CN114992689A

CN114992689A - 一种光热电耦合地源热泵多联产系统

Info

Publication number: CN114992689A
Application number: CN202210450637.5A
Authority: CN
Inventors: 陈斌; 傅弈融; 郭韵; 邱禧荷; 王莎; 沈骏
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2022-09-02

Abstract

本发明涉及一种光热电耦合地源热泵多联产系统，该系统包括太阳能集热器(1)，还包括以下支路中的一个或多个：采暖支路，直接给住户(17)提供热量；供电支路，给住户(17)供电；供热水支路，给住户(17)提供热水；换热支路，用于住户(17)室内与地下之间的热交换。所述的供电支路包括螺杆膨胀机(2)和发电机(15)；所述的太阳能集热器(1)、螺杆膨胀机(2)、发电机(15)和住户(17)依次相连。所述的采暖支路由直接相连的太阳能集热器(1)和住户(17)构成。与现有技术相比，本发明具有让光热发电得到了很好的利用、单供热系统效率上有所提升，有很好的经济和绿色可发展效益，推广前景广阔等优点。

Description

一种光热电耦合地源热泵多联产系统

技术领域

本发明涉及能源综合利用领域，具体涉及一种光热电耦合地源热泵多联产系统。

背景技术

太阳能光热发电即聚光太阳能热发电(Concentrating Solar Power)，也称 CSP，是太阳能发电中不同于光伏发电的另一种技术。

光热发电技术是利用光聚焦原理，把太阳光线的分散能量进行高度聚集，通过吸热器中工质吸收阳光热能，直接或间接地加热水，产生一定参数的蒸汽，然后送往汽轮发电机组进行发电。实际应用的主要技术种类有槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。

槽式光热发电技术，分别采用槽式聚光镜和吸热管来聚焦和吸收太阳光热能，进而转化成电能。槽式聚光镜是一种高精密度的太阳反射镜，按主要制造材料可分为两种：玻璃反射镜和铝板反射镜，反射镜的横截面采用槽式抛物面。吸热管一般由碳钢或合金钢材料制作，具体根据设计运行温度而定。吸热管安装在抛物镜的焦线上，与聚光镜一起构成槽式聚光器。

槽式聚光器的聚光比比较低，一般不超过100。槽式光热发电技术在欧美具有二十多年的商业化运行经验，技术比较成熟，产生的水蒸气已经达到 371℃的商业化电站运行温度，电站年均光热电转换效率已达16％，理论峰值光热电转换效率最高可达21％。

目前带储热系统的槽式光热电站，发电功率所需土地约20m²/kW(露天布置聚光镜场)，10MW的槽式光热电站占地300亩，50MW槽式光热电站占地1500亩。如若采用玻璃房内布置聚光镜，则占地面积可减半。目前国外带储热系统的槽式光热电站功率造价折合人民币2.5万元/kW左右，不带储热系统的槽式光热电站功率造价人民币2.2万元/kW左右。槽式光热电站目前可设计建设的单机发电规模以不超过50MW为宜,适合建设集中式光热电站，规模越大单位功率造价越低。

槽式光热发电应用的典型案例有：20世纪80～90年代美国加州建造的由9 座电站组成的354MW的SEGS系列电站；西班牙Andasol1-2(100MW)；希腊的克里达电站(50MW)。目前国内已经建成试运行的典型槽式光热发电示范项目有：国电青松吐鲁番新能源180kW槽式光热发电示范项目；兰州大成能源在甘肃兰州建设的200kW槽式菲涅尔电站；华能集团在海南三亚南山电厂1.5MW线性菲涅尔光热发电项目。

发展地源热泵系统是我国建筑节能发展的需要。目前，建筑用能已占全国总能耗的。因此，抓紧建筑节能，以较少的能源投入实现经济增长目标，对于我国经济社会的可特续发展，是一项十分迫切的任务。地源热泵系统和常规的供热空调系统相比大约节能50％，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

