一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统的制作方法

1.本发明属于供热技术领域，具体涉及一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统。


背景技术：

2.在碳达峰、碳中和与城市集中供热面积逐年递增的背景下，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。
3.地热能具有便于收集、蕴含低品位热能较高、提热量相对稳定、便于利用等一系列优点，非常适合作为城市清洁采暖的低品位热源。风能、太阳能也是便于利用的清洁能源，二者虽具有间歇性和不稳定性，但其昼夜波动特性刚好互补，将风、光做低品位热源利用压缩式热泵提热后用于供暖是清洁采暖的利好方向。
4.在目前“双碳”背景下，如何利用清洁能源解决集中供热系统面临的诸多问题，例如供热面积发展过快导致热源供热能力不足、火电机组供热碳排放指标过高、清洁能源利用方式不加供热能力不足等都是亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，将用户采暖回水分成高中低三个温度区间进行梯级加热，以缩小在每个温度区间工作的热泵高、低温热源温差，高效利用地热能、风能、太阳能清洁能源提高热泵制热性能系数。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，包括依次并联设置在热网循环水管道上的地源热泵系统，风力制热器耦合压缩式热泵系统和太阳能集热器耦合压缩式热泵系统；
8.地源热泵系统，以浅层地热资源做低温热源，以第一压缩式热泵对二级网回水进行梯级加热，用于加热用户二次网回水；
9.风力制热器耦合压缩式热泵系统，以风热资源做低温热源，以第二压缩式热泵对二级网回水进行梯级加热；
10.太阳能集热器耦合压缩式热泵系统，以太阳能做低温热源，以第三压缩式热泵对二级网回水进行梯级加热。
11.具体的，地源热泵系统包括地热水循环水泵，地热水循环水泵的输出端经地热管井、第一过滤器和第一压缩式热泵与地热水循环水泵的输入端连接，第一压缩式热泵与热网循环水管道并联连接。
12.进一步的，第一压缩式热泵包括第一蒸发器，第一蒸发器的输出端经第一压缩机，第一冷凝器和第一膨胀阀与第一蒸发器的输入端连接，第一冷凝器的高温水侧进口和出口
与热网循环水管道并联设置。
13.更进一步的，第一冷凝器的进口管道上设置有第四球阀，第一冷凝器的出口管道上设置有第五球阀，热网循环水管道上设置有第一球阀和第一电动调节阀。
14.具体的，风力制热器耦合压缩式热泵系统包括闭式循环水泵，闭式循环水泵的输出端经风力制热器，第二过滤器和第二压缩式热泵与闭式循环水泵的输入端连接，第二压缩式热泵与热网循环水管道并联连接。
15.进一步的，第二压缩式热泵包括第二蒸发器，第二蒸发器的输出端经第二压缩机，第二冷凝器和第二膨胀阀与第二蒸发器的输入端连接，第二冷凝器的高温水侧进口和出口与热网循环水管道并联设置。
16.更进一步的，第二冷凝器的进口管道上设置有第六球阀，第二冷凝器的出口管道上设置有第七球阀，热网循环水管道上设置第二球阀和第二电动调节阀。
17.具体的，太阳能集热器耦合压缩式热泵系统包括闭式循环水泵，闭式循环水泵的输出端经太阳能集热器，第三过滤器和第三压缩式热泵系统与闭式循环水泵的输入端连接，第三压缩式热泵系统与热网循环水管道并联连接。
18.进一步的，第三压缩式热泵包括第三蒸发器，第三蒸发器的输出端经第三压缩机，第三冷凝器和第三膨胀阀与第三蒸发器的输入端连接，第三冷凝器的高温水侧进口和出口与热网循环水管道并联设置。
