CN106640238B - 基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法 - Google Patents

基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法。该系统包括高温热泵供热/制冷子系统和跨临界朗肯循环发电子系统,所述膨胀机(3)的一侧与所述发电机(4)同轴连接，另一侧通过可调联轴器(9)啮合驱动所述高温热泵供热/制冷子系统的压缩机(10)。本发明膨胀机与压缩机联动，实现朗肯正循环和热泵逆循环耦合和灵活切换，满足不同季节建筑冷热电负荷，同时有效的保持了浅层地热能的全年温度场的平衡。省略热泵系统的电动机及逆变器等设备，提高了系统的转化效率。

Description

基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法
技术领域
本发明属于中低温地热能利用领域，尤其涉及一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法。
背景技术
我国具有丰富的地热资源，且呈现以中低温为多的分布特征。随着能源危机和环境问题的日益加剧，浅层地热资源已经在我国有了较广泛的应用，浅层井下换热器、土壤源等地埋管换热技术已经得以推广应用。同时，深层地热利用也亦逐渐引起人们的重视，跨临界朗肯循环在深层地热的转化利用引起广泛关注。
地热跨临界朗肯循环中循环工质沸点低，可充分利用地下热水、油田废井等中低品位能源，系统结构简单，效率高。但目前普遍使用带中间介质回路的蒸发过程，循环段蒸发、换热损失大。同时，大量的冷凝放热通过冷却塔释放于大气，造成了热量的损失及热污染，同时降低了系统的效率。另外，传统的地源热泵浅层地热利用方面由于往往存在冬夏释放热的差异带来的浅层土壤热堆积、不平衡的问题，带来系统性能的恶化及环境的污染。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统及实现方法。
本发明的第一个技术方案是：基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统，包括高温热泵供热/制冷子系统和跨临界朗肯循环发电子系统，所述高温热泵供热/制冷子系统包括依次串接的换向阀、压缩机、冷凝器/蒸发器、节流阀、热泵用地埋管和换热器Ⅰ；所述跨临界朗肯循环发电子系统包括依次串接的膨胀机、换热器Ⅰ、发电用地埋管、工质泵、储液罐和换热器Ⅱ，还包括发电机，所述膨胀机的一侧与所述发电机同轴连接，另一侧通过可调联轴器啮合驱动所述高温热泵供热/制冷子系统的压缩机；
所述热泵用地埋管与发电用地埋管组成浅层地埋管阵列，保证冷热的平衡交换；
所述浅层地埋管阵列和换热器Ⅱ组成地热能获取系统；
所述换热器Ⅰ的第一连接管和第二连接管分别与所述膨胀机和发电用地埋管连接；所述换热器Ⅰ的第三连接管和第四连接管分别与所述热泵用地埋管和换向阀连接；
所述冷凝器/蒸发器的第Ⅰ连接管和第Ⅱ连接管分别与所述换向阀和节流阀连接；所述冷凝器/蒸发器的第Ⅲ连接管和第Ⅳ连接管分别与建筑用户和热/冷水泵连接。
所述换热器Ⅱ位于地热井内。
根据异常区地热梯度，所述换热器Ⅱ利用深层地热资源，设置于地下200-3000米。
所述发电用地埋管利用浅层地热资源，设置于地下0-200米。
所述浅层地埋管阵列为U型套管换热器结构，发电用介质和热泵用介质逆流布置，垂直或水平放置。
本发明的第二个技术方案是：一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统的实现方法：包括发电和供暖模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以二氧化碳为工质，由换热器Ⅱ向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机，推动膨胀机转动，带动发电机发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ热交换获得冷量，再通过发电用地埋管向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵泵入储液罐；
(e)、再次进入换热器Ⅱ，实现循环做功发电；
其中，供暖模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀转向供暖模式，热泵系统进入制热工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机与高温热泵供热子系统的压缩机之间经可调联轴器啮合连接，膨胀机直接驱动压缩机,吸入热泵用地埋管中的二氧化碳气体；
(b)、热泵用地埋管中的二氧化碳气体经过换热器Ⅰ热交换获得热量提高干度至过热，并保证3～10℃的过热度后，经过换向阀后被压缩机吸入，提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(c)、二氧化碳气体进入冷凝器向建筑用户的热水放热，提高热水的温度大于50℃的同时，二氧化碳气体冷凝为二氧化碳液体；
(d)、经节流阀降压后，再次进入热泵用地埋管吸热，蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机吸入，实现制热循环。
