CN115059957A - 一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统及方法，包括地热太阳能耦合复合型热泵供热系统包括太阳能集热器和热井地埋管道；负压闪蒸型污水源热泵系统包括蒸发器和负压闪蒸罐，集中供热系统换热机组包括板式换热器，一级网循环水装置和二级网循环水装置，该系统将太阳能集热器和地热井耦合做清洁能源集热环路，提取集热环路低品位热能实现对外供热；利用负压闪蒸罐回收城市居民生活污水中蕴含的低品位余热，回收余热实现对外供热；本发明可在增加集中供热系统换热站供热能力的同时，降低供热系统运行能耗指标和碳排放量，提高能源利用率，提高供热系统运行安全性和可靠性。

Description

一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统及方法
技术领域
本发明属于供热技术领域，涉及一种基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统及方法。
背景技术
传统化石燃料的消耗和日趋严重的环境问题增强了人们对于清洁能源采暖技术路线的关注，城市集中供热面积逐年递增，集中供热系统的发展正面临严峻挑战，如何在现有供热系统的基础上寻求一种节能高效、低碳环保的供热方式是亟待解决的一大问题。近年来太阳能与地热能供热技术已经相对成熟，但在单独使用时都存在一定技术局限性。太阳能受季节、昼夜温差、气候变化等因素影响，光照存在周期性，无法单独实现稳定供热。地源热泵采暖季较为稳定，可有效利用土壤层低温热能供热，但长期运行会导致土壤温度场逐渐失衡，使热泵系统提热量下降，供热能力和热泵性能系数逐渐下降。污水源热泵低品位热源流量稳定、取排简便、热容量大、换热效率高，但长期运行会产生换热设备流道堵塞，降低低温换热器换热能力，如何避免大尺度悬浮污物堵塞换热设备是其应用受限的主要原因。
因此，采用现有技术中的供热系统，导致清洁能源采暖利用效率较低，供热系统运行安全性和可靠性较低的问题，如何实现将地热能，太阳能和污水能作为现有技术中供热系统的替代或补充，提高供热领域节能降碳的效率，是该供热系统研究领域急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统及方法，高效利用了地热能、太阳能和污水能，使其高效耦合联合热泵实现对外供热，开发了一套新型清洁高效的供热技术路线，可在增加集中供热系统换热站供热能力的同时，降低供热系统运行能耗指标和碳排放量，提高能源利用率，提高供热系统运行安全性和可靠性。
可作为现有集中供热系统的替代或补充，同时可降低供热系统运行成本和碳排放指标。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，包括地热太阳能耦合复合型热泵供热系统、负压闪蒸型污水源热泵系统和集中供热系统换热机组；
所述集中供热系统换热机组包括板式换热器，一级网循环水装置和二级网循环水装置，所述板式换热器的一侧与一级网循环水装置连接，所述板式换热器的另一侧与二级网循环水装置连接；
所述地热太阳能耦合复合型热泵供热系统包括冷凝器A、蒸发器A、闭式循环水泵、太阳能集热器、热井地埋管道和地热井循环水泵；
所述冷凝器A的高温水侧进出口与二级网循环水装置连接，所述冷凝器A的低温工质出口连接蒸发器A的高温工质进口，所述蒸发器A的高温工质出口连接冷凝器A的低温工质进口，所述蒸发器A的低温水侧出口连接闭式循环水泵的进口；所述闭式循环水泵的出口分为两路，其中一路连接太阳能集热器的进口，另一路依次连接地热井循环水泵和热井地埋管道的进口；所述蒸发器A的低温水侧进口分为两路，其中一路连接太阳能集热器的出口，另一路连接热井地埋管道的出口；
所述负压闪蒸型污水源热泵系统包括冷凝器B、蒸发器B、凝结水泵和负压闪蒸罐，
所述冷凝器B的高温水侧与二级网循环水装置连接，所述冷凝器B的低温工质出口连接蒸发器B的高温工质进口，所述蒸发器B的高温工质出口连接冷凝器B的低温工质进口，所述蒸发器B的低温水侧出口连接凝结水泵的进口，所述负压闪蒸罐的闪蒸蒸汽水进口与蒸发器B的低温热源出口连接，所述负压闪蒸罐的闪蒸蒸汽水出口连接至凝结水泵。
