一种基于可逆膨胀机的综合能源系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于可逆膨胀机的综合能源系统及运行方法，它包括太阳能集热器和燃气辅热器构成的热源系统；所述热源系统与内部带有多组换热器的储冷、储热一体化装置并联，所述储冷、储热一体化装置同时与第一换热器并联，所述第一换热器通过可逆膨胀机与第二换热器相串联，在第一换热器和第二换热器串联回路上安装有膨胀阀和工质泵，并共同构成的有机朗肯循环发电‑热泵一体化机组；所述第二换热器与地埋管换热器和辐射换热器相连；还包括控制系统。结合一体化储冷、储热装置构成的综合能源系统，来实现太阳能、浅层地热能、电能的综合高效利用的目的。

A comprehensive energy system and operation method based on reversible expander

【技术实现步骤摘要】
一种基于可逆膨胀机的综合能源系统及运行方法
本专利技术涉及综合供能领域的一种能源系统，特别涉及一种基于可逆膨胀机的，以太阳能、天然气、浅层地热（地表水、空气）和电源为能源的冷、热、电综合供应的能源系统。
技术介绍
能源问题一直是限制社会发展的重要因素，随着人类社会对自然资源的不断攫取，自然系统的耐受能力已逼近极限，随之而来的环境问题已成为发展过程中必要的考量因素。发展可再生能源、提高能源系统综合效率是现阶段全人类社会的共识。太阳能、风能为代表的可再生能源有不稳定性和特殊的周期性的特征，如何提供一种稳定的供能方式，甚至主动调节消纳这部分不稳定电力，综合能源供能系统应运而生。综合能源系统一般以小区和园区为单位，主要包含发电、供冷、供热和储能等要素。有机工质在常温区间可通过加热对膨胀机进行做功输出动力进而发电，又可通过压缩循环在环境温度两侧提供一个稳定的温差实现制冷或制热。前者可以构建以中低温热能为热源的动力循环，例如太阳能驱动的有机朗肯循环发电系统（Solar-ORCEnergyPlant），其优势在于对于利用不稳定热源时可以通过储热装置将热能进行时空上的转移，其成本远低于储电；而后者可以构建通过电力驱动的，以自然环境（地表水、地热、室外空气等）为热源的热泵系统（HeatPump），其优势在于利用能源主要以可再生能源为主若提供储热装置，就可以实现电力的时空转换，进而主动配合电网输出，调蓄过余电力。二者是综合能源系统中的重要角色。为实现能源的调蓄，储能装置必不可少，现阶段应用于综合能源系统中的储能手段主要有储冷、储热、储电和惯性储能等技术。其中储电成本高，惯性储能应用有诸多限制因素，而储冷、储热因为技术成熟可靠，被较为广泛的认可与应用。为进一步提高可再生能源利用率，提出了基于可逆膨胀机（压缩机），以太阳能、天然气、浅层地热（地表水、空气）和电源为能源的且含有储能的冷、热、电综合供应的能源系统。
技术实现思路
本专利技术是基于可逆膨胀机构建有机工质发电和热泵的一体化循环装置，结合一体化储冷、储热装置构成的综合能源系统，来实现太阳能、浅层地热能、电能的综合高效利用的目的。为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，它包括太阳能集热器和燃气辅热器构成的热源系统；所述热源系统与内部带有多组换热器的储冷、储热一体化装置并联，所述储冷、储热一体化装置同时与第一换热器并联，所述第一换热器通过可逆膨胀机与第二换热器相串联，在第一换热器和第二换热器串联回路上安装有膨胀阀和工质泵，并共同构成的有机朗肯循环发电-热泵一体化机组；所述第二换热器与地埋管换热器和辐射换热器相连；还包括控制系统。所述储冷、储热一体化装置内部设置有第一内部换热器、第二内部换热器和第三内部换热器；所述第一内部换热器与热源系统构成串联系统；所述第二内部换热器与辐射换热器相连并向建筑供冷或热，所述第三内部换热器与第一换热器相连用于储冷或热。所述太阳能集热器采用槽式或者碟式，太阳能集热器及其旁通与燃气辅热器及其旁通相串连，与储冷、储热一体化装置的第一内部换热器、第一换热器、第二换热器、地埋管换热器和辐射换热器构成的并联系统串联，具体连通方式根据运行模式而定。所述可逆膨胀机可实现膨胀输出功，也可在动力输入时完成对工质压缩，可逆膨胀机在热泵工况下其两端的四通换向系统可以另所需蒸发器、冷凝器换向，以实现制冷、制热工况的切换。所述地埋管换热器可以在供热周期内为系统提供低品位热，当进入非供热季或供热季太阳能富余则作为可再生能源的储热容器。