所述膨胀机乏汽与所述热泵用地埋管乏汽在所述换热器Ⅰ为逆向热交换。
本发明的第三个技术方案是：一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统的实现方法：包括发电和制冷模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以二氧化碳为工质，由换热器Ⅱ向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机，推动膨胀机转动，带动发电机发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ热交换获得冷量，再通过发电用地埋管向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵泵入储液罐；
(e)、再次进入换热器Ⅱ，实现循环做功发电；
其中，制冷模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀转向制冷模式，热泵系统进入制冷工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机与高温热泵制冷子系统的压缩机之间经可调联轴器啮合连接，膨胀机直接驱动压缩机，蒸发器中的二氧化碳气体经过换向阀后被压缩机提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(b)、压缩机中的高温高压二氧化碳气体经过换热器Ⅰ后直接进入热泵用地埋管，经放热后变为低温高压二氧化碳液体；
(c)、二氧化碳液体经节流阀降压后，再次进入蒸发器向建筑用户的冷水吸热，降低冷水的温度小于10℃的同时，二氧化碳液体蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机吸入，实现制冷循环。
所述膨胀机乏汽与所述热泵用地埋管乏汽在所述换热器Ⅰ为同向热交换。本发明的有益效果：
1、本发明膨胀机与压缩机联动，实现了朗肯正循环和热泵逆循环耦合和灵活切换，满足不同季节建筑冷热电负荷；同时省略热泵系统的电动机及逆变器等设备，大大提高系统转化效率。
2、本发明跨临界朗肯循环发电系统以如二氧化碳低沸点类工质为工质，由深层井下换热器向深层地热热储取热，通过发电用地埋管向浅层土壤热储放热，替代了传统跨临界系统的蒸发器和冷凝器，系统不可逆损失减小。
3、本发明井下换热器Ⅱ采用U型管，实现与地热井热水的高效换热，且只取热不取水，热泵用地埋管和发电用地埋管顺序合理布置，能够有效地平衡跨临界朗肯循环发电系统和高温热泵供暖系统之间的热量交换，避免土壤热堆积，保证浅层土壤热储温度平衡。
4、本发明跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机乏汽与高温热泵供热/制冷子系统热泵用地埋管的二氧化碳乏汽通过换热器Ⅰ进行热交换，通过换热器逆流布置冷热流体，能够降低膨胀机乏汽温度的同时调节压缩机进气过热度，实现跨临界朗肯循环发电子系统膨胀功增大、冷凝负荷减小的同时，有效地保证了高温热泵供热/制冷子系统压缩机运行的可靠性及调节能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1-地热井、2-换热器Ⅱ、3-膨胀机、4-发电机、5-换热器Ⅰ、6-发电用地埋管、7-储液罐、8-工质泵、9-可调联轴器、10-压缩机、11-冷凝器/蒸发器、12-节流阀、13-热泵用地埋管、14-热/冷水泵、15-建筑用户、16-第一连接管17-第二连接管、18-第三连接管、19-第四连接管、20-第Ⅰ连接管、21-第Ⅱ连接管、22-第Ⅲ连接管、23-第Ⅳ连接管、24-换向阀。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
实施例：
如图1所示，本发明基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统，包括高温热泵供热/制冷子系统和跨临界朗肯循环发电子系统,所述高温热泵供热子系统和跨临界朗肯循环发电子系统逆循环耦合,所述高温热泵制冷子系统和跨临界朗肯循环发电子系统正循环耦合；所述跨临界朗肯循环发电系统选择低沸点工质，本实施例使用二氧化碳工质，所述高温热泵供热/制冷子系统以二氧化碳为制冷剂；所述高温热泵供热/制冷子系统包括依次串接的换向阀24、压缩机10、冷凝器/蒸发器11、节流阀12、热泵用地埋管13和换热器Ⅰ5(如图1虚线部分所示)；所述跨临界朗肯循环发电子系统包括依次串接的膨胀机3、换热器Ⅰ5、发电用地埋管6、工质泵8、储液罐7、和换热器Ⅱ2，还包括发电机4；所述膨胀机3的一侧与所述发电机4同轴连接，转动带动发电，另一侧通过可调联轴器9啮合驱动所述高温热泵供热/制冷子系统的压缩机10；所述换热器Ⅱ2位于地热井1内；所述热泵用地埋管13与发电用地埋管6组成浅层地埋管阵列，保证冷热平衡交换,所述浅层地埋管阵列为U型套管换热器结构，发电用介质和热泵用介质逆流布置，所述浅层地埋管阵列为垂直或水平放置，本实施例为垂直放置，所述浅层地埋管阵列和换热器Ⅱ2组成地热能获取系统；所述膨胀机3乏汽与所述热泵用地埋管13乏汽在所述换热器Ⅰ5为逆向热交换；本实施例发电用地埋管6设置于地下0-200米，根据异常区地热梯度,换热器Ⅱ2设置于地下200-3000米，换热器Ⅱ2为U型管换热器，换热器Ⅰ5为列管式换热器；所述换热器Ⅰ5的第一连接管16和第二连接管17分别与所述膨胀机3和发电用地埋管6连接；所述换热器Ⅰ5的第三连接管18和第四连接管19分别与所述热泵用地埋管13和换向阀24连接；所述冷凝器/蒸发器11的第Ⅰ连接管20和第Ⅱ连接管21分别与所述换向阀24和节流阀12连接；所述冷凝器/蒸发器11的第Ⅲ连接管22和第Ⅳ连接管23分别与建筑用户15和热/冷水泵14连接。