北方农村地区经济落后，能源利用率较低，消耗量却并不小，在2021年全国多地尤其是北方地区所颁布了严格的限电令。若采用传统电能或焚烧秸秆来供热供暖，不仅会对环境造成严重污染，而且会造成能源浪费。若能大量普及该系统替代传统的供暖供热供电系统，就可以产生巨大的经济效益和环境效益，实现绿色、协调、可持续发展。北方农村住宅多为附带院落的平房，屋顶及院落空余面积较大，有足够的面积和空间用于太阳能集热器、螺杆膨胀机、地源热泵等组件的安装。

因此，鉴于上述问题，结合实际情况，为寻求合理、高效、绿色的资源化利用手段，合理利用北方土地资源和日照资源，节约北方农村地区居民生活成本，改善其生活条件，研究者们利用太阳能光热发电进行设计创新。

发明专利CN213599591U公开了光伏光热热电水箱模块，系统利用双层透光板降低水箱前壁面的散热系数，提升系统光热效率并降低水箱夜间热损，同时，光伏电池片阵列与半导体热电层耦合可分别利用光电效应和光热发电，多光谱波段利用提高模块光电效率。但期间更多地讲述到的是为了提高模块光电效率，综合利用率低，且系统内部环节较为复杂。发明专利CN106208907A 公开了一种光伏光热热电联供系统及热电联供方法，该系统有效降低太阳电池板温度并提高了太阳能发电的整体效率，提高太阳能电池片的转化效率，简化太阳能发电的机械结构。但利用光伏光热联合发电增加了太阳能发电的成本。此外，上述专利均采用到了光伏发电，对于光伏发电相比于光热发电太阳能利用率低，工作效率较低，不能将资源得到充分利用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种让光热发电得到了很好的利用、单供热系统效率上有所提升，有很好的经济和绿色可发展效益，推广前景广阔的光热电耦合地源热泵多联产系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光热电耦合地源热泵多联产系统，该系统包括太阳能集热器，该系统还包括以下支路中的一个或多个：

采暖支路，直接给住户提供热量；

供电支路，给住户供电；

供热水支路，给住户提供热水；

换热支路，用于住户室内与地下之间的热交换。

进一步地，所述的供热水支路包括螺杆膨胀机、换热器、自来水源、过滤器和第一循环水泵；

所述的太阳能集热器、螺杆膨胀机、换热器和过滤器依次相连；

所述的自来水源、换热器和住户依次相连；

所述的自来水源、过滤器、第一循环水泵和太阳能集热器依次相连。

进一步地，所述的换热器和住户之间还设有水箱；所述的换热器和过滤器之间还设有第三循环水泵。

进一步地，所述的换热支路还包括冷媒循环回路、室内换热回路、室外换热回路和室内外热交换回路；

所述的冷媒循环回路与室内外热交换回路交叠于换向阀；

所述的室内换热回路与室内外热交换回路交叠于蒸发器；

所述的室外换热回路与室内外热交换回路交叠于冷凝器。

进一步地，所述的冷媒循环回路包括依次循环连接的压缩机和换向阀；所述的压缩机与螺杆膨胀机相连。

进一步地，所述的室内换热回路包括依次循环连接的房间换热器、第四循环水泵和蒸发器。

进一步地，所述的室外换热回路包括依次循环连接的室外地下换热器、第二循环水泵和冷凝器。

进一步地，所述的室内外热交换回路包括依次循环连接的蒸发器、换向阀、冷凝器和节流阀。

进一步地，所述的供电支路包括螺杆膨胀机和发电机；所述的太阳能集热器、螺杆膨胀机、发电机和住户依次相连。

进一步地，所述的采暖支路由直接相连的太阳能集热器和住户构成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中，整个系统及方法综合利用太阳能、地热能，在提升热处理设备自动化的同时，还可以做到零污染物排放，同时降低土地使用率，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著；

(2)本发明中，整个系统及方法结合热效率与

效率的特点，综合地对该系统进行能量和经济效益分析，在保证其无害化、资源化利用的同时，兼顾经济效益，做到了创新、绿色、协调、可持续发展；

(3)本发明中，从能源利用的角度来看，该系统太阳能利用效率可达45％以上，远高于普通光伏发电最高20％的效率，同时还利用了另一种可再生能源——地热能。相较于传统的制冷制热系统所要消耗大量不可再生能源，并且会对环境造成严重污染，该系统能够充分利用两种可再生能源，且对环境几乎没有污染；

