CN110926059A - 一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，包括：沼气‑斯特林发电系统、地热系统和热泵系统，其中，沼气‑斯特林发电系统所产生的电量直接用于热泵系统，多余电量并入电网，地源侧循环水对斯特林发电机的冷端的热量进行回收，在供暖期内地源侧循环水的余热作为低温热源用于热泵系统，在制冷期内地源侧循环水的余热储存在地层中，热泵系统给用户的供暖/制冷设备供暖/制冷，供暖/制冷回水对沼气发生池的温度进行控制。本发明的有益之处在于：以地热能和沼气能作为主要能量来源，将地层作为“可提供部分能量的大型蓄热系统”，是一种清洁、高效、可持续且可较好的进行区域能量平衡调节的冷、热、电三联供系统。

Description

一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统
技术领域
本发明涉及一种冷、热、电三联供系统，具体涉及一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，属于能源利用技术领域。
背景技术
随着生活水平的提高，我国城镇居民对冬季取暖和夏季制冷的需求也日益增加。统计发现，截止2017年我国供热面积已经达到73.87亿m2，取暖和制冷所需的能源消耗量约占我国一次能源总消耗量的15％左右。
目前，冬季取暖主要以集中式的燃煤或燃气取暖为主，夏季制冷主要以空气源空调或热泵为主。
在供暖领域，我国城镇集中供暖主要以热电联产和区域锅炉房供暖为主，所使用的能源主要为煤和天然气。统计发现，在一个供暖季内，我国北方地区每平米供暖面积的平均能耗在20kg～25kg标煤之间、CO2排放量在73kg～91kg之间。另外，煤和天然气属于高品位能源，其理论燃烧温度可以达到1400℃以上，而集中供暖过程中的供水温度一般在90℃～150℃之间，二者能量品位相差巨大。所以，在传统的集中供暖过程中，一方面由于能量品位的大幅度降低(“火用”效率低)会造成较高的供暖成本，另外一方面由于会有大量的粉尘、CO2、SO2、NOx等污染物的排放，故传统的燃煤/燃气集中供暖方式面临很大的经济和环境压力。近几年，随着国家治污减霾、低碳排放政策的日趋严格，污水源热泵系统、地源热泵系统、企业余热吸收式制冷等新型取暖和制冷系统逐步走向市场。
在制冷领域，我国建筑物的制冷主要以独立式空调或中央空调(空气源热泵)为主。目前的空气源制冷空调由于室外空气温度高且外机散热环境差，其制冷综合能效比EER低，独立空调EER基本在3.0左右，能级较高的中央空调EER基本在4.0左右。所以在最近几年的夏季炎热期内，城镇制冷用电负荷会大幅度增加，一方面直接威胁到电网的安全运行，另一方面也大幅度增加了发电厂污染物的排放。
因此，最近几年各级政府相继发布相关政策法规，促进采用清洁、可再生能源进行区域取暖、制冷以及发电，以减少传统能源开发利用造成的污染物排放。同时，积极鼓励各较独立的区域(如企业、农场，小区等)进行能源(冷、热、电等)的自调节，以减少电网负荷的波动，保证发电厂的平稳高效运行。
现有的地源热泵系统，在供暖期的中段，一方面由于地层温度已有较大程度衰减，另一方面由于室外环境温度已达到最低，所以会造成地源热泵系统能耗大幅度升高，甚至会出现由于地源热泵系统结冰而停机的风险。
目前所研究的沼气发电系统，主要是利用有机废弃物发酵得到较高品位沼气，然后利用沼气内燃机进行发电。沼气发电系统由于具有排烟温度较高、沼气资源不稳定的特性，所以造成了其能量转化效率较低、供电量偏小且不稳定等问题，故其难以大规模推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种清洁、高效、可持续且可较好的进行区域能量平衡调节的冷、热、电三联供系统。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，包括：沼气-斯特林发电系统、地热系统和热泵系统，其中：
沼气-斯特林发电系统通过电线与热泵系统连接，沼气-斯特林发电系统所产生的电量直接用于热泵系统制冷或取暖循环，多余电量并入电网；
