CN103256754B - 天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，该***包括燃气轮机、溴化锂吸收式机组、余热锅炉、第一水源热泵机组、第二水源热泵机组、第一换热器、第二换热器、第三换热器、吸收式除湿装置、地下换热器、并网装置、冰蓄冷装置、第一蓄热水箱、第二蓄热水箱、建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络。本发明充分利用了分布式能源***的余热，进一步提高了总能***的效率。本发明综合利用了化石清洁能源和可再生能源两种能源技术，进行耦合和集成，实现了两种能源的优势互补。该***与现有的复合供能***相比，不仅大大提高了能源利用效率，而且可以创造巨大的环保效益，具有重大的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***。
背景技术
以分布式能源***为主要特征的第二代能源***逐渐成为未来世界能源技术的重要发展方向。由于分布式能源***较多应用于城市，天然气因其清洁、便捷输运等特点成为首选燃料，所以天然气基分布式能源***得到较多的重视、研究和发展。
近年来我国开始对能源战略进行调整，通过各种措施促使对可再生能源的应用，而地源热泵是可再生能源应用的重要组成部分，地源热泵的能源温度全年较为稳定，与传统的空气源热泵相比，可以提高40％左右的节能率，其运行费用为普通中央空调的50％～60％。
然而两种***的发展仍存在一些桎梏，对于前者，主要体现在天然气基分布式能源***与建筑用能终端之间的机械式串接，导致供能***的变工况运行，分布式能源***在变工况运行工况下，效率大大降低。对于后者，地源热泵***不能完全满足建筑终端用能需求(冷热电)，而且如果地源热泵***承担全部建筑冷热负荷，多数情况下其全年的取放热量不平衡，导致地下温度场失衡，从而影响地下换热器的换热性能，使“效率”逐年降低，且影响浅层地能的生态环保。
对于相关的复合供能***，一些学者已开展了一些研究：Macchi和CamPanari针对由燃气轮机、吸收式制冷机组和电热泵组成的复合***进行了逐时优化计算，并从经济、节能、环保角度与由燃气轮机、吸收式制冷机组、燃气锅炉和电制冷机组成的常规冷热电联供***等进行了比较，结果显示：常规CCHP与电热泵组成的复合***，在节能与环保方面依然无法与大型天然气联合循环相比，但各种效益都得到了提高，且***运行的灵活性也得到了增强。Kilkis从一次能源利用率、增量投资回收期和环保性等评价标准，对由冷热电三联供***与地源热泵耦合而成的复合***进行了研究，并与单独的冷热电三联供***进行了比较，但是未考虑负荷需求的逐时变化及设备的部分负荷性能对评价指标的影响。
目前对传统的复合供能***的研究主要体现在：与常规供能***的比较分析和建筑用能终端对其的影响性分析等，没有对其自身的特性进行深入研究；而且传统复合供能***大多存在以下问题：1)为满足用能需求而进行的单纯叠加互补，只是利用两种***的简单配比，不能充分利用分布式能源***的余热，造成了余热的浪费，并且导致地下温度场不平衡。2)没有建立在建筑能耗监测与控制装置的基础上，不能进一步的提高复合供能***的灵活性，管理调控程序复杂，不能全工况范围内的高效优化运行，大大降低了能源利用效率。3)没有与蓄能装置充分集成。4)依赖外部能源，不能实现建筑能源利用的自给自足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决传统复合供能***研究和应用中存在的问题，本发明的主要目的在于提出一种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，以解决传统复合供能***中使两种***简单的叠加互补，不能充分利用分布式能源***的余热，造成热量浪费，导致地下温度场不平衡，以及全工况范围内不能高效优化运行，没有与蓄能装置充分集成等一系列不能提高能源利用效率的问题，同时实现建筑能源利用的自给自足。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，该***包括燃气轮机、溴化锂吸收式机组、余热锅炉、第一水源热泵机组、第二水源热泵机组、第一换热器、第二换热器、第三换热器、吸收式除湿装置、地下换热器、并网装置、冰蓄冷装置、第一蓄热水箱、第二蓄热水箱、建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络，其中：燃气轮机，用于做功发电，满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求；溴化锂吸收式机组，用于制取冷量，满足冷需求或进行地下蓄冷；余热锅炉，用于生产热量，满足热需求；第一水源热泵机组，用于在夏季工况下与溴化锂吸收式机组集成互补，以生产冷量，满足冷需求；第二水源热