一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统及方法与流程

1.本发明涉及地热能利用技术领域，尤其涉及一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统及方法。


背景技术：

2.建筑领域能源消耗所带来的碳排放是我国总碳排放结构中的重要组成部分，而其中供热及空调系统所带来的直接与间接碳排放又是重中之重。
3.目前，我国建筑供热领域供热热源形式中，传统化石能源，包括燃煤、燃气的占比仍然高达88％。而传统化石能源通过燃烧将内能转化为热能进行供热，燃烧过程中产生的co2是导致全球气候变暖的主要温室气体之一。而建筑供冷领域，主要消耗电力驱动冷水机组等关键设备从建筑中提取热量，排放至室外环境中。由于目前我国电力结构，同样是以燃煤、燃气等传统换热能源发电为主，电力消耗带来的碳排放也是整体碳排放中的重要组成。因此，我们必须大力发展以零碳能源为主的低碳能源结构，包括可再生能源高效利用以及核能的安全化应用，从而摆脱对传统化石能源的大量使用，在满足社会高质量发展的同时，实现持续的节能减排目标。而对于建筑供热及供冷领域，可再生能源供热、供电成为实现零碳冷热供应的关键所在。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统及方法。
5.为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统，零碳冷热供应系统包括中深层地热地埋管单元、热源侧水泵单元、热泵机组单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元、蓄能水泵单元、蓄能水箱单元、用户侧水泵单元、建筑用户单元、光伏发电单元；
6.中深层地热地埋管单元与热源侧水泵单元连接，热源侧水泵单元与热泵机组单元连接，冷却塔单元与冷却侧水泵单元连接，冷却侧水泵单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元与蓄能水泵单元连接，蓄能水泵单元与蓄能水箱单元连接，蓄能水箱单元分别与用户侧水泵单元连接，用户侧水泵单元与建筑用户单元连接，光伏发电单元与热泵机组单元、用户侧水泵单元、蓄能水泵单元、热源侧水泵单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元连接。
7.进一步地，中深层地热地埋管单元含有一根中深层地热地埋管，中深层地热地埋管深度为2-3千米。
8.进一步地，热源侧水泵单元包括两台相互并联的变频水泵，变频水泵的工作频率为25-50hz；热泵机组单元包括一台高效热泵机组。
9.进一步地，冷却塔单元包括一套冷却塔塔组；冷却侧水泵单元包括两台相互并联的冷却水泵，冷却水泵的工作频率为25-50hz。
10.进一步地，蓄能水泵单元包括两台相互并联的蓄能水泵，使用时有且只有一台蓄
能水泵运行；蓄能水箱单元包括一个蓄能水箱。
11.进一步地，用户侧水泵单元包括两台用户侧水泵，用户侧水泵的工作频率为25-50hz。
12.进一步地，建筑用户单元为实际供热供冷末端。
13.进一步地，光伏发电单元包括为整个系统运行提供清洁电力的光伏板。
14.一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统的方法，具体零碳冷热供应系统的方法的设计步骤包括：
15.步骤一、根据项目所在地气象条件及建筑功能，开展供热季逐时供热负荷、供冷机逐时供冷负荷的详细分析与测算，得到逐时供热、供冷需求，随后确定尖峰供热负荷以及累积供热量，尖峰供冷负荷以及累积供冷量；
16.步骤二、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，根据地质条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程；
