專利名稱：一種燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與熱泵集成的供能系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分布式能源熱電冷聯(lián)供技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種復(fù)合 供能系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及用于提高上述供能系統(tǒng)性能的低溫?zé)煔庥酂崂眉?術(shù)和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
城市住宅及建筑物供暖供冷每年要消耗大量的化石能源，但現(xiàn)有的 供暖和供冷裝置大多能源利用率較低，浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)加重了大氣污染。 在能源及環(huán)境問題已經(jīng)受到全球普遍關(guān)注的今天，上述的供能系統(tǒng)顯然 無法滿足要求。而構(gòu)建清潔、高效、科學(xué)用能的復(fù)合供能系統(tǒng)是提高能 源利用率、節(jié)省能源、降低污染的有效途徑。
以燃?xì)鈾C(jī)為核心的熱電(冷)聯(lián)供、熱泵系統(tǒng)被認(rèn)為是當(dāng)前比較合 理的供暖(冷)方式。
熱電(冷)聯(lián)供機(jī)組符合能量梯級(jí)利用的原則，系統(tǒng)的能源利用率 較高。但是，其生產(chǎn)的高品質(zhì)電能相當(dāng)于是熱(冷)能的副產(chǎn)品。由于 機(jī)組容量小、參數(shù)低，故發(fā)電效率一般低于大型電站發(fā)電效率，造成能 源利用率下降。因?yàn)橐徊糠秩剂蠠嶂缔D(zhuǎn)變成電能，所以供熱量必然小于 消耗的燃料發(fā)熱量，對(duì)以供熱(冷)為目的的機(jī)組來說，并不希望這樣。 另外，熱電負(fù)荷靈活性不夠，電負(fù)荷由熱負(fù)荷決定，當(dāng)需要的熱(冷) 負(fù)荷一定時(shí)，相應(yīng)的電負(fù)荷就被決定了，無法在電負(fù)荷為零的情況下向 外供暖或供冷。因此，要實(shí)現(xiàn)供熱(冷)，這類機(jī)組必須并入電網(wǎng)運(yùn)行， 由于政策和技術(shù)上的原因，受到諸多限制。目前相當(dāng)多的機(jī)組僅僅是熱 電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，它們還存在另一個(gè)問題是夏季熱負(fù)荷極低，全年可用率下 降。而夏季制冷，又多采用電動(dòng)空調(diào)，加重了電網(wǎng)尖峰負(fù)荷。
熱泵系統(tǒng)，尤其是地源熱泵，以其高效、清潔環(huán)保和利用可再生能源的特點(diǎn)近年來得到迅速發(fā)展。其本身的優(yōu)點(diǎn)非常突出。 一般輸入lkW
電能可獲得3 5kW熱(冷)量。目前的熱泵系統(tǒng)多采用電驅(qū)動(dòng)，其實(shí) 際能效比有所下降。主要是因?yàn)殡娋W(wǎng)供電效率一般不足35%，也就是說， 每消耗lkW燃料熱量，最終通過熱泵轉(zhuǎn)換成的熱(冷)量?jī)H在1.0 1.8kW。熱泵的高性能被集中式發(fā)電廠的低能源利用率給抵消了。另外， 電驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)在于夏季加重了電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，增加電網(wǎng)安 全運(yùn)行負(fù)擔(dān)。
很自然地，構(gòu)建一種新型的復(fù)合供能系統(tǒng)，充分利用熱電(冷)聯(lián) 產(chǎn)和熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又能有效地彌補(bǔ)它們的不足是很必要的。由前述 可知，熱電(冷)聯(lián)供系統(tǒng)用能科學(xué)，能源利用率高。只是發(fā)出的電能 不能直接用于供熱(冷)，而且燃料量一定時(shí)每多發(fā)一份電能，相應(yīng)的 就少供一份熱(冷)。如果將多發(fā)的這一份電能直接用于驅(qū)動(dòng)熱泵，則 可以變成3 5份的熱(冷)能，系統(tǒng)總的供熱(冷)量增加了 2 4份， 同時(shí)既解決了熱電(冷)聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電上網(wǎng)的問題，也解決了熱泵從電 網(wǎng)取電、加重電網(wǎng)尖峰負(fù)荷的問題。而且，熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的電效率越 高，消耗相同燃料量可提供的熱(冷)量就越多，燃料的一次能源利用 率就越高。
燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)具有高效、清潔的特點(diǎn)，將其與水源熱泵集成，可以 提高系統(tǒng)的一次能源利用率。對(duì)改善系統(tǒng)的熱(冷)電比范圍、熱(冷) 電負(fù)荷靈活性、避免發(fā)電上網(wǎng)的麻煩和夏季給電網(wǎng)增加尖峰負(fù)荷、減輕 環(huán)境污染等問題都有積極的意義。另外，也降低了城市燃?xì)夥骞炔?，?高燃?xì)夤芫W(wǎng)夏季利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種由燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與熱泵集成的供能系 統(tǒng)及提高供能系統(tǒng)熱/冷及電負(fù)荷靈活性的方法，可用于住宅、建筑物 等的供暖、供冷、供電；該復(fù)合供能系統(tǒng)具有一次能源利用率高、熱電 比范圍大、供熱(冷)能力大、可緩解電網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)季節(jié)性負(fù)荷 峰谷差。各部分間獨(dú)立性強(qiáng)、靈活性好等特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與熱泵集成的供能系統(tǒng)；在該系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置發(fā)出的部分或全部電能提供給具有
較高性能系數(shù)(簡(jiǎn)稱COP: Coefficient of Performance)的水源熱泵，從 水源中提取熱(冷)量供給用戶。
所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，還包括配電設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置的發(fā)電 機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)配電設(shè)備后供給水源熱泵或入電網(wǎng)。
所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，還包括煙氣余熱利用設(shè)備，向外供熱或供冷。
所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，所述煙氣余熱利用設(shè)備為余熱鍋爐、換熱器 或煙氣型制冷機(jī)。
所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，還包括第一換熱器，煙氣經(jīng)過余熱利用設(shè)備 后引入第一換熱器，用于提供生活熱水。
所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，在冬季時(shí)，煙氣引入第一換熱器加熱去往水 源熱泵中的水，以提高熱泵性能。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明提供一種提高供能系統(tǒng)熱/冷電負(fù)荷
靈活性的方法，包括調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置供給水源熱泵的電能，用 于滿足任意比例的熱或冷、或電負(fù)荷需求。
本發(fā)明與現(xiàn)有熱(冷)電聯(lián)供系統(tǒng)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。
(1) 一次能源利用率高。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置每發(fā)出lkW電能，在
輸入水源熱泵后就可以提供3 5kW的熱(冷)。供熱(冷)的一次能 源利用率自然升高。若發(fā)電效率40%左右，加上排煙部分提供的熱(冷)， 能源利用率可達(dá)2.0以上。
(2) 熱電比范圍擴(kuò)大；熱電負(fù)荷靈活性明顯改善。復(fù)合系統(tǒng)熱(冷) 電負(fù)荷性能曲線如圖2所示。系統(tǒng)可以單純發(fā)電不供熱(冷)；也可以 在輸出0kW電能的情況下提供最大的熱(冷)負(fù)荷，熱電比在0 w范 圍變化；系統(tǒng)也可以在任意的熱(冷)電負(fù)荷下運(yùn)行。在實(shí)現(xiàn)上述功能 的前提下，復(fù)合供能系統(tǒng)可以保證在較高效率乃至設(shè)計(jì)效率下運(yùn)行，經(jīng) 濟(jì)性好。
(3) 在機(jī)組容量相同的情況下，供熱(冷)能力比現(xiàn)有聯(lián)供系統(tǒng) 明顯增加，甚至可多出數(shù)倍。若保持供熱(冷)負(fù)荷不變，機(jī)組容量可 以明顯減小。
(4) 與現(xiàn)有聯(lián)供系統(tǒng)相反，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置部分發(fā)電效率越高(對(duì)應(yīng)的排煙溫度就越低)，復(fù)合系統(tǒng)的供熱(冷)能力越強(qiáng)，能源利 用率就越高。更符合熱(冷)用戶的要求。