本发明的一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统的实现方法包括发电/供暖组合模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以如二氧化碳低沸点类的工质为工质，由换热器Ⅱ2向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机3，推动膨胀机3转动，带动发电机4发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ5热交换获得冷量，再通过发电用地埋管6向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵8泵入储液罐7；
(e)、再次进入换热器Ⅱ2，实现循环做功发电；
其中，供暖模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀24转向供暖模式，热泵系统进入制热工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机3与高温热泵供热子系统的压缩机10之间经可调联轴器9啮合连接，膨胀机3直接驱动压缩机10，吸入热泵用地埋管13中的二氧化碳气体；
(b)、热泵用地埋管13中的二氧化碳气体经过换热器Ⅰ5热交换获得热量提高干度至过热，并保证3～10℃的过热度后，经过换向阀24后被压缩机(10)吸入,提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(c)、二氧化碳气体进入冷凝器11向建筑用户15的热水放热，提高热水的温度大于50℃的同时，二氧化碳气体冷凝为二氧化碳液体；
(d)、经节流阀12降压后，再次进入热泵用地埋管13吸热，蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机10吸入，实现制热循环。
所述膨胀机3乏汽与所述热泵用地埋管13乏汽在所述换热器Ⅰ5为逆向热交换。
本发明的一种基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统的实现方法包括发电/供冷组合模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以如二氧化碳低沸点类的工质为工质，由换热器Ⅱ2向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机3，推动膨胀机3转动，带动发电机4发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ5热交换获得冷量，再通过发电用地埋管6向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵8泵入储液罐7；
(e)、再次进入换热器Ⅱ2，实现循环做功发电；
其中，制冷模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀24转向制冷模式，热泵系统进入制冷工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机3与高温热泵制冷子系统的压缩机10之间经可调联轴器9啮合连接，膨胀机3直接驱动压缩机10，蒸发器11中的二氧化碳气体经过换向阀24后被压缩机10提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(b)、压缩机10中的高温高压二氧化碳气体经过换热器Ⅰ5后直接进入热泵用地埋管13，经放热后变为低温高压二氧化碳液体；
(c)、二氧化碳液体经节流阀12降压后，再次进入蒸发器11向建筑用户15的冷水吸热，降低冷水的温度小于10℃的同时，二氧化碳液体蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机10吸入，实现制冷循环。
所述膨胀机3乏汽与所述热泵用地埋管13乏汽在所述换热器Ⅰ5为同向热交换。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.基于正逆循环深浅层地热建筑冷热电耦合系统，包括高温热泵供热/制冷子系统和跨临界朗肯循环发电子系统，所述高温热泵供热/制冷子系统包括依次串接的换向阀(24)、压缩机(10)、冷凝器/蒸发器(11)、节流阀(12)、热泵用地埋管(13)和换热器Ⅰ(5)；所述跨临界朗肯循环发电子系统包括依次串接的膨胀机(3)、换热器Ⅰ(5)、发电用地埋管(6)、工质泵(8)、储液罐(7)和换热器Ⅱ(2)，还包括发电机(4)，
其特征在于：所述膨胀机(3)的一侧与所述发电机(4)同轴连接，另一侧通过可调联轴器(9)啮合驱动所述高温热泵供热/制冷子系统的压缩机(10)；
所述热泵用地埋管(13)与发电用地埋管(6)组成浅层地埋管阵列，发电用介质和热泵用介质逆流布置，保证冷热的平衡交换；