17.步骤三、结合地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，进而根据需求的累计取热量确定一个模块化系统能承担的供能面积；
18.步骤四、在确定供能面积后，即可确定一个模块化系统所承担的供冷、供热需求；
19.步骤五、以供热系统cop5.0，供冷系统cop4.5，估算一个模块化系统全年累积耗电量；
20.步骤六、结合全年太阳辐射强度，以光伏发电提供模块化系统全部用电需求，计算光伏板铺设面积，随即得到光伏全年逐时发电量；
21.步骤七、对于供冷、供热典型日，以光伏发电期间启动热泵系统运行，制取当日所需全部供冷、供热量，由此确定热泵机组供冷、供热装机容量及蓄热水箱容量；
22.步骤八、结合供冷供热尖峰负荷，以用户侧供回水温差5k确定用户侧水泵装机容量，以蓄能供回水温差10k确定蓄能水泵装机容量，以冷却侧供回水温差5k确定冷却水泵装机容量，以中深层地热地埋管供回水温差10k确定热源侧水泵装机容量。
23.进一步地，步骤三中涉及的计算公式，
24.qa＝fg·
qc·
δτ fg·h·
ρ
·ct
·
δt；
[0025][0026][0027]
其中，qa为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位gj；fg为土壤控制体横截面积，单位m2；qc为当地地热热流密度，单位w/m2；δτ为一年时间，单位s；h为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m3；c
t
为土壤比热容，单位kj/(kg
·
℃)；δt为土壤控制体每年温度变化；
[0028]qh，a
为考虑热泵系统输入电力后全年供热量，单位gj；coph为热泵系统供热效率；fc为一个模块化系统能承担的供能面积，单位m2；q
h，a
为目标项目单位面积全年供热量，单位
gj/m2；
[0029]
所述步骤四中涉及的计算公式，
[0030][0031]qc，a
＝q
c，a
*fc；
[0032]qh，max
＝q
h，max
*fc；
[0033]qc，max
＝q
c，max
*fc；
[0034]
其中，q
c，a
为全年累积供冷量，单位kwh；q
c，a
为目标项目单位面积全年供冷量，单位kwh/m2。fc为一个模块化系统能承担的供能面积，单位m2；q
h，max
为目标项目尖峰供热量，单位kw；q
c，max
为目标项目尖峰供冷量，单位kw；q
h，max
为目标项目单位面积尖峰热负荷，单位w/m2；
[0035]qc，max
为目标项目单位面积尖峰冷负荷，单位w/m2；
[0036]
步骤五中涉及的计算公式，
[0037][0038]
其中，w为系统全年耗电量，单位kwh；copc热泵系统供冷效率；
[0039]
步骤七中涉及的计算公式，
[0040]qhp，h
＝ps*cop
hp，h
；
[0041]qhp，c
＝ps*cop
hp，c
；
[0042]qhp
＝max(q
hp，h
，q
hp，c
)；
[0043]
v＝p
s，a
*cop
hs，h
；
[0044]
其中，q
hp，h
为热泵机组供热装机容量，单位kw；ps为光伏设计发电功率，单位kw；cop
hp，h
为热泵机组额定供热性能；q
hp，c
为热泵机组供冷装机容量，单位kw；cop
hp，c
为热泵机组额定供冷性能；q
hp
为热泵机组综合装机容量，取q
hp，h
和q
hp，c
最大值，单位kw；v为蓄能水箱蓄能容量，单位kwh；p
s，a
为设计典型日光伏系统累积发电量，单位kwh。
[0045]
