CN109059084B - 一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统及方法。其中，该系统包括：用户侧供暖第一循环回路、用户侧供暖第二循环回路、水源热泵换热系统回路、空气源热水循环回路、水源热泵换热系统回路和水源热泵热水系统回路。本发明采用水源热泵复合系统将城市生活垃圾填埋场中有机生活垃圾降解热作为热源，使废热得到有效利用，向用户供暖和/或提供生活热水，拓宽了传统地源热泵的应用范围，解决了传统地源热泵用于冬季热负荷占优或单供暖及提供生活热水的工程项目时所存在的长期运行效果不佳的问题。
Description
技术领域
本发明属于供热设备领域，尤其涉及一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统及方法。
背景技术
以地源热泵为代表的水源热泵，能够利用大量可再生的低温热源(如浅层地热能、地表/地下水、废热)实现建筑冬季供暖、夏季制冷及提供生活热水等，是公认的高效、节能和环保的新能源供冷供热技术。尽管水源热泵具有相对较高的运行能效，但其需要附近存在一定规模的、可用的低温热源(如工厂余热)，或需要大量垂直钻孔或大面积开挖水平敷设地下换热管道，初投资较高，还会面临埋管用地不足等问题；单纯的地埋管地源热泵系统更是无法用于单供暖项目，否则会造成地下岩土体的冷热量严重失衡，进而影响系统正常运行。这些问题限制了水源热泵技术的进一步推广和普遍应用。
对于北方常见的冬季供暖热负荷占优(地埋管的冬季吸热量远大于夏季放热量)的项目，甚至单供暖的工程项目，如何结合水源热泵本身的特点，与低温废热及其他新能源应用形式(如空气源热泵)相结合，充分发挥水源热泵高效节能优势、拓宽其应用范围，是一种有益探索。
低温型空气源热泵主要适用于供暖工况，虽然理论能效不是最高的，但其使用灵活，可作为补充、备用或调峰热源，甚至还可以满足一部分夏季供冷需求。
随着城市化进程不断扩大和人们生活水平的提高，城市固体废弃物的数量也在逐年递增。目前，城市生活垃圾的处理方式主要采用填埋法，堆肥法，焚烧法，高温分解法等，大多数城市采取填埋方式，其中的有机物在长期的填埋降解过程中会产生大量的低温热量。通常情况下，由于有机物不断地分解放热，会使得填埋场中密封的生活垃圾温度比周围的土壤温度高出10～35℃，且可持续时间超过5～20年。但是现有技术中，城市生活垃圾降解热量均未得到利用，这样使得能源大大浪费而未得到合理利用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统，其采用水源热泵将城市生活垃圾填埋场中有机生活垃圾降解热作为热源，使废热得到有效利用，向用户供暖和/或提供生活热水，拓宽了水源热泵的应用范围，解决了水源热泵用于冬季热负荷占优或单供暖及提供生活热水的工程项目时所存在的长期运行效果不佳的问题，使城市生活垃圾作为免费热源并能够使其持续地发挥作用。
本发明的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统，包括：
用户侧供暖第一循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第一循环水泵、水源热泵机组、用户侧分水器和用户侧集水器构成；
用户侧供暖第二循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵、低温空气源热泵机组、用户侧分水器和用户侧集水器构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次串联连接的地源侧第一循环水泵、水源热泵机组、地源侧分水器、埋管式换热器和地源侧集水器构成；
空气源热水循环回路，其由热水供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵、低温空气源热泵机组和热水储水箱构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次相连的地源侧第二循环水泵、水源热泵热水机、地源侧分水器、埋管式换热器和地源侧集水器构成；
水源热泵热水系统回路，其由热水供回水管道依次串联连接的热水循环水泵、水源热泵热水机和热水储水箱构成。
进一步的，所述供暖供热水复合热泵系统中各回路上均设有温度传感器和流量传感器，以根据实测运行数据，对供暖供热水复合热泵系统运行进行策略调整，以实现整个系统的动态控制。
进一步的，在空气源热水循环回路中，所述低温空气源热泵机组和热水储水箱之间还串接有第一阀门。
进一步的，在用户侧供暖第二循环回路中，所述低温空气源热泵机组和用户侧分水器之间还串接有第二阀门。
进一步的，在空气源热水循环回路中，所述用户侧第二循环水泵与热水回水接入端口之间还串接有第三阀门。
进一步的，在用户侧供暖第二循环回路中，所述用户侧第二循环水泵和用户侧集水器之间还串接有第四阀门。
本发明通过第一阀门和第三阀门来控制空气源热水循环回路的启动；
通过第二阀门和第四阀门来控制用户侧供暖第二循环回路的启动。
进一步的，所述用户侧第一循环水泵和地源侧集水器均与地源侧定压补水装置相连。
进一步的，所述地源侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。
进一步的，所述用户侧第二循环水泵与用户侧定压补水装置相连。
进一步的，所述用户侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。
本发明的第二目的是提供一种利用城市生活垃圾降解热量的供暖供热水复合热泵系统的工作方法。
本发明的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的工作方法，包括：
供暖季，优先开启水源热泵换热系统回路来承担用户所需的全部供暖热负荷；若水源热泵机组无法承担用户所需的全部供暖热负荷时，启动复合运行模式，此时，开启用户侧供暖第一循环回路和用户侧供暖第二循环回路，利用水源热泵机组和低温空气源热泵共同承担用户所需的全部供暖热负荷；
