CN115751746A - 一种浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统 - Google Patents

Abstract

一种浅层地热和中深层地热耦合光储系统的零碳供能系统，包括地热能模块、光伏储能系统、辅助冷却系统、水源热泵机组、大温差热泵机组、用能单元。所述地热能模块包括浅层地热能取（放）热系统、中深层地热取热系统、热源循环水泵、冷热源循环泵；所述光储系统包括光伏组件、储能单元、逆变器；配电柜接电网、储能、光伏三路电源；本发明专利能有效解决建筑空调负荷引起的标煤消耗量过大以及碳排放量过高的问题，充分利用可再生能源，通过合理配置光、储、地热系统实现零碳建筑。

Description

一种浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统

技术领域

本发明属于可再生能源综合应用技术领域，特别是涉及一种浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统。

背景技术

地埋管热泵技术是利用地下封闭管道内的循环水作为热源，进入热泵机组蒸发器，通过热泵机组内部制冷/热工质循环进行能量提升后，把此部分热量通过冷凝器释放给供热工质后实现稳定供暖；浅层地埋管系统夏季可通过热泵机组内部四通阀转换实现供冷，释放热量到地下，保证地下温度场平衡。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要是有太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池井串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

储能：本申请中的储能特指电化学储能，是通过电池所完成的能量存储、释放与管理过程。

CN202210126403.5公开了一种地热-光伏-储能多能互补能源站系统，包括地热井模块和储能发电模块，所述储能发电模块包括光伏板、电网和电池系统；所述光伏板包括底板和设置于该底板上方的太阳能板，所述太阳能板上下侧分别设置有相互平行的辅助杆和传动杆，专利只介绍了集中供能系统或者可再生能源简单的柔和，具体利用形式并不完善，比如地热能利用，本项目中地热能直接换热后加以利用的方式只适合在个别地热条件特别好的异常区域，大多数地方并不适用。

CN202011052526.6提供一种地热-光伏-储热联合运行方法及系统，该方法包括：根据地热电站、光伏电站和储热电站之间的联合组合方式，基于静态合作博弈，构建基于地热-光伏-储热电站的联合运行架构；通过所述联合运行架构，获取所述地热电站、所述光伏电站和所述储热电站的最优联合发电模式，本发明主要是基于地热能发电项目，也属于针对特定区域才可以实现的方案，适应范围较小。

CN 113819510 A 2021.12.21 提供了一种中深层地热能耦合太阳能的零排放供热系统。包括产能单元、储能单元以及用能单元，产能单元具有中深层地埋管换热装置、太阳能光热集热装置以及光伏发电系统，储能单元具有电储热锅炉，中深层地埋管换热装置通过中深层地热热泵与电储热锅炉和/或用能单元相连，太阳能光热集热装置与电储热锅炉和/或用能单元相连，光伏发电系统连接有储电设备，储电设备与电储热锅炉、中深层地热热泵以及用能单元相连。优点在于：实现复合高效的供热蓄热系统，同时通过超低能耗集中供热和获取可在生清洁电力，实现了北方集中供热整套系统的零排放，本专利除了供热之外还包含供冷，且对南方北方都具有普适性。目前的技术都无法实现零碳用能，不能削减电力负荷高峰，没有提高能源系统的调节能力以及可再生能源的消纳能力，用能单位依旧面临能源电力供需矛盾问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种能够利用浅层和中深层地热能的空调系统，同时耦合光储系统形成零碳供冷热系统，目的是提供一种由地埋管封闭循环热泵系统、光伏发电系统、电化学储能系统等联合组成的供冷热系统，满足建筑冬夏季冷热负荷需求，通过高效率供冷供热系统以及可再生能源利用系统实现建筑零碳碳排放。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种浅层和中深层地热能结合空调系统耦合光储系统形成的零碳供冷热系统，包括地热取（放）热系统、光伏储能系统、水源热泵机组、大温差水源热泵机组、用能模块、配电柜、电网、辅助冷却系统、阀门组件、微网控制模块；

所述地热取（放）热系统包括浅层地埋管换热器、中深层地面管换热器，第一地热循坏水泵，第二地热循坏水泵；所述光伏储能系统包括依次连接的光伏组件、储能单元、逆变器，逆变器连接配电柜；

