一种地铁复合能源多功能末端热泵系统和方法与流程

本发明属于复合能源多功能末端系统领域，具体涉及一种采用毛细管换热器的地铁复合能源多功能末端热泵系统和方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着经济和城市化的快速发展，地铁由于其便利、快捷的特点越来越来受人们的欢迎，各大城市都在积极地进行地铁的建设，如今已成为大多数人上班出行的必乘交通工具。

在地铁运营过程中，由于列车制动、机车空调及机电设备等产生热量，加之特有的活塞风，地铁隧道内存在大量废热。目前，比较普遍的做法是设置冷却塔降温，或采用土壤源热泵。由于地上空间限制和城市美观要求，往往无法大量设置冷却塔，且存在噪音污染和卫生隐患，而土壤源热泵的地埋管打孔施工比较困难。

由于经济发展和生活水平提高，人们用能需求日益多样化。除采暖、空调用能，生活热水用能也不可或缺。不同用途的末端设备，对能源需求不同。目前地铁隧道内的废热并不能实现多用途末端供能。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种地铁复合能源多功能末端热泵系统和方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种地铁复合能源多功能末端热泵系统，包括能源端和用户末端、蓄热水箱，第一能源端包括铺设于隧道围岩内的毛细管前端换热器和地铁毛细管热泵机组，第二能源端包括太阳能集热板，第三能源端包括风冷热泵机组，用户末端包括空调器末端、热水供应末端、地板辐射采暖末端、散热器采暖末端，第一能源端、第二能源端、第三能源端与蓄热水箱的入水口连接，蓄热水箱的出水口分别与空调器末端、热水供应末端、地板辐射采暖末端、散热器采暖末端连接，空调器末端、地板辐射采暖末端、散热器采暖末端的出水口分别通过第一回水管路与蓄热水箱连接，空调器末端的出水口通过第二回水管路与第三能源端连接，第三能源端通过供冷管路与空调器末端连接。

本发明的技术方案利用毛细管换热器解决了地铁隧道内的热量堆积问题，又将废热进行了充分利用，地铁隧道内的废热，联同太阳能、空气能构成复合能源，通过管路连接实现复合能源多用途末端供能的功能，第一能源端利用的是地铁隧道内的废热，第二能源端利用的是太阳能，第三能源端利用的是空气能，所实现的多用途包括空调、热水、地板辐射采暖和散热器采暖，在冬季时，三个能源端产生的热量转换为热水，热水进入蓄热水箱，再分别进入各个用户末端进行换热；

上述供能过程可以分为四个季节进行调节，同时风冷热泵机组可与空调用户末端单独连接，同时实现夏季的供冷。

上述供能过程实现了水的循环回用，用户端换热后的水循环回能源端，进行再次的能源循环。

在一些实施例中，第一能源端还包括第一循环水泵、第二循环水泵、第一阀门、第二阀门，毛细管前端换热器的出口通过第一循环水泵、第一阀门与地铁毛细管热泵机组连接，蓄热水箱与地铁毛细管热泵机组通过第二循环水泵、第二阀门连接。

在一些实施例中，第二能源端还包括第三循环水泵、第三阀门、第四阀门，太阳能集热板通过第三阀门、第四阀门、第三循环水泵与蓄热水箱连接。

在一些实施例中，第三能源端还包括第四循环水泵、第五循环水泵、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门，风冷热泵机组通过第五阀门、第六阀门和第四循环水泵与蓄热水箱连接，风冷热泵机组通过第七阀门、第八阀门、第九阀门和第五循环水泵与空调器末端连接，空调器末端通过第十阀门与蓄热水箱连接。

在一些实施例中，蓄热水箱通过第六循环水泵、第十一阀门与空调器末端连接，蓄热水箱通过第七循环水泵、第十二阀门与热水供应末端连接，蓄热水箱通过第八循环水泵、第十三阀门与地板辐射采暖末端连接，蓄热水箱通过第九循环水泵、第十四阀门与散热器采暖末端连接。

在一些实施例中，补给水通过第十循环水泵、第十五阀门与第一能源端、第二能源端、第三能源端连接。

在一些实施例中，地铁复合能源多功能末端热泵系统还包括控制系统，控制系统包括温度监测器、水量监测器、阀门控制器、机组控制器、水泵控制器和中央处理装置，太阳能集热板的出口、蓄热水箱的出口设置温度监测器，蓄热水箱内设置水量监测器，第一至第十六阀门均设置阀门控制器，风冷热泵机组设置机组控制器，第一至第十一水泵设置水泵控制器，温度监测器、水量监测器、阀门控制器、机组控制器、水泵控制器分别与中央处理装置连接。

