一种应用于市政供热与清洁能源耦合的系统应用方法与流程

【】本发明涉及市政供热，具体涉及一种应用于市政供热与清洁能源耦合的系统应用方法，特别涉及以二氧化碳热泵热水机作为一次热源、以溴化锂大温差换热机组作为二次换热设备的清洁能源耦合供热系统的构建及既有供热系统的更新改造方法。

背景技术

0、 背景技术：

1、市政集中供热是我国北方城镇冬季采暖的主要方式。传统以燃煤锅炉和热电联产为主的供热系统正面临清洁化转型的迫切需求。

2、现有市政供热系统在清洁能源改造过程中存在以下技术问题：

3、（1）清洁热源与既有热源的耦合方式缺乏系统性设计。 目前清洁能源供热改造多采用单一热源直接替代的方式，如将空气源热泵或电锅炉直接替换燃煤锅炉，未充分考虑清洁热源与既有热源的协同运行。清洁能源热源（如热泵）的供热能力受环境条件影响较大，单独运行时难以保证供热稳定性；而既有热源（如燃煤锅炉、热电联产）虽运行稳定但碳排放高，两者缺乏有效的耦合调度策略。

4、（2）管网输送能力不足制约供热增容。 既有供热管网多按常规温差（供回水温差30℃～40℃）设计，随着供热面积增长，管网输送能力成为瓶颈。传统解决方案是增设管网或增大管径，改造成本高、施工周期长、对城市交通影响大。此外，常规板式换热器受传热温差的限制，一次网回水温度通常在50℃～60℃，一次网的热能利用率偏低。

5、（3）系统运行能效偏低。 既有供热系统普遍存在水力失调、过量供热与供热不足并存、管网热损失大等问题。缺乏基于负荷预测的智能调控手段，系统运行依赖人工经验调节，导致能源浪费和供热质量不稳定。

6、（4）更新改造缺乏系统性方法。 现有供热改造多为局部改造，如仅更换锅炉、仅改造管网或仅更换换热器，缺乏从热源、换热、管网到用户终端的全系统协同改造方法，导致各环节改造效益无法有效叠加，系统整体能效提升有限。

7、（5）国家发展和改革委员会鼓励清洁能源与市政供热系统耦合。然而，受系统匹配性及现行供热接入与用能收费机制制约，目前尚缺乏合理的耦合方案。按供热一次系统耦合原则，原有市政供热系统须与清洁能源共用一次管网；而传统供热系统对供热接入及用能界限要求清晰、权责明确。常规清洁能源系统因一次热源不可完全替代，共用管网时显冗余。为落实该政策，亟需一种合理可行的技术方案。

8、针对上述问题，专利cn114857640a公开了一种常规能源与清洁能源耦合的多能源供热系统，通过太阳能集热器与常规热源的耦合改善热网供热能力不足问题，但其未涉及大温差换热技术和管网输配能力提升，也未给出系统化更新改造方法。专利cn222911063u公开了一种用于供热管网改造和增容的连接装置，仅解决了管网连接的技术问题，未涉及热源侧清洁替代和系统级优化运行。

9、因此，亟需一种将清洁能源热源、大温差换热技术、管网优化输配和智能控制有机集成的系统应用方法，以解决市政供热系统清洁化改造中的热源耦合、管网增容和系统提效问题。

技术实现思路

0、 技术实现要素：

1、一、发明目的

2、本发明的目的在于提供一种应用于市政供热与清洁能源耦合的系统应用方法，通过以二氧化碳热泵热水机作为一次热源、以溴化锂大温差换热机组作为二次换热设备，构建清洁能源耦合供热系统，并提供系统化的既有供热系统更新改造方法，实现市政供热系统的清洁化、高效化和智能化运行。

3、二、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供一种应用于市政供热与清洁能源耦合的系统应用方法，包括以下步骤：

5、s1：构建清洁能源耦合供热系统。

6、所述系统包括热源子系统、换热子系统、储热子系统、管网输配子系统以及智能控制子系统。

7、所述热源子系统以二氧化碳热泵热水机作为一次热源。二氧化碳热泵热水机采用跨临界循环，以二氧化碳（r744）为工质，利用二氧化碳在超临界状态下优良的传热特性和温度滑移特性，实现高温热水的制备。二氧化碳作为天然工质，其臭氧层破坏潜能值（odp）为0，全球变暖潜能值（gwp）为1，具有优异的环保性能。