优选的，所述一级网循环水装置包括一级网循环水供水管、一级网循环水回水管、Y型过滤器A、一网供水球阀、第四电动调节阀和一网回水球阀；所述Y型过滤器A和一网供水球阀设置在一级网循环水供水管上，所述第四电动调节阀和一网回水球阀设置在一级网循环水回水管上；所述Y型过滤器A的进口连接板式换热器的第一出口，所述Y型过滤器A的出口连接至一级网循环水供水，所述一网供水球阀设置在一级网循环水供水管的供水口，所述第四电动调节阀设置在板式换热器的第一进口处，所述一网回水球阀设置在一级网循环水回水管的回水口。
优选的，所述二级网循环水装置包括二级网循环水供水管、二级网循环水回水管，循环水泵和Y型过滤器B；所述循环水泵和Y型过滤器B设置在二级网循环水回水管上，所述循环水泵的出口连接板式换热器的第二进口，所述Y型过滤器B的出口连接循环水泵的进口，所述Y型过滤器B的进口连接至二级网循环水回水，所述二级网循环水回水的回水口设置有二网回水球阀，所述板式换热器的第二进口处设置有第五电动调节阀，所述二级网循环水供水的供水口设置有二网供水球阀。
优选的，所述冷凝器A的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器A的高温水侧出口连接二级网循环水供水管；所述冷凝器B的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器B的高温水侧出口连接二级网循环水供水管。
优选的，所述蒸发器A的高温工质出口与冷凝器A的工质进口之间设置有膨胀阀A，所述冷凝器A的工质出口与蒸发器A的高温工质进口之间设置有压缩机A。
优选的，所述地热太阳能耦合复合型热泵供热系统与负压闪蒸型污水源热泵系统并联连接。
优选的，所述太阳能集热器的出口与蒸发器A的低温水侧进口之间设置有Y型过滤器C，所述凝结水泵的一端设置有凝结水罐。
优选的，所述蒸发器B的高温工质出口与冷凝器B的工质进口之间设置有膨胀阀B，所述冷凝器B的工质出口与蒸发器B的高温工质进口之间设置有压缩机B。
优选的，所述负压闪蒸罐上设置有真空泵，所述负压闪蒸罐的污水进口处设置有污水喷淋泵，所述负压闪蒸罐与污水喷淋泵之间设置有污水喷淋头，所述负压闪蒸罐的污水出口处设置有污水退水泵。
一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热方法，包括，
日间光照充足时，将二级网用户供热回水分别送入冷凝器A和板式换热器中，热泵内部循环工质在冷凝器A中冷凝放热后，再经降压膨胀后进入蒸发器A中进行蒸发吸热，经压缩后回到冷凝器A中进行冷凝放热；所述蒸发器A中的低温侧闭式循环水升压后，分别进入太阳能集热器和热井地埋管道中，热井地埋管道道中热井地埋管道支路循环水与蒸发器A中的低温侧闭式循环水汇合后，送回蒸发器A中将热量传递给热泵内部循环工质，太阳能集热器的集热量经热井循环水泵升压后送至热井地埋管道中，将热量储存在土壤层中，而低温侧闭式循环水回到太阳能集热器完成循环；
夜间无光照时，将二级网用户供热回水进入冷凝器B中被加热后送回二级网循环水装置中的二级网循环水回水管中实现对外用户供热，热泵内部循环工质在冷凝器B中冷凝放热后，进入蒸发器B中蒸发吸热，再经压缩后回到冷凝器B中冷凝放热，所述蒸发器B的低温侧出口凝结水经凝结水泵升压后，进入负压闪蒸罐中，负压闪蒸罐中的生活污水闪蒸蒸发，形成低温低压水蒸气，水蒸气进入蒸发器B中凝结放热形成凝结水完成提热循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的一种基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统包括可切换运行的地热太阳能耦合复合型热泵供热系统和负压闪蒸型污水源热泵系统和集中供热系统换热机组，高效利用了地热能、太阳能和污水能，使其高效耦合联合热泵实现对外供热，开发了一套新型清洁高效的供热系统的技术路线，可在增加集中供热系统换热站供热能力的同时，降低供热系统运行能耗指标和碳排放量，提高能源利用率，提高供热系统运行安全性和可靠性。