所述浅层地埋管阵列和换热器Ⅱ(2)组成地热能获取系统；
所述换热器Ⅱ(2)位于地热井(1)内；
所述换热器Ⅰ(5)的第一连接管(16)和第二连接管(17)分别与所述膨胀机(3)和发电用地埋管(6)连接；所述换热器Ⅰ(5)的第三连接管(18)和第四连接管(19)分别与所述热泵用地埋管(13)和换向阀(24)连接；
所述冷凝器/蒸发器(11)的第Ⅰ连接管(20)和第Ⅱ连接管(21)分别与所述换向阀(24)和节流阀(12)连接；所述冷凝器/蒸发器(11)的第Ⅲ连接管(22)和第Ⅳ连接管(23)分别与建筑用户(15)和热/冷水泵(14)连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：根据异常区地热梯度，所述换热器Ⅱ(2)利用深层地热资源，设置于地下200-3000米。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发电用地埋管(6)利用浅层地热资源，设置于地下0-200米。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述浅层地埋管阵列为U型套管换热器结构，垂直或水平放置。
5.一种根据权利要求1所述系统的实现方法，其特征在于：包括发电和供暖模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以二氧化碳为工质，由换热器Ⅱ(2)向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机(3)，推动膨胀机(3)转动，带动发电机(4)发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ(5)热交换获得冷量，再通过发电用地埋管(6)向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵(8)泵入储液罐(7)；
(e)、再次进入换热器Ⅱ(2)，实现循环做功发电；
其中，供暖模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀(24)转向供暖模式，热泵系统进入制热工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机(3)与高温热泵供热子系统的压缩机(10)之间经可调联轴器(9)啮合连接，膨胀机(3)直接驱动压缩机(10),吸入热泵用地埋管(13)中的二氧化碳气体；
(b)、热泵用地埋管(13)中的二氧化碳气体经过换热器Ⅰ(5)热交换获得热量提高干度至过热，并保证3～10℃的过热度后，经过换向阀(24)后被压缩机(10)吸入，提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(c)、二氧化碳气体进入冷凝器(11)向建筑用户(15)的热水放热，提高热水的温度大于50℃的同时，二氧化碳气体冷凝为二氧化碳液体；
(d)、经节流阀(12)降压后，再次进入热泵用地埋管(13)吸热，蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机(10)吸入，实现制热循环。
6.根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于：所述膨胀机(3)乏汽与所述热泵用地埋管(13)乏汽在所述换热器Ⅰ(5)为逆向热交换。
7.一种根据权利要求1所述系统的实现方法，其特征在于：包括发电和制冷模式；
其中，发电模式采用朗肯循环，具体如下：
(a)、跨临界朗肯循环发电系统以二氧化碳为工质，由换热器Ⅱ(2)向80℃以上的水热型深层地热热储取热，使液体二氧化碳吸热变为温度和压力均大于临界点31℃和7.4Mpa的高温高压二氧化碳气体；
(b)、高温高压的二氧化碳气体进入膨胀机(3)，推动膨胀机(3)转动，带动发电机(4)发电；
(c)、膨胀后的二氧化碳乏汽，经过换热器Ⅰ(5)热交换获得冷量，再通过发电用地埋管(6)向浅层土壤储层放热，冷凝为15～20℃的低温液体二氧化碳；
(d)、低温液体二氧化碳通过工质泵(8)泵入储液罐(7)；
(e)、再次进入换热器Ⅱ(2)，实现循环做功发电；
其中，制冷模式采用热泵循环，具体如下：
(a)、换向阀(24)转向制冷模式，热泵系统进入制冷工况,跨临界朗肯循环发电系统的膨胀机(3)与高温热泵制冷子系统的压缩机(10)之间经可调联轴器(9)啮合连接，膨胀机(3)直接驱动压缩机(10)，蒸发器(11)中的二氧化碳气体经过换向阀(24)后被压缩机(10)提高压力至7.4Mpa以上和提高温度至55℃以上；
(b)、压缩机(10)中的高温高压二氧化碳气体经过换热器Ⅰ(5)后直接进入热泵用地埋管(13)，经放热后变为低温高压二氧化碳液体；
(c)、二氧化碳液体经节流阀(12)降压后，再次进入蒸发器(11)向建筑用户(15)的冷水吸热，降低冷水的温度小于10℃的同时，二氧化碳液体蒸发为二氧化碳气体，再次被压缩机(10)吸入，实现制冷循环。
8.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于：所述膨胀机(3)乏汽与所述热泵用地埋管(13)乏汽在所述换热器Ⅰ(5)为同向热交换。
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