CN103673389A - 基于热机的冷热联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热机的冷热联供系统，包括热机、发电机组、余热回收换热器、工况切换阀、热水换热器、吸收式制冷机组、HVAC设备；热机的轴功输出端与发电机组相连接，发电机组的电力输出端与HVAC设备的输入端相连接；热机的余热输出端与余热回收换热器相连接，余热回收换热器与工况切换阀的一端相连接；工况切换阀的另一端选择性地与吸收式制冷机组和热水换热器中的一个相连接；吸收式制冷机组和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的冷负荷；热水换热器和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的热负荷。本发明的系统能量输出完全面向热负荷和冷负荷，不涉及电负荷，因而可以更简单有效地实现系统的控制和运行。
Description
技术领域
本发明涉及建筑供能领域，尤其涉及一种基于热机的冷热联供系统。
背景技术
在发达国家，50%的建筑能耗来源于暖通空调设备。随着我国城镇化率的快速推进和居民生活水平的提高，建筑耗能也在明显提升。尤其是在冬季和夏季，建筑供暖和供冷带来了巨大的能耗，一方面引起了区域性供电的季节性波动，为电厂生产和电网调度增添了压力，另一方面增加了煤炭消耗，引起环境污染。另外，近些年我国各地电荒以及拉匣限电时有发生，其中一个重要的因素就是冬季或夏季用电负荷较高。如果能够将冬季以及夏季的空调负荷从电网分离，则能有效地缓解电力需求的季节性波动、减少燃煤电厂的污染。
将空调负荷从电网分离的有效思路是推广分布式供能。其中以基于燃气内燃机的联产系统应用最广、技术最为成熟。一般分布式供能都是基于天然气等相对洁净的燃料。通过分布式供能来解决区域用户的供能问题，可以缓解电网压力，减少煤炭消耗。通过对现有专利技术进行检索，发现有两类技术能够实现将空调负荷从电网分离。
申请号为CN201120012538.6的中国发明专利申请公开了一种小型内燃机冷热电联供模块化集成系统为代表的冷热电联供系统。该类冷热电联供系统至少包括热机、余热回收换热器、溴化锂吸收机。一般思路是热机的余热被回收后，用以在夏季驱动吸收式制冷热备或者在冬季直接供暖；热机产生的功用以驱动发电机发电，用以满足用户电力需求。该类系统效率高、功能全，但其高效性需要通过优化集成和优化运行予以保障。而电负荷和热（冷）负荷往往各自具有一定波动性，这使得系统在实现热电两全方面面临着比较复杂的优化控制问题。并且，冷热电联产系统的发电效率并不高，系统整体的高效性在于有效地回收利用了系统余热。在过渡季节，当用户没有热（冷）需求时，冷热电联产系统的运行将失去经济性和节能性。
申请号为CN200610155965.3的中国发明专利申请公开了一种燃气热泵空调装置及其运行控制方法为代表的燃气空调热泵系统。该类系统至少包括燃气发动机、压缩机等设备，其一般特征是燃气发动机做功直接驱动压缩机运转，实现热泵工质的压缩循环。这类系统消耗燃料，完全只输出热量和冷量。发动机余热也可以同时回收加以利用以提高系统效率。但此种系统的压缩机直接由发动机驱动，与现有的电驱动HVAC设备不兼容，在应用推广时必须撤掉建筑原有的HVAC系统。这使得此种技术在优势不太明显的情况下难以得到推广。
另外，传统建筑联供系统主要是热电联供或者冷热电联供，其旨在满足用户的电力需求和热量（冷量）需求；但因为电力负荷和热（冷）负荷往往不是同步变化的，致使系统实际运行中的控制问题复杂化。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于热机的以冷量输出和热量输出为目的的冷热联供系统，系统的能量输出仅仅面向用户的热量或冷量需求，系统简单、兼容性高。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热机的以冷量输出和热量输出为目的的冷热联供系统，能够在简化系统控制的同时，更具针对性地解决季节性空调负荷对电网造成的负担，减少燃煤电厂的污染。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于热机的冷热联供系统，包括热机、发电机组、余热回收换热器、工况切换阀、热水换热器、吸收式制冷机组、HVAC设备；热机的轴功输出端与发电机组相连接，发电机组的电力输出端与HVAC设备的输入端相连接；热机的余热输出端与余热回收换热器相连接，余热回收换热器与工况切换阀的一端相连接；工况切换阀的另一端选择性地与吸收式制冷机组和热水换热器中的一个相连接；吸收式制冷机组和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的冷负荷；热水换热器和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的热负荷。