8、所述换热子系统以溴化锂大温差换热机组作为二次换热设备。溴化锂大温差换热机组以溴化锂溶液为吸收剂、水为制冷剂，利用吸收式热泵原理，在一次网与二次网之间实现大温差换热。该机组将一次网回水温度从常规的50℃～60℃大幅降低至15℃～35℃，使一次网供回水温差达到35℃～75℃，在不增加管网流量的条件下显著提升管网输热能力。

9、所述储热子系统包括相变储热罐和显热储热罐，用于平抑热源出力与用户负荷之间的时空不匹配。

10、所述管网输配子系统包括一次管网、二次管网、变频循环水泵、智能调节阀等。

11、所述智能控制子系统包括传感器网络、数据采集模块、负荷预测模块、优化决策模块和执行控制模块。

12、所述二氧化碳热泵热水机的工作流程为：低压气态二氧化碳经压缩机压缩至超临界状态（压力90bar～120bar，温度90℃～110℃），进入气体冷却器与来自一次网的回水进行换热。在气体冷却器中，超临界二氧化碳不发生相变，而是沿温度滑移过程持续放热，将循环水加热至70℃～90℃后输出至一次网供水管路。冷却后的二氧化碳经膨胀阀节流降压至低压状态（压力30bar～40bar），进入蒸发器吸收环境热源（空气源、水源或地源）的热量汽化后回到压缩机吸气口，完成跨临界循环。

13、所述二氧化碳热泵热水机的性能系数（cop）在额定工况下可达3.5～5.0，即消耗1单位电能可产生3.5～5.0单位热能。与电锅炉（cop≈1.0）和燃气锅炉（cop≈0.9）相比，能源利用效率显著提升。

14、s3：溴化锂大温差换热机组作为二次换热设备运行。

15、所述溴化锂大温差换热机组的工作流程为：

16、一次网高温热水（供水温度70℃～90℃）首先进入发生器，作为驱动热源加热溴化锂稀溶液使其中的水分蒸发为冷剂蒸汽，稀溶液浓缩为浓溶液。发生器是利用一次网高温热水的显热作为驱动热源的核心部件。

17、冷剂蒸汽进入冷凝器凝结放热，加热二次网回水（温度约45℃），使其温度升高至约55℃～60℃。

18、浓溶液经节流阀降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽。吸收过程中释放的吸收热进一步加热二次网回水，使其温度升高至设计供水温度（60℃～85℃）。

19、一次网热水在发生器放热后温度已降低至约40℃～50℃，经过常规板式换热器与二次网回水进行显热换热，再进入蒸发器放热，最终使一次网回水温度降至15℃～35℃。

20、通过上述吸收式换热过程，所述溴化锂大温差换热机组实现了局部由低温向高温的传热（即一次网回水温度低于二次网供水温度），突破了常规换热器的传热温差限制，使一次网供回水温差从常规的30℃～40℃扩大至35℃～75℃，在流量不变的条件下管网输热能力提升40%～100%。

21、s4：智能控制子系统实现系统优化运行。

22、所述智能控制子系统实时采集以下数据：室外温度、太阳辐射强度、风速等气象参数；用户热负荷需求（通过室温传感器和热量表获取）；二氧化碳热泵热水机的运行参数（压缩机排气压力和温度、蒸发温度、cop等）；溴化锂大温差换热机组的运行参数（一次网和二次网的供回水温度、流量、浓度等）；管网参数（各节点压力、温度、流量）。

23、负荷预测模块以历史供热数据、气象预报数据、建筑热惰性参数为输入特征，采用时间序列预测算法（如lstm长短期记忆网络或arima自回归积分滑动平均模型）建立未来24小时的逐时热负荷预测模型。预测结果经校验后输入优化决策模块。