(5) 本發(fā)明所述復(fù)合供能系統(tǒng)，發(fā)電無需上網(wǎng)；夏季也不會(huì)增加
電網(wǎng)尖峰負(fù)荷。
(6) 本發(fā)明所述的復(fù)合供能系統(tǒng)，各部分間獨(dú)立性強(qiáng)，靈活性好。 在燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置無法正常提供電能的情況下，仍可以通過從電網(wǎng)購(gòu) 電驅(qū)動(dòng)水源熱泵實(shí)現(xiàn)供熱(冷)。在僅需要電負(fù)荷時(shí)可以單獨(dú)發(fā)電。
(7) 在"以熱定電"原則下，熱負(fù)荷相同時(shí)，本發(fā)明所述復(fù)合供 能系統(tǒng)燃機(jī)循環(huán)工作點(diǎn)更接近設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，具有更高的效率， 一次能源 利用率高。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
圖2是本發(fā)明所述復(fù)合供能系統(tǒng)的熱電負(fù)荷性能曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí) 施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1的發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，除供給水源熱泵2夕卜，還 可以就地供給其它用電設(shè)備使用，不必上網(wǎng)。若需要的冷(熱)負(fù)荷較 大，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1發(fā)電機(jī)負(fù)荷不能滿足需要，還可以從電網(wǎng)購(gòu)買 較少部分的電能。避免了上網(wǎng)和夏季增加電網(wǎng)尖峰負(fù)荷的問題。
將燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置l的發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分或全部電能供給水源熱 泵2后，可以在保證復(fù)合系統(tǒng)一次能源利用率較高的情況下，實(shí)現(xiàn)在電 負(fù)荷為零時(shí)提供最大的冷(熱)負(fù)荷，系統(tǒng)的熱電比范圍增大、熱電負(fù) 荷靈活性增強(qiáng)。
燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1排煙可以經(jīng)煙氣余熱利用設(shè)備3即余熱鍋爐或 換熱器或煙氣型熱泵加以利用，這與常規(guī)聯(lián)供系統(tǒng)一樣。而這些設(shè)備出 口的低溫?zé)煔?，在冬季可以用來加熱水源熱?來水，提高熱泵制熱性如圖1為本發(fā)明復(fù)合供能系統(tǒng)循環(huán)示意圖所示，主要包括 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置l、水源熱泵2、煙氣余熱利用設(shè)備3、第一換熱
器4、配電設(shè)備5、以及相關(guān)閥門以及相關(guān)第一閥門6、第二閥門7、第 三閥門8、第四閥門9、第五閥門IO和管道等組合而成。
燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1: Bowman公司TG80微燃機(jī)循環(huán)。
水源熱泵2，也可以是其它熱泵，如空氣源熱泵等。本例采用CIAT LWP系列水源熱泵。
煙氣余熱利用設(shè)備3，可以采用表面式換熱器，也可以采用余熱鍋 爐、煙氣型制冷機(jī)等。
所述第一換熱器4，可以采用表面式或直接接觸式換熱器，煙氣側(cè) 壓力為常壓，水側(cè)壓力不超過0.7MPa。
配電設(shè)備5，額定電壓為380V、額定電流為250A的空氣開關(guān)。
第一閥門6、第二閥門7、第三閥門8、第四閥門9、第五閥門10， 它們均采用普通的截止閥，公稱壓力1.0MPa
燃料11輸入燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1中產(chǎn)生電能的同時(shí)，其高溫排煙 首先經(jīng)過煙氣余熱利用設(shè)備3向外第一供熱或冷13;然后煙氣直接排放 掉或進(jìn)入第一換熱器4加熱水源熱泵2來水17 (僅限冬季)，以提高熱 泵性能；此時(shí)，水源熱泵2來水經(jīng)第三閥門8進(jìn)入第一換熱器4后再經(jīng) 第五閥門10進(jìn)入水源熱泵2，然后返回水源18;第一閥門6、第二閥門 7、第四閥門9關(guān)閉。煙氣余熱利用設(shè)備3出口的低溫?zé)煔庖部梢杂脕?提供生活熱水14。自來水16經(jīng)第二閥門7進(jìn)入第一換熱器4，被加熱 后經(jīng)第一閥門6供給用戶，第三閥門8和第五閥門10關(guān)閉。因水源熱 泵來水17和生活熱水14水質(zhì)不同，二者不能互相取代。第一換熱器4 出口煙氣15經(jīng)煙囪排入大氣中。
燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1發(fā)出的電能經(jīng)配電設(shè)備5，再根據(jù)需要供給水 源熱泵2，驅(qū)動(dòng)水源熱泵2向外第二供熱(冷)13。如果電能不夠，可 以從電網(wǎng)12購(gòu)電；如果發(fā)出的電能可以上電網(wǎng)12，那么可以盡量保證 機(jī)組在最佳效率下運(yùn)行，多出的電能送入電網(wǎng)12。
圖2是本發(fā)明復(fù)合供能系統(tǒng)的熱電負(fù)荷性能曲線圖。在實(shí)際運(yùn)行中， 供能系統(tǒng)的熱(冷)電負(fù)荷由外界需求確定，二者之間并無必然聯(lián)系。但是，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)本身的熱(冷)電負(fù)荷間存在著特定的關(guān)系， QB==f(PB)。圖2中給出了在特定熱(冷)電負(fù)荷下(對(duì)應(yīng)A點(diǎn))，復(fù)合系 統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)工作點(diǎn)的確定方法Qa=QB+(PB-PA)xCOP (1)QA — 一外界需求的熱負(fù)荷。 Qb—一煙氣余熱利用設(shè)備直接提供的熱負(fù)荷。 PA—一外界需求的電負(fù)荷。 PB—一燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置發(fā)電機(jī)輸出的電負(fù)荷。 COP—一熱泵的性能系數(shù)。 按上式計(jì)算得到的Qb和pb即可確定濕化循環(huán)的工作點(diǎn)B。亦即，只要燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置工作在B點(diǎn)，則將其發(fā)出電能中的(PB-PA)部分供給水源熱泵2，就可以同時(shí)滿足用戶特定的熱(冷)電負(fù)荷(A點(diǎn))要 求。若發(fā)電可以上電網(wǎng)12，則可以始終保持燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置1在其最 高效率工況下運(yùn)行，發(fā)出的電能分為三部分 一部分滿足電負(fù)荷要求， 一部分驅(qū)動(dòng)水源熱泵2滿足熱負(fù)荷要求，剩下的一部分供給電網(wǎng)12。從圖2可見，本發(fā)明系統(tǒng)熱電負(fù)荷變化方向相反，即電負(fù)荷增加則 熱負(fù)荷減小，反之亦然。熱電負(fù)荷非常靈活，只要調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝 置1供給水源熱泵2的電能，就可滿足任意比例的熱(冷)、電負(fù)荷需 求。這與傳統(tǒng)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)明顯不同。當(dāng)外界要求的電負(fù)荷減小、熱負(fù)荷增加時(shí)(比如電負(fù)荷由PB降到PA，熱負(fù)荷由QB增加到QA)，傳統(tǒng)熱電聯(lián)供系統(tǒng)根本無法滿足要求。而在本發(fā)明系統(tǒng)中，只要將燃?xì)廨啓C(jī) 循環(huán)裝置1輸出的電負(fù)荷更多地用于驅(qū)動(dòng)水源熱泵2，在降低對(duì)外輸出 電負(fù)荷的同時(shí)又增加了熱負(fù)荷，直到最終同時(shí)滿足外界熱電負(fù)荷要求為 止。顯然，熱電負(fù)荷更加靈活。在極端情況下，當(dāng)外界需要的電負(fù)荷為 0而熱負(fù)荷最大(Qmax)日寸，將所有電負(fù)荷全部用于驅(qū)動(dòng)水源熱泵2 即可滿足要求。此時(shí)的熱電比為無窮大，系統(tǒng)的熱電比范圍較傳統(tǒng)聯(lián)供 系統(tǒng)有較大拓展。這時(shí)系統(tǒng)雖然看起來似乎相當(dāng)于供熱鍋爐，但是有本 質(zhì)的區(qū)別。首先是系統(tǒng)可以在夏季實(shí)現(xiàn)供冷。其次，無論是單純供熱還 是單純供冷，系統(tǒng)的一次能源利用率均大于100%。這兩點(diǎn)都是普通鍋 爐根本無法做到的。以Bowman公司TG80微燃機(jī)循環(huán)(發(fā)電效率可達(dá)25%)與COP為4.5的水源熱泵2 (CIAT LWP系列熱泵)構(gòu)成的復(fù)合 供能系統(tǒng)為例，并保守的假定煙氣余熱利用設(shè)備可提供的熱量?jī)H占輸入 一次能源的40%。則系統(tǒng)單純供熱、在輸入lOOkW—次能源時(shí)，可以 提供的熱量為100X25%X4.5+100X40。/。二152.5kW。