其中，HVAC（Heating，Ventilation，Air-conditioning and Cooling）是指空气调节系统，是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统。
其中，轴功是指系统通过机器轴与外界传递的功。
进一步地，工况切换阀为三通阀，工况切换阀的第一端口与余热回收换热器相连接，工况切换阀的第二端口与吸收式制冷机组相连接，工况切换阀的第三端口与热水换热器相连接。
进一步地，热机是燃气内燃机、燃气轮机、微型燃气轮机或斯特林机中的任一种。
进一步地，HVAC设备是暖通制冷空调、通风除湿设备或电驱动热泵中的任一种，HVAC设备用于选择性地实现冷量输出或热量输出。
可选地，HVAC设备是暖通制冷空调、通风除湿设备和电驱动热泵中的任意两个的组合，或者三个的组合，HVAC设备用于选择性地实现冷量输出或热量输出。
进一步地，冷负荷由HVAC设备的冷量输出和吸收式制冷机组的冷量输出同时满足，系统的能量输出路径包括：燃料能量输入→轴功输出→电力输出→HVAC设备的冷量输出→总冷量输出，以及燃料能量输入→余热输出→热水输出→吸收式制冷机组的热源→吸收式制冷机组的冷量输出→总冷量输出。
进一步地，热负荷由HVAC设备的热量输出和热水换热器的热量输出同时满足，系统的能量输出路径包括：燃料能量输入→轴功输出→电力输出→HVAC设备的热量输出→总热量输出，以及燃料能量输入→余热输出→热水输出→热水换热器的热源→热水换热器的热量输出→总热量输出。
进一步地，系统的能量输出大小由热机的部分负荷率调节实现。
进一步地，HVAC设备的输入端还与市电电能相连接。
进一步地，市电电能为HVAC设备供电，冷负荷由HVAC设备的冷量输出满足，系统的能量输出路径为：市电电能→HVAC设备的冷量输出→总冷量输出。
进一步地，市电电能为HVAC设备供电，热负荷由HVAC设备的热量输出满足，系统的能量输出路径为：市电电能→HVAC设备的热量输出→总热量输出。
由此可见，本发明具有如下技术效果：
1、本发明的系统能量输出完全面向热负荷和冷负荷，不涉及电负荷，因而可以更简单有效地实现系统的控制和运行。一般来说，传统的冷热电系统运行时，需要同时兼顾热（冷）输出和电输出，系统能量输出大小不仅取决于热机的部分负荷率，也取决于其它的一些变量，实际运行和调节中比较复杂；而本发明的冷热联供系统在运行时，只单一提供热输出或冷输出，热输出或冷输出大小与热机的部分负荷率存在一一对应关系，因此便于直接操作和调节。
2、空调负荷是建筑能耗季节性波动的最主要因素，而其它建筑设备的电负荷基本无季节性波动，本发明将用户的空调负荷从电网分离有利于电网的各季节负荷均匀化，有利于降低发电站及输电系统的配置容量，使电厂设备利用率提高。
3、本发明采用普通的HVAC设备，只需在建筑原有的HVAC系统基础上添加热机发电机组和余热回收设备，就能完成系统改造而不对原来系统造成影响。更重要的是，改造后的系统仍可以随时切换到市电电能连接，获取所需的市电电能，用于所述热机或其它设备出现故障等不能正常运转时，HVAC设备从电网获取所需要的市电电能，提供用户的热负荷和冷负荷。因此，本发明所提出的系统模式相较于燃气热泵空调系统而言，更易于推广应用，更加安全可靠。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的基于热机的冷热联供系统的一个实施例的原理图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于热机的冷热联供系统，包括热机、发电机组、余热回收换热器、工况切换阀、热水换热器、吸收式制冷机组、HVAC设备等。