19.更进一步的，第三冷凝器的进口管道上设置有第八球阀，第三冷凝器的出口管道上设置有第九球阀，热网循环水管道上设置第一球阀和第三电动调节阀。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，将不同温度等级的清洁能源依次做低温热源，其中土壤地埋管闭式循环水温度最低，风力制热器制取的热水温度中等，集热器制取的热水温度最高，同时将热网回水到供水的温升区间也划分为三个，从低到高利用这三种热泵依次加热，按这种顺序排列可以充分提取清洁能源制取的低品位热能加热热网循环水，实现能量梯级利用，提高清洁能源利用率，提高各级热泵cop，降低供热成本和污染物排放。
22.进一步的，提取土壤低品位热能加热热网循环水，压缩式热泵内部工质在蒸发器蒸发吸热，经压缩机压缩成高温高压状态，在冷凝器放热加热热网水，凝结工质经膨胀阀膨胀降压后回到蒸发器，工质在蒸发器中蒸发就提取低温热源循环水中的热量了。
23.进一步的，第一蒸发器的输出端经第一压缩机，第一冷凝器和第一膨胀阀与第一蒸发器的输入端连接，第一冷凝器的高温水侧进口和出口与热网循环水管道并联设置，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。压缩式热泵内部工质在蒸发器蒸发吸热，经压缩机压缩成高温高压状态，在冷凝器放热加热热网水，凝结工质经膨胀阀膨胀降压后回到蒸发器，工质在蒸发器中蒸发就提取低温热源循环水中的热量了。
24.进一步的，第一冷凝器的进口管道上设置有第四球阀，第一冷凝器的出口管道上设置有第五球阀，热网循环水管道上设置有第一球阀和第一电动调节阀，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。
25.进一步的，闭式循环水泵的输出端经风力制热器，第二过滤器和第二压缩式热泵与闭式循环水泵的输入端连接，第二压缩式热泵与热网循环水管道并联连接，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。
26.进一步的，第二蒸发器的输出端经第二压缩机，第二冷凝器和第二膨胀阀与第二蒸发器的输入端连接，第二冷凝器的高温水侧进口和出口与热网循环水管道并联设置，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。压缩式热泵内部工质在蒸发器蒸发吸热，经压缩机压缩成高温高压状态，在冷凝器放热加热热网水，凝结工质经膨胀阀膨胀降压后回到蒸发器，工质在蒸发器中蒸发就提取低温热源循环水中的热量了。
27.进一步的，第二冷凝器的进口管道上设置有第六球阀，第二冷凝器的出口管道上设置有第七球阀，热网循环水管道上设置第二球阀和第二电动调节阀，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。
28.进一步的，闭式循环水泵的输出端经太阳能集热器，第三过滤器和第三压缩式热泵系统与闭式循环水泵的输入端连接，第三压缩式热泵系统与热网循环水管道并联连接，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。
29.进一步的，第三冷凝器的进口管道上设置有第八球阀，第三冷凝器的出口管道上设置有第九球阀，热网循环水管道上设置第一球阀和第三电动调节阀，用于控制土壤源热泵是投运还是切除，提高系统灵活性，电动调节阀可以调节进入冷凝器的流量和热网母管流量二者之间的分配。
30.综上所述，本发明实现了风能供热的技术途径，提高了热泵cop，能源利用效率高，降低了设备电耗，提高清洁能源利用率的同时降低了运行成本，可作为集中供热系统的热源替代或补充，增大供热系统供热能力，提高热用户供热质量、安全性和灵活性，降低系统能耗指标、供热成本和污染物排放。
31.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
32.图1为本发明系统示意图。
