CN114087804A - 复合式地源热泵蓄能分布式能源系统及供热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统及供热方法，包括地源热泵、通过三通阀Ⅰ、三通阀Ⅱ连通于地源热泵一侧的PVT装置、地埋管换热器、连通于地源热泵另一侧的风机盘管以及通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ连通于地源热泵和风机盘管之间的相变蓄能装置。本发明实现了地热能、太阳能的储存及综合利用，同时将太阳能及地热能耦合在一起，克服单个可再生能源系统的缺点，从而保障了系统的能源供应，实现分布式能源的长期稳定供能，其中相变蓄能装置用于夜间谷价电时蓄存热量，白天峰价电时释放热量承担峰值负荷，由此，地源热泵可长期维持在定负荷率运行的状态，有利于提高系统机组的能效比。
Description
技术领域
本发明涉及热泵系统供能和可再生能源利用领域，尤其涉及一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统及供热方法。
背景技术
传统化石能源在长期使用过程中会造成能源安全问题，大气污染问题以及气候变化问题，因此，能源系统转型被视为经济脱碳的关键驱动力。北京市碳达峰、碳中和行动中指出，要大力发展可再生能源，包括鼓励光伏、热泵技术等应用开发。其中，地热能作为一种清洁能源，由于其储量大、分布广，开发利用技术先进、模式成熟，无污染、零燃烧、零排放，已成为北方地区清洁取暖的首选方式之一。但由于受到气候条件及运行策略影响，单一的地源热泵分布式能源系统长期运行会导致土壤热失衡，进而影响机组性能。为此，以地源热泵为主热源，以电锅炉，太阳能，相变蓄热装置等辅助能源及设备集成的多能互补分布式能源系统营运而生。与传统的单一分布式能源系统相比，该种系统能够实现多种能源之间相互补充和梯级利用，从而提升系统整体的综合利用效率；突破传统分布式能源供暖的局限性，在自然条件合适的地区，充分利用建筑闲置屋顶及外立面，发展以屋顶光伏为核心的新型直流微网，为其本身的生产生活提供能源并将剩余电力向电网输出，从而实现系统的清洁及低碳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统及供热方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统，其特征在于，包括地源热泵、通过三通阀Ⅰ、三通阀Ⅱ连通于地源热泵一侧的PVT装置、地埋管换热器、连通于地源热泵另一侧的风机盘管以及通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ连通于地源热泵和风机盘管之间的相变蓄能装置。
根据上述技术方案，优选地，所述PVT装置与地源热泵之间设置有温度传感器Ⅰ，所述地埋管换热器与地源热泵之间设置有温度传感器Ⅱ。
本专利还公开了一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
稳定负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与风机盘管直连；
高负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置汇流后与风机盘管相连通；
夜间蓄能模式，所述地源热泵一侧连通地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置直连。
根据上述技术方案，优选地，当温度传感器Ⅰ的温度高于温度传感器Ⅱ的温度时，所述地源热泵与PVT装置连通，所述PVT装置为建筑末端提供热量，当温度传感器Ⅰ的温度低于温度传感器Ⅱ的温度时，所述地源热泵与地埋管换热器连通，所述地埋管换热器为建筑末端提供热量。
根据上述技术方案，优选地，在所述夜间蓄能模式下，驱动电力来自于电网。
根据上述技术方案，优选地，在所述稳定负荷模式和高负荷模式下，驱动电力来自于PVT装置。
本发明的有益效果是：
第一，本发明实现了地热能、太阳能的储存及综合利用，减少了煤炭等不可再生能源的消耗，同时将太阳能及地热能耦合在一起，克服单个可再生能源系统的缺点，从而保障了系统的能源供应，实现分布式能源的长期稳定供能；第二，本发明的运行策略在未减少负荷的前提下实现了对末端负荷的重新分配，有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度，提高土壤的恢复率，有利于机组长期稳定运行；第三，通过相变蓄热装置的削峰作用，实现系统降容，从而降低了系统的初投资，同时使得地源热泵可长期维持在定负荷率运行的状态，有利于提高系统机组的能效比，确保机组的长期稳定运行；第四，本发明相变蓄能装置在夜间低谷电时蓄能，白天峰电价时释能，通过峰谷套利实现运行成本的降低；第五，通过消纳光电为系统供电，多余上网，从而减少终端能源消费的碳排放。
附图说明
图1是本发明复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的连接示意图。
图2是本发明中三通阀三通路的示意图。
图中：1、PVT装置；2、温度传感器Ⅰ；3、温度传感器Ⅱ；4、地埋管换热器；5、地源热泵；6、相变蓄能装置；7、风机盘管。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
如图所示，本发明包括地源热泵5、通过三通阀Ⅰ、三通阀Ⅱ连通于地源热泵5一侧的PVT装置1、地埋管换热器4、连通于地源热泵5另一侧的风机盘管7以及通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ连通于地源热泵5和风机盘管7之间的相变蓄能装置6。所述PVT装置1与地源热泵5之间设置有温度传感器Ⅰ2，所述地埋管换热器4与地源热泵5之间设置有温度传感器Ⅱ3。此外，在系统中各装置的进出口处以及相变蓄热装置内部同样设有多个温度传感器，以便实现对系统的监控及调控，及时发现系统异常从而进行维修排查。本发明与单一的地源热泵分布式能源系统相比，该系统在能效性、经济性、减碳性方面均优于前者，其中相变蓄能装置6用于夜间谷价电时蓄存热量，白天峰价电时释放热量承担峰值负荷，由此，地源热泵可长期维持在定负荷率运行的状态，有利于提高系统机组的能效比。