热机优选为燃气内燃机。燃气内燃机的输入端与燃料能量输入1相连接，燃气内燃机的轴功输出端2与发电机组相连接，发电机组的电力输出7与HVAC设备的输入端相连接。燃气内燃机的缸套水循环和烟气管路分别与余热回收换热器的低温段和高温段相连，缸套水余热和烟气余热形成燃气内燃机的余热输出3。燃气内燃机的余热输出3与余热回收换热器的一端相连接，将产生的余热输出到余热回收换热器。其中，余热回收换热器泛指将热机的各种余热予以回收的换热器系统。
余热回收换热器的另一端与工况切换阀的一端相连接；工况切换阀的另一端选择性地与吸收式制冷机组和热水换热器中的一个相连接。优选地，工况切换阀为三通阀，工况切换阀的第一端口与余热回收换热器相连接，工况切换阀的第二端口与吸收式制冷机组相连接，工况切换阀的第三端口与热水换热器相连接。
吸收式制冷机组和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的冷负荷；热水换热器和HVAC设备与用户相连接，用于满足用户的热负荷。
可选地，热机还可以为燃气轮机、微型燃气轮机或斯特林机中的任一种。
HVAC（Heating,Ventilation,Air-conditioning and Cooling）是指空气调节系统，是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统。本实施例中，HVAC设备是暖通制冷空调、通风除湿设备或电驱动热泵中的任一种，用于选择性地实现冷量输出或热量输出。HVAC设备也可以是暖通制冷空调、通风除湿设备和电驱动热泵中的任意两个的组合，或者三个的组合，用于选择性地实现冷量输出或热量输出。
本实施例的冷热联供系统运行时，燃料能量输入1被热机利用，产生轴功输出2和余热输出3。轴功输出2用于驱动发电机，产生电力输出7，电力输出7全部用于驱动HVAC设备。HVAC设备在冬季时输出热量供给空调末端用于采暖，HVAC设备在夏季时输出冷量供给空调末端用于供冷。余热输出3被余热回收换热器回收，产生热水输出4，热水输出4的温度可以达到95℃，但热水输出4所在的水路只参与换热而不直接供给用户，热水输出4的水路是一个流经余热回收换热器、工况切换阀、吸收式制冷机组和热水换热器的闭式循环水路，热水输出4受工况切换阀控制；在冬季时热水输出4被切换成热水换热器的热源5，热水换热器吸收的热量产生热水换热器的热水输出8全部输出供给空调末端用于采暖；在夏季时热水输出4被切换成吸收式制冷机组的热源6，吸收式制冷机组消耗所有热量并产生吸收式制冷机组的冷量输出9供给空调末端用于供冷。
换言之，本实施例的系统运行模式可分为夏季模式和冬季模式。具体为：
夏季模式：冷负荷由HVAC设备的冷量输出10和吸收式制冷机组的冷量输出9同时满足，系统的能量输出路径包括：燃料能量输入1→轴功输出2→电力输出7→HVAC设备的冷量输出10→总冷量输出13，以及燃料能量输入1→余热输出3→热水输出4→吸收式制冷机组的热源6→吸收式制冷机组的冷量输出9→总冷量输出13。
冬季模式：热负荷由HVAC设备的热量输出和热水换热器的热量输出同时满足，系统的能量输出路径包括：燃料能量输入1→轴功输出2→电力输出7→HVAC设备的热量输出11→总热量输出12，以及燃料能量输入1→余热输出3→热水输出4→热水换热器的热源5→热水换热器的热量输出8→总热量输出12。
进一步，系统的能量输出大小由热机的部分负荷率调节实现。
此外，本实施例中，HVAC设备的输入端还与市电电能相连接，用于提供在特殊时候保障系统的运行的备用模式。当热机或者其它设备不能正常运行时，可以通过市电直接给HVAC设备供电，提供用户的冷负荷和热负荷。其中，对于冷负荷，独立由HVAC设备的冷量输出10满足，系统的能量输出路径为：市电电能14→HVAC设备的冷量输出10→总冷量输出13。对于热负荷，独立由HVAC设备的热量输出11满足，系统的能量输出路径为：市电电能14→HVAC设备的热量输出11→总热量输出12。
由此可见，本发明的实施例提供了一种基于热机的冷热联供系统，系统的能量输出仅仅面向用户的热量或冷量需求。这种冷热联供系统比冷热电联供系统简单、比燃气热泵系统更灵活更加易于推广，不仅完全避免了传统冷热电联供系统所面临的控制难题，同时也具有良好的节能性、经济性，能够有效缓解市电负荷的季节性波动。
此外，本实施例的系统能量输出完全面向热负荷和冷负荷，不涉及电负荷，因而可以更简单有效地实现系统的控制和运行。一般来说，传统的冷热电系统运行时，需要同时兼顾热（冷）输出和电输出，系统能量输出大小不仅取决于热机的部分负荷率，也取决于其它的一些变量，实际运行和调节中比较复杂；而本发明的冷热联供系统在运行时，只单一提供热输出或冷输出，热输出或冷输出大小与热机的部分负荷率存在一一对应关系，因此便于直接操作和调节。
