一种多热源互补供热系统及方法
阅读说明：本技术 一种多热源互补供热系统及方法 (Multi-heat-source complementary heating system and method ) 是由 孟伟 王易平 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种多热源互补供热系统及方法,水水热泵(8)作为基础热源,锅炉(2)作为调峰热源；低环温空气源采集装置(1)作为低温热源进入水水热泵(8)的蒸发器侧,蒸发器侧的回水再回流到低环温采集装置(1)获取热能；基础热源和调峰热源并联运行为用户端循环供暖系统提供热源；基础热源提供不低于60％的供热负荷,其余供热负荷由调峰热源进行补充；其优点是：1)热泵可适用于低环温,拓展了水/地源热泵、空气源热泵的使用条件；2)多热源互补的方式供热,可充分发挥各单一热源的优势,形成清洁能源、可再生能源的多能互补、梯阶利用；3)热泵能效比高,供热成本低。(The invention discloses a multi-heat source complementary heat supply system and a method, wherein a water-water heat pump (8) is used as a basic heat source, and a boiler (2) is used as a peak regulation heat source; the low-environment-temperature air source collecting device (1) is used as a low-temperature heat source to enter the evaporator side of the water-water heat pump (8), and the return water at the evaporator side returns to the low-environment-temperature collecting device (1) to obtain heat energy; the basic heat source and the peak shaving heat source are operated in parallel to provide a heat source for the user side circulating heating system; the basic heat source provides heat supply load not less than 60%, and the rest heat supply load is supplemented by the peak regulation heat source; the advantages are that: 1) the heat pump can be suitable for low-loop temperature, and the use conditions of the water/ground source heat pump and the air source heat pump are expanded; 2) the heat is supplied in a multi-heat source complementary mode, the advantages of each single heat source can be fully exerted, and multi-energy complementary and step utilization of clean energy and renewable energy are formed; 3) the heat pump has high energy efficiency ratio and low heat supply cost.)
技术领域
本专利涉及清洁能源和可再生能源供热领域，特别是涉及一种多热源互补供热系统及方法。
背景技术
目前，分布式能源供热系统采用单一热源，如燃气热水锅炉、电热锅炉(包括蓄热电锅炉)、水/地源热泵、空气源热泵等。分布式供热系统以上述单一热源建立锅炉房或热能站，通过供/回水管网与用户散热终端形成循环热水供热系统。
