探究智慧能源多能互补清洁供热技术应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：李佳宁（1989），女，汉族，吉林省松原市人，高级工程师职称，大学本科，研究方向为暖通工程。-118-探究智慧能源多能互补清洁供热技术应用 李佳宁 吉林省石油化工设计研究院，吉林 长春 130021 摘要：摘要：我国在过去的经济发展过程中，以消耗不可再生能源、环境污染为代价，取得了一定经济效益，但是这种经济发展模式无疑不有利于社会可持续发展，我国迫切需要研发一系列节能、清洁技术，弥补传统技术在实践应用中存在的缺陷。为满足社会各领域对工业的需求，本文围绕智慧能源多能互补清洁供热技术的应用展开探究，以供大家参考。关键词：关键词：智慧能源；清洁供热技术；多能互补 中图分类号：中图分类号：TU995 0 引言 随着社会不断进步，我国自然资源消耗量不断增加，随之而来的是能源短缺的问题，因此，需要通过建设清洁低碳的供能体系，满足不同地区、不同行业对供热提出的实际需求。由于单一清洁能源供能技术研发和应用时间尚短，可能无法保证供热的可持续性，因此迫切需要研发一系列多种清洁能源相互补充的清洁技术，在满足清洁低碳、节能减排等条件的同时，为供热的可持续性和稳定性创造良好条件。1 我国清洁供热技术应用现状 1.1 燃料电池供热 燃料电池是一种特殊的供能设备，可以向发电设备提供一次能源。燃料电池供热是我国清洁供热技术的研究和应用重点，其在使用过程中不会产生大量碳、硫等污染物，能够实现近零排放。基于燃料电池的供热系统，通常采取能源梯级的利用手段，在能源转化效率上有着显著优势。燃料电池作为一种分布式能源，其最早应用于小型独栋建筑，随着负荷提升，以燃料电池为基础的混合动力能源微型组合供热逐渐成为行业关注的重点。例如，小型固定供电供热设备常用 PAFC电池，这种电池以高温磷酸作为电解质，工作温度较高，拥有超过 50kW 的功率，电能转换率适中，大概在35%40%之间1。1.2 太阳能供热 太阳能凭借丰富的储备和易获取的特点，目前是最受欢迎的一种清洁能源。目前，太阳能供热中光伏发电供热是主要形式，其适用于各种电力生产场景，在并网后可以直接利用电能加热，实现向陶瓷电取暖管、电锅炉等设施的供热，不过光伏发电的热转化率不高，需要与其他清洁供热技术联通。目前，国内还研发出一种基于多种集热器采集光热的太阳能供热技术，常见应用场景为太阳能热电站、太阳能热水器。目前，国内对太阳能供热的研究主要集中在如何提高太阳能利用率上，不过无论哪种供热形式，太阳能的使用都容易受气候条件的影响，在不同领域的供热上可能与人们的需求不符，因此在多能互补清洁供热技术中太阳能供热更多起到补充和辅助的作用。1.3 沼气池供热 生物质能在经过长时间研究后，已经成为第四大应用能源。生物质能凭借低污染、高转换率，在供热领域受到了人们的青睐。生物质燃料主要通过燃烧、发酵、热解、气化达到供热的效果，其中沼气池供热在我国农村地区十分常见。在沼气池供热过程中，一旦温湿度与酸碱度满足一定要求，厌氧环境下的有机质与微生物会发酵生成沼气，将沼气作为一种燃料用于供暖2。目前，国内正在尝试解决沼气池发酵效率低和产气量不稳定等问题，在大型沼气工程中，尝试应用相变蓄热系统充分挖掘沼气供热技术的潜能。1.4 热泵供热 热泵供热常用于建筑工程领域，主要包括地源热泵、水源热泵、吸收式热泵等多种类型。热泵对电能的消耗量较低，可以将低品位热能转化成高品品味热能应用场景比较广泛3。例如，吸收式热泵主要是在热水的帮助下驱动溴化锂，在冷凝机的相态变化中吸收能量，在电厂余热回收中比较常用，能够支持远距离中国科技期刊数据库 工业 A-119-供热输送、热换站改造等。2 智慧能源多能互补技术研究现状 国内外有关智慧能源的研究中，将节能减排、高效利用等的研究重点，集中在多种能源系统相互补充、梯级利用能源上。智慧能源多能互补技术出现后，推动了多种能源系统的有机结合，原本独立存在的电、冷、热、气等系统，可以在相互耦合的过程中成为一个新的系统结构。