所述水源热泵机组包括第一蒸发器、第一冷凝器、第一压缩机、第一膨胀阀；所述大温差水源热泵机组包括第二蒸发器、第二冷凝器、第二压缩机、第二膨胀阀；

所述用能单元包括第一冷热水循环水泵、第二冷热水循环水泵、风机盘管；

所述辅助冷却系统包括冷却塔、冷却水循环水泵,辅助冷却系统与冷凝器和冷凝器连接；所述电网连接配电柜；所述配电柜通过第一配电回路、第二回路、第三配电回路、第四配电回路、第五配电回路分别与热取（放）热系统、水源热泵机组、大温差水源热泵机组、用能模块、辅助冷却系统电源接口连接。

进一步，所述水源热泵机组和大温差水源热泵机组采用环保制冷剂。

进一步，所述地热取（放）热系统中的浅层地埋管换热器具有取热和放热功能，供暖季从地下取热，供冷季向地下放热。

进一步，所述地热取（放）热系统中的中深层地埋管换热器只在供暖季运行，从地下取热。

进一步，所述光伏储能系统通过逆变器与电网和配电柜直接相连，可实现光伏对配电柜供电、光伏对储能模块充电、光伏对电网送电、储能模块对配电柜供电、电网对配电柜供电、电网对储能模块充电。

进一步，所述配电柜通过不同配电环路对各个模块供电.

进一步，所述浅层地埋管换热器配有第一地热循环水泵，与水源热泵机组的第一蒸发器和第一冷凝器均有管道连接，通过切换分支管路上的第一阀门组和第三阀门组实现浅层地埋管换热器分别与第一蒸发器和第一冷凝器之间的连接。

进一步，所述中深层地埋管换热器配有第二地热循环水泵，中深层地埋管换热器通过水管与大温差热泵机组的第二蒸发器连接。

本发明采用地热能和辅助供冷系统结合，光伏储能和大电网结合，充分利用可再生能源，实现全年供冷热安全高效、系统零碳排放运行；

通过对用能模块全年负荷计算，合理配置光伏储能容量，通过光伏储能和电网不同季节，不同时段运行模式的转换，实现光伏对储能充电，对电网送电，电价低谷时段电网对储能充电，整个系统零碳、低成本运行。

附图说明

图1 为本发明实施例的系统原理示意图；

图2 为本发明实施例中水源热泵系统供冷、供热工况转换原理图；

图3 为本发明实施例中大温差水源热泵系统供冷、供热工况转换原理图；

图4 为本发明实施例中光伏储及电网供电图；

图5 为本发明实施例中配电原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-5所示，本实施例包括地热取（放）热系统（1）、光伏储能系统（2）、水源热泵机组（3）、大温差水源热泵机组（4）、用能模块（5）、配电柜（6）、电网（7）、辅助冷却系统（8）、阀门组件（9）、微网控制模块（10）。

地热取（放）热系统（1）包括浅层地埋管换热器（101）、中深层地面管换热器（102），第一地热循坏水泵（103），第二地热循坏水泵（104）；所述光伏储能系统（2）包括依次连接的光伏组件（201）、储能单元（202）、逆变器（203），逆变器（203）连接配电柜（6）。

水源热泵机组（3）包括第一蒸发器（301）、第一冷凝器（302）、第一压缩机（303）、第一膨胀阀（304）；所述大温差水源热泵机组（4）包括第二蒸发器（401）、第二冷凝器（402）、第二压缩机（403）、第二膨胀阀（404）。

用能单元（5）包括第一冷热水循环水泵（501）、第二冷热水循环水泵（502）、风机盘管（505）。

辅助冷却系统（8）包括冷却塔（801）、冷却水循环水泵（802）,辅助冷却系统与水源热泵机组和大温差水源热泵机组中的冷凝器（302）和冷凝器（402）连接；所述电网（7）连接配电柜（6），并且通过逆变器（203）与光伏组件（201）和储能单元（202）连接；所述配电柜（6）通过第一配电回路（601）、第二回路（602）、第三配电回路（603）、第四配电回路（604）、第五配电回路（605）分别与热取（放）热系统（1）、水源热泵机组（3）、大温差水源热泵机组（4）、用能模块（5）、辅助冷却系统（8）电源接口连接。