泵机组，用于与余热锅炉集成互补，以生产热量，满足热需求；第一换热器，用于利用从余热锅炉出口的余热，对第二水源热泵机组空调侧的出口进行再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；第二换热器，用于利用第一换热器出口的余热对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，提高地源热泵***的能效；第三换热器，用于利用第二换热器出口的余热对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；吸收式除湿装置，用于利用第三换热器出口的余热，对需求建筑进行除湿，使热能利用最大化；地下换热器，用于与地下介质进行换热，进行地下取热/取冷、蓄热/蓄冷，以缓解地下温度场不平衡，并使热能利用最大化；并网装置，用于将燃气轮机发出的多余电力输入至邻近区域的用能设备中；冰蓄冷装置，用于储存生产的冷能，缓冲用能冷需求；第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，用于储存生产的热能，缓冲用能热需求；建筑能耗监测与控制装置，用于对整个复合供能***进行分析和实时调控配置，通过信号反馈控制网络使多余的电进入到并网装置，多余的热和冷储存在蓄热水箱和冰蓄冷装置中，以缓冲用能需求，使复合供能***优化运行；信号反馈控制网络，用于用能实时情况、蓄能信息以及控制信息的传输。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，通过将两种能源利用技术的有效整合，即天然气基分布式能源***与地源热泵***的充分耦合，发挥各自的优势，充分利用天然气基分布式能源***排出的余热，提高地源热泵***的运行效率，并且利用地下换热器进行地下取热/取冷、蓄热/蓄冷，以缓解地下温度场不平衡，并使热能利用最大化；设置建筑能耗监测与控制装置，并与蓄能装置充分结合，进一步提高复合供能***的灵活性，实现全工况范围内的优化高效运行，大大提高能源利用效率。
2、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，通过高温段发电、中温段制冷或制热、低温段制生活热水、余热再利用等，逐级释放天然气能量，降低换热温差和火用损失，提高总能***热力学第一、第二定律效率，实现综合能量品位梯级利用。
3、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，通过天然气基分布式能源***与地源热泵***的耦合，充分利用分布式能源***排出的余热，进一步提高了总能***的效率。
4、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，利用分布式能源***排出的余热对水源热泵机组进行预热和再热，通过提高水源热泵机组地源侧进口温度、空调侧进口温度和降低空调侧的出口温度，大大提高了地源热泵***的效率。
5、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，全年运行工况下，利用地下换热器与地下介质进行换热，进行地下取热/取冷、蓄热/蓄冷，避免了地源热泵长期运行导致的地下温度场不平衡，而且提高了地源热泵的全年工况总效率。
6、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，通过建筑能耗监测与控制装置的设置，将用能实时情况以及蓄能信息通过信号反馈网络及时传输到建筑能耗监测与控制装置，通过分析之后经控制网进行实时调控，实现复合供能***全年工况范围内优化高效运行。
7、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，通过采取分布式供能方式，减少了冷热电的输送距离，降低了输送过程中的能耗，提高了***的总效率。
8、本发明提供的这种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，可以创造巨大的经济、环保效益，并为化石清洁能源和可再生能源的优势互补提供新的发展思路。
附图说明
图1是本发明提供的天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***的示意图；
图2是依照本发明第一实施例在春季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图；
图3是依照本发明第二实施例在夏季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图；
图4是依照本发明第三实施例在秋季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图；
