一种基于零碳电力的多能耦合供能系统

技术领域

本发明涉及可再生能源综合应用技术领域，更具体的说是涉及一种基于零碳电力的多能耦合供能系统。

背景技术

在全球的能源消耗数据中，建筑能耗占比高达36％。为了减少能源消耗和改善环境，积极推动清洁供暖转型，促进建筑节能，加快能源结构转型，对实现可持续发展具有重要意义。建筑一体化的太阳能热电联产系统是一种可行的技术方案，能够在满足建筑用电需求的同时降低建筑化石能源的消耗，并且还有效缓解了用电高峰期供需矛盾，节约了输电成本，是实现建筑零碳化的有效途径。通过热泵可以提高能源效率，是一种有效的节能技术。此外，超低能耗建筑具有低能耗、低排放的特点，是实现零能零碳建筑的重要一步。然而现有的的能源系统使用单一能源，其供能效果并不稳定，并且存在着能量浪费的弊端。因此，如何提供一种能够调节供能从而能够以连续、稳定供能的多能耦合供能系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于零碳电力的多能耦合供能系统，通过太阳能产生电力和热能，推动热泵系统在不同工况下实现动态调整，将多余热量储存在相变材料中，能够高效、稳定、连续的供能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于零碳电力的多能耦合供能系统，包括：光伏供能子系统、热泵储能子系统、建筑末端，光伏供能子系统分别与，热泵储能子系统、建筑末端连接，热泵储能子系统与建筑末端连接，光伏供能子系统产生电能并为建筑末端和热泵储能子系统供电，热泵储能子系统为建筑末端提供热能。

可选的，光伏供能子系统包括：光伏幕墙、逆变器、蓄电池、电网，光伏幕墙设置有发电侧和供热侧，光伏幕墙的发电侧连接逆变器，逆变器分别与蓄电池、电网连接，蓄电池分别与电网、热泵储能子系统、建筑末端连接，电网分别与热泵储能子系统、建筑末端连接。

可选的，光伏幕墙背板上贴有多组光伏组件，光伏组件上方设置有透明罩，背板下设置有空腔，空腔内设置有相变管束，相变管束下方设置有绝缘板。

可选的，热泵储能子系统包括：风机、空气源热泵、水源热泵、水源、一次网侧水泵、电磁加热机组、储热水箱、二次网侧水泵，空气源热泵、水源热泵均设置有蒸发器和冷凝器，光伏幕墙的供热侧出口与风机的入口连接，风机的出口与空气源热泵的蒸发器入口连接，空气源热泵的蒸发器出口与光伏幕墙的供热侧入口连接，水源通过水源热泵的蒸发器进入水源热泵，水源热泵的冷凝器与空气源热泵的冷凝器出口管道合并后与电磁加热机组的入口连接，电磁加热机组的出口与储热水箱的源侧入口连接，储热水箱的源侧出口与一次网侧水泵的入口连接，一次网侧水泵的出口分别连接水源热泵的冷凝器入口、空气源热泵的冷凝器入口，储热水箱的负荷侧出口与二次网侧水泵的入口连接，二次网侧水泵的出口与建筑末端的入口连接，建筑末端的出口与储热水箱的负荷侧入口连接。

可选的，建筑末端的入口还与电磁加热机组的出口连接，建筑末端的出口还与一次网侧水泵的入口连接。

可选的，储热水箱内设置有相变材料。

可选的，水源可以是污水源、工业余热、地埋管和地下水中的一种或多种。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于零碳电力的多能耦合供能系统，具有以下有益效果：

1、多能耦合热泵系统能通过多种热源灵活切换，使供能系统一直高效运行，降低系统的能耗，从的促进零碳建筑的实现

2、光伏幕墙，结合了蓄电池技术与电网交互技术，能够动态对热泵系统进行电能补充，实现“自给自足、余电上网”的零碳效果；

3、利用相变储能技术将光伏幕墙内的热量储存起来，可以削减幕墙表面峰值温度，提高发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的多能耦合供能系统原理图；

图2为本发明的光伏幕墙结构图；

图中：1-光伏幕墙、2-逆变器、3-蓄电池、4-电网、5-风机、6-空气源热泵、7-水源热泵、8-水源、9-一次网侧水泵、10-电磁加热机组、11-储热水箱、13-建筑末端、14-太阳辐射、15-光伏组件、16-相变管束、17-绝缘板、18-透明罩、19-背板、20-空腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于零碳电力的多能耦合供能系统，如图1所示，包括：光伏供能子系统、热泵储能子系统、建筑末端13，光伏供能子系统分别与，热泵储能子系统、建筑末端13连接，热泵储能子系统与建筑末端13连接，光伏供能子系统产生电能并为建筑末端13和热泵储能子系统供电，热泵储能子系统为建筑末端13提供热能。

进一步的，光伏供能子系统包括：光伏幕墙1、逆变器2、蓄电池3、电网4，光伏幕墙1设置有发电侧和供热侧，光伏幕墙1的发电侧连接逆变器2，逆变器2分别与蓄电池3、电网4连接，蓄电池3分别与电网4、热泵储能子系统、建筑末端13连接，电网4分别与热泵储能子系统、建筑末端13连接。

