱动热泵降低了管网的回水温度，为空气源热泵的高效连续运行提供了条件。七、分布式热泵站内的电驱动热泵增加了一次网的供回水温差，扩大了管网的热输送能力。本发明的基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统是基于不稳定弃风电能实现多设备联合高低温独立蓄热供热。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

其中，1为电锅炉，2为空气源热泵，3为高温蓄热罐，4为低温蓄热罐，5为蓄热阀；6为放热泵，7为逆止阀，8为放热阀，9为蓄热泵，10为电锅炉侧流量调节阀，11为空气源热泵侧流量调节阀，12为一次网循环泵，13为一次网供水管，14为一次网回水管，15为二通调节阀，16为换热器，17为电热泵，18为二次网循环泵，19为区域能源站，20为分布式热泵站，21为用户散热设备。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1说明，基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，它包括一次网供水管13和一次网回水管14、一次网循环泵12和二次网循环泵18；它还包括区域能源站19和分布式热泵站20；

所述区域能源站19包括电锅炉1、空气源热泵2、高温蓄热罐3、低温蓄热罐4、放热泵6和蓄热泵9；所述分布式热泵站20包括换热器16和电热泵17；

一次网供水管13和一次网回水管14之间布置有并联的电锅炉1和空气源热泵2，一次网回水管14上安装有一次网循环泵12；一次网供水管13和一次网回水管14之间还连接有与电锅炉1并联的高温蓄热罐3，一次网供水管13和一次网回水管14之间还连接有与空气源热泵2并联设置的低温蓄热罐4；高温蓄热罐3和低温蓄热罐4分别与一次网回水管14之间布置有并联设置的放热阀8和蓄热泵9，高温蓄热罐3和低温蓄热罐4分别与一次网供水管13之间布置有并联设置的蓄热阀5和放热泵6；

一次网供水管13和一次网回水管14之间还布置有串联的换热器16和电热泵17，换热器16和现有的用户散热设备21之间以及电热泵17和现有的用户散热设备21之间布置有二次管网。

参见图1说明，为了提高换热效率，减少热量损失，优选地，换热器16为板式换热器。为了满足实际工况和热负荷需求，优选地，所述蓄热阀5和放热阀8均为调节阀。为了方便管理，节能降耗，满足热量调节，放热泵6和蓄热泵9均为变频离心式调速泵，一次网循环泵12和二次网循环泵18均为变频离心式调速泵。

参见图1说明，区域能源站还包括电锅炉侧流量调节阀10和空气源热泵侧流量调节阀11，电锅炉侧流量调节阀10和空气源热泵侧流量调节阀11分别安装在一次网回水管14上。如此设置，电锅炉侧流量调节阀10和空气源热泵侧流量调节阀11用来调节进入电锅炉1和空气源热泵2的流量比，以保证混合后的供水温度满足用户的需求。

实施例：假设某风电场的弃风量存在日周期变化规律，且具体的弃风量数据如下：

假设供热系统一次网的设计供回水温度如下：

一次网设计供水温度	一次网设计回水温度
		t<sub>g</sub>＝80℃	t<sub>h</sub>＝10℃

假设电锅炉和空气源热泵的主要设计参数如下；

	设计供水温度	性能系数
			电锅炉	t<sub>1</sub>＝120℃	COP<sub>b</sub>＝1
空气源热泵	t<sub>2</sub>＝60℃	COP<sub>HP</sub>＝4

为了保证一次网的供水温度为80℃，由能量平衡方程可以计算得到电锅炉和空气源热泵的流量比为：

电锅炉对热媒的加热温升为：

Dt₁＝t₁-t_h＝110℃

空气源热泵对热媒的加热温升为：为50℃，

Dt₂＝t₂-t_h＝50℃

因此电锅炉和空气源热泵供热量的比值为：

根据电锅炉和空气源热泵各自的性能系数，解下列方程：

可得到电锅炉和空气源热泵的装机容量为：C_b＝110MW，C_HP＝25MW。

在0:00-6:00和22:00-24:00这两个时间段，电锅炉和空气源热泵均满负荷运行；在6:00-22:00时间段，由于弃风量减少，因此电锅炉和空气源热泵在部分负荷下运行，负荷率为：

高温蓄热罐的容积为：

V₃＝105.8′8′3600，10³＝3048m³

低温蓄热罐的容积为：

V₄＝211.6′8′3600，10³＝6094m³

区域能源站一天内的总供热量为：

Q＝(COP_b×C_b+COP_HP×C_HP)×8+e×(COP_b×C_b+COP_HP×C_HP)×16＝2800MWh

因此该系统可承担的稳定热负荷为：

假设系统热负荷在一天内维持恒定，且建筑物的设计面积热指标为50W/m²，则该弃风供热系统的总供热面积为：

若采用传统的电锅炉和蓄热罐组合式供热，则一天的总供热量为：

Q′＝135′8+45′16＝1800MWh

对应的总供热面积为：

因此，利用本发明所提出的基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，可以增加供热面积83.4万平方米，增幅高达55％。

