CN213514507U - 一种多种能源综合利用的能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多种能源综合利用的能源系统，包括浅层地热系统、中深层地热系统、燃气锅炉系统、冷水机组系统四种能源系统，所述四种能源系统连接至同一个负荷侧分水器、负荷侧集水器，通过管路上的阀门进行切换或者根据负荷侧不同的使用需求，连接至不同的分集水器。本实用新型对以上四种能源形式进行组合搭配，利用每种能源形式的优点，实现系统综合效率的最大化。本实用新型的综合能源系统，可以根据项目的地热资源、场地条件、目标建筑的冷热负数值、电费燃气费等能源价格，灵活配比各个能源类型的比例，对比初投资与运行费用，以达到项目在寿命周期内的经济性。

Description

一种多种能源综合利用的能源系统

技术领域

本实用新型涉及一种对浅层地热、中深层地热、燃气锅炉、蒸气压缩式冷水机组综合利用的能源系统。

背景技术

建筑物的空调与供暖能耗一直是建筑能耗的重要组成部分，据相关统计研究发现，空调(含供暖)的能耗占建筑总能耗的30％以上，部分类型的建筑，如医院，空调能耗占比高达40-50％。合理地设置空调的冷热源，是一项重要的、经济、环保的措施，也是国家大力提倡的发展方向。

地热能是一种绿色、清洁的可再生能源。我国的地热储备量大且分布广泛，根据取热的深度，可分为浅层地热能与中深层地热能。

浅层地热能一般指地表下深度在200米以内的岩土体、地下水和地表水中的热能。该范围内的地层受太阳辐射影响，但温度随季节变化很小，且多年之间基本无变化。在北方地区，一般低于25℃，属于低品质热能。工程中浅层地热能的利用，一般是采用热泵机组，消耗电能将低品质的能源提升，用于供冷或供暖。

以土壤源热泵为例。夏季供冷时，热泵机组将建筑物内的热量排放至土壤内；冬季供暖时，热泵机组从土壤内抽取热量，输送至建筑物内。工程中，土壤源的埋管深度一般约120m，这个深度的土壤，自我恢复能力一般较差。因此需要夏季排热量与冬季取热量数值相接近，以保证多年运行中，土壤温度不偏离初始设计值。如果冬夏季热量差别较大，多年运行之后，土壤温度偏离其原始温度，则会严重影响冬季或夏季的机组效率，影响建筑物内的舒适性，也背离了节能环保的设计初衷。

中深层地热是指埋深在1500-4000m之间，储存于地下水或岩石体中的热能。中深层地热的提取，分为取热取水型与取热不取水型。取热取水型中深层地热，受到地质条件的影响，国家对此有严格的规定，申请开采需相关管理部门批准。取热不取水型因不抽取地下水，目前不需审批。取热不取水型，在井内安装同轴套管式换热器，通过换热介质将地下热量输送至机房。中深层地热仍处于发展前期，虽然已经有了较多的工程案例，但打井的费用仍很高，工程建设的初投资较高，且中深层地热井只能用于从地下提取热量，不能用于夏季排热。中深层地热在冬季制热时，具有明显的节能优势。部分地区地下岩层温度很高，地热井换热器的出水温度能达到40℃-50℃，这种相对高品质的水源，可以将冬季制热的费用大大降低，是一种非常有发展前景的能源形式。

一般情况下，浅层地埋管的占地面积较大，需要项目有充足的场地。系统所在场地应保持冬季取热量与夏季排热量的数值平衡，这导致该系统只能以冷、热负荷中的较小的为设计值。中深层地热系统单井的成本很高，且只能冬季取热，无法夏季排热。以上这两种能源形式，虽然运行费用低，但初投资远高于冷水机组与燃气锅炉。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种综合利用的能源系统，解决现有技术中单一能源系统具有其局限性和缺陷的问题。