燃气热水锅炉是以燃气(如天然气、液化石油气、城市煤气、沼气等)为燃料，通过燃烧器对水加热，实现供暖，锅炉智能化程度高、加热快、低噪音、无灰尘。但采用单一燃气热水锅炉作为供热热源其缺点是：1)“气荒”造成冬季供热保障性差；随着“煤改气”城镇供热形成对天然气的过分依赖，冬季出现“气荒”，造成分布式供热热源因燃气断供而陷于瘫痪；2)用能单价高；天然气是化石燃料属于不可再生资源，气源受国际能源市场影响，气价必将呈上涨趋势，北方地区冬季燃气涨价已成常态；3)氮排放；燃气锅炉烟气排放形成的温岛效应，排放物中含有氮氧化物，对大气均造成污染；4)碳排放指标高；中小型燃气锅炉热效率低，耗气量大，碳排放指标较高。
电热水锅炉是通过电力使电热组件发热，产生出热水的锅炉。其中，蓄热电锅炉按蓄热介质分为水箱蓄热和高温相变储热材料蓄热。电热锅炉自动化程度高、加热快、低噪音、无灰尘。采用单一电热锅(包括蓄热电锅炉)作为供热热源的缺点是：1)电价高；在无供热优惠电价地区，单位面积电力消耗成本约为燃气锅炉的两倍，用户难以承担；2)配电容量大；配电容量至少是锅炉额定功率的1.65倍以上；3)蓄热电热锅炉不节能；普遍推广的蓄热电热锅炉利用分时电价工作，并未降低能耗，只是降低了能耗费用，因为存在中间换热(水/水或者风/水换热)热效率比普通电热锅炉还低，属于不节能设备。
分布式供热系统中热泵的常用机型有：水/地源热泵和空气源热泵。热泵可将自然界低品位热能转移至高品位用于供暖。热泵本身消耗一部分能量(电能)，把环境介质中贮存的能量(水、土壤、空气中储存的低品位热能)通过传热工质循环系统转移至高品位对水进行加热，热泵装置所消耗的高品味能量(电能)仅为输出能量中的一小部分，因此，采用热泵技术可节约大量高品位能源。但采用单一热泵作为供热热源的缺点是：1)水/地源热泵是以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源，其中水源热泵需要打抽水井和回灌井，由于回灌较难持续，容易造成地质危害；打井受制于当地地下水管控，目前很难获批。地源热泵的地热能交换系统占地面积大，投资较高。2)空气源热泵的制热量随环境温度的降低而衰减，在环境温度较低时，蒸发器侧出现结霜现象，由于融霜技术尚不完善，造成空气源热泵涡旋式压缩机工作负荷过大容易烧损。
发明内容
本专利的目的就是提供一种多源互补热源供热系统及方法，实现各单一热源供热优势互补，以解决上述单一热源的各自缺点。
本专利的技术方案是：一种多热源互补供热系统，其特征是：包括并联运行的基础热源与调峰热源，所述基础热源为水水热泵，所述调峰热源为锅炉；低环温空气源采集装置是由多台空气源热泵并联组成，每台空气源热泵采集空气中的热能，从其冷凝器侧输出低温热水经热容单元后作为低温热源进入水水热泵的蒸发器侧，该低温热水在水水热泵释放热能后再返回到空气源热泵的冷凝器侧；从集水器引出的供热循环回水分别进入锅炉和水水热泵的冷凝器侧加热，加热后的热水依次经分水器、用户端室内散热设备、集水器形成供热循环；基础热源提供不低于60％的供热负荷，其余供热负荷由调峰热源进行补充；供热控制器分别对锅炉、水水热泵、空气源热泵的运行进行控制；
所述热容单元对输入的低温热水进行存储、调节、分配，向水水热泵的蒸发器侧提供20℃～25℃的低温热水作为低温热源；水水热泵蒸发器吸热后，再将15℃～20℃热水返回到空气源热泵的冷凝器侧；在所述热容单元与水水热泵连接管理路上设置有热容循环泵组，热容循环泵组与供热控制器电连接，通过供热控制器对进入水水热泵的低温热水进行控制；
在所述集水器与水水热泵冷凝器侧进水端之间设置有冷凝回水泵组，在所述集水器与锅炉进水端之间设置有锅炉循环泵组，供热控制器分别与冷凝回水泵组和锅炉的电动执行机构电连接，用于控制进入水水热泵冷凝器侧进水端的水量和进入锅炉的供热循环水水量，并为供热循环提供动力；
所述的锅炉为燃气锅炉、电热锅炉、蓄热电锅炉、秸秆炉或吸收式热泵中的一种或者多种并联；
所述的水水热泵为压缩式电力驱动热泵；
所述用户端室内散热设备为暖气片或地埋管或风机盘管；