(4)本发明中，单论室外地下换热器(地源热泵)组运行时，地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40％以上，与电供暖相比可以减少70％以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50％，比燃气锅炉的效率高出了75％。采用的ORC螺杆式蒸汽膨胀发电机等熵效率高达 70％以上，而应用于饱和蒸汽的中小型汽轮机等烯效率在55％左右，前者比较后者发电效率要高出大约30％，同样条件的蒸汽发电量要多出大约30％；

(5)本发明中，从运行费用的角度来看，整套系统所需的电能可以由系统本身的螺杆膨胀机提供，相比于传统的热水、采暖系统，本身的冷热负荷不高，运行消耗的电能可以节省30％左右。

附图说明

图1为实施例中多联产系统示意图；

图2为实施例中室内换热回路示意图；

图中标号所示：太阳能集热器1、螺杆膨胀机2、换热器3、水箱4、自来水源5、过滤器6、第一循环水泵7、压缩机8、冷凝器9、第二循环水泵10、室外地下换热器11、换向阀12、节流阀13、蒸发器14、发电机15、房间换热器16、住户17、第三循环水泵18、第四循环水泵19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种光热电耦合地源热泵多联产系统，如图1，该系统包括太阳能集热器 1，该系统还包括以下支路：采暖支路，直接给住户17提供热量；供电支路，给住户17供电；供热水支路，给住户17提供热水；换热支路，用于住户17 室内与地下之间的热交换。

供热水支路包括螺杆膨胀机2、换热器3、自来水源5、过滤器6和第一循环水泵7；太阳能集热器1、螺杆膨胀机2、换热器3和过滤器6依次相连；自来水源5、换热器3和住户17依次相连；自来水源5、过滤器6、第一循环水泵7和太阳能集热器1依次相连。换热器3和住户17之间还设有水箱4；换热器3和过滤器6之间还设有第三循环水泵18。

换热支路还包括冷媒循环回路、室内换热回路、室外换热回路和室内外热交换回路；冷媒循环回路与室内外热交换回路交叠于换向阀12；室内换热回路与室内外热交换回路交叠于蒸发器14；室外换热回路与室内外热交换回路交叠于冷凝器9。

如图2，冷媒循环回路包括依次循环连接的压缩机8和换向阀12；压缩机 8与螺杆膨胀机2相连。室内换热回路包括依次循环连接的房间换热器16、第四循环水泵19和蒸发器14。室外换热回路包括依次循环连接的室外地下换热器11、第二循环水泵10和冷凝器9。室内外热交换回路包括依次循环连接的蒸发器14、换向阀12、冷凝器9和节流阀13。

供电支路包括螺杆膨胀机2和发电机15；太阳能集热器1、螺杆膨胀机2、发电机15和住户17依次相连。采暖支路由直接相连的太阳能集热器1和住户 17构成。

工作原理：

使用太阳能集热器1，将光能转化为热能，使水在太阳能集热器1中蒸发成水蒸气蒸气后一部分直接提供给住户17采暖，另一部分通入螺杆膨胀机2。利用光热的原理，通过聚焦、反射和吸收等过程将光能转化为热能，与光伏技术相比，充分利用了光能资源，并且提高了光能的利用效率，减少损失。

在螺杆膨胀机2内水蒸气体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能，使发电机15发电产生电能给用户供电。分别将蒸汽驱动螺杆转子旋转将热能转换为机械能，带动发电机15和压缩机8工作，从而实现向用户家庭或生产用地供给电量。

在螺杆膨胀机2内水蒸气体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能，直接带动压缩机8工作，达到制冷、制热效果。

在制冷状态下，压缩机8对冷媒做功，使其进行汽液转化的循环。通过蒸发器14内冷媒的蒸发将由房间换热器16所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器9内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，达到为房间供冷的效果。

在供暖状态下，压缩机8对冷媒做功，并通过换向阀12将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过蒸发器 14内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器9内冷媒的冷凝，由房间换热器16循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，达到为房间供暖的效果。

由此可见，在换热支路中，体现出以下几个重要优势：

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40％，因此要节能和节省运行费用 40％左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

