一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统的制作方法

1.本发明属于可再生能源设备技术领域，具体涉及一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统。


背景技术：

2.中深层地热封闭式循环地源热泵技术，是将两千米左右中深层地热井内换热器与地热换热循环出来的热水，作为热源进入高温热泵机组蒸发器，通过高温热泵机组的提升，达到建筑物采暖所需的供水温度实现稳定地向建筑物供暖，该换热技术基于取热不取水原理，节能环保、可靠灵活。复叠式空气源热泵技术则是通过两级热泵技术，把不能直接利用的空气热能转换为可以利用的高温热水用于建筑物供暖，现在应用非常成熟。储热技术是通过相变储能材料储热或者将谷电制备出来的热能储存起来，用于日常供暖需要，从而降低成本的能源技术。
3.目前，也有将地源热泵与空气源热泵集成，形成供暖的系统形式，但是都局限于将热源形式上的并联使用，两套系统并未形成有机的联系，例如中国专利文献公开了一种空气源热泵与地源热泵结合的供暖系统[申请号：201922428248.9]：包括地源换热系统、地源热泵主机、末端空调系统和空气源热泵主机。地源换热系统的出水口与地源热泵主机的蒸发器输入端连接，地源换热系统的进水口与地源热泵主机的蒸发器输出端连接；末端空调系统的进口通过空调供水管与地源热泵主机的冷凝器输出端连接，该末端空调系统的出口通过空调回水管与地源热泵主机的冷凝器输入端连接；空气源热泵主机的输出端通过热水出水管与空调回水管上的空调侧回水蝶阀的下游端连接，该空气源热泵主机的输入端通过冷水进水管与空调供水管上的空调侧前一供水蝶阀的下游端连接。
[0004]
上述方案仅仅是将空气源热泵与地源热泵进行并联使用，互为备用，在北方寒冷地区低于零下20℃的室外工况下无法解决空气源热泵结霜引起的低效甚至失效问题，同时也没有通过调蓄结合提升系统供热的稳定性。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对上述问题，提供一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统，旨在实现一种适用于极寒地区的多能互补复合式高效储热供热系统，涉及一种中深层地热封闭式循环地源热泵系统与复叠式空气源热泵和电加热储热系统复合的高效供热系统，充分利用中深层地热能作为基础热源，辅助空气源热泵储热系统作为调峰措施，将两种热源有机结合，实现更加节能与清洁的建筑供暖。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统，包括中深层封闭式循环井，其特征在于，所述的中深层封闭式循环井与至少两个高温水源热泵相并联，所述的高温水源热泵中至少一个高温水源热泵与低温空气源热泵相连，所述的高温水源热泵中至少一个高温水源热泵通过电储热锅炉与高温热水供热端相连和/或所述的高温水源热泵中至少一个高温水源热泵直接与高温热水供热端
相连。
[0007]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的中深层封闭式循环井通过中深层井循环水泵分别与第一高温水源热泵和第二高温水源热泵相并联，且所述的第一高温水源热泵通过空气源热泵水泵与低温空气源热泵相连。
[0008]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的高温热水供热端设置在高温热水供热管路一端，且所述的第一高温水源热泵通过第一负荷侧一级水泵连接在高温热水供热管路上，所述的第二高温水源热泵通过第二负荷侧一级水泵连接在高温热水供热管路上。
[0009]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的电储热锅炉设置在高温热水供热管路上，且所述的高温热水供热管路上设有一端与高温热水供热端相连的负荷侧二级水泵，且所述的负荷侧二级水泵另一端与电储热锅炉相连和/或分别与第一负荷侧一级水泵以及第二负荷侧一级水泵相连。
[0010]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的中深层封闭式循环井分别与低温空气源热泵和第一高温水源热泵并联接，所述的低温空气源热泵和第一高温水源热泵之间分别设有第一阀门和第二阀门，且所述的中深层井循环水泵通过第三阀门连接于第一阀门和第二阀门之间，所述的中深层井循环水泵通过第四阀门与第二高温水源热泵相连。
[0011]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的第一负荷侧一级水泵通过第五阀门与高温热水供热管路相连，所述的第二负荷侧一级水泵通过第六阀门与高温热水供热管路相连。
