一种基于可再生能源的住宅多能联供系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，属于能源功能系统技术领域。


背景技术：

2.随着全球气候变化、人口持续增长和城市环境恶化及不断扩张，能源短缺及环境污染问题日益突出。为此，我国提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的新的低碳发展目标。在世界范围内建筑是最大的能源消费者，并继续是一个在未来能源需求增加的主要来源。国际能源署(iea)统计表明，全球范围内建筑分摊了全世界大约30％～40％的能量消耗、30％的温室气体排放以及25％～40％的固体废物。由此可见，建筑节能减排意义重大，建筑深度脱碳化是能否实现“碳中和”目标的关键。
3.可再生能源具有绿色、清洁、资源丰富等优势，是解决这一问题的重要途径。有预测表明，可再生能源的供应量到2050年将有可能占到总能源供应量的一半，其中，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，其中，太阳能发电占到总电力的60％以上。
4.清洁、低碳、可持续化的建筑能源结构是解决能源供给短缺及全球变暖等环境恶化问题的重要手段。未来的建筑能源结构将以可再生能源为主、化石能源为辅，甚至完全依靠可再生能源。能源应用应从以孤立、封闭、线性的简单利用，转变为基于系统能效最优的多种能源协同、开放、循环的梯级应用。从追求舒适，高消费，造成高能耗，自然资源锐减，强调人是自然界主体的高能耗建筑，到大量利用可再生能源和未利用能源，亲近自然和保护环境，逐步追求与自然的和谐、可持续发展的低能耗、零能耗、可再生绿色建筑是解决能源危机和环境污染的必然途径。在利用新能源时，提高能效以及能够满足用户多样化的能源需求成为供能系统能否可持续化发展的关键，而合理的建筑供能系统设计是解决这一问题的重要途径。
5.现有的建筑供能仍高度依赖于传统的化石能源，能耗高，同时污染物排放大，加剧了能源短缺和环境污染问题。此外，以传统的供能模式进行冷、热、电三种不同能源形式独立供给，通常以电为核心，借助电制冷、制热来满足用户的冷、热、电需求，进而导致整个供能系统不同能源形式之间缺乏协调利用，能源利用率较低。
6.尽管部分新能源也陆续补充进传统的住宅供能系统，但仍以试探性地小比例辅助形式为主，远远未达到以可再生能源为主、化石能源为辅，甚至完全依靠可再生能源的节能减排需求，没有充分利用一切可以利用的资源和实现多种可再生能源的集成互补，无法真正意义上解决能源危机和实现环境保护。
7.总结为现有技术的供能系统的缺点是：
8.(1)高度依赖于传统的化石能源，能量消耗大，污染物排放高；
9.(2)多种能源形式独立供给，缺乏协调，整体能源利用率较低；
10.(3)住宅可再生能源利用程度低，通常为不参与或仍以辅助供能为主；
11.(4)可再生能源应用种类和利用形式单一，未充分开发可再生能源的供能潜力。
12.(5)缺乏多种可再生能源供给与多种负荷需求间的协调匹配，缺乏对绿色住宅多功能能源系统的安全、经济、高效集成。


技术实现要素：

13.本实用新型针对住宅提供一种基于太阳能和地热能的可再生能源的多能联供系统，以解决现有住宅采用传统供能模式下能源结构高度依赖化石能源，多种能源形式独立供给，可再生能源渗透比例较低等实际问题，在充分调研及分析能源发展趋势，落实推进2060年实现“碳中和”深度减排目标，以住宅供能系统为对象，发明了一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，采用集约化、高效率、低排放的多能联合供给形式，通过配置部分储能装置，实现就地安全、高效、经济消纳太阳能与地热能等可再生能源，并通过不同能源之间的相互转化及存储，实现多能协同供给，满足住宅用户的多种能源需求。
14.本实用新型提出一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，包括屋顶光伏发电装置、地源热泵空调装置和太阳能热水器装置，所述屋顶光伏发电装置包括布置在屋顶和墙面的光伏板阵列和电池储能装置，光伏板阵列发的电储存在电池储能装置中为房屋供电，所述地源热泵空调装置包括热泵系统、风机盘管系统和竖直深埋管，所述竖直深埋管、热泵系统和风机盘管系统依次连接，所述热泵系统包括蒸发器、压缩机、冷凝器、所述蒸发器、压缩机和冷凝器依次连接，所述蒸发器和冷凝器间连接有膨胀阀。
15.优选地，所述电池储能装置为蓄电池。
16.优选地，当在采暖季时，所述竖直深埋管的出水口依次连接蒸发器、压缩机和冷凝器，流向风机盘管系统的进水口，所述风机盘管系统的出水口依次连接冷凝器、压缩机和蒸发器，最终流回竖直深埋管。
