CN111981555A - 基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统 - Google Patents

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任一兵
高斌
王雅然
张欢
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Abstract

本发明提供了基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，包括第一水泵和第二水泵，第一水泵设置在位于取水井中，用于从取水井中提取作为热源的地热水；第二水泵设置在热用户端的回水管路上，用于将热用户端的回水泵送回基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统中，基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统还包括：第一板式换热器、第二板式换热器、第三板式换热器、第四板式换热器、燃气锅炉、吸收式热泵、电动热泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵。本发明能够控制热用户的供水温度和回水温度，并保证回灌井的回灌温度的稳定。

Description

基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统
技术领域
本发明涉及地热能利用的技术领域，更具体地，涉及基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统。
背景技术
地热能梯级利用是采用热泵将地热尾水的热能品位进行提升，实现低温地热水资源的完全利用。以地热水作为中低温热源，利用常规的水源热泵，可为热用户输出60℃左右的二次热水，不仅可以满足风机盘管、散热器和生活热水的水温要求，还可使尾水回灌温度达到30℃以下。目前，工程实践中大多采用间接供热+热泵系统，可以将地热能充分利用。然而，地热尾水温度越低，热泵机组耗电量越大，如何进一步降低尾水温度，提高系统的节能性和经济性，使得系统的热力完善度更高，是目前亟待解决的问题。
因此，现有技术中亟需一种提高地热利用效率，节约热泵机组耗电量，并且使供热用户使用的热水温度和地热水回灌温度得到精准控制的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，包括第一水泵和第二水泵，所述第一水泵设置在位于取水井中，用于从取水井中提取作为热源的地热水；所述第二水泵设置在热用户端的回水管路上，用于将热用户端的回水泵送回所述基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统中，所述基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统还包括：第一板式换热器、第二板式换热器、第三板式换热器、第四板式换热器、燃气锅炉、吸收式热泵、电动热泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵；所述吸收式热泵包括发生器、第二冷凝器、膨胀阀、第二蒸发器、吸收器和溶液泵；所述电动热泵包括第三冷凝器、节流阀、第三蒸发器和压缩机。
所述第一板式换热器的高温水进口与取水井连接，所述第一板式换热器的高温水出口与所述第二板式换热器的高温水进口连接，所述第二板式换热器的高温水出口与第三板式换热器的高温水进口连接，所述第三板式换热器的高温水出口与所述第四板式换热器的高温水进口连接，所述第四板式换热器的高温水出口与回灌井连接；所述第二板式换热器的低温水进口与所述第二水泵的出水口连接，所述第二板式换热器的低温水出口与热用户的供热水进口连接。
所述第一板式换热器的低温水出口、和所述燃气锅炉的出水口分别与发生器的进水口连接，发生器的出水口与所述第三水泵的进水口连接，所述第三水泵的出水口分别与所述第一板式换热器的低温水进口、和所述燃气锅炉的进水口连接；燃气锅炉的进气管路上设置有用于调节进气量的控制阀。
所述吸收器的冷却水进口与第三冷凝器的出水口连接，所述吸收器的冷却水出口与所述第二冷凝器的冷却水进口连接，所述第二冷凝器的冷却水出口与热用户的供热水进口连接。
第二蒸发器的进水口与所述第三板式换热器的低温水出口连接，第二蒸发器的出水口与所述第四水泵的进水口连接，所述第四水泵的出水口与所述第三板式换热器的低温水进口连接。
所述第三冷凝器的进水口与所述第二水泵的出水口连接；第三蒸发器的进水口与所述第四板式换热器的低温水出口连接，第三蒸发器的出水口与所述第五水泵的进水口连接，所述第五水泵的出水口与所述第四板式换热器的低温水进口连接。
所述吸收式热泵的工质为水-溴化锂溶液，所述电动热泵的工质为有机工质。