通过在集中供热系统换热机组中设置板式换热器，一级网循环水装置和二级网循环水装置，利用地热太阳能耦合复合型热泵以太阳能集热器和地热井管道做低温热源，利用压缩式热泵提取低品味热能用于加热集中供热系统二次网循环水；负压闪蒸型污水源热泵利用负压闪蒸罐中的水蒸气饱和温度随压力降低而降低的原理，以城市居民生活污水做低温热源，利用压缩式热泵提取低品位热能用于集中加热供热系统的二次网循环水。本发明的系统采用将不同清洁能源耦合做低温热源，同时高效回收了城市居民生活污水中蕴含的低品位余热，实现了能源高效梯级利用，提高了能量利用率，缩小热泵高低温热源温差，提高了热泵制热性能系数，提高供热系统供热能力的同时，降低了运行成本，同时降低了供热系统碳排放量。同时，本发明提供一种基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热方法，高效利用了地热能、太阳能和污水能三种清洁能源做低温热源，利用压缩式热泵提取低品位热能，加热二级网循环水供给热用户，使其高效耦合联合热泵实现对外供热，降低供热系统运行成本和碳排放指标。此外，本发明建立的系统利用太阳能、地热能和污水能三种温度较高的低品位热源做热泵低温热源，降低了热泵工作温差，提高其制热性能系数，降低了热泵供热成本。
进一步，地热太阳能耦合复合型热泵供热系统在采暖季提取土壤热量用于供暖后，在非采暖季使用太阳能集热器的集热量回灌至地下土壤，保证全年周期内土壤温度平衡，提高系统生命周期内的经济性和稳定性；
进一步，本发明的地热太阳能耦合复合型热泵供热系统运行灵活高效，采暖季日间集中供热系统热量充足时和非采暖季期间，利用太阳能集热器对地热井进行热量回灌，达到跨时段和跨季节储热的效果，提高土壤层温度，提高热泵制热性能系数，能量利用率高。
进一步，本发明的负压闪蒸型污水源热泵，有效解决了污水换热器堵塞问题，高效回收污水中低品位热能的同时回收部分水质较好的凝结水，可用于热网补水，进一步降低供热成本。
进一步，本发明建立的热泵供热系统应用于集中供热系统换热机组，可提高换热站供热能力，提高热用户供热安全性、可靠性和供热质量。
附图说明
图1为本发明利用深度余热耦合清洁能源的热泵供热系统原理图；
图2为实施例中的太阳能耦合复合型热泵供热系统图；
图3为实施例中的负压闪蒸型污水源热泵系统图；
图中：一网供水球阀1，Y型过滤器A2，第四电动调节阀3，一网回水球阀4，板式换热器5，二网供水球阀6，第五电动调节阀7，循环水泵8，Y型过滤器B9，二网回水球阀10，第一球阀11，第二球阀12，第一电动调节阀13，第三球阀44，冷凝器A15，膨胀阀A16，蒸发器A17，压缩机A18，闭式循环水泵19，球第四阀20，第五球阀21，太阳能集热器22，第二电动调节阀23，第六球阀24，热井地埋管道25，第三电动调节阀26，第七球阀27，Y型过滤器C28，冷凝器B29，膨胀阀B30，蒸发器B31，压缩机B32，凝结水泵33，电动截止阀A34，凝结水罐35，电动截止阀B36，真空泵37，负压闪蒸罐38，污水喷淋泵39，污水喷淋头40，污水退水泵41，地热井循环水泵42，第八球阀43，第九球阀44。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，包括地热太阳能耦合复合型热泵供热系统、负压闪蒸型污水源热泵系统和集中供热系统换热机组；该系统将太阳能集热器和地热井耦合做清洁能源集热环路，利用压缩式热泵提取集热环路低品位热能实现对外供热；利用负压闪蒸罐回收城市居民生活污水中蕴含的低品位余热，利用压缩式热泵回收余热实现对外供热；本发明还利用太阳能集热器在非采暖季对地热井进行热量回灌，保证土壤全年温度平衡，起到跨季节储热作用；本发明可在增加集中供热系统换热站供热能力的同时，降低供热系统运行能耗指标和碳排放量，提高能源利用率，提高供热系统运行安全性和可靠性。
所述集中供热系统换热机组包括板式换热器5，一级网循环水装置和二级网循环水装置以及用户侧散热末端设备，所述板式换热器5的一侧与一级网循环水装置连接，所述板式换热器5的另一侧与二级网循环水装置连接；