在系统优先保证供暖效果的前提下，优先开启水源热泵换热系统回路，再开启水源热泵热水系统回路，以满足用户生活热水需求。
进一步的，利用城市生活垃圾降解热量的供暖供热水复合热泵系统的工作方法，还包括：
用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路承担；
或用户全年的生活热水由空气源热泵热水系统回路共同承担承担；
或用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路和空气源热泵热水系统回路共同承担。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用水源热泵复合系统将城市生活垃圾填埋场中有机生活垃圾降解热作为热源，使废热得到有效利用，向用户供暖和/或提供生活热水，拓宽了水源热泵的应用范围，解决了水源热泵用于冬季热负荷占优或单供暖及提供生活热水的工程项目时所存在的长期运行效果不佳的问题。
(2)本发明有利于水源热泵系统的应用推广，也为其他领域的余热或废热利用提供了良好的借鉴思路。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统结构示意图。
其中，1-水源热泵机组；2-用户侧第一循环水泵；3-地源侧第一循环水泵；4-用户侧定压补水装置；5-地源侧定压补水装置；6-软水箱；7-软水器；8-低温空气源热泵机组；9-用户侧第二循环水泵；10-地源侧分水器；11-地源侧集水器；12-埋管式换热器；13-水源热泵热水机；14-地源侧第二循环水泵；15-热水循环水泵；16-用户侧分水器；17-用户侧集水器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明所提及的复合热泵系统，采用埋管式换热器将水源热泵与城市固体废物填埋场相结合，可充分利用生活垃圾中的有机物在降解过程中产生的废热，还贴合了现阶段我国城市生活垃圾填埋场的体量一般都很大、蕴含的能量相当可观的实际情况。因此，城市生活垃圾降解热量是一种稳定、良好的建筑供热/供热水免费热源。
如图1所示，本发明的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统，包括：
用户侧供暖第一循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第一循环水泵2、水源热泵机组1、用户侧分水器16和用户侧集水器17构成；
用户侧供暖第二循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵9、低温空气源热泵机组8、用户侧分水器16和用户侧集水器17构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次串联连接的地源侧第一循环水泵3、水源热泵机组1、地源侧分水器10、埋管式换热器12和地源侧集水器11构成；
空气源热水循环回路，其由热水供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵9、低温空气源热泵机组8和热水储水箱构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次相连的地源侧第二循环水泵14、水源热泵热水机13、地源侧分水器10、埋管式换热器12和地源侧集水器11构成；
水源热泵热水系统回路，其由热水供回水管道依次串联连接的热水循环水泵15、水源热泵热水机13和热水储水箱构成。
具体地，在空气源热水循环回路中，所述低温空气源热泵机组8和热水储水箱之间还串接有第一阀门V1；
所述用户侧第二循环水泵9与热水回水接入端口之间还串接有第三阀门V3。
在用户侧供暖第二循环回路中，所述低温空气源热泵机组8和用户侧分水器16之间还串接有第二阀门V2；
所述用户侧第二循环水泵9和用户侧集水器17之间还串接有第四阀门V4。
本发明通过第一阀门和第三阀门来控制空气源热水循环回路的启动；
通过第二阀门和第四阀门来控制用户侧供暖第二循环回路的启动。
在具体实施中，所述用户侧第一循环水泵2和地源侧集水器11均与地源侧定压补水装置5相连。
所述地源侧定压补水装置5依次通过软水箱6和软水器7与自来水管相连通。
在具体实施中，所述用户侧第二循环水泵9与用户侧定压补水装置4相连。
所述用户侧定压补水装置4依次通过软水箱6和软水器7与自来水管相连通。
其中，用户侧定压补水装置4和地源侧定压补水装置5均为现有结构。
本发明的利用城市生活垃圾降解热量的供热复合热泵系统的能量主要来源于生活垃圾中的埋管式换热器及输入水源热泵的少量电能，辅助热源的能量来源于环境空气及输入空气源热泵的少量电能。
其中，水源热泵和/或空气源热泵供暖/供热水复合系统，承担用户的冬季供暖需求和/或全年生活热水需求，其中埋管式换热器及其水源热泵系统承担主要的供暖/供热水负荷，低温空气源热泵作为辅助热源。
例如：当监测到填埋场内某一厚度的生活垃圾温度接近15℃(也可为其他预设的温度)，但仍需要满足供暖和/或供热水需求时，启用空气源热泵供暖/供热水。
系统应优先保证供暖效果，兼顾供应生活热水。
埋管式换热器的设置和控制，需考虑填埋场尺寸、生活垃圾厚度等具体情况，在满足正常降解温度的前提下合理取热以及分层控制。
本发明的该系统安装了热电阻温度传感器和涡轮流量传感器，分别用于计量用户侧耗热量、埋管式换热器换热量、低温型空气源热泵系统制热量、热泵热水机组产热量等。收集监测系统数据，对实际运行数据进行分析进行系统优化，实现动态控制。
具体的控制策略如下：
系统应优先保证供暖效果，兼顾供应生活热水。埋管式换热器的设置和控制，需考虑填埋场尺寸、生活垃圾厚度等具体情况，在满足正常降解温度的前提下合理取热、分层控制。
供暖季，优先开启水源热泵机组承担用户所需的全部热负荷。若水源热泵机组无法承担用户所需的全部供暖热负荷时，启动水源热泵和低温空气源热泵复合运行模式。用户全年的生活热水由空气源热泵热水系统和水源热泵热水系统共同承担。