温度监测器把监测到的温度信息传送给中央处理装置，中央处理装置根据反馈的信息控制不同的阀门、机组和水泵，水量监测器实时监测蓄热水箱的水量信息，并把信息传送给中央处理装置，中央处理装置根据情况控制补给水泵和相关阀门。

在一些实施例中，毛细管前端换热器中毛细管管间距10mm，毛细管铺设于地铁隧道围岩一衬与二衬之间，并在毛细管外和二衬之间铺有一层防水板，每根毛细管内流速为0.05-0.2m/s。

利用上述地铁复合能源多功能末端热泵系统的供能方法，具体步骤为：

打开第一阀门，地铁毛细管热泵机组吸收地铁隧道内的废热加热热水，打开第二阀门，热水进入蓄热水箱，打开第十二阀门和第七循环水泵；

夏季，中央处理装置控制相应的控制器打开第七阀门、第八阀门、第九阀门和第五循环水泵，风冷热泵机组为空调器末端提供冷量；当太阳能集热板的出口水温大于或等于60℃，中央处理装置则控制相应的控制器打开第三循环水泵、第三阀门和第四阀门，蓄热水箱中的循环水流回太阳能集热板和地铁毛细管热泵机组，吸收太阳能和地铁废热；若太阳能集热板的出口水温低于60℃，中央处理装置控制相应的控制器关闭第三阀门、第四阀门、第三循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回地铁毛细管热泵机组，利用地铁废热热量，为热水供应末端提供热水。

冬季，打开第十三阀门、第十四阀门、第八循环水泵、第九循环水泵，中央处理装置控制相应的控制器关闭第七阀门、第八阀门、第九阀门和第五循环水泵；当蓄热水箱的出口水温低于60℃时，若太阳能集热板出口温度监测器监测到出口水温大于或等于60℃，则中央处理装置控制相应的控制器开启第三阀门、第四阀门和第三循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回太阳能集热板和地铁毛细管热泵机组，吸收太阳能和地铁废热；若此时蓄热水箱出口水温仍低于60℃，则中央处理装置控制相应的控制器开启第五阀门、第六阀门和第四循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回风冷热泵机组、太阳能集热板和地铁毛细管热泵机组，由三个能源端共同为空调器末端、热水供应末端、地板辐射采暖末端、散热器采暖末端提供热量；若太阳能集热板出口温度监测器监测到出口水温小于60℃，中央处理装置控制相应的控制器开启第五阀门、第六阀门和第四循环水泵，关闭第三阀门、第四阀门和第三循环水泵，循环水流回风冷热泵机组、地铁毛细管热泵机组，由第一、三能源端为多功能末端提供热量。

过渡季，中央处理装置控制相应的控制器关闭第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十三阀门、第十四阀门、第五循环水泵、第八循环水泵和第九循环水泵；若太阳能集热板温度监测器监测到出口水温低于60℃，中央处理装置控制相应的控制器关闭第三阀门、第四阀门和第三循环水泵，若此时蓄热水箱出口水温低于60℃，中央处理装置控制相应的控制器开启第五阀门、第六阀门和第四循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回风冷热泵机组、地铁毛细管热泵机组，由第一、三能源端提供热量；若此时蓄热水箱出口水温大于60℃，中央处理装置控制相应的控制器关闭第五阀门、第六阀门和第四循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回地铁毛细管热泵机组，由第一能源端提供热量；若太阳能集热板温度监测器监测到出口水温大于或等于60℃，中央处理装置控制相应的控制器开启第三阀门、第四阀门和第三循环水泵，蓄热水箱中的循环水流回太阳能集热板、地铁毛细管热泵机组，由第一、二能源端提供热量。

地铁毛细管热泵机组需常年运行，为地铁隧道降温散热。

在一些实施例中，蓄热水箱出口温度监测器若监测到出口水温大于60℃，则中央处理装置控制相应的控制器打开第十一循环水泵和第十六阀门；蓄热水箱出口温度监测器若监测到出口水温小于或等于60℃，则中央处理装置控制相应的控制器关闭第十一循环水泵和第十六阀门。