本实用新型的技术方案为：

一种浅层地热、中深层地热、锅炉与冷水机组联合供冷与供热的系统，包含以下四种能源系统：

浅层地热系统：浅层地埋管采用双U型套管埋设在室外场地中，各区域的地埋管均通过干管连接至地源侧的分水器、集水器，再通过地源侧的循环水泵连接地源热泵机组。地热热泵机组的用户侧，通过用户侧的循环水泵连接至用户侧的分水器、集水器。地源热泵机组为内切换机组，冬季通过地埋管从土壤提取热量，向负荷侧提供热水；夏季向土壤排放热量，向负荷侧提供冷水。在冬季取热量大于夏季排热量时，在过渡季节通过中深层地热系统向土壤补热，以保持土壤温度的不偏离初始设计值。

中深层地热系统：中深层地热井内设置套管式的换热器，热交换介质在从外管注入井内，通过中深层地热加热后，在内管中返回。井水侧的管道连接至地热井水换热机组的一次侧。换热机组的二次侧连接至水源热泵机组的水源侧，通过设置支管连接至地源分水器、集水器，设置支管连接至用户侧的分水器、集水器。支管上均设置电动阀门，用于系统工作状态的切换。水源热泵机组的负荷侧，通过水源热泵循环水泵连接至负荷侧分水器、集水器，还通过冷却水泵连接至冷却塔，两侧管道均设置电动阀，用于系统工作状态的切换。水源热泵机组通过外部管路的切换，冬季从地热井水提取热量，向负荷侧提供热水；夏季向冷却塔排放热量，向负荷侧提供冷水。此外，在过渡季节等负荷侧热负荷较低的使用条件下，由地热井水经过换热机组换热后直接供热，或用于向地源热泵系统补热。

燃气锅炉系统：燃气锅炉通过锅炉侧循环泵，连接至锅炉换热机组的一次侧。换热机组的二次侧，通过锅炉负荷循环水泵连接至用户侧分水器、集水器，在冬季作为调峰热源，向负荷侧提供热水。

冷水机组系统：蒸气压缩式冷水机组的蒸发器侧，通过循环水泵连接至用户侧分水器、集水器。机组的冷凝器侧通过冷却水泵连接至冷却塔。在夏季作为调峰冷源，向负荷侧提供冷水。

四种能源可根据系统的划分，连接至同一个负荷侧分水器、负荷侧集水器，通过管路上的阀门进行切换。也可以根据负荷侧不同的使用需求，连接至不同的分集水器，其工作原理相同。

本实用新型有益效果：

一般情况下，浅层地埋管的占地面积较大，需要项目有充足的场地。系统所在场地应保持冬季取热量与夏季排热量的数值平衡，这导致该系统只能以冷、热负荷中的较小的为设计值。中深层地热系统单井的成本很高，且只能冬季取热，无法夏季排热。中深层地热除可以冬季供热之外，还可以在过渡季节向浅层地埋管区域补热，以维持地温的常年稳定。以上这两种能源形式，虽然运行费用低，但初投资远高于冷水机组与燃气锅炉。在实际运行中，一般建筑物的冷热负荷在峰值运行的时间往往很短。冷水机组与燃气锅炉作为冷、热负荷的调峰冷热源较为合适。

对以上四种能源形式进行组合搭配，利用每种能源形式的优点，实现系统综合效率的最大化。本实用新型的综合能源系统，可以根据项目的地热资源、场地条件、目标建筑的冷热负数值、电费燃气费等能源价格，灵活配比各个能源类型的比例，对比初投资与运行费用，以达到项目在寿命周期内的经济性。

四种能源形式可以根据工程的具体条件合理搭配，综合考虑初投资及运行成本，调整各能源形式所占的比重，以达到项目寿命周期内的最佳经济性。

本能源形式在制热工况运行时节能明显，运行费用远低于的锅炉供热或市政供热。在制冷工况运行时，根据地源热泵系统占比的不同，运行费用也有不同程度的降低。

在浅层地热系统在冬季的取热量大于夏季的排热量时，可在过渡季节，通过中深层地热系统向浅层地热系统补热，以保持浅层地热系统的埋管区域在多年的运行中，维持地温的平衡，同时保证地源热泵系统运行的效果。因此地源热泵系统可优先考虑系统的经济性，地源热泵系统本身的冷热量平衡可不再作为限制条件。