所述板式换热器5的第一出口连接一级网循环水供水管，所述板式换热器5的第一进口连接一级网循环水回水管，所述板式换热器5的第二进口连接二级网循环水供水管，所述板式换热器5的第二进口连接二级网循环水回水管；
所述一级网循环水装置包括一级网循环水供水管、一级网循环水回水管、Y型过滤器A2、一网供水球阀1、第四电动调节阀3和一网回水球阀4；所述Y型过滤器A2和一网供水球阀1设置在一级网循环水供水管上，所述第四电动调节阀3和一网回水球阀4设置在一级网循环水回水管上；所述Y型过滤器A2的进口连接板式换热器5，所述Y型过滤器A2的出口连接至一级网循环水供水，所述一网供水球阀1设置在一级网循环水供水管的供水口，所述第四电动调节阀3设置在板式换热器5的第一进口处，所述一网回水球阀4设置在一级网循环水回水管的回水口；
所述二级网循环水装置包括二级网循环水供水管、二级网循环水回水管，二网供水球阀6、第五电动调节阀7、循环水泵8、Y型过滤器B9和二网回水10；所述循环水泵8和Y型过滤器B9设置在二级网循环水回水管上，所述循环水泵8的出口连接板式换热器5的第二进口，所述Y型过滤器B9的出口连接循环水泵8的进口，所述Y型过滤器B9的进口连接至二级网循环水回水，所述二级网循环水回水的回水口设置有二网回水球阀10，所述板式换热器5的第二进口处设置有第五电动调节阀7，所述二级网循环水供水的供水口设置有二网供水球阀6；
如图2所示，地热太阳能耦合复合型热泵供热系统包括压缩机A18，冷凝器A15，膨胀阀A16和蒸发器A17，地热太阳能耦合低温热源环路系统，闭式循环水泵19，第八球阀43，第五球阀21，太阳能集热器22，第二电动调节阀23，第六球阀24，第九球阀44，Y型过滤器C28和蒸发器A15，
所述冷凝器A15的低温工质出口连接蒸发器A17的高温工质进口，所述蒸发器A17的高温工质出口连接冷凝器A15的低温工质进口，所述蒸发器A17的高温工质出口与冷凝器A15的工质进口之间设置有膨胀阀A16，所述冷凝器A15的工质出口与蒸发器A17的高温工质进口之间设置有压缩机A18，所述蒸发器A17的低温水侧出口连接闭式循环水泵19的进口，所述闭式循环水泵19的出口分为两路，其中一路连接太阳能集热器22的进口，另一路连接地热井循环水泵42的进口，所述地热井循环水泵42的出口连接热井地埋管道25的进口，所述蒸发器A17的低温水侧进口分为两路，其中一路连接太阳能集热器22的出口，另一路连接热井地埋管道25的出口；所述热井地埋管道25的出口处依次设置有第三电动调节阀26和第七球阀27，所述太阳能集热器22的出口与蒸发器A17的低温水侧进口之间设置有Y型过滤器C28,所述地热井循环水泵42的进口处设置有第四球阀20，所述闭式循环水泵19的出口处设置有第八球阀43，太阳能集热器22的进口处设置有第五球阀21，太阳能集热器22的出口处依次设置有第二电动调节阀23和第六球阀24，Y型过滤器C28的进口处设置有第九球阀44，
所述冷凝器A15的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器A15的高温水侧出口连接二级网循环水供水管，所述冷凝器A15的高温水侧出口处依次设置有电动调节阀和第一球阀11，所述冷凝器A15的高温水侧进口处设置有第一球阀11；
如图3所示，负压闪蒸型污水源热泵系统包括凝结水泵33，电动截止阀36，负压闪蒸罐38和蒸发器B31，
所述冷凝器B29的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器B29的高温水侧出口连接二级网循环水供水管，所述冷凝器B29的高温水侧出口处依次设置有第一电动调节阀13和第三球阀44，所述冷凝器B29的高温水侧进口处设置有第二球阀12；所述冷凝器B29的低温工质出口连接蒸发器B31的高温工质进口，所述蒸发器B31的高温工质出口连接冷凝器B29的低温工质进口，所述蒸发器B31的高温工质出口与冷凝器B29的工质进口之间设置有膨胀阀B30，所述冷凝器B29的工质出口与蒸发器B31的高温工质进口之间设置有压缩机B32,