根据不同的出水温度调整相应的流量，保证进入末端用户设备的水温保持在60℃；若蓄热水箱出水温度等于60℃，则关闭第十一循环水泵和第十六阀门。

在一些实施例中，若蓄热水箱的水量低于设定值，则中央处理装置控制相应的控制器开启第十循环水泵和第十五阀门。

本发明的有益效果：

本发明克服了地铁隧道降温中，常规冷却塔设置限制和土壤源热泵埋管打孔困难的缺点，与辅助冷热源配合，构成复合能源系统，既有效解决了地铁隧道内热堆积问题，还能够满足不同季节的多用途末端的冷热需求，具有热利用效率高、环保、经济高效等优点。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的地铁复合能源多功能末端热泵系统结构示意图；

图2为本发明夏季工况流程图；

图3为本发明冬季工况流程图；

图4为本发明过渡季工况流程图；

图5为本发明的补给水泵运行流程图；

图6为本发明的控制系统结构示意图；

其中，1、毛细管前端换热器，2、地铁毛细管热泵机组，3、太阳能集热板，4、风冷热泵机组，5、蓄热水箱，6、空调器末端，7、热水供应末端，8、地板辐射采暖末端，9、散热器采暖末端，10、第一循环水泵，11、第二循环水泵，12、第三循环水泵，13、第四循环水泵，14、第五循环水泵，15、第六循环水泵，16、第七循环水泵，17、第八循环水泵，18、第九循环水泵，19、第十循环水泵，20、第十一循环水泵，21、第一阀门，22、第二阀门，23、第三阀门，24、第四阀门，25、第五阀门，26、第六阀门，27、第七阀门，28、第八阀门，29、第九阀门，30、第十阀门，31、第十一阀门，32、第十二阀门，33、第十三阀门，34、第十四阀门，35、第十五阀门，36、第十六阀门。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

如图1所示，一种采用毛细管换热器的地铁复合能源多功能末端热泵系统，包括能源端和用户末端、蓄热水箱5，第一能源端包括铺设于隧道围岩内的毛细管前端换热器1和地铁毛细管热泵机组2，第二能源端包括太阳能集热板3，第三能源端包括风冷热泵机组4，用户末端包括空调器末端6、热水供应末端7、地板辐射采暖末端8、散热器采暖末端9，第一能源端、第二能源端、第三能源端分别与蓄热水箱5的入水口连接，蓄热水箱5的出水口分别与空调器末端6、热水供应末端7、地板辐射采暖末端8、散热器采暖末端9连接，空调器末端6、地板辐射采暖末端8、散热器采暖末端9的出水口分别通过第一回水管路与蓄热水箱5连接，空调器末端6通过第二回水管路与第三能源端连接。

进一步的，第一能源端还包括第一循环水泵10、第二循环水泵11、第一阀门21、第二阀门22，毛细管前端换热器1的出口通过第一循环水泵10、第一阀门21与地铁毛细管热泵机组2连接，蓄热水箱5与地铁毛细管热泵机组2通过第二循环水泵11、第二阀门22连接。

进一步的，第二能源端还包括第三循环水泵12、第三阀门23、第四阀门24，太阳能集热板3通过第三阀门23、第四阀门24、第三循环水泵12与蓄热水箱5连接。

进一步的，第三能源端还包括第四循环水泵13、第五循环水泵14、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27、第八阀门28、第九阀门29、第十阀门30，风冷热泵机组通过第四循环水泵13、第五阀门25、和第六阀门26与蓄热水箱5连接，风冷热泵机组4通过第七阀门27、第八阀门28、第九阀门29和第五循环水泵14与空调器末端6连接，空调器末端6通过第十阀门30与蓄热水箱5连接。

进一步的，蓄热水箱5通过第六循环水泵15、第十一阀门31与空调器末端6连接，蓄热水箱5通过第七循环水泵16、第十二阀门32与热水供应末端7连接，蓄热水箱5通过第八循环水泵17、第十三阀门33与地板辐射采暖末端8连接，蓄热水箱5通过第九循环水泵18、第十四阀门34与散热器采暖末端9连接。

进一步的，补给水通过第十循环水泵19、第十五阀门35分别与第一能源端、第二能源端、第三能源端连接。

进一步的，地铁复合能源多功能末端热泵系统还包括控制系统，控制系统包括温度监测器、水量监测器、阀门控制器、机组控制器、水泵控制器和中央处理装置，太阳能集热板的出口、蓄热水箱的出口设置温度监测器，蓄热水箱内设置水量监测器，第一至第十六阀门均设置阀门控制器，风冷热泵机组设置机组控制器，第一至第十一水泵设置水泵控制器，温度监测器、水量监测器、阀门控制器、机组控制器、水泵控制器分别与中央处理装置连接。