[0012]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的中深层封闭式循环井、低温空气源热泵以及第一高温水源热泵之间形成有中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统。
[0013]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统包括通过中深层井循环水泵与中深层封闭式循环井相连的循环水循环泵，所述的中深层井循环水泵和循环水循环泵之间通过切换阀组件设有空气源热泵冷凝器和水源热泵蒸发器，且所述的空气源热泵冷凝器通过空气源热泵组件和带风机的空气源热泵蒸发器相连，且所述的水源热泵蒸发器一端通过水源热泵压缩机与水源热泵冷凝器，且所述的水源热泵冷凝器通过水源热泵膨胀阀与水源热泵蒸发器另一端相连。
[0014]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的切换阀组件包括与中深层井循环水泵相连的第一电动阀，所述的第一电动阀分别通过第二电动阀与空气源热泵冷凝器相连以及通过第三电动阀和水源热泵压缩机相连，且所述的循环水循环泵通过第四电动阀与中深层封闭式循环井相连。
[0015]
在上述的一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统中，所述的空气源热泵组件包括设置在空气源热泵冷凝器和带风机的空气源热泵蒸发器之间的止回阀切换管路，所述的止回阀切换管路上分别依次设有空气源热泵膨胀阀、过滤器以及储液器，且所述的空气源热泵冷凝器和带风机的空气源热泵蒸发器之间还设有四通换向阀，且所述的四通换向阀分别与气液分离器和空气源热泵压缩机相连。
[0016]
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
[0017]
1、充分利用中深层地热能作为基础热源，辅助空气源热泵和电加储能锅炉作为调峰措施；同时利用峰谷电价差利用高能效系统进行蓄能，降低运行成本；还通过中深层地热水对复叠式空气源热泵进行除霜处理，同时又实现不间断供暖，进一步提高系统供热能效和稳定性。
[0018]
2、不受气候、昼夜交替影响的中深层地热能稳定连续供热，尤其适合东北地区极寒天气工况，另一方面，中深层地热热泵复合空气源热泵和电储热锅炉供热系统供热工况特别是适合低温恶劣环境运行，且系统运行稳定，能效较高。
附图说明
[0019]
图1为本发明的中深层地热热泵单供热工况下的温度示意图；
[0020]
图2为本发明的复叠式空气源热泵单供热工况下的温度示意图；
[0021]
图3为本发明的结构示意图；
[0022]
图4为本发明的复合供热工况下的温度示意图；
[0023]
图5为本发明的复合除霜工况下的温度示意图；
[0024]
图6为本发明中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统的结构示意图；
[0025]
图中：中深层封闭式循环井1、中深层井循环水泵11、高温水源热泵2、第一高温水源热泵21、第二高温水源热泵22、低温空气源热泵3、空气源热泵水泵31、电储热锅炉4、高温热水供热端5、高温热水供热管路6、第一负荷侧一级水泵61、第二负荷侧一级水泵62、负荷侧二级水泵63、第一阀门64、第二阀门65、第三阀门66、第四阀门67、第五阀门68、第六阀门69、中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统7、带风机的空气源热泵蒸发器71、止回阀切换管路72、空气源热泵冷凝器73、空气源热泵膨胀阀74、过滤器75、储液器76、四通换向阀77、气液分离器78、空气源热泵压缩机79、循环水循环泵710、第二电动阀712、第一电动阀713、第四电动阀714、第三电动阀715、水源热泵蒸发器717、水源热泵压缩机718、水源热泵膨胀阀719、水源热泵冷凝器720。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0027]
如图3所示，本一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统，包括中深层封闭式循环井1，中深层封闭式循环井1与至少两个高温水源热泵2相并联，高温水源热泵2中至少一个高温水源热泵2与低温空气源热泵3相连，高温水源热泵2中至少一个高温水源热泵2通过电储热锅炉4与高温热水供热端5相连和/或高温水源热泵2中至少一个高温水源热泵2直接与高温热水供热端5相连。
[0028]
其中，优选地，这里的中深层封闭式循环井1通过中深层井循环水泵11分别与第一高温水源热泵21和第二高温水源热泵22相并联，且第一高温水源热泵21通过空气源热泵水泵31与低温空气源热泵3相连。
[0029]