所述蒸发器B31的低温水侧出口连接凝结水泵33的进口，凝结水泵33的一端设置有凝结水罐35，所述凝结水罐35的入口处设置有电动截止阀A34。
所述负压闪蒸罐38的闪蒸蒸汽水进口与蒸发器B31的低温热源出口连接，所述负压闪蒸罐38的闪蒸蒸汽水出口连接至凝结水泵33与凝结水箱35之间，所述负压闪蒸罐上设置有真空泵37，所述负压闪蒸罐38的污水进口处设置有污水喷淋泵39，负压闪蒸罐38与污水喷淋泵39之间设置有污水喷淋头40，所述负压闪蒸罐38的污水出口处设置有污水退水泵41，所述负压闪蒸罐38的闪蒸蒸汽水出口处设置有电动截止阀B36。该系统将太阳能集热器和地热井耦合做清洁能源集热环路，利用压缩式热泵提取集热环路低品位热能实现对外供热；利用负压闪蒸罐回收城市居民生活污水中蕴含的低品位余热，利用压缩式热泵回收余热实现对外供热；本发明还利用太阳能集热器在非采暖季对地热井进行热量回灌，保证土壤全年温度平衡，起到跨季节储热作用；本发明可在增加集中供热系统换热站供热能力的同时，降低供热系统运行能耗指标和碳排放量，提高能源利用率，提高供热系统运行安全性和可靠性。
基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统，该系统包括集中供热系统中由一级网循环水装置和二级网循环水装置和板式换热器组成的换热站，还包括可切换运行的地热太阳能耦合复合型热泵供热系统和负压闪蒸型污水源热泵系统；地热太阳能耦合复合型热泵供热系统以太阳能集热器和地热井做低温热源，利用压缩式热泵提取低品味热能用于加热集中供热系统二次网循环水；负压闪蒸型污水源热泵利用水蒸气饱和温度随压力降低而降低的原理，以城市居民生活污水做低温热源，利用压缩式热泵提取低品位热能用于加热集中供热系统二次网循环水；其中地热太阳能耦合复合型热泵在采暖季提取土壤热量用于供暖后，在非采暖季使用太阳能集热器集热量回灌至地下土壤，保证全年周期内土壤温度平衡，提高系统生命周期内的经济性和稳定性；系统采用将不同清洁能源耦合做低温热源，同时高效回收了城市居民生活污水中蕴含的低品位余热，实现了能源高效梯级利用，提高了能量利用率，缩小热泵高低温热源温差，提高了热泵制热性能系数，提高供热系统供热能力的同时降低了运行成本，同时降低了供热系统碳排放量。对外供热，降低供热系统运行成本和碳排放指标。
一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热方法，包括，
日间光照充足时，将二级网用户供热回水分别送入冷凝器A15和板式换热器5中，热泵内部循环工质在冷凝器A15中冷凝放热后，再经降压膨胀后进入蒸发器A17中进行蒸发吸热，经压缩后回到冷凝器A15中进行冷凝放热；所述蒸发器A17中的低温侧闭式循环水升压后，分别进入太阳能集热器22和热井地埋管道25中，热井地埋管道25中热井地埋管道支路循环水与蒸发器A17中的低温侧闭式循环水汇合后，送回蒸发器A17中将热量传递给热泵内部循环工质，太阳能集热器22的集热量经热井循环水泵42升压后送至热井地埋管道25中，将热量储存在土壤层中，而低温侧闭式循环水回到太阳能集热器22完成循环；
夜间无光照时，将二级网用户供热回水进入冷凝器B29中被加热后送回二级网循环水装置中的二级网循环水回水管中实现对外用户供热，热泵内部循环工质在冷凝器B29中冷凝放热后，进入蒸发器B31中蒸发吸热，再经压缩后回到冷凝器B29中冷凝放热，所述蒸发器B31的低温侧出口凝结水经凝结水泵33升压后，进入负压闪蒸罐38中，负压闪蒸罐38中的生活污水闪蒸蒸发，形成低温低压水蒸气，水蒸气进入蒸发器B31中凝结放热形成凝结水完成提热循环。
高效利用了地热能、太阳能和污水能三种清洁能源做低温热源，利用压缩式热泵提取低品位热能，加热二级网循环水供给热用户，使其高效耦合联合热泵实现
优选的具体实施方式：
