一种太阳能与地热能耦合供能系统及运行方法与流程

1.本发明属于可再生能源综合利用技术领域，特别涉及一种太阳能与地热能耦合供能系统。


背景技术：

2.可再生能源的应用在减少化石能源使用、降低建筑碳排放方面起着举足轻重的作用，地热能与太阳能是目前应用较为广泛的两种可再生能源形式。
3.地源热泵系统是地热能利用的主要技术之一，其原理是将土壤作为巨大的冷热源，利用热泵技术将建筑中多余的冷热负荷转移至土壤，从而实现对建筑的供热、供冷。太阳能的利用技术主要有利用太阳能集热器加热热媒为用户供热，或采用光伏发电装置直接将光能转换为电能提供用户使用等。由于建筑冷热负荷不可能完全匹配，特别是对于供冷需求明显大于供热的夏热冬冷地区，长期使用地源热泵系统势必造成土壤“热堆积”的现象，导致取水温度不断上升、热泵能效明显下降、运行费用增加等一系列问题，最终将导致系统无法继续使用的结果。另一方面，太阳能利用技术受气象因素的影响非常大，特别是在冬季气温低、缺乏光照的条件下，太阳能光热或光伏系统均无法独立保证用能需求。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种太阳能与地热能耦合供能系统，该系统利用冷井中储存的冷量供冷/热井储存的热量供热，解决了土壤“热堆积”的现象导致的取水温度不断上升、热泵能效明显下降、运行费用增加以及单纯依靠太阳能供能可靠性不高等问题，用能保障率高，可满足不同负荷条件下用户的用能需求。
5.本发明的技术方案在于：一种太阳能与地热能耦合供能系统，包括冷井、地源热泵机组、板式换热器、太阳能集热场和热井，所述冷井通过管道分别与所述地源热泵机组、板式换热器相连通，所述太阳能集热场一端通过管道与所述热井相连通，另一端通过管道分别与地源热泵机组、板式换热器相连通，所述地源热泵机组与所述板式换热器通过管道相连通，所述板式换热器通过管道与用户末端相连通。
6.所述冷井与地源热泵机组之间的管路上依次设有冷井侧循环泵和冷井至地源热泵机组阀门，所述冷井与板式换热器之间的管路上依次设有冷井侧循环泵旁通阀门和板式换热器至冷井阀门。
7.所述地源热泵机组与所述板式换热器的管道上设有地源热泵机组至板式换热器阀门。
8.所述太阳能集热场与热井之间的管道上设有热井侧循环泵和热井侧循环泵旁通阀门，所述热井侧循环泵和热井侧循环泵旁通阀门通过管路并联。
9.所述太阳能集热场与地源热泵机组之间的管道上设有太阳能集热场至地源热泵机组阀门，所述太阳能集热场与板式换热器之间的管道上设有太阳能集热场至板式换热器阀门。
10.所述板式换热器与用户末端之间的管道上设有温度传感器和板式换热器至用户末端阀门。
11.一种太阳能与地热能耦合供能系统的运行方法，使用如上所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，包括如下步骤：s1：夏季供冷工况下，当供水温度低于或等于用户需求的供水温度时，表明冷井提供的冷量已满足用户的冷负荷，此时冷井直接提供冷水经板式换热器换热、为用户末端供冷，经板式换热器换热后的冷水在太阳能集热场加热升温后将热量储存在热井中，以供下一个冬季循环取热使用；当供水温度高于用户需求的供水温度时，表明冷井提供的冷量已不能满足用户的冷负荷，此时开启地源热泵机组，加大冷井冷水供应；s2：冬季供暖工况下，当供水温度高于或等于用户需求的供水温度时，表明热井提供的热量已满足用户的热负荷，此时热井直接提供的热水经板式换热器换热、为用户末端供热，经板式换热器换热降温后的热水储存在冷井中，以供下一个夏季循环取冷使用，当供水温度低于用户需求的供水温度时，表明热井提供的热量已无法满足用户的热负荷，此时开启地源热泵机组，加大热井热水供应。