在用户端的高层建筑的建筑高区，设置高区分水器、高区板换和高区集水器，所述分水器输出的多热源循环热水进入高区板换与采暖循环热水进行换热降温后回流至集水器；采暖循环热水在高区板换内经换热升温后依次进入高区分水器和高区室内散热设备，在高区室内散热设备散热后，回水依次经高区集水器、高区板换后到高区分水器，形成高区供热循环；在高区集水器与高区板换之间连接管路上设置有高区循环泵组在用户端的高层建筑的建筑低区，设置低区分水器、低区板换和低区集水器，从所述分水器引入的采暖热水依次经低区板换、低区分水器进入低区室内散热设备，在低区室内散热设备散热后回水依次经低区集水器、低区板换后回流到集水器，形成低区供热循环；进入低区室内散热设备的高温水和低温回水在低区板换内进行温度调节；在低区集水器与低区板换之间设置有低区循环泵组；
在用户端的高层建筑的建筑低区，设置低区分水器、低区板换和低区集水器，所述分水器输出的多热源循环热水进入低区板换与采暖循环热水进行换热后回流至集水器；采暖循环热水在低区板换内经换热升温后依次进入低区分水器和低区室内散热设备，在低区室内散热设备散热后，回水依次经低区集水器、低区板换后到低区分水器，形成低区供热循环；在低区集水器与低区板换之间设置有低区循环泵组；
一种多热源互补供热方法，采用如上所述的一种多热源互补供热系统，其特征是：供热控制器按以下方式设置：
1)调峰热源在供热系统启动时满负荷工作，基础热源按额定供热量运行；
2)正常运行后，基础热源按额定供热量运行，基础热源承担60％的供热量需求；调峰热源按对基础热源供热量不足的部分进行热力补充，承担供热负荷40％的供热量需求；
3)环境温度-5℃以下时，低环温空气源采集装置向热容单元输出20℃～25℃热水作为低温热源；
4)环境温度-5℃以上时，低环温空气源采集装置按额定供热能力向热容单元输出热水作为低温热源。
本专利的优点是：
1、基础热源采用水水热泵，其低温热源由低环温空气源采集装置提供，此时能效比高，无功率衰减，低环温下空气源热泵融霜所需热量由热容单元存储的热量提供，低环温可靠工作，可适应冬季-30℃环境温度下正常工作；基础热源拓展了水/地源热泵、空气源热泵的使用条件，克服了各自的局限性及性能弱点，综合能效比可稳定在2.5～3.5之间，调峰热源采用锅炉类热源，多热源互补供热系统突破了锅炉类热源热效率低于100％的限制；
2、多热源互补的方式供热，可充分发挥各单一热源的优势，形成清洁能源、可再生能源的多能互补、梯阶利用；供暖季不会因“缺气”导致的气价提升造成供热成本的过大波动，不会因“气荒”造成停供，供热可靠；
3、在供热量及热负荷变化相同条件下：
(1)节约天然气。调峰热源(燃气热水锅炉)的供热量为40％,比单一采用燃气热水锅炉节约天然气60％。
(2)降低配电容量。由于增加了水水热泵作为基础热源，比采用单一锅炉供热的配电容量小；
(3)可有效利用空气能、太阳能、谷段电价等低成本能量作为水水热泵的低温热源，降低了采暖成本，供热能耗成本低；
4、舒适供暖：入户热媒为热水，温度45℃～60℃，可满足地埋管采暖、风机盘管、暖气片采暖等各类散热终端；
5、在各单一热源技术成熟的基础上，多热源互补机组的可靠性高；
6、由于空气源热泵和水水热泵的蒸发器端和冷凝器端进行切换后可以工作在制冷工况，多热源互补系统可实现对公共建筑的冷热三联供(供热、生活用水、制冷)。
附图说明
图1：多热源互补供热系统原理示意图；
图2：多热源互补供热系统控制系统示意图；
图3：某小区多热源互补供热系统结构示意图；
图中：1-低环温空气源采集装置；11-空气源热泵；2-锅炉；3-锅炉循环泵组；31-低区循环泵组；32-高区循环泵组；4-分水器；41-低区分水器；42-高区分水器；5-室内散热设备；51-地埋管，52-风机盘管；53-暖气片；54-低区室内散热设备；55-高区室内散热设备；6-集水器；61-低区集水器；62-高区集水器；7-冷凝回水泵组；8-水水热泵；9-热容循环泵；10-热容单元；100-低区板换；200-高区板换；；300-供热控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本专利进行详细说明。
如图1所示，本专利所述的一种多热源互补供热系统包括基础热源、调峰热源、分水器4、集水器6、室内散热设备5，水水热泵8作为基础热源；由多台空气源热泵11并联组成的低环温空气源采集装置1为水水热泵8提供低温热源。
所述的水水热泵8为压缩式电力驱动热泵，通过少量电能驱动压缩机做功，在其蒸发器侧吸收低温热水中的热量，通过工质循环，在冷凝器侧对循环水放热；其原理是：通过水水热泵8内部循环，水水热泵8从其蒸发器测的循环水中吸收热量，在冷凝器侧对循环水加热向采暖用户提供热水。