所述基于可逆膨胀机的综合能源系统的运行方法，当太阳资源良好，或建筑冷负荷较低时，为工作模式一：此时太阳能集热器可同时满足辐射换热器对建筑采暖的需求以及储冷、储热一体化装置的储热需求；剩余部分通过地埋管换热器向土壤中储存热量；根据以上所述，太阳能集热器作为工作模式一的全部热源，其出口分别接至一体化储热、储冷装置中第一内部换热器进口，以及第一换热器外部循环的进口处；太阳能集热器进口分别接至储冷、储热一体化装置中第一内部换热器出口，以第一换热器外部循环的出口处；此时太阳能集热器为第一内部换热器的储热过程，和由第一换热器、可逆膨胀机、第二换热器和工质泵内部循环构成的动力循环进行供热，并实现发电并网；此时第二换热器外循环带走的余热，进行辐射换热器的建筑供热过程和地埋管换热器土壤储热过程；此时，第二换热器外循环出口分别接于辐射换热器和地埋管换热器进口；第二换热器外循环进口分别与辐射换热器和地埋管换热器进口的出口相连；此模式是由控制系统判断并控制阀门、管路的连接，并以建筑采暖先于储冷、储热一体化装置储热，先于土壤储热这一优先级进行实施。当太阳资源减弱但是依然可以满足建筑冷负荷时，需考虑太阳本身及建筑负荷的波动特性，为工作模式二：此时太阳能集热器与燃气辅热串联可满足辐射换热器对建筑采暖的需求；根据以上所述，太阳能集热器串联燃气辅热作为工作模式二的全部热源，燃气辅热出口接至第一换热器外部循环的进口处；太阳能集热器进口与第一换热器外部循环的出口处相连；此时太阳能集热器串联燃气辅热为由第一换热器、可逆膨胀机、第二换热器和工质泵内部循环构成的动力循环进行供热，并实现发电并网；此时第二换热器外循环带走的余热，进行辐射换热器的建筑供热过程；此时，第二换热器外循环出口接于辐射换热器的入口处；换热器外循环进口与辐射换热器的出口相连；此模式是由控制器判断并控制阀门、管路的连接和实施，其中燃气只用于保持热源的稳定性。当太阳资源减弱无法实现储热或无法满足建筑冷负荷时，太阳能集热器及燃气辅热完全停机，为工作模式三：此时利用储冷、储热一体化装置中储存的热量为建筑或者发电循环进行供热，根据以上所述，储冷、储热一体化装置作为工作模式三的全部热源，储冷、储热一体化装置中的第三内部换热器出口接至第一换热器外循环的进口处；储冷、储热一体化装置中的第三内部换热器进口与第一换热器外循环的出口处相连；此时储冷、储热一体化装置为由第一换热器、可逆膨胀机、第二换热器和工质泵内部循环构成的动力循环进行供热，并实现发电并网；此时第二换热器外循环带走的余热结合储冷、储热一体化装置中的第三内部换热器带走的热量，进行辐射换热器的建筑供热过程；此时，第二换热器外循环出口接于辐射换热器的入口处；第二换热器外循环进口与辐射换热器的出口相连，储冷、储热一体化装置中的第二内部换热器出口接至辐射换热器的进口处；储冷、储热一体化装置中的第二内部换热器进口与辐射换热器的出口处相连，此模式是由控制器判断并控制阀门、管路的连接和调整储冷、储热一体化装置中热量分配的具体实施。当夜间较为恶劣的气象条件建筑冷负荷时较高时，为工作模式四：此时利用储冷、储热一体化装置中储存的热量为建筑进行供热，必要时开启电驱动热泵循环和燃气补热循环，根据以上所述，燃气辅热与储冷、储热一体化装置中第一内部换热器串联，燃气辅热出口与第一内部换热器入口相连，燃气辅热进口与第一内部换热器出口相连，该循环可根据情况选择为储冷、储热一体化装置进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征其在于：它包括太阳能集热器（8）和燃气辅热器（10）构成的热源系统；所述热源系统与内部带有多组换热器的储冷、储热一体化装置（6）并联，所述储冷、储热一体化装置（6）同时与第一换热器（2）并联，所述第一换热器（2）通过可逆膨胀机（1）与第二换热器（3）相串联，在第一换热器（2）和第二换热器（3）串联回路上安装有膨胀阀（4）和工质泵（5），并共同构成的有机朗肯循环发电-热泵一体化机组；所述第二换热器（3）与地埋管换热器（9）和辐射换热器（7）相连；还包括控制系统（14）。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征其在于：它包括太阳能集热器（8）和燃气辅热器（10）构成的热源系统；所述热源系统与内部带有多组换热器的储冷、储热一体化装置（6）并联，所述储冷、储热一体化装置（6）同时与第一换热器（2）并联，所述第一换热器（2）通过可逆膨胀机（1）与第二换热器（3）相串联，在第一换热器（2）和第二换热器（3）串联回路上安装有膨胀阀（4）和工质泵（5），并共同构成的有机朗肯循环发电-热泵一体化机组；所述第二换热器（3）与地埋管换热器（9）和辐射换热器（7）相连；还包括控制系统（14）。