12.本发明的技术效果在于：1.本发明在夏季供冷时，优先利用冷井中储存的冷量免费供冷，减少了制冷主机运行时间，降低了运行费用；主机冷却水经太阳能集热场加热后注入热井，可将大量热能储存在热井中，作为冬季免费供热的热源；2.本发明在冬季供热时，优先利用热井中储存的热量免费供热，减少了热泵主机的运行时间，降低了运行费用；主机冷冻水注入冷井可将大量冷量储存在冷井中，作为夏季免费供冷的冷源；3.本发明采用冷井、热井分别储冷、储热的方式，有效解决了土壤“热堆积”现象带来的一系列问题；4.本发明利用太阳能补热的方式，提高了热井供水温度，进一步提升了热泵制热能效，降低了运行费用；5.本发明采用地热能供能、储能与太阳能辅助供能耦合的方式，系统形式灵活多变，用能保障率高，可满足不同负荷条件下用户的用能需求。
13.以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
14.图1是本发明一种太阳能与地热能耦合供能系统示意图。
15.附图标记：1-冷井、2-地源热泵机组、3-板式换热器、4-用户末端、5-太阳能集热场、6-热井、7-冷井侧循环泵、8-热井侧循环泵、9-冷井侧循环泵旁通阀门、10-冷井至地源热泵机组阀门、11-板式换热器至冷井阀门、12-地源热泵机组至板式换热器阀门、13-太阳能集热场至地源热泵机组阀门、14-温度传感器、15-板式换热器至用户末端阀门、16-太阳能集热场至板式换热器阀门、17-热井侧循环泵旁通阀门。
具体实施方式实施例1
16.如图1所示，一种太阳能与地热能耦合供能系统，包括冷井1、地源热泵机组2、板式换热器3、太阳能集热场5和热井6，所述冷井1通过管道分别与所述地源热泵机组2、板式换热器3相连通，所述太阳能集热场5一端通过管道与所述热井6相连通，另一端通过管道分别
与地源热泵机组2、板式换热器3相连通，所述地源热泵机组2与所述板式换热器3通过管道相连通，所述板式换热器3通过管道与用户末端4相连通。
17.本发明在夏季供冷工况下，冷井1提供的冷水经板式换热器3换热、太阳能集热场5加热升温后将热量储存在热井6中，以供下一个冬季循环取热使用。冬季供暖工况下，热井6提供的热水经板式换热器3换热降温后将冷量储存在冷井1中，以供下一个夏季循环取冷使用。本发明在夏季供冷时，优先利用冷井1中储存的冷量免费供冷，减少了制冷主机运行时间，降低了运行费用；主机冷却水经太阳能集热场加热后注入热井，可将大量热能储存在热井6中，作为冬季免费供热的热源；在冬季供热时，优先利用热井6中储存的热量免费供热，减少了热泵主机的运行时间，降低了运行费用；主机冷冻水注入冷井1可将大量冷量储存在冷井中，作为夏季免费供冷的冷源；本发明采用冷井、热井分别储冷、储热的方式，有效解决了土壤“热堆积”现象带来的一系列问题；采用地热能供能、储能与太阳能辅助供能耦合的方式，系统形式灵活多变，用能保障率高，可满足不同负荷条件下用户的用能需求。
实施例2
18.在实施例1的基础上，本实施例中，优选地，所述冷井1与地源热泵机组2之间的管路上依次设有冷井侧循环泵7和冷井至地源热泵机组阀门10，所述冷井1与板式换热器3之间的管路上依次设有冷井侧循环泵旁通阀门9和板式换热器至冷井阀门11。
19.本发明冷井侧循环泵7和冷井至地源热泵机组阀门10用于控制冷井1与地源热泵机组2之间的管路，冷井侧循环泵旁通阀门9和板式换热器至冷井阀门11用于控制冷井1与板式换热器3之间的管路。
实施例3
20.在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中，优选地，所述地源热泵机组2与所述板式换热器3的管道上设有地源热泵机组至板式换热器阀门12。