进一步的，毛细管前端换热器中毛细管管间距10mm，毛细管铺设于地铁隧道围岩一衬与二衬之间，并在毛细管外和二衬之间铺有一层防水板。每根毛细管内流速为0.05～0.2m/s。毛细管规格为4.3×0.85mm，管材采用ppr管材或pe-rt管材，毛细管内流动状态均为层流。

实施例2

利用实施例1的地铁复合能源多功能末端热泵系统的供能方法：

如图2所示，夏季工况：打开第一阀门21、第二阀门22、第七阀门27、第八阀门28、第九阀门29、第十二阀门32。地铁毛细管热泵机组2通过毛细管前端换热器1吸收来自围岩土壤和地铁车站内空气的热量，地铁毛细管热泵机组2为隧道冷却降温的同时，制取热水，通过管道把热水送入蓄热水箱5，太阳能集热板3利用获得的太阳辐射能量加热热水，地铁车站空调器末端6在夏季时需要供冷，风冷热泵机组4通过第七阀门27、第八阀门28、第九阀门29和第五循环水泵14为地铁车站空调器末端6提供冷量。太阳能集热板3出口温度监测器若监测到出口水温低于60℃，则把温度信息传送给中央处理装置，中央处理装置控制相应的控制器关闭第三循环水泵12和第三阀门23、第四阀门24，单独由地铁毛细管热泵机组2向蓄热水箱5提供热水；若监测到太阳能集热板3出口水温大于或等于60℃，中央处理装置则控制相应的控制器打开第三循环水泵12和第三阀门23、第四阀门24，由地铁毛细管热泵机组2和太阳能集热板3共同向蓄热水箱5提供热水。

如图3所示，冬季工况：打开第一阀门21、第二阀门22、第十阀门30、第十一阀门31、第十二阀门32、第十三阀门33、第十四阀门34，此时空调器末端6、热水供应用户末端7、地板辐射采暖用户末端8、散热器采暖用户末端9均需要提供热水，热需求量较大，地铁毛细管热泵机组2一直运行，为隧道降温的同时，为末端用户提供热量。如供热量不足，即蓄热水箱5出口温度监测器监测到出口水温低于60℃，则需要开启太阳能集热板3或风冷热泵机组4，若太阳能集热板3出口温度监测器监测到出口水温大于或等于60℃，则中央处理装置控制相应的控制器开启第三阀门23、第四阀门24和第三循环水泵12，若此时蓄热水箱5出口水温仍低于60℃，则同时开启风冷热泵机组4，具体方式为打开第五阀门25、第六阀门26和第四循环水泵13；若太阳能集热板3出口温度监测器监测到出口水温小于60℃，则开启风冷热泵机组4。

如图4所示，过渡季工况：开启第一阀门21、第二阀门22、第十二阀门32，过渡季工况时，只有热水供应用户末端7存在热需求，因此开启地铁毛细管热泵机组2为地铁降温的同时，为热水供应末端7提供热量。同时，太阳能集热板3温度监测器若监测到出口水温低于60℃，则根据蓄热水箱5出口的温度监测器监测到的水温是否低于60℃来决定是否开启风冷热泵机组4，若低于60℃则开启风冷热泵机组4，若大于或等于60℃，则只需地铁毛细管热泵机组2供水即可满足热水供应末端7的热量需求；若太阳能集热板3温度监测器监测到出口水温大于或等于60℃，则开启太阳能集热板3。

蓄热水箱5出口温度监测器若监测到出口水温大于60℃，中央处理装置控制相应的控制器打开第十一循环水泵20和第十六阀门36，根据不同的出水温度调整b端自来水进水量，保证进入末端用户设备的水温保持在60℃；若蓄热水箱5出水温度等于60℃，则关闭第十一循环水泵20和第十六阀门36。

水量监测器将蓄热水箱5的水量信息传至中央处理装置，若水量低于设定值，则开启第十循环水泵19和第十五阀门35向系统补水。

如图5所示，为本发明地铁复合能源多功能末端热泵系统的补给水泵的运行流程图，所述补给水泵为第十循环水泵19，当蓄热水箱的水量低于设定值，中央处理装置控制开启第十循环水泵19，向蓄热水箱内补充水，如果蓄热水箱的水量没有低于设定值，第十循环水泵19则关闭。

如图6所示，中央处理装置根据温度监测器和水量监测器得到的信息进行控制，分别控制第一至第十六阀门的阀门控制器，地铁毛细管热泵机组和风冷热泵机组的机组控制器，第一至第十一循环水泵的水泵控制器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。