在智慧能源多能互补系统当中，还可以引入风机、光伏、天然气等清洁能源，使其成为一个综合型的能源系统，并通过合理配置能源设备、精准计算能量流，还能最大限度价格低系统运行的能耗，节约大量运行成本；或者制定最佳化的控制策略，使系统在最低能耗的基础上，实现最高的价值创造。在冷热电联供方面，当前的研究主要集中在调度方法与优化控制上，在光伏与化石能源的互补中，通过联供系统全工况性能展开模拟分析，提高多能互补的整体性能。目前，在智慧能源多能互补技术的研究中，能源监控与能源管理的相关技术、方式方法不断完善，如果可以站在能源应用的角度，设计并优化综合能源系统，可以显著增强多能互补的效果，该系统可以借助自身具备的能源协调功能，提高能源协调程度，保证多能互补的稳定性。综合能源系统的内容复杂，不仅涉及常规的水电供热方式，还涉及各类清洁能源的互补4。在建立综合能源系统的过程中，多能互补要考虑如何生产能力和存储能量，通过适当对系统各环节进行优化，增强综合能源系统的性能，保证系统运行稳定性，以此提高各类清洁能源的利用率，尽量在低成本投入的基础上实现高效供热。3 基于智慧能源多能互补清洁供热的综合能源系统搭建 3.1 系统建构思路 综合能源系统是实现多能互补清洁供热的基础，系统要具备提高清洁能源综合利用率、大规模就地消纳利用清洁能源等功能。综合能源系统可以分为智能软件和硬件设备两个部分，对清洁能源供热设备实施优化控制，降低系统的运行成本，在提高能源利用率和供热效率的同时，提高企业的经济收入。（1）智能软件模块 设置智能软件模块，可以在能量管理平台和互联网技术的帮助下，基于采集分布式能源、储能单元、多能负荷等模块的相关信息，基于数据处理和分析，得到各类控制对象的优化控制结果；在前期数据处理与分析的基础上，设置能量优化控制器，可以实现对能量的在线控制，在保证供能质量与功能稳定性的基础上，显著提高多种清洁能源的利用率，最大限度满足用户的用热需求，将智能软件模块打造成一个拥有自我管理和优化控制的独立系统，以发能和用能为基础，以供热为导向，实现系统内部多种清洁能源供热的协调与互补。（2）硬件设备模块 综合能源系统中，硬件设备主要包括无线通信设备、通信管理机和能量优化控制器。其中，能量优化控制器主要用于采集系统内部各类设备的运行数据，支持利用优化控制算法，对系统不同模块实施优化控制，保证清洁供热的稳定性和可靠性，提高多能互补清洁供热的经济性。3.2 主要功能模块 立足于综合能源系统硬软件部分的建构现状，为解决传统系统中模块可定制性差的问题本文针对不同供热场景提供可定制的功能模块，便于在多能互补清洁供热的过程中对不同模块进行移植应用，在降低系统开发和维护成本的同时，满足不同供热场景对综合能源系统的需求：（1）能源监测模块 在全景数据平台的帮助下，储存各类能源的数据，支持 Web 形式开展实时监控、数据分析与与系统预警等功能，通过对各类能源数据的采集、传输和处理分析，实现系统的监控和管理功能，以此实现对清洁能源数据的采集和分析功能，提高系统运行的自动化和智能化水平。（2）态势感知模块 态势感知模块的组成内容有风险评估引擎、数据预测引擎。风险评估引擎主要针对系统的生产运行计划实施风险评估，对系统运行过程中的分布式电源可能给系统安全运行造成的影响进行分析，对不确定来源实现准确定位；通过故障回放和故障处理，提高系统运行的稳定性。数据预测引擎可以基于人工智能算法，在复杂非线性预测场景中利用人工神经网络，将海量数据当成训练样本，基于海量数据训练提高模型中国科技期刊数据库 工业 A-120-泛化能力，合理规避普通优化方法可能存在的过拟合问题。4 智慧能源多能互补清洁供热技术应用形式 4.1“太阳能+地源热泵”在众多清洁供热技术中，太阳能常常与热泵结合。在“太阳能+地源热泵”的供热机制当中，白天阳光充足时使用太阳能，阴雨天、夜间光照条件不佳时使用地源热泵，实现全气候、全天候供热。“太阳能+地源热泵”的供热方案，有并联、串联两种结合方式5。例如，串联适用于年度初始供热时使用，在室外温度较高、室内供热负荷偏小的条件下，太阳能加热后的供热温度偏高，在室外温度达到一定条件时，系统可以直接采用太阳能供热的形式；供热温度无法满足相关条件时，则引入地源热泵供热，这时地源热泵与太阳能供热属于串联形式。