四种能源形式，可在不同使用条件下，选择以不同的能源形式为主要能源，使整个能源系统始终在最经济的条件下运行。

附图说明

图1为本实用新型原理示意图；

其中：1.浅层地埋管换热系统、2.地源侧循环水泵、3.地源侧分水器、3'.地源侧集水器、4.地源热泵负荷侧循环水泵、5.内切换地源热泵机组、6.中深层地热井换热器、7.中深层地热井水循环泵、8.中深层地热井水换热机组、9.水源热泵机组、10.水源热泵机组冷却水泵、11.水源热泵机组冷却塔、12.中深层地热负荷侧循环水泵、13.负荷侧分水器、13'.负荷侧集水器、14.燃气锅炉、15.锅炉侧循环水泵、16.锅炉热水换热机组、17.蒸气压缩式冷水机组、18.冷水机组负荷循环水泵、19.冷水机组冷却水泵、20.冷水机组冷却塔、21.用户侧、V1.地源分集水阀、V2.地源补热阀、V3.地源供冷(热)水阀、V4.水源冷却水阀、V5.水源冷水阀、V6.水源井水阀、V7.水源热水阀、V8.水源供冷(热)水阀、V9.井水供热水阀、V10.锅炉供热水阀、V11.冷水机组供冷水阀。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，根据本实用新型中各能源形式特点，可实现以下几种基本的运行模式：

模式1：夏季供冷模式

夏季供冷时，应优先使用地源热泵系统，以节省运行费用。一般情况下，冷水机组的能效高于水源热泵机组的能效，但采用综合的能源形式时，冷水机组作为调峰设备，制冷量一般较小。故随着用户侧冷负荷的增大，需开启水源热泵机组。若冷水机组的制冷量在系统中占比较大时，则应优先开启冷水机组。水源热泵机组与冷水机组的优先级，应具体分析后确定。本案例以优先运行水源热泵机组为例进行说明。

打开阀门地源分集水阀V1、地源供冷水阀V3，关闭阀门地源补热阀V2，开启地源热泵系统，地源热泵机组运行制冷模式。机组的负荷侧作为蒸发器，地源侧作为冷凝器，通过制冷剂的逆卡诺循环制取空调冷水，输送至负荷侧分集水器，并将热量排放至埋管区域的土壤内。

打开阀门水源冷却水阀V4、水源冷水阀V5、水源供冷水阀V8，关闭阀门水源井水阀V6、水源热水阀V7、井水供热水阀V9，开启中深层地热系统，水源热泵机组运行制冷模式。机组的井水侧作为冷凝器，负荷侧作为蒸发器，通过制冷剂的逆卡诺循环制取空调冷水，输送至负荷侧的分集水器，并通过冷却塔将热量排放至大气。

打开阀门冷水机组供冷水阀V11，冷水机组作为供冷的调峰冷源运行。

关闭阀门锅炉供热水阀V10。

模式2：冬季供热模式

冬季供热时，一般情况下应优先使用中深层地热系统，随着用户侧热负荷的增大，启用地源热泵系统。在热负荷达到峰值时，再启用燃气锅炉，以最大程度地节省运行费用。

打开阀门水源井水阀V6、水源热水阀V7、水源供热水阀V8，关闭阀门水源冷却水阀V4、水源冷水阀V5、井水供热水阀V9，开启水源热泵系统，水源热泵机组运行制热模式。地热井水经过换热机组换热后，机组二次侧供回水输送至水源热泵机组，机组的负荷侧作为蒸发器，地源侧作为冷凝器，通过制冷剂的卡诺循环，从换热后的井水中抽取热量，制取空调热水，输送至负荷侧分集水器。