多出的熱量是由 水源熱泵2從環(huán)境當(dāng)中提取的，根本不消耗一次能源，所以對(duì)應(yīng)的一次 能源利用率為152.5/100=1.525。以上所述，僅是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案提出的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本 發(fā)明作任何形式上的限制。水源熱泵2的水并非一定源自地下，也可以 來自江河湖海以及水庫(kù)，或是工業(yè)廢水、地?zé)崴取Ｋ礋岜?可以換 成其他形式的熱泵，熱網(wǎng)中傳遞熱量(冷量)的工質(zhì)不僅僅限于水，凡 是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所 作的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與熱泵集成的供能系統(tǒng)，其特征在于由燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置(1)和水源熱泵(2)系統(tǒng)集成，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置(1)以燃?xì)饣蛉加蜑槿剂?11)，驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置(1)的發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，部分或全部用于驅(qū)動(dòng)水源熱泵(2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的供能系統(tǒng)，其特征在于還包括配電設(shè)備(5)，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置(1)的發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)配電設(shè)備(5)后 供給水源熱泵(2)或入電網(wǎng)(12)。
3. 如權(quán)利要求1所述的供能系統(tǒng)，其特征在于還包括煙氣余熱利用設(shè)備(3)，向外供熱或供冷。
4. 如權(quán)利要求3所述的供能系統(tǒng)，其特征在于所述煙氣余熱利用設(shè)備(3)為余熱鍋爐、換熱器或煙氣型制冷機(jī)。
5. 如權(quán)利要求3所述的供能系統(tǒng)，其特征在于還包括第一換熱器(4)，煙氣經(jīng)過余熱利用設(shè)備(3)后引入第一換熱器(4)，用于提供 生活熱水。
6. 如權(quán)利要求5所述的供能系統(tǒng)，其特征在于在冬季時(shí)，煙氣引入第一換熱器(4)加熱去往水源熱泵(2)中的水，以提高熱泵性能。
7. —種提高供能系統(tǒng)熱/冷及電負(fù)荷靈活性的方法，其特征在于.-調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置供給水源熱泵的電能，用于滿足任意比例的熱或 冷、或電負(fù)荷需求。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)及方法，由燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置和水源熱泵系統(tǒng)集合。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置排煙通過換熱器供熱或進(jìn)入吸收式熱泵實(shí)現(xiàn)供熱或制冷。調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置供給水源熱泵的電能，用于滿足任意比例的熱或冷、或電負(fù)荷需求。該系統(tǒng)在冬季可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供、夏季實(shí)現(xiàn)冷電聯(lián)供。根據(jù)需要還可以提供生活熱水。系統(tǒng)可以在無電功率輸出的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)供熱量，而且供熱量可以達(dá)到甚至超過輸入燃料量熱值的2倍以上。熱電比范圍大，熱電負(fù)荷靈活性好，克服傳統(tǒng)熱電聯(lián)供系統(tǒng)夏季利用率低、以熱定電、供熱量小于輸入的燃料量熱值等諸多缺陷。同時(shí)改善電網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)季節(jié)性負(fù)荷峰谷差。
文檔編號(hào)F25B27/02GK101285420SQ200710065329
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者萬逵芳, 張士杰, 肖云漢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所