21.本发明地源热泵机组至板式换热器阀门12用于控制地源热泵机组2与板式换热器3之间的管道。
实施例4
22.在实施例1或实施例3的基础上，本实施例中，优选地，所述太阳能集热场5与热井6之间的管道上设有热井侧循环泵8和热井侧循环泵旁通阀门17，所述热井侧循环泵8和热井侧循环泵旁通阀门17通过管路并联。
23.本发明热井侧循环泵8和热井侧循环泵旁通阀门17用于控制太阳能集热场5与热井6之间的管道。
实施例5
24.在实施例1或实施例4的基础上，本实施例中，优选地，所述太阳能集热场5与地源热泵机组2之间的管道上设有太阳能集热场至地源热泵机组阀门13，所述太阳能集热场5与板式换热器3之间的管道上设有太阳能集热场至板式换热器阀门16。
25.本发明太阳能集热场至地源热泵机组阀门13、太阳能集热场至板式换热器阀门16
分别用于控制太阳能集热场5与地源热泵机组2、太阳能集热场5与板式换热器3之间的管道。
实施例6
26.在实施例1或实施例5的基础上，本实施例中，优选地，所述所述板式换热器3与用户末端4之间的管道上设有温度传感器14和板式换热器至用户末端阀门15。
27.本发明温度传感器14用于检测板式换热器3对用户末端4的供水温度。
实施例7
28.一种太阳能与地热能耦合供能系统的运行方法，使用如上所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，包括如下步骤：s1：夏季供冷工况下，当供水温度低于或等于用户需求的供水温度时，表明冷井1提供的冷量已满足用户的冷负荷，此时冷井1直接提供冷水经板式换热器3换热、为用户末端4供冷，经板式换热器3换热后的冷水在太阳能集热场5加热升温后将热量储存在热井6中，以供下一个冬季循环取热使用；当供水温度高于用户需求的供水温度时，表明冷井1提供的冷量已不能满足用户的冷负荷，此时开启地源热泵机组2，加大冷井1冷水供应；s2：冬季供暖工况下，当供水温度高于或等于用户需求的供水温度时，表明热井6提供的热量已满足用户的热负荷，此时热井6直接提供的热水经板式换热器3换热、为用户末端4供热，经板式换热器3换热降温后的热水储存在冷井1中，以供下一个夏季循环取冷使用，当供水温度低于用户需求的供水温度时，表明热井6提供的热量已无法满足用户的热负荷，此时开启地源热泵机组2，加大热井6热水供应所述步骤s1中，具体的在夏季供冷工况下，当温度传感器14检测到供水温度低于或等于用户需求的供水温度时，表明冷井1提供的冷量已满足用户的冷负荷，此时冷井侧循环泵7、板式换热器至冷井阀门11、板式换热器至用户末端阀门15、太阳能集热场至板式换热器阀门16、热井侧循环泵旁通阀门17打开，热井侧循环泵8以及其余阀门关闭。这种工况下冷井1提供的冷水经板式换热器3换热、太阳能集热场5加热升温后将热量储存在热井6中，以供下一个冬季循环取热使用。夏季供冷工况下，当温度传感器14检测到供水温度高于用户需求的供水温度时，表明冷井1提供的冷量已不能满足用户的冷负荷，此时冷井侧循环泵7、冷井至地源热泵机组阀门10、地源热泵机组至板式换热器阀门12、太阳能集热场至地源热泵机组阀门13、板式换热器至用户末端阀门15、热井侧循环泵旁通阀门17打开，热井侧循环泵8以及其余阀门也均关闭。这种工况下冷井1提供的冷水经地源热泵机组2换热、太阳能集热场5加热升温后将热量储存在热井6中，以供下一个冬季循环取热使用。