图5是依照本发明第四实施例在冬季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***的示意图，该***包括燃气轮机、溴化锂吸收式机组、余热锅炉、第一水源热泵机组、第二水源热泵机组、第一换热器、第二换热器、第三换热器、吸收式除湿装置、地下换热器、并网装置、冰蓄冷装置、第一蓄热水箱、第二蓄热水箱、建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络。
天然气作为燃料输入燃气轮机之后，做功发电，用于满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求，不同季节工况下，燃气轮机出口的余热用于制冷或制热(生活热水和供暖)，出口的余热则对水源热泵机组进行预热和再热，然后进入吸收式除湿装置，以满足区域建筑的相应需求，最后的废热根据不同的季节工况进入地下换热器，将多余的热量储存在地下介质里，以使热能利用最大化。该***为满足区域或更大建筑群需求的冷热电联供复合供能***，充分利用了分布式能源***的余热，进一步提高总能***的效率。该***综合利用了化石清洁能源和可再生能源两种能源技术，进行耦合和集成，实现了两种能源的优势互补。该***与现有的复合供能***相比，不仅大大提高了能源利用效率，而且可以创造巨大的经济、环保效益，具有重大的现实意义。
其中，燃气轮机用于做功发电，满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求。溴化锂吸收式机组用于制取冷量，满足冷需求或进行地下蓄冷。余热锅炉用于生产热量，满足热需求。第一水源热泵机组用于在夏季工况下与溴化锂吸收式机组集成互补，以生产冷量，满足冷需求；该第一水源热泵机组与溴化锂吸收式机组耦合连接，实现在夏季工况下与溴化锂吸收式机组的集成互补。第二水源热泵机组用于与余热锅炉集成互补，以生产热量，满足热需求；该第二水源热泵机组与余热锅炉耦合连接，实现与余热锅炉的集成互补。
第一换热器用于利用从余热锅炉出口的余热，对第二水源热泵机组空调侧的出口进行再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；该第一换热器耦合于余热锅炉出口与第二水源热泵机组空调侧出口之间，实现对余热锅炉出口余热的利用。第二换热器用于利用第一换热器出口的余热对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，提高地源热泵***的能效；该第二换热器耦合于第二水源热泵机组空调侧进口与第三换热器之间，实现对第一换热器出口余热的利用。第三换热器，用于利用第二换热器出口的余热对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；该第三换热器与第二水源热泵机组地源侧进口耦合连接，并耦合于第二换热器与吸收式除湿装置之间，实现利用第二换热器出口的余热对从地下换热器出来的换热介质再热。
吸收式除湿装置用于利用第三换热器出口的余热，对需求建筑进行除湿，使热能利用最大化；该吸收式除湿装置耦合于第三换热器与地下换热器之间，实现对第三换热器出口余热的利用。地下换热器用于与地下介质进行换热，进行地下取热/取冷、蓄热/蓄冷，以缓解地下温度场不平衡，并使热能利用最大化。
并网装置用于将燃气轮机发出的多余电力输入至邻近区域的用能设备中；该并网装置与燃气轮机耦合连接，实现燃气轮机发出的多余电力的输出。冰蓄冷装置用于储存生产的冷能，缓冲用能冷需求；该冰蓄冷装置与溴化锂吸收式机组耦合连接，实现冷能的储存。第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，用于储存生产的热能，缓冲用能热需求；第一蓄热水箱与余热锅炉耦合连接，实现热能的储存；第二蓄热水箱与第二水源热泵机组耦合连接，实现热能的储存。
建筑能耗监测与控制装置用于对整个复合供能***进行分析和实时调控配置，通过信号反馈控制网络使多余的电进入到并网装置，多余的热和冷储存在蓄热水箱和冰蓄冷装置中，以缓冲用能需求，使复合供能***优化运行。信号反馈控制网络，用于用能实时情况、蓄能信息以及控制信息的传输。
在该复合供能***中，燃气轮机为动力发电装置，余热用于制冷或制热，其中制热包括生活热水和供暖，出口的余热与第二水源热泵机组进行耦合和集成，充分利用分布式能源***的余热，对第二水源热泵机组空调侧进出口进行预热和再热，对地源侧的进口进行再热，多余的余热进行地下蓄热和除湿，同时运用建筑能耗监测与控制装置、并网装置以及蓄冷、蓄热装置进行实时调控配置，使整个复合供能***最优化运行。该复合供能***采用的原料为天然气和浅层地热能，是化石清洁能源和可再生能源的优势互补。该复合供能***充分利用天然气基分布式能源***的余热，在春季、夏季工况下驱动溴化锂吸收式机组制冷，进行地下蓄冷或向冷需求端供冷，以满足夏季大量的冷能需求，同时缓解向地下持续放热而导致的温度场失衡问题。该复合供能***利用对第二水源热泵机组预热和再热后的天然气基分布式能源***的余热，驱动吸收式除湿装置对需求建筑进行除湿，使热能利用最大化。该复合供能***利用从除湿装置出来的天然气基分布式能源***的余热，在秋季、冬季工况下通过地下换热器进行蓄热，以满足秋冬季大量的热能需求，同时缓解从持续地下取热而导致的温度场失衡问题。该复合供能***将用能实时情况和蓄能信息通过信号反馈网传输给建筑能耗监测与控制装置，通过分析之后经控制网进行实时调控，实现优化运行。