压缩机对冷媒做功，夏季冷媒从室内吸热进行循环实现住户室内制冷效果，冬季冷媒从室外地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，将所吸收的热量转移至室内。这两个功能使用同一组地源热泵系统，通过换向阀进行对热泵机组工作方向进行转换，即功能切换，从而满足住户在夏季制冷冬季制热的功能转换。

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，其地下部分可保证50年，地上部分可保证 30年，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3年左右即可收回。

水蒸气经过螺杆膨胀机2后排出的高温热水通入换热器3，将自来水进行加热并储存在水箱4中，以便用户随时用热水。自来水源5向换热器3中通入自来水，从螺杆膨胀机2中传入的高温水蒸气进入3-换热器加热管路中的自来水，热水被送入水箱4中储存以备用户使用。

进行换热后的冷凝水和的来自自来水源5的自来水将经过过滤器6再重新进入太阳能集热器1进行循环使用。通过加入过滤器6，过滤去除了自来水源 5所提供水和通过换热器3后的冷凝水中的杂质，输出纯净水，再由一台第一循环水泵7将纯净水输入到太阳能集热器1中，从而避免太阳能集热器1管道发生结垢从而降低工作效率，保证集热器的良好运转。

进入太阳能集热器1的水再开始重复回到第一步进行整体系统的循环运作。形成循环，自给自足，不利用额外的能量资源，不产生污染气体，真正实现碳的“零排放”。

综上所述，该产品运用热耦合效应，并通过朗肯循环作为出发点，结合农村实际情况，让光热发电得到了很好的利用,同时该项目相比常见的单供热系统效率上有所提升。在北方农村，地势开阔，并有良好的地热资源，通过这个系统，可以发转绿色经济，促进农村转型，提高农村居民的生活水平，构建新型乡村体系，有很好的经济和绿色可发展效益，推广前景广阔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种光热电耦合地源热泵多联产系统，该系统包括太阳能集热器(1)，其特征在于，该系统还包括以下支路中的一个或多个：

采暖支路，直接给住户(17)提供热量；

供电支路，给住户(17)供电；

供热水支路，给住户(17)提供热水；

换热支路，用于住户(17)室内与地下之间的热交换。

2.根据权利要求1所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的供热水支路包括螺杆膨胀机(2)、换热器(3)、自来水源(5)、过滤器(6)和第一循环水泵(7)；

所述的太阳能集热器(1)、螺杆膨胀机(2)、换热器(3)和过滤器(6)依次相连；

所述的自来水源(5)、换热器(3)和住户(17)依次相连；

所述的自来水源(5)、过滤器(6)、第一循环水泵(7)和太阳能集热器(1)依次相连。

3.根据权利要求2所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的换热器(3)和住户(17)之间还设有水箱(4)；所述的换热器(3)和过滤器(6)之间还设有第三循环水泵(18)。

4.根据权利要求2所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的换热支路还包括冷媒循环回路、室内换热回路、室外换热回路和室内外热交换回路；

所述的冷媒循环回路与室内外热交换回路交叠于换向阀(12)；

所述的室内换热回路与室内外热交换回路交叠于蒸发器(14)；

所述的室外换热回路与室内外热交换回路交叠于冷凝器(9)。

5.根据权利要求4所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的冷媒循环回路包括依次循环连接的压缩机(8)和换向阀(12)；所述的压缩机(8)与螺杆膨胀机(2)相连。

6.根据权利要求4所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的室内换热回路包括依次循环连接的房间换热器(16)、第四循环水泵(19)和蒸发器(14)。

7.根据权利要求4所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的室外换热回路包括依次循环连接的室外地下换热器(11)、第二循环水泵(10)和冷凝器(9)。

8.根据权利要求4所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的室内外热交换回路包括依次循环连接的蒸发器(14)、换向阀(12)、冷凝器(9)和节流阀(13)。

9.根据权利要求1所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的供电支路包括螺杆膨胀机(2)和发电机(15)；所述的太阳能集热器(1)、螺杆膨胀机(2)、发电机(15)和住户(17)依次相连。

10.根据权利要求1所述的一种光热电耦合地源热泵多联产系统，其特征在于，所述的采暖支路由直接相连的太阳能集热器(1)和住户(17)构成。