33.其中：1.溶液泵；2.第一球阀；3.第一电动调节阀；4.第一冷凝器；5.第一膨胀阀；6.第一压缩机；7.第一蒸发器；8.地热水循环水泵；9.第一过滤器；10.土壤层；11.地热管井；12.热网循环水管道；13.第二球阀；14.第二电动调节阀；15.第二冷凝器；16.第二膨胀阀；17.第二压缩机；18.第二蒸发器；19.第一闭式循环水泵；20.第二过滤器；21.风力制热器；22.第三球阀；23.第三电动调节阀；24.第三冷凝器；25.第三膨胀阀；26.第三压缩机；27.第二闭式循环水泵；28.第三过滤器；29.太阳能集热器；30.第四球阀；31.第五球阀；32.第六球阀；33.第七球阀；34.第八球阀；35.第九球阀；36.第三蒸发器。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
38.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
39.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
40.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
41.本发明提供了一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，将用户采暖回水分成高中低三个温度区间进行梯级加热，以缩小在每个温度区间工作的热泵高、低温热源温差，高效利用地热能、风能、太阳能清洁能源提高热泵制热性能系数。将本系统应用于集中供热系统换热站，可作为热源替代或补充用于提高用户供热量，增加换热站承接的采暖面积，降低供热系统能耗指标的同时降低污染物排放，达到清洁高效的目的。
42.请参阅图1，本发明一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，包括地源热泵系统，风力制热器耦合压缩式热泵系统和太阳能集热器耦合压缩式热泵系统，地源热泵系统，风力制热器耦合压缩式热泵系统和太阳能集热器耦合压缩式热泵系统依次并联设置
在热网循环水管道12上，热网循环水管道12的输入端设置有溶液泵1；地源热泵系统，以浅层地热资源做低温热源、以压缩式热泵提热用于加热用户二次网回水；风力制热器耦合压缩式热泵系统，以风热资源做低温热源、以压缩式热泵提热；太阳能集热器耦合压缩式热泵系统，以太阳能做低温热源、以压缩式热泵提热。
43.当系统参与二级网供热时，将地热、风热和太阳能三种清洁能源按温度高低进行梯级利用，将热网循环水管道12的回水分三个温度区间，利用压缩式热泵提热对二级网回水进行梯级加热。
44.当日间光照条件较好时，利用地源热泵系统，风力制热器耦合压缩式热泵系统和太阳能集热器耦合压缩式热泵系统对用户热网回水进行梯级加热。
45.当夜间无光照时，利用地源热泵系统和风力制热器耦合压缩式热泵系统对热网循环水管道的回水进行梯级加热，全天充分利用清洁能源供暖，缩小各级加热温差，提高各级热泵cop，实现清洁能源的梯级利用，提高清洁能源利用率和系统供热能力。
46.地源热泵系统，包括依次连接的地热水循环水泵8，深埋于土壤层10以下的地热管井11，第一过滤器9和第一压缩式热泵，第一压缩式热泵与热网循环水管道12并联连接。
47.第一压缩式热泵包括依次连接的第一蒸发器7，第一压缩机6，第一冷凝器4和第一膨胀阀5；第一冷凝器4高温水侧进口和出口并联至热网循环水管道12上，第一冷凝器4的进口管道上设置第四球阀30，第一冷凝器4的出口管道上设置有第五球阀31，热网循环水管道12上设置有第一球阀2和第一电动调节阀3。
48.风力制热器耦合压缩式热泵系统，包括依次连接的闭式循环水泵19，风力制热器21，第二过滤器20和第二压缩式热泵，第二压缩式热泵与热网循环水管道12并联连接。