地热系统通过地源侧循环水管道依次与沼气-斯特林发电系统、热泵系统连接，地源侧循环水对斯特林发电机的冷端的热量进行回收，在供暖期内地源侧循环水的余热作为低温热源用于热泵系统，在制冷期内地源侧循环水的余热储存在地层中用于补充地层热量损失；
热泵系统通过用户侧循环水管道与用户的供暖/制冷设备连接，其中，供暖/制冷回水管道又与设置在沼气-斯特林发电系统中的沼气发生池底部的沼气池加热/冷却水管连接，用户的供暖/制冷设备所产生的供暖/制冷回水对沼气发生池的温度进行控制。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述沼气-斯特林发电系统包括：依次连接的沼气发生池、储气罐、旋流燃烧室、斯特林发电机和蓄电池，其中，沼气发生池的底部设置有沼气池加热/冷却水管。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述旋流燃烧室内安装有低NOx旋流燃烧器。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述沼气-斯特林发电系统还包括：蓄热器，前述蓄热器的高温烟气入口与旋流燃烧室连接，热量循环进出口与斯特林发电机的热端连接。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述沼气-斯特林发电系统还包括：活性炭脱硫脱硝设备，前述活性炭脱硫脱硝设备与蓄热器的烟气排放口连接。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述地热系统采用的是地埋式井筒换热器，前述地埋式井筒换热器由石油井套管和隔热管组成，其中，石油井套管整体竖直的埋入地下，隔热管呈筒状且具有夹层，夹层中装有真空隔热材料，隔热管竖直的设置在石油井套管内，底部与石油井套管留有一定距离。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述石油井套管的长度为1000～1500m。
前述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，前述热泵系统包括：依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，其中，膨胀阀的另一端与蒸发器连接，形成闭环。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明提供的冷、热、电三联供系统，其主要能量来源为地热能和沼气能，这两类能源均属于清洁、可再生能源，所以该冷、热、电三联供系统具有非常好的可持续特性和环境友好特性，同时还可大幅度降低建筑物的供暖和制冷成本，是一种高效、环保、经济的可持续发展能源利用系统；
(2)本发明提供的冷、热、电三联供系统，其在运行过程中不断的从地层中吸取热量，同时也将地层作为了储热介质，将夏季制冷释放出的热量和斯特林发电机冷端释放出的热量进行回收并储存在地层中，在冬季进行释放以进行取暖，所以该冷、热、电三联供系统具有很强的能源自调节能力，同时也实现了各类余热的有效综合利用；
(3)本发明提供的冷、热、电三联供系统，其可以将人畜排泄物、秸秆等有机废弃物进行二次利用，产生沼气的同时沼渣和沼液又可作为有机肥料返回农田，全程无污染物排放；
(4)本发明提供的冷、热、电三联供系统，其利用供暖/制冷回水对沼气发生池的温度进行控制，使沼气发生池的温度常年保持在20～25℃范围，这个温度范围利于沼气的稳定高效生产，且节约能源，故该冷、热、电三联供系统可大幅度提升沼气发电过程的热效率；
(5)本发明提供的冷、热、电三联供系统，其沼气-斯特林发电系统发出来的电量优先供给热泵系统进行制冷或取暖循环，可有效减弱沼气发电不稳定性对电网造成的冲击；
(6)在大型养殖场等领域，本发明提供的冷、热、电三联供系统，其只需电网提供少量的能源，甚至都不需要电网提供能源，即可实现区域的冷、热、电三联供，具有非常好的分布式特性。