空气源热泵11的冷凝器侧出水端通过热容单元10与水水热泵8的蒸发器侧进水端连接，水水热泵8的蒸发器侧回水端与空气源热泵11的冷凝器进水端连接；低环温空气源热泵11的蒸发器吸收空气中的热能，在所述空气源热泵11的冷凝器侧出水端与热容单元10连接，每台空气源热泵11的冷凝器侧出水端汇合后与水水热泵8的蒸发器侧进水端连接，水水热泵8的蒸发器侧回水端与每个空气源热泵11的冷凝器侧进水端连接；在所述空气源热泵11的冷凝器侧出水端与水水热泵8的蒸发器侧进水端连接管路上还设置有热容单元10，每台空气源热泵11的冷凝器侧的低温热水先汇集进入热容单元10存储，热容单元10对低品位热能进行存储、调节、分配，向水水热泵8蒸发器侧提供20℃～25℃的低温热水作为低温热源，水水热泵8的蒸发器吸热后，再将15℃～20℃热水返回到空气源热泵11的冷凝器侧。
在热容单元10与水水热泵8的蒸发器侧进水端之间设置有热容循环泵组9，用于控制从热容单元10进入水水热泵8的蒸发器侧的低温热水流量和提供循环所需动力。
锅炉2作为调峰热源；锅炉2出水端和水水热泵8冷凝器侧出水端分别与供热循环系统的分水器4连接，锅炉2进水端和水水热泵8的冷凝器进水端分别与供热循环系统的集水器6连接；所述的锅炉为燃气锅炉、电热锅炉、蓄热电锅炉、秸秆炉或吸收式热泵等其中的一种或者几种并联。
对集水器6引出的供热循环回水分别进入锅炉2和水水热泵8的冷凝器侧加热，加热后的热水依次经分水器4、用户端室内散热设备5、集水器6形成供热循环。所述用户端室内散热设备5可以为暖气片53、地埋管51或风机盘管52；在所述集水器6与水水热泵8的冷凝器侧进水端之间设置有冷凝回水循环泵组7，用以调控进入水水热泵8的冷凝器侧进水端的水量并形成供水循环；在所述集水器6与锅炉2进水端之间设置有锅炉循环泵组3，用以调控进入锅炉2的供热循环水水量并形成供水循环。
如图2所示，供热控制器300分别与锅炉2、水水热泵8、低环温空气源采集装置1的电动执行机构电连接，对锅炉2、水水热泵8和空气源热泵11的运行进行控制。供热控制器300分别与热容循环泵组9、冷凝回水泵组7以及锅炉循环泵组3的执行机构电连接，用于控制泵的开启、关闭、流量调节以及为热水循环提供循环动力。
通过供热控制器300系统控制，保证基础热源为供热系统提供不低于60％的热量，其余热量由调峰热源进行补充；调峰热源在供热系统启动时满负荷工作，其余时间按对基础热源供热量不足的部分进行热力补充，承担供热系统40％左右的热量需求。
调峰热源与基础热源的配制，遵循以下原则：
1)名义制热量：调峰热源占比60％，基础热源40％，若追求降低初投资，可加大调峰热源比例；调峰热源为电锅炉时，为减小配电容量可加大基础热源占比。
2)实际供热量：基础热源满负荷运行，充分发挥能效比高的优点，供热量占比60％以上；调峰热源除系统启动时满负荷工作外，其余时间对基础热源供热量不足的部分进行热力补充，(调峰负荷变化限于锅炉最佳效率范围内)，约占供热量40％。
3)通过控制器系统控制，调峰热源根据热负荷变化及基础热源的供热量自动调节，维持供热系统始终工作在节能状态。
如图3所示，为中国北方某小区多热源互补供热系统结构示意图，该小区为高层建筑，总高33层，设定16层以上(含16层)为建筑高区，16层以下为建筑低区，供热面积为100000m2，根据当地冬季环温以及该建筑物属于节能建筑取热负荷指标为40w/m2，则计算热负荷为：4000KW。采用多元互补供热系统，热源由1台2.4MW燃气热水锅炉为调峰热源；1台名义制热量1600KW水水热泵8为基础热源，总供热能力：4000KW。
低环温空气源采集装置1转移空气中的低品位热能，通过向水水热泵8输入少量电能，得到高品位热能。水水热泵8相当于工作在水源热泵状态，综合能效比(COP)可达2.5～3.5。基础热源满负荷运行，供热能力不足部分由调峰锅炉补充。
对于用户端的高层建筑的建筑低区供暖，设置低区分水器41、低区板换100和低区集水器61，以低区板换100的一次侧和二次侧为界，将低区热水循环分为低区一次侧热水循环和低区二次侧热水循环；低区一次侧热水循环即低区热源热水循环，低区二次侧热水循环即低区供热循环。低区一次侧热水循环即低区热源热水循环的路径为：基础热源和调峰热源的输出的多热源循环热水汇集在分水器4中后，向低区板换100输入一次侧热水(即多热源循环热水)，与流经低区板换100的低区二次侧的采暖循环热水的回水换热后，返回至集水器6，再经集水器6分别回流到基础热源和调峰热源，经水水热泵8的冷凝器侧和锅炉2加热后再次进入分水器4中，从而形成低区一次侧热水循环即低区热源热水循环；