所述第一板式换热器、所述第二板式换热器、所述第三板式换热器和所述板式换热器的高温水进口、高温水出口、低温水进口和低温水出口，所述燃气锅炉的进水口和出水口，所述吸收器的冷却水进口，所述第二冷凝器的冷却水出口，所述第三冷凝器的进水口和出水口，以及热用户的供水管路和回水管路上均设置有温度传感器。
所述燃气锅炉的进气管路上设置有用于调节进气量的控制阀。
所述发生器包括高压发生器、高压溶液换热器、中压发生器、中压溶液换热器、低压发生器和低压溶液换热器，所述吸收器的蒸汽出口与所述溶液泵的进口连接，所述溶液泵的出口与所述低压溶液换热器的稀溶液进口连接，所述低压溶液换热器的稀溶液出口分别与所述中压溶液换热器的稀溶液进口、和所述低压发生器的溶液进口连接，所述中压溶液换热器的稀溶液出口与所述高压溶液换热器的稀溶液进口连接和所述中压发生器的溶液进口连接，所述高压溶液换热器的稀溶液出口与所述高压发生器的溶液进口连接，所述高压发生器的溶液出口与所述高压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述高压溶液换热器的浓溶液出口、和所述中压发生器的溶液出口均与所述中压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述中压溶液换热器的浓溶液出口、和所述低压发生器的溶液出口均与所述低压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述低压发生器的制冷剂出口与所述第二冷凝器的制冷剂进口连接，所述低压溶液换热器的浓溶液出口与所述吸收器的溶液进口连接，所述吸收器的蒸汽进口与所述第二蒸发器的制冷剂出口连接；所述第一板式换热器的低温水出口、和所述燃气锅炉的出水口分别与所述高压发生器的热媒进口连接，所述高压发生器的热媒出口与所述第三水泵的进口连接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：将燃气锅炉与吸收式热泵结合，通过调节溶液泵转速来调节溶液工质的流量，从而保证吸收式热泵的工况稳定，再通过控制阀调节锅炉进气量，来为吸收式热泵补充热量，再配合换热器和常规热泵，来控制热用户的供水温度和回水温度，并保证回灌井的回灌温度的稳定。
附图说明
图1是本发明的系统图。
图2是吸收式热泵的系统图。
附图标记：ABS-吸收器，CON-第二冷凝器，EVA-第二蒸发器，HPG-高压发生器，HHX-高压溶液换热器，MPG-中压发生器，MHX-中压溶液换热器，LPG-低压发生器，LHX-低压溶液换热器。
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1-2所示的基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，包括第一水泵和第二水泵，第一水泵设置在位于取水井中，用于从取水井中提取作为热源的地热水；第二水泵设置在热用户端的回水管路上，用于将热用户端的回水泵送回基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统中，基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统还包括：第一板式换热器、第二板式换热器、第三板式换热器、第四板式换热器、燃气锅炉、吸收式热泵、电动热泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵；吸收式热泵包括发生器、第二冷凝器、膨胀阀、第二蒸发器、吸收器和溶液泵；电动热泵包括第三冷凝器、节流阀、第三蒸发器和压缩机。电动热泵的工质为有机工质，吸收式热泵的工质为水-溴化锂溶液，制冷剂是水，吸收剂为溴化锂，吸收式制冷机是以发生器、吸收器、溶液泵代替了压缩机，吸收剂仅在发生器、吸收器、溶液泵、减压阀中循环，并不到冷凝器、节流阀、蒸发器中去，而冷凝器、蒸发器、节流阀中则与蒸汽压缩式制冷机一样，只有制冷剂存在。具体为，由蒸发器出来的低压制冷剂蒸汽先进入吸收器，在吸收器中用一种液态吸收剂来吸收，以维持蒸发器内的低压，在吸收的过程中要放出大量的溶解热。热量由管内冷却水或其他冷却介质带走，然后用溶液泵将这一由吸收剂与制冷剂混合而成的溶液送入发生器。溶液在发生器中被管内蒸汽或其他热源加热，提高了温度，制冷剂蒸汽又重新蒸发析出。此时，压力显然比吸收器中的压力高，成为高压蒸汽进入冷凝器冷凝。冷凝液经节流减压后进入蒸发器进行蒸发吸热，而冷媒水(或称冷冻水)降温实现了制冷。发生器中剩下的吸收剂又回到吸收器，继续循环。
第一板式换热器的高温水进口与取水井连接，第一板式换热器的高温水出口与第二板式换热器的高温水进口连接，第二板式换热器的高温水出口与第三板式换热器的高温水进口连接，第三板式换热器的高温水出口与第四板式换热器的高温水进口连接，第四板式换热器的高温水出口与回灌井连接；第二板式换热器的低温水进口与第二水泵的出水口连接，第二板式换热器的低温水出口与热用户的供热水进口连接。