附图说明
图1是本发明提供的冷、热、电三联供系统的组成示意图。
图中附图标记的含义：1-沼气发生池；2-原料入口；3-沼渣、沼液出口；4-沼气池加热/冷却水管；5-储气罐；6-旋流燃烧室；7-活性炭脱硫脱硝设备；8-蓄热器；9-斯特林发电机；10-蓄电器；11-地埋式井筒换热器；12-中心管管口；13-环空管管口；14-蒸发器；15-压缩机；16-膨胀阀；17-冷凝器。
具体实施方式
本发明提供的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统是一种清洁、高效、可持续的新型能源利用和供给系统，可较好的进行区域能量平衡调节。
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明提供的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统包括：沼气-斯特林发电系统、地热系统和热泵系统。其中，沼气-斯特林发电系统通过电线与热泵系统连接，沼气-斯特林发电系统所产生的电量直接用于热泵系统制冷或取暖循环，这样可有效减少该冷、热、电三联供系统对外电网的依赖和冲击，多余电量并入电网；地热系统通过地源侧循环水管道依次与沼气-斯特林发电系统、热泵系统连接，地源侧循环水对斯特林发电机9的冷端的热量进行回收，在供暖期内地源侧循环水的余热作为低温热源用于热泵系统，在制冷期内地源侧循环水的余热储存在地层中用于补充地层热量损失；热泵系统通过用户侧循环水管道与用户的供暖/制冷设备连接，其中，供暖/制冷回水管道又与设置在沼气-斯特林发电系统中的沼气发生池1底部的沼气池加热/冷却水管4连接，用户的供暖/制冷设备所产生的供暖/制冷回水对沼气发生池1的温度进行控制。区域供暖和制冷功能主要是由地热系统和热泵系统来承担。
下面详细介绍沼气-斯特林发电系统、地热系统和热泵系统。
1、沼气-斯特林发电系统
参照图1，沼气-斯特林发电系统包括：依次连接的沼气发生池1、储气罐5、旋流燃烧室6、斯特林发电机9和蓄电池10。
为提高人类、动物排泄物或秸秆等有机废弃物的沼气产量，沼气发生池1优选建设成圆形的。人类、动物排泄物或秸秆等有机废弃物从位于沼气发生池1顶部的原料入口2投入沼气发生池1中，产生的沼渣和沼液由位于沼气发生池1侧方的沼渣、沼液出口3排出沼气发生池1。
以人类、动物排泄物或秸秆等有机废弃物作为原料生产沼气的过程中，在不同的温度范围内会产生不同的厌氧微生物对原料进行分解，沼气发生池1的温度波动太大的话，不利于微生物的累积，会造成沼气生成量和转化效率的降低。因此，在实际操作工程中，可通过加热和冷却来维持沼气发生池1的温度在某一恒定范围内。沼气发生池1的温度在10～20℃这个范围内时，利于沼气的稳定高效生产，且节约能源。为了保证沼气发生池1的温度常年保持在20～25℃范围内，我们在沼气发生池1的底部设置了沼气池加热/冷却水管4，在冬季可利用供暖回水对沼气发生池1进行加热，在夏季可利用制冷回水对沼气发生池1进行冷却。
虽然在实施过程中对沼气发生池1的温度进行了实时控制，但是由于原料供应具有不稳定性，所以沼气发生池1的产气量在短周期内会有一定的波动，因此需采用储气罐5(优选立式储气罐)对产生的沼气进行存储和调节。储气罐5的容量可根据5天或10天内沼气产生量的波动曲线来计算。
沼气发生池1制得的沼气进入储气罐5，根据负荷要求从储气罐5出来的沼气进入旋流燃烧室6，旋流燃烧室6内安装有低NOx旋流燃烧器(可以最大程度的减少NOx的生成量)，沼气在旋流燃烧室6中通过低NOx旋流燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温烟气直接进入斯特林发电机9，此时依靠储气罐5来调节负荷，但这样会增加沼气-斯特林发电系统控制的复杂程度，不利于沼气-斯特林发电系统稳定，作为一种优选的方案，在该沼气-斯特林发电系统中增设一个蓄热器8，蓄热器8设置在旋流燃烧室6和斯特林发电机9之间，蓄热器8的高温烟气入口与旋流燃烧室6连接，热量循环进出口与斯特林发电机9的热端连接，燃烧产生的高温烟气进入蓄热器8，蓄热器8中的蓄热体收集热量，然后利用N2等惰性气体将收集的热量通过逆流循环带入到斯特林发电机9的热端进行发电，在该过程中，当斯特林发电机9出现故障或需要更换时，亦可利用蓄热器8进行热量调节，更为优选的是，在该沼气-斯特林发电系统中再增设一个活性炭脱硫脱硝设备7，活性炭脱硫脱硝设备7与蓄热器8的烟气排放口连接，高温烟气将热量传递给蓄热器8中的蓄热体后进入活性炭脱硫脱硝设备7，经过脱硫脱硝处理后再排放到空气中。