24、优化决策模块以系统综合运行能效最大化（即系统cop最大）为目标函数，以二氧化碳热泵热水机出水温度、溴化锂大温差换热机组一次网流量、储热子系统充放热策略为决策变量，以设备安全运行约束（如压缩机排气压力上限、溴化锂溶液结晶温度限制）和用户供热质量约束（如室温不低于18℃）为边界条件，通过混合整数非线性规划（minlp）方法求解获得系统最优运行参数，并下发至各子系统执行。

25、s5：既有市政供热系统的更新改造。

26、本发明提供从热源侧到用户侧的四层系统性改造方法：

27、（1）热源侧清洁替代： 评估既有热源（燃煤锅炉、燃气锅炉或热电联产机组）的装机容量、运行年限和排放水平，确定保留与替代方案。将二氧化碳热泵热水机与保留的既有热源通过共用一次网供水母管串联、并联，或串并联耦合。设置优先调度策略：在热负荷较低时（如初寒期和末寒期）优先运行二氧化碳热泵热水机，在热负荷高峰时（如严寒期）以既有热源作为调峰热源补充运行。二氧化碳热泵热水机的装机容量按设计热负荷的40%～70%配置，既有热源作为调峰和备用热源，从而在保证供热可靠性的前提下最大化清洁能源利用率。

28、（2）换热侧大温差升级： 将既有换热站中的常规板式换热器替换为溴化锂大温差换热机组。在保持二次网供水温度和回水温度参数不变的条件下，将一次网回水温度从常规的50℃～60℃降低至15℃～35℃。在不增加一次管网管径和循环泵流量的前提下，使既有管网的输热能力提升40%～100%，可满足新增供热面积的增容需求，避免管网扩建施工。

29、（3）管网侧优化输配： 对既有管网进行水力平衡调试和管段更新。在各支路安装智能调节阀实现分布式水力平衡，消除近端过热远端不热的水力失调问题。对老化严重、锈蚀泄漏的管段采用预制直埋保温管进行更新替换，降低管网热损失。根据大温差运行后一次网流量降低30%～65%的特点，配置变频循环水泵并调整运行频率，使循环水泵电耗降低40%～70%。

30、（4）用户侧智能调控： 在热力入口安装智能热量表和气候补偿控制器，根据室外温度变化自动调节二次网供水温度，实现按需供热。在用户终端安装室温传感器和智能阀门，实现分户调控。用户侧反馈数据回传至智能控制子系统，修正负荷预测模型，形成闭环控制。

31、三、有益效果

32、本发明相比现有技术具有以下有益效果：

33、（1）清洁能源利用率高。 二氧化碳热泵热水机以天然工质二氧化碳为制冷剂，odp为0、gwp为1，无环保限制。cop达3.5～5.0，能源利用效率远高于电锅炉和燃气锅炉。系统设计清洁能源优先调度策略，清洁能源利用率可达70%以上。

34、（2）管网输送能力大幅提升。 溴化锂大温差换热机组将一次网回水温度降至15℃～35℃，供回水温差扩大至35℃～75℃，管网输热能力提升40%～100%，可在不扩建管网的前提下满足供热增容需求，大幅节省管网改造投资和对城市交通的影响。

35、（3）系统综合能效显著提高。 通过二氧化碳热泵与溴化锂大温差换热的梯级耦合，热源侧cop提升与换热侧温差扩大协同增效，系统综合cop较传统供热系统提升30%～50%。管网侧变频调节和用户侧智能调控进一步降低输配电耗和过量供热损失，系统整体能耗降低25%～40%。

36、（4）更新改造系统性强。 本发明提供热源侧、换热侧、管网侧、用户侧四层协同改造方法，各环节改造效益有效叠加，避免了局部改造的局限性。改造过程可分阶段实施，不影响既有供热系统的连续运行。

37、（5）智能控制精准高效。 基于负荷预测和优化决策的智能控制子系统，实现系统运行参数的实时动态优化，消除了人工经验调节的盲目性，保证了供热质量的同时实现了经济运行。

38、（6）可扩展性好。 系统支持太阳能集热、工业余热等辅助热源的并联接入，智能控制子系统根据各热源的运行状态、经济成本和碳排放因子进行多源协同调度，具备良好的扩展性和适应性。