本发明公开了一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统及方法，本发明基于传热学的基本理论，可以保证中深层地热地埋管换热系统长期稳定运行，同时结合间歇运行蓄热特性以及用户侧蓄热水箱，使得中深层地热地埋管具有较大的取热量调节能力，可以通过自身换热特性在短时间起到大容量的调峰作用。根据项目所在地气象条件及建筑功能，开展供热季逐时供热负荷、供冷机逐时供冷负荷的详细分析与测算，明确项目实际供热供冷需求。根据项目所在地地质地热条件确定单口中深层地热地埋管累计取热量。随后确定一个模块化零碳冷热供应系统能够承担的供能建筑面积。随后，根据全年累计供冷、供热耗电量，结合全年太阳辐射强度，以光伏发电提供全部用电需求，计算光伏板铺设面积。在供冷、供热典型日光伏发电期间制取当日全部冷热量，由此确定热泵机组装机容量、蓄能系统容量，及相应的冷却塔、输配水泵装机容量。其次，针对分散式的建筑分布，采用就近开采中深层地热地埋管，就近设置模块化零碳冷热供应系统的方式，一方面避免集中开采中深层地热地埋管存在换热相互影响的情况，另一方面取消大面积庭院管网避免管网漏热损失、水力失调等问题，同时降低输送能耗。
附图说明
[0046]
图1为基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统示意图。
[0047]
图2为基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统设计方法示意图。
[0048]
图中：1、中深层地热地埋管单元；2、热源侧水泵单元；3、热泵机组单元；4、冷却侧水泵单元；5、冷却塔单元；6、蓄能水泵单元；7、蓄能水箱单元；8、用户侧水泵单元；9、建筑用户单元；10、光伏发电单元。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0050]
如图1所示，一种基于可再生能源耦合应用的模块化零碳冷热供应系统，包括中深层地热地埋管单元、热源侧水泵单元、热泵机组单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元、蓄能水泵单元、蓄能水箱单元、用户侧水泵单元、建筑用户单元、光伏发电单元。中深层地热地埋管单元与热源侧水泵单元连接，热源侧水泵单元与热泵机组单元连接，冷却塔单元与冷却侧水泵单元连接，冷却侧水泵单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元与蓄能水泵单元连接，蓄能水泵单元与蓄能水箱单元连接，蓄能水箱单元与用户侧水泵单元连接，用户侧水泵单元与建筑用户单元连接，光伏发电单元与热泵机组单元、用户侧水泵单元、蓄能水泵单元、热源侧水泵单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元连接。
[0051]
其中，中深层地热地埋管单元含有一根中深层地热地埋管，每个中深层地热地埋管深度为2-3千米，由于中深层地热能温度较高，只适合于冬季取热供热，夏季无法向其中排热，考虑到长期运行土壤温度的恢复需求，不同地热地质条件下一根中深层地热地埋管推荐累积取热量不同，也是设计中需要重点考虑的内容。
[0052]
由于本系统采用间歇性蓄热运行，中深层地热地埋管间歇运行出热量相比连续运行大幅度增加，因此尖峰瞬时取热能力不是本系统的设计关键。
[0053]
热源侧水泵单元含有两台变频水泵，水泵频率25hz-50hz可调，实现流量20m3/h-40m3/h连续可调。热泵机组单元含有一台兼顾夏季供冷和冬季供热的高效热泵机组。
[0054]
冬季供热工况：
[0055]
1)热源泵驱动热源水，经由中深层地热地埋管和从土壤中取热，随后进入热泵机组，通过热泵机组升温加热后，向用户侧蓄能水箱蓄热，用户侧蓄能水箱同时向建筑用户供热。
[0056]
2)太阳能光伏发电量承担整个系统耗电。当日间太阳能发电量充足时，热泵系统高负荷蓄热，建筑供热剩余的热量储存在蓄能水箱中，从而充分消纳太阳能光伏发电量。
[0057]
3)而夜间或者阴天太阳能发电量不足时，则采用蓄能水箱蓄存的热量为建筑供热，热泵系统停止运行，此时只需要消耗少量的市政电力驱动用户侧水泵运行，实现最少市政电力的使用。
[0058]
夏季供冷工况：
[0059]