第一板式换热器的低温水出口、和燃气锅炉的出水口分别与发生器的进水口连接，发生器的出水口与第三水泵的进水口连接，第三水泵的出水口分别与第一板式换热器的低温水进口、和燃气锅炉的进水口连接。
吸收器的冷却水进口与第三冷凝器的出水口连接，吸收器的冷却水出口与所述第二冷凝器的冷却水进口连接，所述第二冷凝器的冷却水出口与热用户的供热水进口连接。
第二蒸发器的进水口与第三板式换热器的低温水出口连接，第二蒸发器的出水口与第四水泵的进水口连接，第四水泵的出水口与第三板式换热器的低温水进口连接。
第三冷凝器的进水口与第二水泵的出水口连接；第三蒸发器的进水口与第四板式换热器的低温水出口连接，第三蒸发器的出水口与第五水泵的进水口连接，第五水泵的出水口与第四板式换热器的低温水进口连接。
第一板式换热器、第二板式换热器、第三板式换热器和板式换热器的高温水进口、高温水出口、低温水进口和低温水出口，燃气锅炉的进水口和出水口，吸收器的冷却水进口，第二冷凝器的冷却水出口，第三冷凝器的进水口和出水口，以及热用户的供水管路和回水管路上均设置有温度传感器。
本实施例中，如图2所示，发生器包括高压发生器、高压溶液换热器、中压发生器、中压溶液换热器、低压发生器和低压溶液换热器，吸收器的蒸汽出口与溶液泵的进口连接，溶液泵的出口与低压溶液换热器的稀溶液进口连接，低压溶液换热器的稀溶液出口分别与中压溶液换热器的稀溶液进口、和低压发生器的溶液进口连接，中压溶液换热器的稀溶液出口与高压溶液换热器的稀溶液进口连接和中压发生器的溶液进口连接，高压溶液换热器的稀溶液出口与高压发生器的溶液进口连接，高压发生器的溶液出口与高压溶液换热器的浓溶液进口连接，高压溶液换热器的浓溶液出口、和中压发生器的溶液出口均与中压溶液换热器的浓溶液进口连接，中压溶液换热器的浓溶液出口、和低压发生器的溶液出口均与低压溶液换热器的浓溶液进口连接，低压发生器的制冷剂出口与第二冷凝器的制冷剂进口连接，低压溶液换热器的浓溶液出口与吸收器的溶液进口连接，吸收器的蒸汽进口与第二蒸发器的制冷剂出口连接；第一板式换热器的低温水出口、和燃气锅炉的出水口分别与高压发生器的热媒进口连接，高压发生器的热媒出口与第三水泵的进口连接。
本实施例中，从吸收器出来的稀溶液并没有在吸收器出口就分成并联的三路，而是所有溶液首先通过低温溶液换热器，低温溶液换热器之后的一路溶液分流进入低压发生器，在那里被加热浓缩，产生的冷剂蒸气。余下的溶液继续通过中温溶液换热器之后，又有一部分稀溶液分流进入中压发生器，被来自高压发生器的蒸气加热浓缩，混合后产生的蒸气进入低压发生器作为加热热源。中温溶液换热器中余下的溶液继续通过高温溶液换热器，最终进入高压发生器，被外界的热源加热，产生制冷剂蒸气；高压发生器中浓缩后的溶液经高温溶液换热器冷却之后，进入中压发生器，并与中压发生器流出的溶液混合，通过中温溶液换热器之后，再与低压发生器流出的溶液混合，流经低温溶液换热器后，进入吸收器，吸收来自第二蒸发器的蒸气。所有的制冷剂蒸气和冷凝水进入第二冷凝器中进一步换热，制冷剂放出的热量被冷却水带出。第三板式换热器流出的低温水(本实施例中为35℃)进入第二蒸发器，蒸发吸热制出冷冻水(本实施例中为30℃)；气态的冷剂蒸气进入吸收器，被低压发生器流回的浓溶液吸收，重新成为稀溶液，开始新一轮的溶液循环，吸收放出的热量由外界冷却水带走，被输送到热用户。本实施例中，进入吸收器的冷却水的温度为50℃，吸收放出的热量后，从第二冷凝器流出时的温度为60℃，这部分被加热的冷却水与第二板式换热器低温水一侧流出的60℃水汇合，共同进入热用户的供水管路。上述流程中，发生器流出的各路浓溶液混合后最后通过低温溶液换热器，易于发生结晶的危险点只有一个，即低温溶液换热器出口，因此只要控制低温溶液换热器出口的浓溶液的质量分数不在结晶线上即可。
上述系统在工作时，通过第一水泵调节地热水的流量，通过电动热泵的压缩机调节电动热泵的功率，并通过设置在各个进出口及管路上的温度传感器监控，控制各个监测点的温度保持在预设温度。在必要时，通过控制阀调节燃气锅炉的进气量，并调整溶液泵的转速，来保持吸收式热泵的工况稳定。本实施例中，控制地热水进入第一板式换热器时的温度为90℃，流出第一板式换热器时的温度为80℃，流出第二板式换热器时的温度为55℃，流出第三板式换热器时的温度为35℃，流出第四板式换热器时的温度，即回灌温度保持为8℃；热用户一侧的供水温度控制为60℃，回水温度为45℃，回水流出第二板式换热器时的温度为60℃(与供水温度一致)，流出电动热泵的第三冷凝器时的温度为50℃，流出吸收式热泵的第二冷凝器时的温度为60℃(与供水温度一致)；从发生器流入第一板式换热器和燃气锅炉的热媒水的温度为75℃，热媒水在第一板式换热器中吸热后流出时的温度为85℃，热媒水在燃气锅炉中被加热后流出时的温度为85℃，两路温度为85℃的热媒水进入发生器，为溴化锂水溶液提供热量，使作为制冷剂的水蒸气从作为吸收剂的溴化锂中析