49.第二压缩式热泵包括依次连接的第二蒸发器18，第二压缩机17，第二冷凝器15和第二膨胀阀16；第二冷凝器15高温水侧进出口并联至热网循环水管道12上，第二冷凝器15的进口管道上设置有第六球阀32，第二冷凝器15的出口管道上设置有第七球阀33，热网循环水管道12上设置第二球阀13和第二电动调节阀14。
50.太阳能集热器耦合压缩式热泵系统，包括依次连接的闭式循环水泵27，太阳能集热器29，第三过滤器28和第三压缩式热泵系统，第三压缩式热泵系统与热网循环水管道12并联连接。
51.第三压缩式热泵包括依次连接的第三蒸发器36，第三压缩机26，第三冷凝器24和第三膨胀阀25；第三冷凝器24的高温水侧进口和出口并联至热网循环水管道12上，第三冷凝器24的进口管道上设置有第八球阀34，第三冷凝器24的出口管道上设置有第九球阀35，热网循环水管道12上设置第一球阀22和第三电动调节阀23。
52.第一过滤器9、第二过滤器20和第三过滤器28均为y型过滤器。
53.本发明一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统的运行方式分为白天供热模式和夜间供热模式两种，两种运行方式依据光照强度切换运行，具体如下：
54.白天供热模式：
55.包含地热能供热循环、风能供热循环和太阳能供热循环；
56.地热能供热循环：第四球阀30和第五球阀31打开，第一球阀2可关闭使全部热网循环水流经地源热泵，也可打开利用第一电动调节阀3用于控制热网循环水母管流量和进入第一冷凝器4的热网水流量二者之间的流量分配，进入地源热泵系统的热网循环水经第四
球阀30流入第一冷凝器4再经第五球阀31回到热网循环水母管；压缩式热泵内部循环工质经第一蒸发器7蒸发吸收地热井侧闭式循环水热量，而后进入第一压缩机6经压缩后进入第一冷凝器4凝结放热将热量传递给热网循环水，然后进入第一膨胀阀5膨胀后回到第一蒸发器7完成一个循环；地热井侧闭式循环水在地热井管道11内吸收土壤源热量后，经第一过滤器9过滤后送入第一蒸发器7中将热量传递给压缩式热泵内部循环工质，后经闭式循环水泵8升压后送回到地热井管道提取土壤热量。
57.风能供热循环：第六球阀32和第七球阀33打开，第二球阀13可关闭使全部热网循环水流经风力制热器耦合压缩式热泵，也可打开利用第二电动调节阀14用于控制热网循环水母管流量和进入第二冷凝器15的热网水流量二者之间的流量分配，进入风力制热器耦合压缩式热泵系统的热网循环水经第六球阀32流入第二冷凝器15再经第七球阀33回到热网循环水母管；压缩式热泵内部循环工质经第二蒸发器18蒸发吸收风力制热器侧闭式循环水热量，而后进入第二压缩机17经压缩后进入第二冷凝器15凝结放热将热量传递给热网循环水，然后进入第二膨胀阀16膨胀后回到第二蒸发器18完成一个循环；风力制热器通过风机带动内部搅拌轮转动加热闭式循环水，被风力制热器21加热的闭式循环水经第二过滤器20过滤后送入第二蒸发器18中将热量传递给压缩式热泵内部循环工质，后经闭式循环水泵升压后送回到风力制热器中利用风能制取热量。
58.太阳能供热循环：第八球阀34和第九球阀35打开，第一球阀22可关闭使全部热网循环水流经太阳能集热器耦合压缩式热泵，也可打开利用第三电动调节阀23用于控制热网循环水母管流量和进入第三冷凝器24的热网水流量二者之间的流量分配，进入太阳能集热器耦合压缩式热泵系统的热网循环水经第八球阀34流入第三冷凝器24再经第九球阀35回到热网循环水母管；压缩式热泵内部循环工质经第三蒸发器36蒸发吸收太阳能集热器侧闭式循环导热油热量，而后进入第三压缩机26经压缩后进入第三冷凝器24凝结放热将热量传递给热网循环水，然后进入第三膨胀阀25膨胀后回到第三蒸发器36完成一个循环；太阳能集热器29通过吸收太阳辐照加热内部循环导热油，被太阳能集热器29加热的闭式循环导热油经第三过滤器28过滤后送入第三蒸发器36中将热量传递给压缩式热泵内部循环工质，后经闭式循环油泵升压后送回到太阳能集热器中利用太阳能制取热量。热网循环水经热网循环水泵1升压后依次进入第一冷凝器4、第二冷凝器15和第三冷凝器24经三种热泵梯级加热后供至热用户，