串联形式下，太阳能供热是基础，地源热泵供热是为了使供热温度提升并达到一定标准。当太阳能供热温度偏低时，系统可以直接接入地源热泵系统，在地下换热器的帮助下逐渐提高地源热泵机组蒸发器的进水温度。因此在“太阳能+地源热泵”的供热方案中，地源热泵供热属于太阳能供热的补充技术。4.2“太阳能+空气源热泵”在综合能源系统中，空气源热泵提供低品位热源，基本能满足日间供热的需求，在系统中引入槽式太阳能集热器，将低品位热源提升为高品位热源，并将高品位热能存储起来，供严寒天气和夜间使用，综合能源系统可以解决夜间供热的问题，也可以满足居民对热水的使用需求。本系统由太阳能集热装置、空气源热泵装置、地板辐射系统组成，可以根据不同太阳辐射强度采用不同运行模式。在晴天太阳辐射条件良好时，系统为太阳能单独供热，由太阳能集热器单独提供热量；太阳能无法满足供热需求时，采用太阳能与空气热源泵联合供热的形式；在夜间或白天光照辐射不佳时，采用空气源热泵独立运行的形式，室内盘管回水接入空气源热泵的冷凝器，在加热到一定温度后直接回流进室内盘管。4.3“地热梯级利用+吸收式热泵”地热实现不同温度的梯级利用，可以满足用户对供热的个性化需求，三级与四级通过吸收式热泵机组提取热量，使地热水回灌温度达到一定标准。在梯级利用低温地热的时候，一级直接通过板换把地热水转换为一定标准温度的生活热水，二级与三级则分别通过燃气和蒸汽吸收式热泵提取低温地热尾水的温度，提供一定温度标准的空调热水。中温地热水当中，在梯级利用的机制中，一级与二级主要利用板换把地热水换成散热器采暖热水或者地板采暖热水，三级和四级利用燃气和蒸汽吸收式热泵，提取地热尾水的热量，提供一定温度的散热器采暖热水，将地热水的回灌温度维持在一定标准，使地热水最终回灌温度达到 10以下，避免地热浪费，提高地热的最大利用率。4.4“太阳能+生物质能”太阳能与生物质能的多能互补清洁供热，可以在光照充足条件下用太阳能单独供热，在光照不足时生物质锅炉局部加热水箱上部水域，根据温度分层现象提供良好供热条件。在家庭应用场景中，生物质锅炉通常设置在室内，约 20%左右的供热量通过辐射与对流直接加热室内空气，其余热量提供给采暖蓄热水箱，对待机状态下锅炉的热量损失进行利用6。在综合能源系统中，生物质燃料是清洁供热的辅助热源，系统主要由生物质锅炉、控制器、循环管路、太阳能集热蓄热器等组成。此方案充分利用了多能互补清洁供热的优势，不同能源在相互补充的过程中，能解决太阳能独立供热存在的不稳定、分散等问题，解决生物质独立供热的热值低、成本高等问题，其中太阳能供热是系统中的优先供热，只有在太阳能热源无法满足室内供热需求时，才能利用生物质锅炉提供热量，这样就能帮助用户在最低成本投入的基础上实现最佳采暖体验。5 结语 综上所述，智慧能源多能互补清洁供热技术是社会发展的必然趋势，多种清洁能源的协同供热中，通常将太阳能作为主要供热能源，如热泵、生物质能等普遍作为太阳能供热的补充能源。在应用多能互补供热技术的过程中，可以建构综合能源系统，实现对多能互补的控制，以此保障多能互补清洁功能的稳定性、安全性。中国科技期刊数据库 工业 A-121-参考文献 1张俊玲.助推区域综合能源服务机制建立访华清安泰能源股份有限公司董事长陈燕民J.中国计量,2023(06):42-44.2马懿峰,李岩,贾星桥.伊宁市多能互补清洁供热规划方案与效益分析J.区域供热,2023(02):64-69.3田斌守,邵继新,杨海鸿,司双龙,蔺瑞山,夏斌.太阳能与中深层地岩热多能互补供热技术的探索和研究J.太阳能,2022(10):40-52.4卜伟强,季良坤,张志来.清洁供热在煤矿企业的应用J.能源与节能,2022(03):141-144.5刘仁众.“太阳能+”多能互补清洁供热技术研究与示范J.能源与节能,2022,01(17).6孙毅,李泽坤,鲍荟谕,刘春蕾,庞鹏飞.清洁供热模式下多能异构负荷调控框架及关键技术剖析J.中国电机工程学报,2021,41(20):6827-6842.