斯特林发电机9所产生的电量储存在蓄电池10中，蓄电池10的输出端与热泵系统以及电网连接。斯特林发电机9所产生的电量优先用于热泵系统(具体用于压缩机15)制冷或取暖循环，多余电量并入电网用于本区域其他耗电设备，这样可以增加区域能源的自调节性。
2、地热系统
地热系统采用的是地埋式井筒换热器11，地埋式井筒换热器11既可以是一个单独使用，也可以是多个一起使用。
参照图1，地埋式井筒换热器11由石油井套管和隔热管组成。其中，石油井套管整体竖直的埋入地下；隔热管呈筒状且具有夹层，夹层中装有真空隔热材料，隔热管竖直的设置在石油井套管内，底部与石油井套管留有一定距离。整个地埋式井筒换热器11采用软化水作为循环取热介质。
作为一种优选的方案，地热石油井套管的长度优选为1000～1500m，可有效提升地热系统能量开采量和储能量，保证地热系统的稳定性。
施工时，先在地层钻取直径约为200mm、深度为1000～1500m的直井(地热井)，然后下入石油井套管，并利用高热导率水泥进行固井，将井底封闭后再下入隔热管。为了降低钻井成本，同时兼顾冬季取暖和夏季制冷循环，直井的深度不宜过深也不宜过浅。
斯特林发电机9的发电效率一般在25％左右，而其余的热量大多通过冷端释放出来。所以，在本发明中我们利用地热系统中的地源侧循环水对斯特林发电机9的冷端释放的余热进行回收，以直接利用或在地层中存储。
在供热期内，循环水从中心管管口12(即隔热管的管口)出来，部分循环水进入斯特林发电机9的冷端进行吸热，随后与其他出水混合，再进入热泵系统(具体是进入蒸发器14中)，在热泵系统中将部分热量传递给有机工质(例如：R134a)，随后低温循环水经水泵加压后通过环空管管口13(即石油井套管的管口)返回石油井套管中，在环空中吸收地层热量，到井底温度升高后再从中心管管口12返回地面，完成循环。在该过程中，地源侧循环水泵可以分为四级变频(25％、50％、75％和100％)，额定流量为20m3/h，具体流量根据供热负荷进行调节。
在制冷期内，循环介质反向循环，此时蒸发器14发挥的是冷凝器的作用，冷凝器17发挥的是蒸发器的作用。具体的：循环水从环空管管口13出来，进入热泵系统(具体是进入蒸发器14中)，从热泵系统中吸收热量，随后高温循环水经水泵加压后通过中心管管口12返回隔热管中，到井底后进入环空中向地层释放热量，温度降低后再从环空管管口13返回地面，完成循环。
在本发明中，我们利用地源侧循环水对斯特林发电机9的冷端进行余热回收，并将其存储在地层中，将地层作为“可提供部分能量的大型蓄热系统”，不仅可有效促进地层的温度恢复、有效提升冬季地源侧循环水温，而且可以降低冷热联供的能耗(即减小热泵系统的能耗)，最重要的是，很好的解决了区域能源的自调节性问题。
3、热泵系统
参照图1，热泵系统包括：依次连接的蒸发器14、压缩机15、冷凝器17和膨胀阀16，其中，膨胀阀16的另一端与蒸发器14连接，形成闭环。
在供热期内，有机工质在蒸发器14中吸热后经过压缩机15进行升压，随后进入冷凝器17中进行冷凝，在冷凝器17中将热量传递给用户侧供暖水，随后有机工质经膨胀阀16返回蒸发器14。用户侧供暖水在用户侧通过地辐射进行供暖，其供水温度控制在40℃左右，回水温度控制在30℃左右，用户侧供暖水在返回过程中，部分进入沼气池加热/冷却水管4中，用来对沼气发生池1的温度进行控制——加热，将沼气发生池1的温度控制在20～25℃左右。