17.优选地，当在供冷季时，所述风机盘管系统的出水口依次连接蒸发器、压缩机和冷凝器，流向竖直深埋管的进水口，竖直深埋管的出水口依次连接冷凝器、压缩机和蒸发器，流向风机盘管系统的进水口。
18.本实用新型所述的基于可再生能源的住宅多能联供系统的有益效果为：
19.(1)绿色减排优势明显。配置的光伏发电装置和光热利用装置充分利用建筑闲置的屋顶及墙面，将太阳能转化为电能和热能，为住宅提供电能及热水需求，相当于实现了“零碳排放”供能模式，而配置的地源热泵空调系统利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过竖直埋管，采用热泵原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能传递并与住宅建筑物完成能量交换。从而实现为住宅冬季供暖，夏季供冷的需求。这与传统的空调或者集中供暖相比，具有显著的减排效益。
20.(2)可再生能源利用率提高。本实用新型设计的一种基于可再生能源的住宅多能联供系统配置的蓄电池，不仅可作为系统的灵活性资源提高光伏发电的利用率，并且可通过充放电控制来实现减少峰值电价时电能消耗。在充分消纳光伏发电的前提下，可使用低谷电价时的电能作为住宅的电负荷需求补充供电源。
21.(3)缓解城市热岛效应及降低夏季空调负荷峰值。传统的住宅供冷方式采用电空调提供，而电空调是将室内空气热量转移至室外，使得住宅建筑外的局部温度提升，造成了城市的热岛效应，同时消耗了较多高品位的电能。而地源热泵空调系统是利用少量的高品
位电能将室内的热量传递至地下的土壤或地下水。因此，本实用新型设计的供能系统不仅可以缓解城市热岛效应，同时能降低夏季空调负荷带来的用电波峰。
22.(4)系统集约化，能量多元化全覆盖供给，提高可再生能源利用效率。本实用新型设计的一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，能同时安全、可靠的供给住宅日常对冷、热、电等多元负荷的需求，并且遵循能量梯级利用原则，提高可再能源利用效率。
23.本实用新型所提出的一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，遵循能量梯级利用原则，通过合理配置和系统集成，充分利用太阳能和地热能等自然能源，满足用户多种供能需求，营造健康的生活环境，可实现“以可再生能源为主，化石能源为辅”的绿色、低碳、高集成化、高可靠性的多元化建筑能源供给，能够提高系统能效，降低一次能源利用，促进实现“碳中和”深度减排目标。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
25.在附图中：
26.图1为本实用新型在采暖季的系统工作示意图；
27.图2为本实用新型在供冷季的系统工作示意图。
28.其中，1
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光伏板阵列；2
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蓄电池；3
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蒸发器；4
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压缩机；5
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冷凝器；6
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膨胀阀；7
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风机盘管；8
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竖直深埋管；9
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太阳能热水器。
具体实施方式
29.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明：
30.具体实施方式一：参见图1
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2说明本实施方式。本实施方式所述的基于可再生能源的住宅多能联供系统，包括屋顶光伏发电装置、地源热泵空调装置和太阳能热水器装置，所述屋顶光伏发电装置包括布置在屋顶和墙面的光伏板阵列1和电池储能装置，光伏板阵列1发的电储存在电池储能装置中为房屋供电，所述地源热泵空调装置包括热泵系统、风机盘管系统7和竖直深埋管8，所述竖直深埋管8、热泵系统和风机盘管系统7依次连接，所述热泵系统包括蒸发器3、压缩机4、冷凝器5、所述蒸发器3、压缩机4和冷凝器5依次连接，所述蒸发器3和冷凝器5间连接有膨胀阀6。