这里的高温热水供热端5设置在高温热水供热管路6一端，且第一高温水源热泵21通过第一负荷侧一级水泵61连接在高温热水供热管路6上，第二高温水源热泵22通过第二负荷侧一级水泵62连接在高温热水供热管路6上。
[0030]
优选地，这里的电储热锅炉4设置在高温热水供热管路6上，且高温热水供热管路6上设有一端与高温热水供热端5相连的负荷侧二级水泵63，且负荷侧二级水泵63另一端与电储热锅炉4相连和/或分别与第一负荷侧一级水泵61以及第二负荷侧一级水泵62相连。
[0031]
进一步地，这里的中深层封闭式循环井1分别与低温空气源热泵3和第一高温水源热泵21并联接，低温空气源热泵3和第一高温水源热泵21之间分别设有第一阀门64和第二阀门65，且中深层井循环水泵11通过第三阀门66连接于第一阀门64和第二阀门65之间，中深层井循环水泵11通过第四阀门67与第二高温水源热泵22相连，第一负荷侧一级水泵61通过第五阀门68与高温热水供热管路6相连，第二负荷侧一级水泵62通过第六阀门69与高温热水供热管路6相连。
[0032]
本实施例中，除了采用低温空气源热泵3和高温水源热泵2的复叠式热泵方式减少结霜问题，同时还结合中深层地热循环热水对低温空气源热泵3进行热水除霜，也就是说，这里的中深层封闭式循环井1、低温空气源热泵3以及第一高温水源热泵21之间形成有中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统7。
[0033]
优选地，这里的中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统7包括通过中深层井循环水泵11与中深层封闭式循环井1相连的循环水循环泵710，中深层井循环水泵11和循环水循环泵710之间通过切换阀组件设有空气源热泵冷凝器73和水源热泵蒸发器717，且空气源热泵冷凝器73通过空气源热泵组件和带风机的空气源热泵蒸发器71相连，且水源热泵蒸发器717一端通过水源热泵压缩机718与水源热泵冷凝器720，且水源热泵冷凝器720通过水源热泵膨胀阀719与水源热泵蒸发器717另一端相连。
[0034]
为了实现不同工况的切换，这里的切换阀组件包括与中深层井循环水泵11相连的第一电动阀713，第一电动阀713分别通过第二电动阀712与空气源热泵冷凝器73相连以及通过第三电动阀715和水源热泵压缩机718相连，且循环水循环泵710通过第四电动阀714与中深层封闭式循环井1相连。
[0035]
其中，空气源热泵组件包括设置在空气源热泵冷凝器73和带风机的空气源热泵蒸发器71之间的止回阀切换管路72，止回阀切换管路72上分别依次设有空气源热泵膨胀阀74、过滤器75以及储液器76，且空气源热泵冷凝器73和带风机的空气源热泵蒸发器71之间还设有四通换向阀77，且四通换向阀77分别与气液分离器78和空气源热泵压缩机79相连。
[0036]
本实施例中，一种中深层地热复合空气源双级热泵的储热供热系统的工作工况如下：
[0037]
单供热工况：
[0038]
中深层地热热泵单供热工况，如附图1：启动中深层封闭式循环井1，开启中深层井循环水泵11，开启第一阀门64、第三阀门66、第四阀门67、第五阀门68、第六阀门69，开启第一高温水源热泵21、第二高温水源热泵22以及第一负荷侧一级水泵61、第二负荷侧一级水泵62，开启负荷侧二级水泵63，通过5～15度的地热水和高温热泵制备50度以上的高温热水供热。
[0039]
复叠式空气源热泵单供热工况，如附图2：开启低温空气源热泵3和第一高温水源热泵21，开启第一阀门64和第二阀门65、第五阀门68、第六阀门69，开启空气源热泵水泵31、第一负荷侧一级水泵61，开启负荷侧二级水泵63，通过低温空气源热泵3制备20～25度热水，进入第一高温水源热泵21，进一步制备50度以上的高温热水供热。
[0040]
电储热锅炉单供热工况：开启电储热锅炉4电加热功能或者储热释热功能，开启负荷侧二级水泵63，制备50度以上的高温热水供热。
[0041]
复合供热工况：
[0042]
如附图3、4所示，根据负荷变化比例，优先启动中深层地热热泵系统，作为基础供热热源，此时运行的是中深层地热热泵单供热工况，当中深层地热供应热负荷满足不了峰值负荷，再启动空气源热泵系统进行联合供热，此时运行的是中深层地热热泵复合空气源热泵系统供热工况，对于极端寒冷天气，可以启动电储热锅炉电加热或者储热释热进行供热，此时运行的是中深层地热热泵复合空气源热泵和电储热锅炉供热系统供热工况。复合系统根据系统供热能效最优作为控制目标，切换热源系统，以降低系统能耗，同时提高系统稳定性。
[0043]
复合除霜工况：
[0044]
如附图5所示，在室外气温低于零度的工作环境下，空气源热泵的机组盘管上容易出现结霜的现象，使得空气源热泵能效降低，甚至无法正常运行，这对整个空气源热泵机组的正常供热极其不利，这样就必须进行周期性除霜。本实施例中，除了采用低温空气源热泵和水源热泵的复叠式热泵方式减少结霜问题，同时还结合中深层地热循环热水对空气源热泵进行热水除霜，对于2千米的中深层地热水，启动循环，稳定供水温度为15度，此时开启中深层封闭式循环井1、中深层井循环水泵11、低温空气源热泵3和第二阀门65、第三阀门66，如附图6所示，通过空气源热泵内部回路切换，从而实现除霜，同时又不间断供热，利用地热提高空气源热泵的运行能效和稳定性是一大创新。