在制冷期内，有机工质反向循环，此时蒸发器14发挥的是冷凝器的作用，冷凝器17发挥的是蒸发器的作用。具体的：有机工质在冷凝器17中吸热后经过压缩机15进行升压，随后进入蒸发器14中进行冷凝，在蒸发器14中将热量传递给地源侧循环水，随后有机工质经膨胀阀16返回冷凝器17，用户侧冷却水在用户侧通过空调进行制冷，其供水温度控制在7℃左右，回水温度控制在12℃左右，用户侧冷却水在返回过程中，部分进入沼气池加热/冷却水管4对沼气发生池1的温度进行控制——冷却，将沼气发生池1的温度控制在20～25℃左右。
综上，本发明提供的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，以沼气能和地热能这些可再生能源作为基础，通过沼气发电对热泵系统的制热循环和制冷循环进行供电，并利用地热系统对沼气-斯特林发电系统中的余热进行回收和储存，同时地热系统亦以地层作为储能介质，将夏季制冷释放的热量以及斯特林发电机冷端释放的热量进行回收存储，冬季取暖时再通过循环水进行开采，实现了整个冷、热、电三联供系统全周期余热的梯级回收，可以获得非常好的节能减排效果和经济性回报。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，包括：沼气-斯特林发电系统、地热系统和热泵系统，其中：
沼气-斯特林发电系统通过电线与热泵系统连接，沼气-斯特林发电系统所产生的电量直接用于热泵系统制冷或取暖循环，多余电量并入电网；
地热系统通过地源侧循环水管道依次与沼气-斯特林发电系统、热泵系统连接，地源侧循环水对斯特林发电机(9)的冷端的热量进行回收，在供暖期内地源侧循环水的余热作为低温热源用于热泵系统，在制冷期内地源侧循环水的余热储存在地层中用于补充地层热量损失；
热泵系统通过用户侧循环水管道与用户的供暖/制冷设备连接，其中，供暖/制冷回水管道又与设置在沼气-斯特林发电系统中的沼气发生池(1)底部的沼气池加热/冷却水管(4)连接，用户的供暖/制冷设备所产生的供暖/制冷回水对沼气发生池(1)的温度进行控制。
2.根据权利要求1所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述沼气-斯特林发电系统包括：依次连接的沼气发生池(1)、储气罐(5)、旋流燃烧室(6)、斯特林发电机(9)和蓄电池(10)，其中，沼气发生池(1)的底部设置有沼气池加热/冷却水管(4)。
3.根据权利要求2所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述旋流燃烧室(6)内安装有低NOx旋流燃烧器。
4.根据权利要求2所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述沼气-斯特林发电系统还包括：蓄热器(8)，所述蓄热器(8)的高温烟气入口与旋流燃烧室(6)连接，热量循环进出口与斯特林发电机(9)的热端连接。
5.根据权利要求4所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述沼气-斯特林发电系统还包括：活性炭脱硫脱硝设备(7)，所述活性炭脱硫脱硝设备(7)与蓄热器(8)的烟气排放口连接。
6.根据权利要求1所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述地热系统采用的是地埋式井筒换热器(11)，所述地埋式井筒换热器(11)由石油井套管和隔热管组成，其中，石油井套管整体竖直的埋入地下，隔热管呈筒状且具有夹层，夹层中装有真空隔热材料，隔热管竖直的设置在石油井套管内，底部与石油井套管留有一定距离。
7.根据权利要求6所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述石油井套管的长度为1000～1500m。
8.根据权利要求1所述的地热能和沼气联合的冷、热、电三联供系统，其特征在于，所述热泵系统包括：依次连接的蒸发器(14)、压缩机(15)、冷凝器(17)和膨胀阀(16)，其中，膨胀阀(16)的另一端与蒸发器(14)连接，形成闭环。
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