31.所述电池储能装置为蓄电池2。
32.所述热泵系统采暖季与供暖季切换时，蒸发器3与冷凝器5通过一个换向阀来切换工作模式。所述换向阀(或称四通阀)为现有技术，在冬季取暖时，将热泵系统中的蒸发器3与冷凝器5通过一个换向阀来调换工作。
33.当在采暖季时，所述竖直深埋管8的出水口依次连接蒸发器3、压缩机4和冷凝器5，流向风机盘管系统7的进水口，所述风机盘管系统7的出水口依次连接冷凝器5、压缩机4和蒸发器3，最终流回竖直深埋管8。
34.当在供冷季时，所述风机盘管系统7的出水口依次连接蒸发器3、压缩机4和冷凝器5，流向竖直深埋管8的进水口，竖直深埋管8的出水口依次连接冷凝器5、压缩机4和蒸发器3，流向风机盘管系统7的进水口。
35.一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，它包括布置在屋顶和墙面的光伏板阵列1提供电能；太阳能热水器9满足住宅热水需求；由蒸发器3、压缩机4、冷凝器5、膨胀阀6、竖直深埋管8、风机盘管系统7组成的地源热泵空调系统用于满足住宅采暖季供暖需求和供冷季供冷需求；蓄电池2用于存储和释放电能，当白天光伏板阵列1产生的电能高于住宅的电能需求时，将多余的电能存储在蓄电池2中，当夜间光伏板阵列1不产生电能时，电池释放电能供给住宅用电需求，当电池满足不了住宅用电需求时，使用外部电网提供的电能作为辅助供能。从而最大化的利用可再生能源满足住宅的冷、热、电等多元负荷需求。
36.如图1所示，在采暖季时，住宅的用能需求包括电负荷需求，热水及供暖的热负荷需求。电负荷主要通过光伏板阵列1吸收太阳能产生供给给住宅内用电器，并将多余的电能存储在蓄电池2中，当光伏板阵列产生的电能和蓄电池存储2的电能不足于供给住宅用电需求时，可以通过电网进行辅助功能来满足住宅用电需求。而热负荷主要包括热水和供暖的需求，其中热水由太阳能热水器9通过吸收太阳能提供。供暖负荷主要通过地源热泵空调系统提供，其工作流程主要包括：由竖直深埋管8吸收地下水或土壤里的热量，将热量传递给蒸发器3内的冷媒使得温度升高，然后压缩机4对冷媒压缩做功，并通过冷凝器5将冷媒的热量传递给空气，空气吸收这部分的热量通过风机盘管系统7向室内供给暖风。由此循环，实现了将地下的热量不断传递供给住宅的供暖需求。
37.如图2所示，在供冷季时，住宅的用能需求包括电负荷需求，热负荷需求及供冷的冷负荷需求。电负荷主要通过光伏板阵列1吸收太阳能产生供给给住宅内用电器，并将多余的电能存储在蓄电池2中，当光伏板产生的电能和蓄电池存储的电能不足于供给住宅用电需求时，可以通过电网进行辅助功能来满足住宅用电需求。热负荷需求主要是提供住宅的热水需求，由太阳能热水器9通过吸收太阳能提供。冷负荷主要包括住宅内供冷负荷，由地源热泵空调系统提供，其工作流程如下：首先住宅内的风机盘管系统7将室内的热空气通过蒸发器3将热量传递给蒸发器3内的冷媒，从而使得热空气变成冷空气回到室内，而蒸发器3中的冷媒带走空气的热量温度升高，压缩机4对其做功，并在冷媒循环的同时流经冷凝器5进行冷凝放热，将冷媒的热量传递给地下竖直埋管8中循环水中，然后将热量传递给土壤或地下水中，由此循环，完成了将住宅的热量传递至地下的循环过程，即通过系统中地源热泵空调系统，实现对住宅的持续性供冷。
38.本实用新型中基于太阳能和地热能等可再生能源作为主要的能源供给，通过设计的多能联供系统，可同时满足住宅不同季节对冷、热、电等多元负荷的需求。并配置相应的蓄电池提高系统运行灵活性及可靠性，同时保留电网的供电能力作为电负荷需求的补充，保障了该系统的供能可靠性。
39.本实用新型设计了一种基于可再生能源的住宅多能联供系统，系统的供能侧以太阳能及地热能为主，配置了光伏板阵列1以及太阳能热水器9，用于供给住宅的电能和热能需求。同时配置了竖直深埋管8，通过消耗较少量的电能，用于住宅的冬季供暖和夏季供冷的需求。最后，利用电网供电作为补充，蓄电池2用于提升系统运行灵活性以及用能经济性的调节，就地利用清洁的太阳能和地热能，降低现有的燃煤发电，减少碳排放以及环境污染。
40.通常，我们认为住宅用户的用能需求主要包括电负荷、热负荷(热水、供暖)、冷负荷(供冷)。因此，针对这些用能需求，本实用新型设计的一种基于可再生能源的住宅多能联
供系统能同时满足住宅用户的所有用能需求，并且主要依靠太阳能和地热能等清洁能源，利用电网供电以及电池储能作为辅助供能及调节电能供需平衡。本实用新型设计的系统可大大提升住宅的可再生能源利用率以及降低使用燃煤发电带来的碳排放及环境污染。
41.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本实用新型精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。