工作机理

参见图1说明，当电网处于弃风电能高峰时段时，电锅炉1和空气源热泵2在额定功率下运行，此时区域能源站(热源)的产热量大于系统热负荷；

在弃风电能高峰时段，开启蓄热阀5和蓄热泵9，关闭放热阀8和放热泵6，由电锅炉1和空气源热泵2分别向高温蓄热罐3和低温蓄热罐4中蓄热；同时向分布式热泵站20供热。

当电网处于弃风电能低谷时段时，电锅炉1和空气源热泵2根据实际的弃风量在部分负荷下运行，并使二者的负荷率相等，此时热源的产热量小于系统热负荷；

在弃风电能低谷时段，开启放热阀8和放热泵6，关闭蓄热阀5和蓄热泵9；由电锅炉1、空气源热泵2、高温蓄热罐3、低温蓄热罐4同时向分布式热泵站20供热，以满足系统的热负荷。为了防止运行中一次网倒流，防止泵及驱动电动机反转，以及容器介质的泄放，放热泵6和蓄热泵9各自所在的管路上还布置有逆止阀7。

电锅炉侧流量调节阀10和空气源热泵侧流量调节阀11用来调节进入电锅炉1和空气源热泵2的流量比，以保证混合后的供水温度满足用户的需求。

供热系统总循环泵12用来驱动热媒在一次网中的循环流动；一次网循环泵12能驱动一次网热流体在电锅炉1和空气源热泵2内循环流动；

高温供水从区域能源站19出发，沿一次网供水管13输送到分布式热泵站20，进入分布式热泵站20的系统高温供水，先进入换热器16进行第一阶段的放热(与二次侧流体一部分进入换热器16发生热交换)，为了控制一次网供水管13进入换热器的流量，采用二通调节阀15控制。然后再进入电热泵17的蒸发器进行第二阶段的放热，放热结束后流出分布式热泵站20，沿一次网回水管14返回到区域能源站19。

二次网循环泵18用来驱动热泵站二次网内热媒的循环流动，二次网循环泵18能驱动二次侧流体在换热器16和用户散热设备21之间以及电热泵17与用户散热设备21之间的循环流动。二次侧流体一部分进入换热器16被加热，另一部分进入电热泵17的冷凝器侧被加热，两部分流体最终混合到设计供水温度后被送入用户散热设备21。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，它包括一次网供水管(13)和一次网回水管(14)、一次网循环泵(12)和二次网循环泵(18)；其特征在于：它还包括区域能源站(19)和分布式热泵站(20)；

所述区域能源站(19)包括电锅炉(1)、空气源热泵(2)、高温蓄热罐(3)、低温蓄热罐(4)、放热泵(6)和蓄热泵(9)；所述分布式热泵站(20)包括换热器(16)和电热泵(17)；

一次网供水管(13)和一次网回水管(14)之间布置有并联的电锅炉(1)和空气源热泵(2)，一次网回水管(14)上安装有一次网循环泵(12)；一次网供水管(13)和一次网回水管(14)之间还连接有与电锅炉(1)并联的高温蓄热罐(3)，一次网供水管(13)和一次网回水管(14)之间还连接有与空气源热泵(2)并联的低温蓄热罐(4)；高温蓄热罐(3)和低温蓄热罐(4)分别与一次网回水管(14)之间布置有并联的放热阀(8)和蓄热泵(9)，高温蓄热罐(3)和低温蓄热罐(4)分别与一次网供水管(13)之间布置有并联的蓄热阀(5)和放热泵(6)；

一次网供水管(13)和一次网回水管(14)之间还布置有串联的换热器(16)和电热泵(17)，换热器(16)和现有的用户散热设备(21)之间以及电热泵(17)和现有的用户散热设备(21)之间布置有二次管网，二次管网上布置有二次网循环泵(18)；

当电网处于弃风电能高峰时段时，开启蓄热阀( 5) 和蓄热泵( 9) ，关闭放热阀( 8)和放热泵( 6) ，由电锅炉( 1) 和空气源热泵( 2) 分别向高温蓄热罐( 3) 和低温蓄热罐( 4) 中蓄热；同时向分布式热泵站( 20) 供热；

当电网处于弃风电能低谷时段时，开启放热阀( 8) 和放热泵( 6) ，关闭蓄热阀( 5)和蓄热泵( 9) ；由电锅炉( 1) 、空气源热泵( 2) 、高温蓄热罐( 3) 、低温蓄热罐( 4) 同时向分布式热泵站( 20) 供热。

2.根据权利要求1所述基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，其特征在于：所述换热器(16)为板式换热器。

3.根据权利要求1或2所述基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，其特征在于：所述蓄热阀(5)和放热阀(8)均为调节阀。

4.根据权利要求3所述基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，其特征在于：放热泵(6)和蓄热泵(9)均为变频离心式调速泵。

5.根据权利要求1、2或4所述基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，其特征在于：一次网循环泵(12)和二次网循环泵(18)均为变频离心式调速泵。

6.根据权利要求5所述基于弃风电能的多设备联合高低温独立蓄热供热系统，其特征在于：区域能源站还包括电锅炉侧流量调节阀(10)和空气源热泵侧流量调节阀(11)，电锅炉侧流量调节阀(10)和空气源热泵侧流量调节阀(11)分别安装在一次网回水管(14)上。