[0045]
中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统7由1～20个组件组成，化霜工况下，开启中深层封闭式循环井1、中深层井循环水泵11、第二电动阀712、第一电动阀713、第四电动阀714，建立中深层地热水稳定的供水循环，将地下热量释放给空气源热泵冷凝器73，再通过制冷剂卡诺循环，经过空气源热泵冷凝器73、止回阀切换管路72、储液器76、过滤器75、空气源热泵膨胀阀74、止回阀切换管路72、带风机的空气源热泵蒸发器71、四通换向阀77、气液分离器78、空气源热泵压缩机79、四通换向阀77、空气源热泵冷凝器73的循环，将热量释放给带风机的空气源热泵蒸发器71，从而消除附着在带风机的空气源热泵蒸发器71上的霜，化霜过程结束后，可开启供热工况，此时开启循环水循环泵710、第二电动阀712、第三电动阀715，关闭中深层井循环水泵11、第一电动阀713、第四电动阀714，带风机的空气源热泵蒸发器71将空气中的热量提取出来，通过制冷剂的逆卡诺循环，经过带风机的空气源热泵蒸发器71、止回阀切换管路72、储液器76、过滤器75、空气源热泵膨胀阀74、止回阀切换管路72、空气源热泵冷凝器73、四通换向阀77、气液分离器78、空气源热泵压缩机79、四通换向阀77、带风机的空气源热泵蒸发器71的循环，将热量释放给空气源热泵冷凝器73，再通过循环水循环泵710、水源热泵蒸发器717、第三电动阀715、第二电动阀712的循环水，将热量传递给水源热泵蒸发器717，再通过制冷剂在水源热泵蒸发器717、水源热泵压缩机718、水源热泵膨胀阀719、水源热泵冷凝器720的逆卡诺循环，将热量传递给末端水循环管路，输送给储热锅炉或用热末端。如此，系统可根据结霜情况，自动切换复合除霜工况和复合供热工况，从而极大地提高系统整体能源利用效率。
[0046]
储热工况：
[0047]
在间歇供热运行期间，可利用低价的夜间谷电驱动高能效的中深层地热热泵，开
启中深层地热热泵1单供热工况对电储热锅炉4进行储热，储热的热量可作为高峰用电时段复合工况下热源使用，也可在除霜工况下使用，从而进一步降低整体运行能耗。
[0048]
本实施例的有益效果在于：充分利用中深层地热能作为基础热源，辅助空气源热泵和电加储能锅炉作为调峰措施；同时利用峰谷电价差利用高能效系统进行蓄能，降低运行成本；还通过中深层地热水对复叠式空气源热泵进行除霜处理，同时又实现不间断供暖，进一步提高系统供热能效和稳定性。一方面，不受气候、昼夜交替影响的中深层地热能稳定连续供热，尤其适合东北地区极寒天气工况，另一方面，中深层地热热泵复合空气源热泵和电储热锅炉供热系统供热工况特别是适合低温恶劣环境运行，且系统运行稳定，能效较高。该供暖系统可在更宽的温度环境区间下高效运行，能够实现多种运行模式转换，即在
‑
20℃以下的超低温环境进行复合供热工况运行，在
‑
20℃以上的低温环境转换为单热源供热工况运行，优先使用中深层地热热泵单供热工况，其次采用复叠式空气源热泵单供热工况，再次使用电储热锅炉单供热工况，依次能效递减，并保证空气源热泵复合除霜工况运行时，不影响整个热泵系统制热的稳定性和可靠性，可以极大提高空气源热泵的低温适应性。带中深层地热水除霜功能的复叠式空气源/水源热泵供暖系统能在多工况模式下特别是适合低温恶劣环境运行，且系统运行稳定，能效较高，可以极大提高空气源热泵的低温适应性，也保证整个供热系统的高效运行。
[0049]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0050]
尽管本文较多地使用了中深层封闭式循环井1、中深层井循环水泵11、高温水源热泵2、第一高温水源热泵21、第二高温水源热泵22、低温空气源热泵3、空气源热泵水泵31、电储热锅炉4、高温热水供热端5、高温热水供热管路6、第一负荷侧一级水泵61、第二负荷侧一级水泵62、负荷侧二级水泵63、第一阀门64、第二阀门65、第三阀门66、第四阀门67、第五阀门68、第六阀门69、中深层地热井复合复叠式热泵除霜供热系统7、带风机的空气源热泵蒸发器71、止回阀切换管路72、空气源热泵冷凝器73、空气源热泵膨胀阀74、过滤器75、储液器76、四通换向阀77、气液分离器78、空气源热泵压缩机79、循环水循环泵710、第二电动阀712、第一电动阀713、第四电动阀714、第三电动阀715、水源热泵蒸发器717、水源热泵压缩机718、水源热泵膨胀阀719、水源热泵冷凝器720等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。