出，最终进入第二冷凝器中将热量传递给供热水，使热用户的供热水温度达到要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，包括第一水泵和第二水泵，所述第一水泵设置在位于取水井中，用于从取水井中提取作为热源的地热水；所述第二水泵设置在热用户端的回水管路上，用于将热用户端的回水泵送回所述基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统中，其特征是，所述基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统还包括：第一板式换热器、第二板式换热器、第三板式换热器、第四板式换热器、燃气锅炉、吸收式热泵、电动热泵、第三水泵、第四水泵和第五水泵；所述吸收式热泵包括发生器、第二冷凝器、膨胀阀、第二蒸发器、吸收器和溶液泵；所述电动热泵包括第三冷凝器、节流阀、第三蒸发器和压缩机；
所述第一板式换热器的高温水进口与取水井连接，所述第一板式换热器的高温水出口与所述第二板式换热器的高温水进口连接，所述第二板式换热器的高温水出口与第三板式换热器的高温水进口连接，所述第三板式换热器的高温水出口与所述第四板式换热器的高温水进口连接，所述第四板式换热器的高温水出口与回灌井连接；所述第二板式换热器的低温水进口与所述第二水泵的出水口连接，所述第二板式换热器的低温水出口与热用户的供热水进口连接；
所述第一板式换热器的低温水出口、和所述燃气锅炉的出水口分别与所述发生器的进水口连接，所述发生器的出水口与所述第三水泵的进水口连接，所述第三水泵的出水口分别与所述第一板式换热器的低温水进口、和所述燃气锅炉的进水口连接；
所述吸收器的冷却水进口与第三冷凝器的出水口连接，所述吸收器的冷却水出口与所述第二冷凝器的冷却水进口连接，所述第二冷凝器的冷却水出口与热用户的供热水进口连接；
所述第二蒸发器的进水口与所述第三板式换热器的低温水出口连接，第二蒸发器的出水口与所述第四水泵的进水口连接，所述第四水泵的出水口与所述第三板式换热器的低温水进口连接；
所述第三冷凝器的进水口与所述第二水泵的出水口连接；所述第三蒸发器的进水口与所述第四板式换热器的低温水出口连接，所述第三蒸发器的出水口与所述第五水泵的进水口连接，所述第五水泵的出水口与所述第四板式换热器的低温水进口连接。
2.根据权利要求1所述的基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，其特征是，所述吸收式热泵的工质为水-溴化锂溶液，所述电动热泵的工质为有机工质。
3.根据权利要求1所述的基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，其特征是，所述第一板式换热器、所述第二板式换热器、所述第三板式换热器和所述板式换热器的高温水进口、高温水出口、低温水进口和低温水出口，所述燃气锅炉的进水口和出水口，所述吸收器的冷却水进口，所述第二冷凝器的冷却水出口，所述第三冷凝器的进水口和出水口，以及热用户的供水管路和回水管路上均设置有温度传感器。
4.根据权利要求1所述的基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，其特征是，所述燃气锅炉的进气管路上设置有用于调节进气量的控制阀。
5.根据权利要求2所述的基于吸收式和蒸气压缩式热泵的地热梯级利用供热系统，其特征是，所述发生器包括高压发生器、高压溶液换热器、中压发生器、中压溶液换热器、低压发生器和低压溶液换热器，所述吸收器的蒸汽出口与所述溶液泵的进口连接，所述溶液泵的出口与所述低压溶液换热器的稀溶液进口连接，所述低压溶液换热器的稀溶液出口分别与所述中压溶液换热器的稀溶液进口、和所述低压发生器的溶液进口连接，所述中压溶液换热器的稀溶液出口与所述高压溶液换热器的稀溶液进口连接和所述中压发生器的溶液进口连接，所述高压溶液换热器的稀溶液出口与所述高压发生器的溶液进口连接，所述高压发生器的溶液出口与所述高压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述高压溶液换热器的浓溶液出口、和所述中压发生器的溶液出口均与所述中压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述中压溶液换热器的浓溶液出口、和所述低压发生器的溶液出口均与所述低压溶液换热器的浓溶液进口连接，所述低压发生器的制冷剂出口与所述第二冷凝器的制冷剂进口连接，所述低压溶液换热器的浓溶液出口与所述吸收器的溶液进口连接，所述吸收器的蒸汽进口与所述第二蒸发器的制冷剂出口连接；所述第一板式换热器的低温水出口、和所述燃气锅炉的出水口分别与所述高压发生器的热媒进口连接，所述高压发生器的热媒出口与所述第三水泵的进口连接。
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