1)蓄能水箱从建筑吸热实现为建筑供冷的功能，热泵机组从蓄能水箱吸热实现给蓄能水箱蓄冷的功能。而吸取的热量通过热泵机组升温加热后排至冷却水系统，随后冷却泵驱动冷却水，经由冷却塔将热量排至空气中。
[0060]
2)太阳能光伏发电量承担整个系统耗电。当日间太阳能发电量充足时，热泵系统
高负荷蓄冷，建筑供冷剩余的冷量储存在蓄能水箱中，从而充分消纳太阳能光伏发电量。
[0061]
3)而夜间或者阴天太阳能发电量不足时，则采用蓄能水箱蓄存的冷量为建筑供冷，热泵系统停止运行，此时只需要消耗少量的市政电力驱动用户侧水泵运行，实现最少市政电力的使用。
[0062]
额定制热工况，冷凝侧供回水温度45/40℃，蒸发侧供回水温度20/10℃，制热cop(制热cop是指电驱动热泵机组的制热量与消耗功率之比)可达6.0。额定制冷工况，冷凝侧供回水温度30/35℃，蒸发侧供回水温度7/12℃，制冷cop(制热cop是指电驱动热泵机组的制冷量与消耗功率之比)可达5.5。冷却塔单元含有一套冷却塔塔组，风机频率25hz-50hz可调，实现排热连续可调。冷却侧水泵单元含有两台冷却水泵，水泵频率25hz-50hz可调，实现流量连续可调。蓄能水泵单元含有两台蓄能水泵，水泵频率25hz-50hz可调，实现流量连续可调。蓄能水箱单元含有一个蓄能水箱，设计蓄热水温60/50℃，设计蓄冷水温4/14℃；用户侧水泵单元含有两台用户侧水泵，水泵频率25hz-50hz可调，实现流量连续可调。建筑用户单元为实际供热供冷末端。光伏发电单元含有光伏板，为整个系统运行提供清洁电力。
[0063]
中深层地热地埋管热泵供热技术与传统地热能利用技术相比具有热源温度高、取热量大，系统运行稳定、性能高效，占地面积小、保护地下水资源等优势，且不受地面气候条件的影响，可实现中深层地热能的清洁、高效、持续利用，是一种更加优质的可再生能源清洁高效供热技术。而光伏发电技术将太阳能转化为零碳电力，在供热季驱动热泵供热系统从中深层地热能取热，实现为建筑零碳供热。同时在供冷机驱动热泵供冷系统从建筑取热，结合冷却塔等关键设备将热量排至室外，实现零碳供冷，成为了本发明专利的核心所在。
[0064]
在供热应用中，可再生能源占比高达80％以上，实现供热电气化，单位供热量二氧化碳排放仅为30-40kg/gj，且随着清洁电力的驱动，可实现零碳供热的目标。
[0065]
本发明的好处还在于，光伏发电技术，通过充分利用太阳辐射，产生可在生清洁电力，用以驱动热泵系统为建筑末端供热、供冷，实现零碳供热、供冷的目标。
[0066]
本发明采用用户侧蓄能系统，将建筑用户连续的供冷、供热需求与源侧的冷热制取解耦，源侧即可根据太阳能光伏的发电情况以及市政电网清洁电力的生产输送情况，灵活选择开机运行时间，将热量、冷量充分制取并储存于蓄能水箱中，即可通过间歇运行满足建筑用户连续的供冷、供热需求。从而实现对零碳清洁电力的充分消纳，进一步实现零碳冷热的供应。
[0067]
本发明充分利用中深层地热地埋管横向占地面积小，管径仅为200-300mm，可灵活布置开采的特点，结合模块化的热泵机组、水泵、蓄能水箱、冷却塔，构建模块化的零碳冷热供应系统。紧贴建筑红线分散开采中深层地热地埋管，就近设置模块化零碳冷热供应系统的方式，一方面避免集中开采中深层地热地埋管存在换热相互影响的情况，另一方面取消大面积庭院管网避免管网漏热损失、水力失调等问题，同时降低输送能耗。
[0068]
如图2所示，本发明一种基于可再生能源耦合应用的零碳冷热供应系统的方法，具体零碳冷热供应系统的方法的设计步骤包括：
[0069]
步骤一、根据项目所在地气象条件及建筑功能，开展供热季逐时供热负荷、供冷机逐时供冷负荷的详细分析与测算，得到逐时供热、供冷需求，随后确定尖峰供热负荷以及累积供热量，尖峰供冷负荷以及累积供冷量；
[0070]
步骤二、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，根据地质
条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程；