根据地温监测系统实时监测填埋场内生活垃圾的温度变化情况，以确保机组供暖和/或供热水满足用户需求。当监测到系统供暖和/或供热水不能满足用户要求时，开启阀门V1、V2、V3、V4，水源热泵和低温空气源热泵共同承担用户供暖和/或供热水负荷。例如：当监测到填埋场内生活垃圾的温度接近15℃(也可为其他预设温度)时，但仍需要满足供暖和/或供热水需求时，关闭水源热泵供暖和/或供热水系统，启用空气源热泵供暖/供热水。
本发明的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的工作方法，包括：
供暖季，优先开启水源热泵换热系统回路来承担用户所需的全部供暖热负荷；若水源热泵机组无法承担用户所需的全部供暖热负荷时，启动复合运行模式，此时，开启用户侧供暖第一循环回路和用户侧供暖第二循环回路，利用水源热泵机组和低温空气源热泵共同承担用户所需的全部供暖热负荷；
在系统优先保证供暖效果的前提下，优先开启水源热泵换热系统回路，再开启水源热泵热水系统回路，以满足用户生活热水需求。
具体地，利用城市生活垃圾降解热量的供暖供热水复合热泵系统的工作方法，还包括：
用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路承担；
或用户全年的生活热水由空气源热泵热水系统回路共同承担承担；
或用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路和空气源热泵热水系统回路共同承担。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，包括：用户侧供暖第一循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第一循环水泵、水源热泵机组、用户侧分水器和用户侧集水器构成；
用户侧供暖第二循环回路，其由通过供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵、低温空气源热泵机组、用户侧分水器和用户侧集水器构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次串联连接的地源侧第一循环水泵、水源热泵机组、地源侧分水器、埋管式换热器和地源侧集水器构成；
空气源热水循环回路，其由热水供回水管道依次串联连接的用户侧第二循环水泵、低温空气源热泵机组和热水储水箱构成；
水源热泵换热系统回路，其由管道依次相连的地源侧第二循环水泵、水源热泵热水机、地源侧分水器、埋管式换热器和地源侧集水器构成；
水源热泵热水系统回路，其由热水供回水管道依次串联连接的热水循环水泵、水源热泵热水机和热水储水箱构成；
在空气源热水循环回路中，所述低温空气源热泵机组和热水储水箱之间还串接有第一阀门；
在用户侧供暖第二循环回路中，所述低温空气源热泵机组和用户侧分水器之间还串接有第二阀门；
在空气源热水循环回路中，所述用户侧第二循环水泵与热水回水接入端口之间还串接有第三阀门；
在用户侧供暖第二循环回路中，所述用户侧第二循环水泵和用户侧集水器之间还串接有第四阀门；
所述复合热泵系统中各回路上均设有温度传感器和流量传感器；
所述复合热泵系统的工作方法包括：
供暖季，先开启水源热泵换热系统回路来承担用户所需的全部供暖热负荷；若水源热泵机组无法承担用户所需的全部供暖热负荷时，启动复合运行模式，此时，开启用户侧供暖第一循环回路和用户侧供暖第二循环回路，利用水源热泵机组和低温空气源热泵共同承担用户所需的全部供暖热负荷。
2.如权利要求 1 所述的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，所述用户侧第一循环水泵和地源侧集水器均与地源侧定压补水装置相连。
3.如权利要求 2 所述的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，所述地源侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。
4.如权利要求 1 所述的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，所述用户侧第二循环水泵与用户侧定压补水装置相连。
5.如权利要求 4 所述的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，所述用户侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。
6.如权利要求 1 所述的一种利用城市生活垃圾降解热量的复合热泵系统的方法，其特征在于，还包括：
用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路承担；
或用户全年的生活热水由空气源热泵热水系统回路共同承担；
或用户全年的生活热水由水源热泵热水系统回路和空气源热泵热水系统回路共同承担。
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2018
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- 2018-09-21 CN CN201811108356.1A patent/CN109059084B/zh active Active
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Denomination of invention: A composite heat pump system and method for utilizing the degradation heat of urban household waste Granted publication date: 20240220 Pledgee: Huaxia Bank Co.,Ltd. Jinan Branch Pledgor: SHANDONG ZHONGRUI NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980039155 |