如图2所示，图2是依照本发明第一实施例在春季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入溴化锂吸收式机组制冷，通过地下换热器进行地下蓄冷，以满足夏季大量的冷能需求，溴化锂吸收式机组出口的烟气进入余热锅炉，用于生产生活热水，余热锅炉出口的烟气对水源热泵机组2进行预热和再热，即余热锅炉出来的烟气直接进入第一换热器对第二水源热泵机组空调侧的出口再热，使其达到设定值，从第一换热器出来的烟气进入第二换热器对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，从第二换热器出来的烟气则利用第三换热器对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，该第二水源热泵机组与余热锅炉进行集成互补，以满足生活热水的用能需求，从第三换热器出来的烟气用于驱动吸收式除湿装置，对需求建筑进行除湿，从除湿装置中出来的烟气经过处理后排入大气环境中；同时通过建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络进行分析和实时调控配置，使多余的电进入到并网装置，多余的热储存在第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，缓冲用能需求，多余的冷通过地下换热器进行地下蓄冷，以满足夏季大量的冷能需求，使复合供能***优化运行。
如图3所示，图3是依照本发明第二实施例在夏季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入溴化锂吸收式机组制冷，而不足的冷能由第一水源热泵机组提供，使第一水源热泵机组与溴化锂吸收式机组充分集成互补，以满足冷能需求，溴化锂吸收式机组出口的烟气进入余热锅炉，用于生产生活热水，余热锅炉出来的烟气对第二水源热泵机组进行预热和再热，即余热锅炉出来的烟气直接进入第一换热器对第二水源热泵机组空调侧的出口再热，使其达到设定值，从第一换热器出来的烟气进入第二换热器对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，从第二换热器出来的烟气则利用第三换热器对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，该第二水源热泵机组与余热锅炉进行集成互补，以满足生活热水的用能需求，从第三换热器出来的烟气用于驱动吸收式除湿装置，对需求建筑进行除湿，从除湿装置中出来的烟气经过处理后排入大气环境中；同时通过建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络进行分析和实时调控配置，使多余的电进入到并网装置，多余的热储存在第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，多余的冷储存在冰蓄冷装置中，缓冲用能需求，以使复合供能***优化运行。
如图4所示，图4是依照本发明第三实施例在秋季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入余热锅炉，用于生产生活热水，余热锅炉出来的烟气，对第二水源热泵机组进行预热和再热，即余热锅炉出来的烟气直接进入第一换热器对第二水源热泵机组空调侧的出口再热，使其达到设定值，从第一换热器出来的烟气进入第二换热器对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，从第二换热器出来的烟气则利用第三换热器对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，该第二水源热泵机组与余热锅炉进行集成互补，以满足生活热水的用能需求，从第三换热器出来的烟气用于驱动吸收式除湿装置，对需求建筑进行除湿，从除湿装置出来的烟气则进入地下换热器将多余的热量储存于地下介质中，使热能利用最大化，以满足秋冬季大量的热能需求，地下换热器出来的烟气经过处理后排入大气环境中；同时通过建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络进行分析和实时调控配置，使多余的电进入到并网装置，多余的热储存在第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，缓冲用能需求，以使复合供能***优化运行。