低区二次侧热水循环即低区供热循环的路径为：流经用户室内的采暖循环热水在低区板换100的二次侧换热升温后，依次进入低区分水器41、低区室内散热设备54，在低区室内散热设备54散热后回水依次经低区集水器61、低区板换100，在低区板换100内经换热方式加热温度升高后再进入低区分水器41，从而形成低区二次侧热水循环即低区供热循环。在低区集水器61与低区板换100之间设置有低区循环泵组31，低区循环泵组31的电动执行机构与供热控制器300电连接，通过供热控制器300控制低区供热循环和为低区供热循环提供循环动力；
对于用户端的高层建筑的建筑高区供暖，设置高区分水器42、高区板换200和高区集水器62，以高区板换200的一次侧和二次侧为界，将高区热水循环也分为高区一次侧热水循环和高区二次侧热水循环；高区一次侧热水循环即高区热源热水循环，高区二次侧热水循环即为高区供热循环；高区一次侧热水循环即高区热源热水循环的路径为：基础热源和调峰热源的多热源循环热水汇集在分水器4中后，向高区板换200输入一次侧热水(即多热源循环热水)，与流经高区板换200的高区二次侧的采暖循环热水的回水换热后，返回至集水器6，再经集水器6分别回流到基础热源和调峰热源，经水水热泵8的冷凝器和锅炉2加热后再次进入分水器4中，从而形成高区一次侧热水循环(即高区热源热水循环)；
高区二次侧热水循环即高区供热循环路径为：用户室内采暖循环热水在高区板换200的二次侧换热升温后，依次进入高区分水器42、高区室内散热设备55，在高区室内散热设备55散热后回水依次经高区集水器62、高区板换200，在高区板换200内以换热方式加热后再进入高区分水器42，从而形成高区二次侧热水循环即高区供热循环。在高区集水器62与高区板换200之间设置有高区循环泵组32，高区循环泵组32的电动执行机构与供热控制器300电连接，通过供热控制器300控制高区供热循环和为高区供热循环提供循环动力；
在集水器6与水水热泵8的冷凝器侧进水端之间连接管路上设置有冷凝回水泵组7，在集水器6与锅炉2的循环水进水之间连接管路上设置有锅炉循环泵组3，供热控制器300分别与冷凝回水泵组7和锅炉循环泵组3的电动执行机构电连接，用于控制泵组的运行开启、关闭、流量调节以及为热源热水循环提供循环动力。
一种多热源互补供热方法，采用以上所述的一种多热源互补供热系统，供热控制器300按需要按以下方式设置：
1)调峰热源在供热系统启动时满负荷工作，基础热源按额定供热量运行；
2)正常运行后，基础热源按额定供热量运行，基础热源承担60％的供热量需求；调峰热源按对基础热源供热量不足的部分进行热力补充，承担供热负荷40％的供热量需求；
3)环境温度-5℃以下时，低环温空气源采集装置1向热容单元10输出20℃～25℃热水作为低温热源；
4)环境温度-5℃以上时，低环温空气源采集装置1按额定供热能力向热容单元10输出热水作为低温热源。
采用单一热源供暖与采用多热源互补供暖的比较：
一、基础条件：
供暖季天数：120天，室内温度：满足西安市相应标准(室内温度18℃以上)；
二、峰谷平时段及电价按表1所示。
表1一般工商业及其它用电1～10(20)kV分时电价
三、单一燃气锅炉与多热源互补机组能耗及费用比较如表2所示。
表2单一燃气锅炉与多热源互补机组能耗及费用比较
四、比较结果说明：
1)表2以每年1月份最冷天能耗乘以供暖季天数估算；因此实际供暖季能耗一定低于此值。国家发改委能源研究所标准煤的碳排放系数推荐值为：0.67(t/tce)。
2)气价按2.68元/Nm3计，供暖季能耗费用分别为：
燃气锅炉：23.95元/m2；气电互补机组：13.03元/m2。二者相差10.92元。
3)若电价按居民用电：0.4983元/kWh；气价：2.07元/Nm3计，则供暖季能耗费用分别为：
燃气锅炉：19.68元/m2；气电互补机组：10.52元/m2。二者相差9.16元。
4)运行效益分析：
以表2估算结果，按市政居民供热收费标准5.8元/月m2计，采用多热源互补热源机组：供暖季单位平米毛利：10.16元/m2；对于10万平米供暖，入住率80％时可比燃气锅炉多收入87.36万元；入住率60％时可比燃气锅炉多收入66.52万元。
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