59.夜间供热模式：
60.夜间无光照，太阳能集热器耦合压缩式热泵停运，利用地热能和风能加热热网循环水。
61.地热能供热循环：第四球阀30和第五球阀31打开，第一球阀2可关闭使全部热网循环水流经地源热泵，也可打开利用第一电动调节阀3用于控制热网循环水母管流量和进入第一冷凝器4的热网水流量二者之间的流量分配，进入地源热泵系统的热网循环水经第四球阀30流入第一冷凝器4再经第五球阀31回到热网循环水母管；压缩式热泵内部循环工质经第一蒸发器7蒸发吸收地热井侧闭式循环水热量，而后进入第一压缩机6经压缩后进入第一冷凝器4凝结放热将热量传递给热网循环水，然后进入第一膨胀阀5膨胀后回到第一蒸发器7完成一个循环；地热井侧闭式循环水在地热井管道11内吸收土壤源热量后，经第一过滤器9过滤后送入第一蒸发器7中将热量传递给压缩式热泵内部循环工质，后经闭式循环水泵
8升压后送回到地热井管道提取土壤热量。
62.风能供热循环：第六球阀32和第七球阀33打开，第二球阀13可关闭使全部热网循环水流经风力制热器耦合压缩式热泵，也可打开利用第二电动调节阀14用于控制热网循环水母管流量和进入第二冷凝器15的热网水流量二者之间的流量分配，进入风力制热器耦合压缩式热泵系统的热网循环水经第六球阀32流入第二冷凝器15再经第七球阀33回到热网循环水母管；压缩式热泵内部循环工质经第二蒸发器18蒸发吸收风力制热器侧闭式循环水热量，而后进入第二压缩机17经压缩后进入第二冷凝器15凝结放热将热量传递给热网循环水，然后进入第二膨胀阀16膨胀后回到第二蒸发器18完成一个循环；风力制热器通过风机带动内部搅拌轮转动加热闭式循环水，被风力制热器21加热的闭式循环水经第二过滤器20过滤后送入第二蒸发器18中将热量传递给压缩式热泵内部循环工质，后经闭式循环水泵升压后送回到风力制热器中利用风能制取热量。热网循环水依次经第一冷凝器4和第二冷凝器15经两种热泵梯级加热后供至热用户，达到清洁能源高效率用的效果。
63.在采暖期全天供热过程中，白天分别利用地热资源、风资源、太阳能资源三种清洁能源做低温热源，利用压缩式热泵提取低温热源热量用于加热热网循环水供热；夜间无光照但风资源较白天多，风力制热器出口水温升高，利用地热能和风能做低温热源，同样利用压缩式热泵提取低温热源余热用于加热热网循环水供热；按照清洁能源温度高低依次提热对热网循环水进行梯级加热，缩小各级热泵高低温热源之间温差，提高热泵cop，以更少耗电量提取更多热量，提高了清洁能源利用率的同时降低了系统运行成本，缩小了设备投资和占地面积，降低了系统co2排放量，在目前“双碳”政策背景下具有重要推广意义。
64.综上所述，本发明一种基于清洁能源梯级利用的多能互补供热系统，具有以下优点：
65.(1)本发明将高效利用风能制热的风力制热器与压缩式热泵耦合，利用风机带动搅拌器加热闭式循环水，利用热泵提取闭式循环水低品位热量加热热网循环水，实现了风能供热的技术途径。
66.(2)本发明建立的风力制热器耦合压缩式热泵系统，利用风能制取了温度较高的低温热源，提高了热泵cop，其能源利用效率高。
67.(3)本发明采用地源热泵、风力制热器耦合压缩式热泵和太阳能集热器耦合压缩式热泵对热网循环水进行梯级加热，将热网循环水分为三个温度区间，按低温热源温度等级与之匹配，降低了各级热泵的高低温热源温差，提高了热泵cop，降低了设备电耗，提高清洁能源利用率的同时降低了运行成本。
68.(4)本发明建立的梯级加热多能互补供热系统应用于换热站，可作为集中供热系统的热源替代或补充，增大供热系统供热能力，提高热用户供热质量、安全性和灵活性，降低系统能耗指标、供热成本和污染物排放。
69.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。