如图5所示，图5是依照本发明第四实施例在冬季工况下本发明提供的复合供能***的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入余热锅炉，用于生产生活热水，余热锅炉出来的烟气，对第二水源热泵机组进行预热和再热，即余热锅炉出来的烟气直接进入第一换热器对第二水源热泵机组空调侧的出口再热，使其达到设定值，从第一换热器出来的烟气进入第二换热器对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，从第二换热器出来的烟气则利用第三换热器对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，以满足供暖所需的热能，从第三换热器出来的烟气用于驱动吸收式除湿装置，对需求建筑进行除湿，从除湿装置出来的烟气则进入地下换热器将多余的热量储存于地下介质中，使热能利用最大化，以满足冬季大量的热能需求，地下换热器出来的烟气经过处理后排入大气环境中；同时通过建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络进行分析和实时调控配置，使多余的电进入到并网装置，多余的热储存在第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，缓冲用能需求，以使复合供能***优化运行。
需要说明的是，秋季、冬季工况下复合供能***的运行示意图是相同的，但运行功能略微不同，不同之处在于第二水源热泵机组的使用目的不同：秋季工况下，第二水源热泵机组用于生产生活热水，冬季工况下，第二水源热泵机组用于生产供暖所需的热能，但都是为了与余热锅炉集成互补，满足热需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，其特征在于，该***包括燃气轮机、溴化锂吸收式机组、余热锅炉、第一水源热泵机组、第二水源热泵机组、第一换热器、第二换热器、第三换热器、吸收式除湿装置、地下换热器、并网装置、冰蓄冷装置、第一蓄热水箱、第二蓄热水箱、建筑能耗监测与控制装置和信号反馈控制网络，其中：
燃气轮机，用于做功发电，满足建筑终端和维持机组正常运行的电需求；
溴化锂吸收式机组，用于制取冷量，满足冷需求或进行地下蓄冷；
余热锅炉，用于生产热量，满足热需求；
第一水源热泵机组，用于在夏季工况下与溴化锂吸收式机组集成互补，以生产冷量，满足冷需求；
第二水源热泵机组，用于与余热锅炉集成互补，以生产热量，满足热需求；
第一换热器，用于利用从余热锅炉出口的余热，对第二水源热泵机组空调侧的出口进行再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；
第二换热器，用于利用第一换热器出口的余热对第二水源热泵机组空调侧的进口进行预热，使其达到设定温度，提高地源热泵***的能效；
第三换热器，用于利用第二换热器出口的余热对从地下换热器出来的换热介质再热，使其达到设定值，提高地源热泵***的能效；
吸收式除湿装置，用于利用第三换热器出口的余热，对需求建筑进行除湿，使热能利用最大化；
地下换热器，用于与地下介质进行换热，进行地下取热/取冷、蓄热/蓄冷，以缓解地下温度场不平衡，并使热能利用最大化；
并网装置，用于将燃气轮机发出的多余电力输入至邻近区域的用能设备中；
冰蓄冷装置，用于储存生产的冷能，缓冲用能冷需求；
第一蓄热水箱和第二蓄热水箱，用于储存生产的热能，缓冲用能热需求；
建筑能耗监测与控制装置，用于对整个复合供能***进行分析和实时调控配置，通过信号反馈控制网络使多余的电进入到并网装置，多余的热和冷储存在蓄热水箱和冰蓄冷装置中，缓冲用能需求，使复合供能***优化运行；
信号反馈控制网络，用于用能实时情况、蓄能信息以及控制信息的传输；
其中，溴化锂吸收式机组、第一水源热泵机组和第二水源热泵机组中的至少一者与地下换热器连接，且当第二水源热泵机组与地下换热器连接时，第三换热器与第二水源热泵机组地源侧进口耦合连接，并耦合于第二换热器与吸收式除湿装置之间，实现利用第二换热器出口的余热对从地下换热器出来的换热介质再热。
2.根据权利要求1所述的天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，其特征在于，该复合供能***采用的原料为天然气和浅层地热能，是化石清洁能源和可再生能源的优势互补。
3.根据权利要求1所述的天然气基分布式能源***与地源热泵耦合的复合供能***，其特征在于，该复合供能***充分利用天然气基分布式能源***的余热，在春季、夏季工况下驱动溴化锂吸收式机组制冷，进行地下蓄冷或向冷需求端供冷，以满足夏季大量的冷能需求，同时缓解向地下持续放热而导致的温度场失衡问题。
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