热泵机组（水源热泵机组和大温差水源热泵机组）采用环保制冷剂，热泵机组运行时：制冷剂分别经过压缩机303/403、到冷凝器302/402，冷凝器302/402通过管路上阀门组切换，冬季连接用户单元5，夏季连接冷却塔8和浅层地面管换热器101，然后通过节流阀304/404后进入蒸发器301/401,蒸发器301/401通过管路上阀门组的切换冬季连接浅层地埋管换热器101和中深层地埋管换热器102，夏季连接用户单元5。

供热工况：水源热泵机组和大温差水源热泵机组运行，第一旁路905、第二旁路906和第三旁路907上的第三阀门组109、第七阀门组901、第八阀门组902关闭，辅助冷却模块8及其对应的冷却塔801、冷却水泵803停机，第六阀门组802关闭，其他管路设备及阀门均处于开启状态，流过蒸发器301/401的地热循环水通过地热取（放）热系统1中的浅层地埋管换热器101和中深层地埋管换热器102从地下取热，地热循环水通过第一地热循环水泵103和第二地热循环水泵104到蒸发器301/401实现热源侧循环，第一热计量装置107计量从浅层地埋管换热器101中提取和释放的热量，用于平衡地下温度场，第二热计量装置108计量从中深层地埋管换热器102提取的热量，用于进行中深层地热的稳定性研究。

供冷工况：

供冷工况1：水源热泵机组3和地热取放热系统1中的浅层地埋管换热器101联合运行，大温差热泵机组4、辅助冷却模块8停机。

关闭与大温差热泵机组4及与其相连接管路上的设备、阀门，包括第二阀门组106、第八阀门组902、第九阀门组903、第五阀门组504、第二地热循坏水泵104、第二冷热循坏水泵502，关闭辅助冷却模块8及与其连接管路上的第六阀门组802；

运行水源热泵机组3，第一旁路905和第二旁路906开启，对应开启第三阀门组109和第七阀门组901，关闭第一阀门组105和第十阀门组904；浅层地热换热器中的循环水通过第一地热循环水泵103流经第一旁路905到水源热泵机组3的冷凝器302，冷凝器302中的热量通过流经第一旁路中的循环水（冷却水）带到浅层地埋管换热器101释放到地下。用能模块5中的循环水（冷水）通过第一冷热水循环水泵501输送到空调末端505，通过第二旁路906到蒸发器301，蒸发器301中的制冷剂吸收流过循环水的热量，实现制冷循环。

供冷工况2：水源热泵机组3和辅助冷却模块8联合运行，大温差热泵机组4停机。

关闭与大温差热泵机组4及与其相连接管路上的设备、阀门组，包括第二阀门组106、第八阀门组902、第九阀门组903、第五阀门组504、第二地热循坏水泵104、第二冷热循坏水泵502；关闭地热取（放）热系统1中浅层地埋管换热器101管路上的设备及阀门组，包括第一地热循环水泵103、第一阀门组105、第三阀门组109；

运行水源热泵机组3和辅助冷却模块8，辅助冷却模块8中的冷却塔801和冷却水循环泵803运行，第六阀门组802开启，关闭第十阀门组904；辅助冷却模块中的冷却水通过冷却水循环水泵802到水源热泵机组3的冷凝器302，冷凝器302中的热量通过冷却水带到冷却塔801释放到大气中。用能模块5中的循环水（冷水）通过第一冷热水循环水泵501输送到空调末端505，通过第二旁路906到蒸发器301，蒸发器301中的制冷剂吸收流过循环水的热量，实现制冷循环。

供冷工况3：水源热泵机组3、大温差热泵机组4和辅助冷却模块8联合运行。

地热取（放）热系统不运行，关闭地热取（放）热系统中的第一地热循环水泵103、第二地热循环水泵104、第一阀门组105、第二阀门组106 ，关闭第九阀门组903、第十阀门组904。

运行水源热泵机组3、大温差热泵机组4和辅助冷却模块8，辅助冷却模块8中的冷却塔801和冷却水循环泵803运行，第六阀门组802开启；辅助冷却模块中的冷却水通过冷却水循环水泵802到水源热泵机组3的冷凝器302和大温差热泵机组的冷凝器402，冷凝器302和402中的热量通过冷却水带到冷却塔801释放到大气中。用能模块5中的循环水（冷水）通过第一冷热水循环水泵501和第二冷热水循环水泵502输送到空调末端505，通过第二旁路906到蒸发器301，通过第三旁路907到蒸发器401，蒸发器301和401中的制冷剂吸收流过循环水的热量，实现制冷循环，共同为用能模块5提供冷量。