空调负荷是建筑能耗季节性波动的最主要因素，而其它建筑设备的电负荷基本无季节性波动，本实施例的冷热联供系统将用户的空调负荷从电网分离有利于电网的各季节负荷均匀化，有利于降低发电站及输电系统的配置容量，使电厂设备利用率提高。
本实施例采用普通的HVAC设备，只需在建筑原有的HVAC系统基础上添加热机、发电机组和余热回收设备，就能完成系统改造而不对原来系统造成影响。更重要的是，改造后的系统仍可以随时切换到市电连接，获取所需的市电。因此，本实施例提出的系统模式相较于燃气热泵空调系统而言，更易于推广应用，更加安全可靠。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于热机的冷热联供系统，其特征在于，包括热机、发电机组、余热回收换热器、工况切换阀、热水换热器、吸收式制冷机组、HVAC设备；所述热机的轴功输出端与所述发电机组相连接，所述发电机组的电力输出端与所述HVAC设备的输入端相连接；所述热机的余热输出端与所述余热回收换热器相连接，所述余热回收换热器与所述工况切换阀的一端相连接；所述工况切换阀的另一端选择性地与所述吸收式制冷机组和所述热水换热器中的一个相连接；所述吸收式制冷机组和所述HVAC设备与用户相连接，用于满足所述用户的冷负荷；所述热水换热器和所述HVAC设备与用户相连接，用于满足所述用户的热负荷。
2.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述工况切换阀为三通阀，所述工况切换阀的第一端口与所述余热回收换热器相连接，所述工况切换阀的第二端口与所述吸收式制冷机组相连接，所述工况切换阀的第三端口与所述热水换热器相连接。
3.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述热机是燃气内燃机、燃气轮机、微型燃气轮机或斯特林机中的任一种。
4.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述HVAC设备是暖通制冷空调、通风除湿设备或电驱动热泵中的任一种，所述HVAC设备用于选择性地实现冷量输出或热量输出。
5.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述HVAC设备是暖通制冷空调、通风除湿设备和电驱动热泵中的任意两个的组合，或者三个的组合，所述HVAC设备用于选择性地实现冷量输出或热量输出。
6.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述冷负荷由HVAC设备的冷量输出和吸收式制冷机组的冷量输出同时满足，所述系统的能量输出路径包括：燃料能量输入→轴功输出→电力输出→HVAC设备的冷量输出→总冷量输出，以及燃料能量输入→余热输出→热水输出→吸收式制冷机组的热源→吸收式制冷机组的冷量输出→总冷量输出。
7.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述热负荷由HVAC设备的热量输出和热水换热器的热量输出同时满足，所述系统的能量输出路径包括：燃料能量输入→轴功输出→电力输出→HVAC设备的热量输出→总热量输出，以及燃料能量输入→余热输出→热水输出→热水换热器的热源→热水换热器的热量输出→总热量输出。
8.如权利要求1所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述HVAC设备的输入端还与市电电能相连接。
9.如权利要求8所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述市电电能为所述HVAC设备供电，所述冷负荷由HVAC设备的冷量输出满足，所述系统的能量输出路径为：市电电能→HVAC设备的冷量输出→总冷量输出。
10.如权利要求8所述的基于热机的冷热联供系统，其特征在于，所述市电电能为所述HVAC设备供电，所述热负荷由HVAC设备的热量输出满足，所述系统的能量输出路径为：市电电能→HVAC设备的热量输出→总热量输出。
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