本专利还公开了一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，图1中采用V1、V2、V3、V4表示三通阀Ⅰ、三通阀Ⅱ、三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ，其中三通阀的三个通路表示由图2所示，该供热方法包括如下步骤：
①稳定负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ，关闭阀门V3-2、V4-2，打开阀门V3-1、V3-3、V4-1、V4-3，使其与风机盘管直连。
②高负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置汇流后与风机盘管相连通；具体地，打开阀门V3-2、V4-2，由地源热泵装置以及相变蓄能装置为建筑末端供能，来自地源热泵装置的热水经过阀门V3-3与来自相变蓄能装置的热水在阀门V3处汇合，经过水泵P4,与室内末端风盘进行换热，回水则在阀门V4处分流，分别经过V4-2以及V4-3分别进入相变蓄热装置以及地源热泵装置，完成一次循环。
③夜间蓄能模式，所述地源热泵一侧连通地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置直连。打开地源热泵、水泵P2、P3、阀门V1-2、V1-3、V2-2、V2-3、V3-2、V3-3、V4-2、V4-3，其余阀门设施全关闭，此时地源热泵蒸发侧热量来自于地埋管交换器，机组所产生的热量经过水泵P3、阀门V3-3、V3-2进入相变蓄热装置与其内部相变材料进行换热，后经过阀门V4-2、V4-3回到热泵机组完成一次循环，在蓄热阶段，由于没有太阳辐射，驱使动力设备的电力主要来自于电网。
本发明中，PVT装置、地埋管换热器并联在地源热泵一侧，地源热泵与相变蓄能装置同样采用并联的方式设置，可以根据用户需求、天气状况以及峰谷电价时段对装置进行切换，克服单个可再生能源系统的缺点，从而保障了系统的能源供应，实现分布式能源的长期稳定供能。
根据上述实施例，优选地，当温度传感器Ⅰ的温度高于温度传感器Ⅱ的温度时，关闭阀门V1-3、V2-3，打开阀门V1-1、V1-2、V2-1、V2-2，所述地源热泵与PVT装置连通，所述PVT装置为建筑末端提供热量，当温度传感器Ⅰ的温度低于温度传感器Ⅱ的温度时，则相反，所述地源热泵与地埋管换热器连通，所述地埋管换热器为建筑末端提供热量。
根据上述实施例，优选地，在所述夜间蓄能模式下，驱动电力来自于电网，在所述稳定负荷模式和高负荷模式下，驱动电力来自于PVT装置。本例中动力设备单元(如地源热泵，水泵等)的电力输入优先由PVT提供，电力富余时可用于上网，电力欠缺时由市政电网供电，此设置通过消纳光电为系统供电，多余上网，从而减少终端能源消费的碳排放。
通过以上实施方式，本发明具备如下有益效果：第一，本发明实现了地热能、太阳能的储存及综合利用，减少了煤炭等不可再生能源的消耗，同时将太阳能及地热能耦合在一起，克服单个可再生能源系统的缺点，从而保障了系统的能源供应，实现分布式能源的长期稳定供能；第二，本发明的运行策略在未减少负荷的前提下实现了对末端负荷的重新分配，有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度，提高土壤的恢复率，有利于机组长期稳定运行；第三，通过相变蓄热装置的削峰作用，实现系统降容，从而降低了系统的初投资，同时使得地源热泵可长期维持在定负荷率运行的状态，有利于提高系统机组的能效比，确保机组的长期稳定运行；第四，本发明相变蓄能装置在夜间低谷电时蓄能，白天峰电价时释能，通过峰谷套利实现运行成本的降低；第五，通过消纳光电为系统供电，多余上网，从而减少终端能源消费的碳排放。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统，其特征在于，包括地源热泵、通过三通阀Ⅰ、三通阀Ⅱ连通于地源热泵一侧的PVT装置、地埋管换热器、连通于地源热泵另一侧的风机盘管以及通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ连通于地源热泵和风机盘管之间的相变蓄能装置。
2.根据权利要求1所述一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统，其特征在于，所述PVT装置与地源热泵之间设置有温度传感器Ⅰ，所述地埋管换热器与地源热泵之间设置有温度传感器Ⅱ。
3.一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，其特征在于，包括如下步骤：
稳定负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与风机盘管直连；
高负荷模式，所述地源热泵一侧连通PVT装置或地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置汇流后与风机盘管相连通；
夜间蓄能模式，所述地源热泵一侧连通地埋管换热器，地源热泵另一侧通过三通阀Ⅲ、三通阀Ⅳ与相变蓄能装置直连。
4.根据权利要求3所述一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，其特征在于，当温度传感器Ⅰ的温度高于温度传感器Ⅱ的温度时，所述地源热泵与PVT装置连通，所述PVT装置为建筑末端提供热量，当温度传感器Ⅰ的温度低于温度传感器Ⅱ的温度时，所述地源热泵与地埋管换热器连通，所述地埋管换热器为建筑末端提供热量。
5.根据权利要求3或4所述一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，其特征在于，在所述夜间蓄能模式下，驱动电力来自于电网。
6.根据权利要求5所述一种复合式地源热泵蓄能分布式能源系统的供热方法，其特征在于，在所述稳定负荷模式和高负荷模式下，驱动电力来自于PVT装置。
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