本实施例中所有用电设备均接配单柜6，配电柜6接光伏储能系统2和电网7，微网控制平台10控制光伏组件201、储能单元202实现供电、储能、送电等功能切换。

模式一：光伏发电直供+储能

用能低谷时段，光伏组件201发电量有盈余，光伏组件201优先通过逆变器203供电到配电柜6，多余电量输送至储能模块202。

模式二：光伏发电+储能联合供电

用能高峰负荷时段，光伏组件201实时发电量不满足用电负荷，此时就有光伏组件201和储能模块202联合给配电柜6供电。

模式三：储能供电

在光照强度不够或者没有光照时段，由储能模块202单独给配电柜6供电，满足用能系统负荷。

模块四：电网+储能联合供电

本系统中，电网主要作为保障电源，在由于天气原因导致长时间没有光照的时候，由电网7和储能模块202共同保证配电柜6经济供电，可根据当地峰谷电价调整充放电时段。实现电网供电、电网充电、储能供电等多种模式。

本工程冷却水水质满足空调专业冷却水水质规范要求。

本领域的技术人员可以对本发明行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：包括地热取（放）热系统（1）、光伏储能系统（2）、水源热泵机组（3）、大温差水源热泵机组（4）、用能模块（5）、配电柜（6）、电网（7）、辅助冷却系统（8）、阀门组件（9）、微网控制模块（10）；

所述地热取（放）热系统（1）包括浅层地埋管换热器（101）、中深层地面管换热器（102），第一地热循坏水泵（103），第二地热循坏水泵（104）；所述光伏储能系统（2）包括依次连接的光伏组件（201）、储能单元（202）、逆变器（203），逆变器（203）连接配电柜（6）；

所述水源热泵机组（3）包括第一蒸发器（301）、第一冷凝器（302）、第一压缩机（303）、第一膨胀阀（304）；所述大温差水源热泵机组（4）包括第二蒸发器（401）、第二冷凝器（402）、第二压缩机（403）、第二膨胀阀（404）；

所述用能单元（5）包括第一冷热水循环水泵（501）、第二冷热水循环水泵（502）、风机盘管（505）；

所述辅助冷却系统（8）包括冷却塔（801）、冷却水循环水泵（802）,辅助冷却系统（8）与冷凝器（302）和冷凝器（402）连接；所述电网（7）连接配电柜（6）；所述配电柜（6）通过第一配电回路（601）、第二回路（602）、第三配电回路（603）、第四配电回路（604）、第五配电回路（605）分别与热取（放）热系统（1）、水源热泵机组（3）、大温差水源热泵机组（4）、用能模块（5）、辅助冷却系统（8）电源接口连接。

2.根据权利要求1所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述水源热泵机组（3）和大温差水源热泵机组（4）采用环保制冷剂。

3.根据权利要求2所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述地热取（放）热系统（1）中的浅层地埋管换热器（101）具有取热和放热功能，供暖季从地下取热，供冷季向地下放热。

4.根据权利要求1-3任一所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述地热取（放）热系统（1）中的中深层地埋管换热器（102）只在供暖季运行，从地下取热。

5.根据权利要求1-3任一所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述光伏储能系统（2）通过逆变器（203）与电网（7）和配电柜（6）直接相连，可实现光伏对配电柜（6）供电、光伏对储能模块充电、光伏对电网送电、储能模块对配电柜供电、电网对配电柜供电、电网对储能模块充电。

6.根据权利要求1-3任一所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述配电柜（6）通过不同配电环路对各个模块供电。

7.根据权利要求1-3任一所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述浅层地埋管换热器（101）配有第一地热循环水泵（103），与水源热泵机组（3）的第一蒸发器（301）和第一冷凝器（302）均有管道连接，通过切换分支管路上的第一阀门组（105）和第三阀门组（109）实现浅层地埋管换热器（101）分别与第一蒸发器（301）和第一冷凝器（302）之间的连接。

8.根据权利要求1-3任一所述的浅层和中深层地热能耦合光储系统的零碳供能系统，其特征在于：所述中深层地埋管换热器（102）配有第二地热循环水泵（104），中深层地埋管换热器（102）通过水管与大温差热泵机组（4）的第二蒸发器（401）连接。

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