基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统，包括地热太阳能耦合复合型热泵、负压闪蒸型污水源热泵和集中供热系统换热机组，所述地热太阳能耦合复合型热泵包含依次相连的压缩机A18，冷凝器A15，膨胀阀A16和蒸发器A17；蒸发器低温水侧进出口与地热太阳能耦合低温热源环路相连，包括依次连接的闭式循环水泵19，第八球阀43，第五球阀21，太阳能集热器22，第二电动调节阀23，第六球阀24，第九球阀44，Y型过滤器C28和蒸发器A15；地热井取热环路与集热器集热环路并联，并联位置在第五球阀21前和第六球阀24后，由依次连接的第四球阀20，地热井循环水泵42，热井地埋管道25，电动调节阀26和第七球阀27组成；地热太阳能耦合复合型热泵在冷凝器A15高温水侧进出口由管连接至二级网供回水管，回水管上设置球阀9，供水管设置电动调节阀10和一网供水第一球阀11。所述负压闪蒸型污水源热泵包含依次相连的压缩机B32，冷凝器B29，膨胀阀B30和蒸发器B31；蒸发器低温汽侧进出口与负压闪蒸型污水提热环路相连，污水提热环路包括依次相连的凝结水泵33，电动截止阀B36，负压闪蒸罐38和蒸发器B31，负压闪蒸罐上设置真空泵37；污水提热环路上设置凝结水排放环路，由电动截止阀A34和凝结水罐35构成；负压闪蒸罐污水源由污水排放管经污水喷淋泵39送至污水喷淋头37喷至闪蒸罐内，罐底连接污水退水管上设置污水退水泵41。
所述基于负压闪蒸原理的深度余热利用技术耦合清洁能源的换热站热泵供热系统，该系统分采暖季供热模式和非采暖季蓄热模式两种，这两种运行方式全年切换运行，具体如下：
采暖季供热模式：包括地热太阳能耦合复合型热泵制热循环和污水负压闪蒸型热泵制热循环；地热太阳能耦合复合型热泵制热循环：日间光照充足时，球阀9和一网供水第一球阀11打开，二级网用户供热回水经Y型过滤器9过滤，再经二级网循环水泵8升压后，分两路分别送入地热太阳能耦合复合型热泵的冷凝器A15和板式换热器5中，由电动调节阀10和电动调节阀7调节进入两环路的流量配比；压缩式热泵内部工质在冷凝器A15中冷凝放热后进入膨胀阀A16，降压膨胀后进入蒸发器A17蒸发吸热，后至压缩机A18压缩后回到冷凝器A15冷凝放热完成一个循环；蒸发器A17低温侧闭式循环水经闭式循环水泵19升压后分两路分别进入太阳能集热器和热井地埋管道中，热井地埋管道支路循环水经热井循环水升压泵42升压后进入热井地埋管道25中，两支路均分别设置电动调节阀26和第二电动调节阀23，用于灵活控制进入各支路的循环水流量，两支路流量汇合后经Y型过滤器C28过滤后送回蒸发器A17中将热量传递给热泵内部循环工质；日间室外温度高、一级网供热量充足时，热泵不工作，第八球阀43和第九球阀44关闭，太阳能集热器22集热量经热井循环水泵42升压后送至热井地埋管道25中，将热量储存至土壤层，而后循环水回到太阳能集热器22完成循环；夜间无光照时，第五球阀21和第六球阀24关闭，热泵依靠热井地埋管道25提取土壤热量，其中包含太阳能集热器22在日间储存至土壤的冗余热量。污水负压闪蒸型热泵制热循环：一级网供热量不足时，打开一网供水第二球阀12和一网供水第三球阀44，二级网供热回水分出一支路进入冷凝器B29中被加热后送回二级网供水管实现对外供热；压缩式热泵内部工质在冷凝器B29中冷凝放热后进入膨阀30，降压膨胀后进入蒸发器B31蒸发吸热，后至压缩机B32压缩后回到冷凝器B29冷凝放热完成一个循环；蒸发器B31低温侧出口凝结水经凝结水泵33升压后可进入凝结水罐35或回到负压闪蒸罐38中，当负压闪蒸罐38中水位较高时，关闭电动截止阀36，打开电动截止阀34，凝结水流入凝结水罐35中，当负压闪蒸罐38水位正常是，关闭电动截止阀34，打开电动截止阀36，凝结水回流至负压闪蒸罐38中；生活污水经污水喷淋泵39送至污水喷淋喷头40喷至负压闪蒸罐38中，负压闪蒸罐38的罐内废水经污水退水泵41送回原有污水管，负压闪蒸罐38的罐体设置真空泵37用于维持负压闪蒸罐38的罐内负压，闪蒸罐利用水蒸气饱和温度随压力降低而降低的原理，让生活污水在负压闪蒸罐38的罐内闪蒸蒸发，形成富含大量潜热的低温低压水蒸气，水蒸气进入蒸发器B31中凝结放热形成凝结水完成提热循环。