2.根据权利要求1所述的一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征在于：所述储冷、储热一体化装置（6）内部设置有第一内部换热器（11）、第二内部换热器（12）和第三内部换热器（13）；所述第一内部换热器（11）与热源系统构成串联系统；所述第二内部换热器（12）与辐射换热器（7）相连并向建筑供冷或热，所述第三内部换热器（13）与第一换热器（2）相连用于储冷或热。


3.根据权利要求1所述的一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征在于：所述太阳能集热器（8）采用槽式或者碟式，太阳能集热器（8）及其旁通与燃气辅热器（10）及其旁通相串连，与储冷、储热一体化装置（6）的第一内部换热器（11）、第一换热器（2）、第二换热器（3）、地埋管换热器（9）和辐射换热器（7）构成的并联系统串联，具体连通方式根据运行模式而定。


4.根据权利要求1所述的一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征在于：所述可逆膨胀机（1）可实现膨胀输出功，也可在动力输入时完成对工质压缩，可逆膨胀机（1）在热泵工况下其两端的四通换向系统可以另所需蒸发器、冷凝器换向，以实现制冷、制热工况的切换。


5.根据权利要求1所述的一种基于可逆膨胀机的综合能源系统，其特征在于：所述地埋管换热器（9）可以在供热周期内为系统提供低品位热，当进入非供热季或供热季太阳能富余则作为可再生能源的储热容器。


6.采用权利要求1-5任意一项所述基于可逆膨胀机的综合能源系统的运行方法，其特征在于，当太阳资源良好，或建筑冷负荷较低时，为工作模式一：
此时太阳能集热器（8）可同时满足辐射换热器（7）对建筑采暖的需求以及储冷、储热一体化装置（6）的储热需求；剩余部分通过地埋管换热器（9）向土壤中储存热量；根据以上所述，太阳能集热器（8）作为工作模式一的全部热源，其出口分别接至一体化储热、储冷装置（6）中第一内部换热器（11）进口，以及第一换热器（2）外部循环的进口处；太阳能集热器（8）进口分别接至储冷、储热一体化装置（6）中第一内部换热器（11）出口，以第一换热器（2）外部循环的出口处；此时太阳能集热器（8）为第一内部换热器（11）的储热过程，和由第一换热器（2）、可逆膨胀机（1）、第二换热器（3）和工质泵（5）内部循环构成的动力循环进行供热，并实现发电并网；此时第二换热器（3）外循环带走的余热，进行辐射换热器（7）的建筑供热过程和地埋管换热器（9）土壤储热过程；此时，第二换热器（3）外循环出口分别接于辐射换热器（7）和地埋管换热器（9）进口；第二换热器（3）外循环进口分别与辐射换热器（7）和地埋管换热器（9）进口的出口相连；此模式是由控制系统（14）判断并控制阀门、管路的连接，并以建筑采暖先于储冷、储热一体化装置（6）储热，先于土壤储热这一优先级进行实施。


7.根据权利要求6所述基于可逆膨胀机的综合能源系统的运行方法，其特征在于，当太阳资源减弱但是依然可以满足建筑冷负荷时，需考虑太阳本身及建筑负荷的波动特性，为工作模式二：
此时太阳能集热器（8）与燃气辅热（10）串联可满足辐射换热器（7）对建筑采暖的需求；根据以上所述，太阳能集热器（8）串联燃气辅热（10）作为工作模式二的全部热源，燃气辅热（10）出口接至第一换热器（2）外部循环的进口处；太阳能集热器（8）进口与第一换热器（2）外部循环的出口处相连；此时太阳能集热器（8）串联燃气辅热（10）为由第一换热器（2）、可逆膨胀机（1）、第二换热器（3）和工质泵（5）内部循环构成的动力循环进行供热，并实现发电并网；此时第二换热器（3）外循环带走的余热，进行辐射换热器（7）的建筑供热过程；此时，第二换热器（3）外循环出口接于辐射换热器（7）的入口处；换热器（3）外循环进口与辐射换热器（7）的出口相连；此模式是由控制器（14）判断并控制阀门、管路的连接和实施，其中燃气只用于保持热源的稳定性。


8.根据权利要求6所述基于可逆膨胀机的综合能源系统的运行方法，其特征在于，当太阳资源减弱无法实现储热或无法满足建筑冷负荷时，太阳能集热器（8）及燃气辅热（10）完全停机，为工作模式三：
此时利用储冷、储热一体化装置（6）中储存的热量为建筑或者发电循环进行供热，根据以上所述，储冷、储热一体化装置（6）作为工作模式三的全部热源，储冷、储热一体化装置（6）中的第三内部换热器（13）出口接至第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺新星，尹立坤，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11