进一步的，如图2所示，光伏幕墙1的背板19上贴有多组光伏组件15，光伏组件15上方设置有透明罩18，背板19下设置有空腔20，空腔20内设置有相变管束16，相变管束下方设置有绝缘板17。

进一步的，热泵储能子系统包括：风机5、空气源热泵6、水源8热泵7、水源8、一次网侧水泵9、电磁加热机组10、储热水箱11、二次网侧水泵12，空气源热泵6、水源8热泵7均设置有蒸发器和冷凝器，光伏幕墙1的供热侧出口与风机5的入口连接，风机5的出口与空气源热泵6的蒸发器入口连接，空气源热泵6的蒸发器出口与光伏幕墙1的供热侧入口连接，水源8通过水源8热泵7的蒸发器进入水源8热泵7，水源8热泵7的冷凝器与空气源热泵6的冷凝器出口管道合并后与电磁加热机组10的入口连接，电磁加热机组10的出口与储热水箱11的源侧入口连接，储热水箱11的源侧出口与一次网侧水泵9的入口连接，一次网侧水泵9的出口分别连接水源8热泵7的冷凝器入口、空气源热泵6的冷凝器入口，储热水箱11的负荷侧出口与二次网侧水泵12的入口连接，二次网侧水泵12的出口与建筑末端13的入口连接，建筑末端13的出口与储热水箱11的负荷侧入口连接。

进一步的，建筑末端13的入口还与电磁加热机组10的出口连接，建筑末端13的出口还与一次网侧水泵9的入口连接。

进一步的，储热水箱11内设置有相变材料。

进一步的，水源8可以是污水源、工业余热、地埋管和地下水中的一种或多种。

本发明的工作原理：

光伏供能子系统与热泵储能子系统根据室外气象参数动态调整工作状态。在光伏供能子系统发电量充足时，光伏供能子系统在为热泵储能子系统和建筑末端13供电的同时将多余的电量存储起来，当光伏供能子系统发电量不足时，仅为热泵储能子系统供电；热泵储能子系统为建筑末端13提供制冷和制热功能，当建筑末端不需要供热时，热泵储能子系统将热量存储起来。

进一步的，在光伏发电模式下，光伏幕墙1在供热季和制冷季优先采用“自产自用、余电上网”模式，过度季内光伏幕墙1发电直接输送至电网4。在有阳光的情况下，光伏幕墙1首先开始工作，光伏幕墙1产生电能后通过逆变器2优先供给热泵储能子系统，其次储存在蓄电池3中，如果仍有剩余电力，则采用“余电上网”模式，将剩余电力输送到电网4中；当光伏幕墙1产生电能无法满足热泵储能子系统所需要的能耗，则需要通过蓄电池3进行电能补充；当蓄电池3难以为热泵储能子系统提供电能，电网4输送电力可直接供给热泵系统。在夜晚没有阳光的情况下，光伏幕墙1无法工作，热泵储能子系统的电能来源分别是蓄电池3和电网4；蓄电池3作为一个电能暂存点，在白天需要接收光伏幕墙1所产生的电力，在夜间谷电状态下也需要接收电网4所储存的电力；但储存量不大于电池额定容量的60％，以预留出充足容量可供光伏幕墙1进行蓄存电能。

进一步的，在有阳光的情况下，阳光透过光伏幕墙1的透明罩18后，光伏组件15开始产生电力，同时也加热了空腔20内部的空气，空腔20内部的空气受热迅速升温，当其温度上升至18℃后，光伏幕墙1的背板19中的相变管束16内的相变材料开始融化，吸收空腔20内的高温空气，从而避免光伏幕墙1的背板19温度过大影响发电效率；当光伏幕墙1的温度降低至18℃，光伏幕墙1的相变管束16内的相变材料开始凝固，向空腔20内的空气进行放热，从而维持空气在一个可供热泵储能子系统利用的温度区间。

进一步的，在热泵供能模式下，热泵储能子系统分别在冬季供热、夏季制冷。供热模式下，空气源热泵6和水源热泵7时刻保持将储热水箱11的热能蓄存。当储热水箱11需要蓄存热量时，则开启机组和一次网侧水泵9，当储热水箱11不需要蓄存热量时，则关闭机组和一次网侧水泵9；储热水箱11为建筑末端13进行供热，当建筑末端13需要供热时，则开启二次网侧水泵12，当建筑末端13不需要供热时，则关闭二次网侧水泵12。具体的，当光伏幕墙内空气温度大于5℃，即达到空气源热泵的启动条件，如果储热水箱11需要供热，则启动风机5和空气源热泵6进行蓄热；当光伏幕墙1内部空气温度开始降低，无法为空气源热泵6提供热源，则水源热泵7开始为储热水箱11进行蓄热；储热水箱11内含相变材料，当储热水箱11中水温高于40℃，则相变材料开始融化进行蓄热，直至融化完成；当储热水箱11中水温低于40℃，则相变材料开始凝固进行放热，直至凝固完成。在本实施例中，水源热泵7的水源侧可以是污水源、工业余热、地埋管和地下水中的一种或多种；在空气源热泵6和水源热泵7均无法供热的极端环境温度下，采用电磁加热机组10进行梯级加热。制冷模式下，采用水源热泵7、建筑末端13和水泵9构成闭合环路，实现直接供冷模式。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。