非采暖季蓄热模式：非采暖季两热泵均停运，第八球阀43和第九球阀44关闭，第五球阀21、第六球阀24、第四球阀20和第七球阀27打开，第二电动调节阀23和电动调节阀26全开，闭式循环水在太阳能集热器22中吸收太阳能热量后经热井循环水泵42升压后送入热井地埋管道25中将热量传递给地下土壤，用于提高土壤温度，达到跨季节储热的效果，保证采暖季热泵制热性能系数。
在全年储热、供热过程中，采暖季利用地热能、太阳能和污水余热三种清洁能源做低温热源，利用压缩式热泵提取低品位热能，加热二级网循环水供给热用户；采暖季白天一级网热量不足时，利用热泵提取太阳能、地热能和污水能对外供热，一级网热量充足时，利用太阳能集热器集热量对地下土壤进行热量回灌，在夜间无光照时继续提取土壤低品位热能，达到跨时段储能利用的目的，缩小高低温热源温差，提高热泵制热性能系数；非采暖季利用太阳能集热器对地热井进行热量回灌，实现跨季节储能，保证热泵全年运行的性能系数和经济效益；负压闪蒸型污水源热泵提取在提热过程中制取的凝结水水质较高，可做为热网循环水补水使用，进一步降低系统运行成本，达到热、质双重回收的目的。本发明所建立的系统可作为集中供热系统的热源替代或补充，扩大供热系统供热能力且可降低供热成本和碳排放。

Claims (10)

1.一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，包括地热太阳能耦合复合型热泵供热系统、负压闪蒸型污水源热泵系统和集中供热系统换热机组；
所述集中供热系统换热机组包括板式换热器(5)，一级网循环水装置和二级网循环水装置，所述板式换热器(5)的一侧与一级网循环水装置连接，所述板式换热器(5)的另一侧与二级网循环水装置连接；
所述地热太阳能耦合复合型热泵供热系统包括冷凝器A(15)、蒸发器A(17)、闭式循环水泵(19)、太阳能集热器(22)、热井地埋管道(25)和地热井循环水泵(42)；
所述冷凝器A(15)的高温水侧进出口与二级网循环水装置连接，所述冷凝器A(15)的低温工质出口连接蒸发器A(17)的高温工质进口，所述蒸发器A(17)的高温工质出口连接冷凝器A(15)的低温工质进口，所述蒸发器A(17)的低温水侧出口连接闭式循环水泵(19)的进口；所述闭式循环水泵(19)的出口分为两路，其中一路连接太阳能集热器(22)的进口，另一路依次连接地热井循环水泵(42)和热井地埋管道(25)的进口；所述蒸发器A(17)的低温水侧进口分为两路，其中一路连接太阳能集热器(22)的出口，另一路连接热井地埋管道(25)的出口；
所述负压闪蒸型污水源热泵系统包括冷凝器B(29)、蒸发器B(31)、凝结水泵(33)和负压闪蒸罐(38)；
所述冷凝器B(29)的高温水侧与二级网循环水装置连接，所述冷凝器B(29)的低温工质出口连接蒸发器B(31)的高温工质进口，所述蒸发器B(31)的高温工质出口连接冷凝器B(29)的低温工质进口，所述蒸发器B(31)的低温水侧出口连接凝结水泵(33)的进口，所述负压闪蒸罐(38)的闪蒸蒸汽水进口与蒸发器B(31)的低温热源出口连接，所述负压闪蒸罐(38)的闪蒸蒸汽水出口连接至凝结水泵(33)。
2.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述一级网循环水装置包括一级网循环水供水管、一级网循环水回水管、Y型过滤器A(2)、一网供水球阀(1)、第四电动调节阀(3)和一网回水球阀(4)；所述Y型过滤器A(2)和一网供水球阀(1)设置在一级网循环水供水管上，所述第四电动调节阀(3)和一网回水球阀(4)设置在一级网循环水回水管上；所述Y型过滤器A(2)的进口连接板式换热器(5)的第一出口，所述Y型过滤器A(2)的出口连接至一级网循环水供水，所述一网供水球阀(1)设置在一级网循环水供水管的供水口，所述第四电动调节阀(3)设置在板式换热器(5)的第一进口处，所述一网回水球阀(4)设置在一级网循环水回水管的回水口。