[0071]
步骤三、结合地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，进而根据需求的累计取热量确定一个模块化系统能承担的供能面积；其中，深层地热地埋管累积取热量的推荐值公式为：
[0072]
qa＝fg·
qc·
δτ fg·h·
ρ
·ct
·
δt；
[0073][0074][0075]
其中，qa为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位gj；fg为土壤控制体横截面积，单位m2；qc为当地地热热流密度，单位w/m2；δτ为一年时间，单位s；h为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m3；c
t
为土壤比热容，单位kj/(kg
·
℃)；δt为土壤控制体每年温度变化；
[0076]qh，a
为考虑热泵系统输入电力后全年供热量，单位gj；coph为热泵系统供热效率，可取为5.0；fc为一个模块化系统能承担的供能面积，单位m2；q
h，a
为目标项目单位面积全年供热量，单位gj/m2。
[0077]
步骤四、在确定供能面积后，即可确定一个模块化系统所承担的供冷、供热需求；
[0078][0079]qc，a
＝q
c，a
*fc；
[0080]qh，max
＝q
h，max
*fc；
[0081]qc，max
＝q
c，max
*fc；
[0082]
其中，q
c，a
为全年累积供冷量，单位kwh；q
c，a
为目标项目单位面积全年供冷量，单位kwh/m2。fc为一个模块化系统能承担的供能面积，单位m2；q
h，max
为目标项目尖峰供热量，单位kw；q
c，max
为目标项目尖峰供冷量，单位kw；q
h，max
为目标项目单位面积尖峰热负荷，单位w/m2；
[0083]qc，max
为目标项目单位面积尖峰冷负荷，单位w/m2；
[0084]
步骤五、以供热系统cop5.0，供冷系统cop4.5，估算一个模块化系统全年累积耗电量；
[0085][0086]
其中，w为系统全年耗电量，单位kwh；copc热泵系统供冷效率，可取为4.5；
[0087]
步骤六、结合全年太阳辐射强度，以光伏发电提供模块化系统全部用电需求，计算光伏板铺设面积，随即得到光伏全年逐时发电量；
[0088]
步骤七、对于供冷、供热典型日，以光伏发电期间启动热泵系统运行，制取当日所需全部供冷、供热量，由此确定热泵机组供冷、供热装机容量，及蓄热水箱容量；
[0089]qhp，h
＝ps*cop
hp，h
；
[0090]qhp，c
＝ps*cop
hp，c
；
[0091]qhp
＝max(q
hp，h
，q
hp，c
)；
[0092]
v＝p
s，a
*cop
hp，h
；
[0093]
其中，q
hp，h
为热泵机组供热装机容量，单位kw；ps为光伏设计发电功率，单位kw；cop
hp，h
为热泵机组额定供热性能，可取为6.0；
[0094]qhp，c
为热泵机组供冷装机容量，单位kw；cop
hp，c
为热泵机组额定供冷性能，可取为5.5；q
hp
为热泵机组综合装机容量，取q
hp，h
和q
hp，c
最大值，单位kw；v为蓄能水箱蓄能容量，单位kwh；p
s，a
为设计典型日光伏系统累积发电量，单位kwh；
[0095]
步骤八、结合供冷供热尖峰负荷，以用户侧供回水温差5k确定用户侧水泵装机容量，以蓄能供回水温差10k确定蓄能水泵装机容量，以冷却侧供回水温差5k确定冷却水泵装机容量，以中深层地热地埋管供回水温差10k确定热源侧水泵装机容量。
[0096]
上述步骤中采用的供热季逐时供热负荷、供冷机逐时供冷负荷的详细分析与测算、明确项目所在地地热地质条件、供热系统cop5.0和供冷系统cop4.5标准、计算光伏板铺设面积所采用的方法均属于现有技术。
[0097]
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。