打开阀门地源分集水阀V1、地源供热水阀V3，关闭地源补热阀V2，开启地源热泵系统，地源热泵机组运行制热模式。机组的负荷侧作为冷凝器，地源侧作为蒸发器，通过制冷剂的卡诺循环，从地埋管区域的土壤抽取热量，制取空调热水，输送至负荷侧分集水器。

打开阀门锅炉供热水阀V10，燃气锅炉作为供热的调峰热源运行。

关闭阀门冷水机组供冷水阀V11。

模式3：过渡季供热模式

根据用户侧的使用需求的不同，某些工程在过渡季仍有供热的需求，但热负荷会明显降低，此时可以采用中深层地热直接供热。

打开阀门V9、V8，其他阀门均关闭，开启水源热泵系统的井水泵、井水换热机组，地热井水经过换热后，直接供热。

模式4：中深层地热向浅层地热补热模式

为保持浅层地埋管区域土壤的温度，在地源热泵系统多年的运行中保持稳定的状态，可以在过渡季利用中深层地热向地埋管区域补热。

打开阀门V2，其他阀门均关闭，开启水源热泵系统的地热井水换热系统6，井水泵7，井水换热机组8，地热井水经过换热后，输送至地源热泵系统的分水器、集水器，再输送至浅层地埋管，向土壤补热。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种综合利用的能源系统，其特征在于，包括浅层地热系统、中深层地热系统、燃气锅炉系统、冷水机组系统四种能源系统，所述四种能源系统连接至同一个负荷侧分水器、负荷侧集水器，通过管路上的阀门进行运行工况的切换,或者根据负荷侧不同的使用需求，四种能源系统连接至不同的负荷侧分水器与集水器。

2.根据权利要求1所述综合利用的能源系统，其特征在于，所述浅层地热系统包括：浅层地埋管采用双U型套管埋设在室外场地中，各区域的地埋管均通过干管连接至地源侧的分水器、集水器，再通过地源侧的循环水泵连接地源热泵机组；地源热泵机组的用户侧，通过用户侧的循环水泵连接至用户侧的分水器、集水器；地源热泵机组为内切换机组，冬季通过地埋管从土壤提取热量，向负荷侧提供热水；夏季向土壤排放热量，向负荷侧提供冷水。

3.根据权利要求1所述综合利用的能源系统，其特征在于，所述中深层地热系统包括：中深层地热井内设置套管式的换热器，热交换介质在从外管注入井内，通过中深层地热加热后，在内管中返回；井水侧的管道连接至地热井水换热机组的一次侧；换热机组的二次侧连接至水源热泵机组的水源侧，通过设置支管连接至地源分水器、集水器，设置支管连接至用户侧的分水器、集水器；支管上均设置电动阀门，用于系统工作状态的切换；水源热泵机组的负荷侧，通过水源热泵循环水泵连接至负荷侧分水器、集水器，还通过冷却水泵连接至冷却塔，两侧管道均设置电动阀，用于系统工作状态的切换；水源热泵机组通过外部管路的切换，冬季从地热井水提取热量，向负荷侧提供热水；夏季向冷却塔排放热量，向负荷侧提供冷水；此外，在过渡季节等负荷侧热负荷较低的使用条件下，由地热井水经过换热机组换热后直接向用户侧供热，或用于向地源热泵系统补热。

4.根据权利要求1所述综合利用的能源系统，其特征在于，所述燃气锅炉系统包括：燃气锅炉通过锅炉侧循环泵，连接至锅炉换热机组的一次侧；换热机组的二次侧，通过锅炉负荷循环水泵连接至用户侧分水器、集水器，在冬季作为调峰热源，向负荷侧提供热水。

5.根据权利要求1所述综合利用的能源系统，其特征在于，所述冷水机组系统包括：蒸气压缩式冷水机组的蒸发器侧，通过循环水泵连接至用户侧分水器、集水器；机组的冷凝器侧通过冷却水泵连接至冷却塔；在夏季作为调峰冷源，向负荷侧提供冷水。

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