3.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述二级网循环水装置包括二级网循环水供水管、二级网循环水回水管，循环水泵(8)和Y型过滤器B(9)；所述循环水泵(8)和Y型过滤器B(9)设置在二级网循环水回水管上，所述循环水泵(8)的出口连接板式换热器(5)的第二进口，所述Y型过滤器B(9)的出口连接循环水泵(8)的进口，所述Y型过滤器B(9)的进口连接至二级网循环水回水，所述二级网循环水回水的回水口设置有二网回水球阀(10)，所述板式换热器(5)的第二进口处设置有第五电动调节阀(7)，所述二级网循环水供水的供水口设置有二网供水球阀(6)。
4.根据权利要求3所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述冷凝器A(15)的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器A(15)的高温水侧出口连接二级网循环水供水管；所述冷凝器B(29)的高温水侧进口连接二级网循环水回水管，所述冷凝器B(29)的高温水侧出口连接二级网循环水供水管。
5.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述蒸发器A(17)的高温工质出口与冷凝器A(15)的工质进口之间设置有膨胀阀A(16)，所述冷凝器A(15)的工质出口与蒸发器A(17)的高温工质进口之间设置有压缩机A(18)。
6.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述地热太阳能耦合复合型热泵供热系统与负压闪蒸型污水源热泵系统并联连接。
7.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述太阳能集热器(22)的出口与蒸发器A(17)的低温水侧进口之间设置有Y型过滤器C(28)，所述凝结水泵(33)的一端设置有凝结水罐(35)。
8.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述蒸发器B(31)的高温工质出口与冷凝器B(29)的工质进口之间设置有膨胀阀B(30)，所述冷凝器B(29)的工质出口与蒸发器B(31)的高温工质进口之间设置有压缩机B(32)。
9.根据权利要求1所述一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热系统，其特征在于，所述负压闪蒸罐(38)上设置有真空泵(37)，所述负压闪蒸罐(38)的污水进口处设置有污水喷淋泵(39)，所述负压闪蒸罐(38)与污水喷淋泵(39)之间设置有污水喷淋头(40)，所述负压闪蒸罐(38)的污水出口处设置有污水退水泵(41)。
10.一种余热梯级利用耦合清洁能源的换热站供热方法，其特征在于，基于权利要求1-9所述的热泵供热系统，包括，
日间光照充足时，将二级网用户供热回水分别送入冷凝器A(15)和板式换热器(5)中，热泵内部循环工质在冷凝器A(15)中冷凝放热后，再经降压膨胀后进入蒸发器A(17)中进行蒸发吸热，经压缩后回到冷凝器A(15)中进行冷凝放热；所述蒸发器A(17)中的低温侧闭式循环水升压后，分别进入太阳能集热器(22)和热井地埋管道(25)中，热井地埋管道(25)中热井地埋管道支路循环水与蒸发器A(17)中的低温侧闭式循环水汇合后，送回蒸发器A(17)中将热量传递给热泵内部循环工质，太阳能集热器(22)的集热量经热井循环水泵(42)升压后送至热井地埋管道(25)中，将热量储存在土壤层中，而低温侧闭式循环水回到太阳能集热器(22)完成循环；
夜间无光照时，将二级网用户供热回水进入冷凝器B(29)中被加热后送回二级网循环水装置中的二级网循环水回水管中实现对外用户供热，热泵内部循环工质在冷凝器B(29)中冷凝放热后，进入蒸发器B(31)中蒸发吸热，再经压缩后回到冷凝器B(29)中冷凝放热，所述蒸发器B(31)的低温侧出口凝结水经凝结水泵(33)升压后，进入负压闪蒸罐(38)中，负压闪蒸罐(38)中的生活污水闪蒸蒸发，形成低温低压水蒸气，水蒸气进入蒸发器B(31)中凝结放热形成凝结水完成提热循环。
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