29.所述步骤s2中，具体的在冬季供暖工况下，当温度传感器14检测到供水温度高于或等于用户需求的供水温度时，表明热井提供的热量已满足用户的热负荷，此时热井侧循环泵8、冷井侧循环泵旁通阀门9、板式换热器至冷井阀门11、板式换热器至用户末端阀门15、太阳能集热场至板式换热器阀门16打开，冷井侧循环泵7以及其余阀门也均关闭。这种工况下热井6提供的热水经板式换热器3换热降温后将冷量储存在冷井1中，以供下一个夏季循环取冷使用。冬季供暖工况下，当温度传感器14检测到供水温度低于用户需求的供水温度时，表明热井提供的热量已无法满足用户的热负荷，此时热井侧循环泵8、冷井侧循环
泵旁通阀门9、冷井至地源热泵机组阀门10、地源热泵机组至板式换热器阀门12、太阳能集热场至地源热泵机组阀门13打开，冷井侧循环泵7以及其余阀门也均关闭。这种工况下热井6提供的热水经地源热泵机组2换热降温后将冷量储存在冷井1中，以供下一个夏季循环取冷使用。
30.本发明在夏季供冷时，优先利用冷井1中储存的冷量免费供冷，减少了制冷主机运行时间，降低了运行费用；主机冷却水经太阳能集热场加热后注入热井，可将大量热能储存在热井6中，作为冬季免费供热的热源；在冬季供热时，优先利用热井6中储存的热量免费供热，减少了热泵主机的运行时间，降低了运行费用；主机冷冻水注入冷井1可将大量冷量储存在冷井中，作为夏季免费供冷的冷源；本发明采用冷井、热井分别储冷、储热的方式，有效解决了土壤“热堆积”现象带来的一系列问题；采用地热能供能、储能与太阳能辅助供能耦合的方式，系统形式灵活多变，用能保障率高，可满足不同负荷条件下用户的用能需求。
31.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：包括冷井（1）、地源热泵机组（2）、板式换热器（3）、太阳能集热场（5）和热井（6），所述冷井（1）通过管道分别与所述地源热泵机组（2）、板式换热器（3）相连通，所述太阳能集热场（5）一端通过管道与所述热井（6）相连通，另一端通过管道分别与地源热泵机组（2）、板式换热器（3）相连通，所述地源热泵机组（2）与所述板式换热器（3）通过管道相连通，所述板式换热器（3）通过管道与用户末端（4）相连通。2.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：所述冷井（1）与地源热泵机组（2）之间的管路上依次设有冷井侧循环泵（7）和冷井至地源热泵机组阀门（10），所述冷井（1）与板式换热器（3）之间的管路上依次设有冷井侧循环泵旁通阀门（9）和板式换热器至冷井阀门（11）。3.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：所述地源热泵机组（2）与所述板式换热器（3）的管道上设有地源热泵机组至板式换热器阀门（12）。4.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：所述太阳能集热场（5）与热井（6）之间的管道上设有热井侧循环泵（8）和热井侧循环泵旁通阀门（17），所述热井侧循环泵（8）和热井侧循环泵旁通阀门（17）通过管路并联。5.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：所述太阳能集热场（5）与地源热泵机组（2）之间的管道上设有太阳能集热场至地源热泵机组阀门（13），所述太阳能集热场（5）与板式换热器（3）之间的管道上设有太阳能集热场至板式换热器阀门（16）。6.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：所述板式换热器（3）与用户末端（4）之间的管道上设有温度传感器（14）和板式换热器至用户末端阀门（15）。7.一种太阳能与地热能耦合供能系统的运行方法，使用如权利要求1~6所述一种太阳能与地热能耦合供能系统，其特征在于：包括如下步骤：s1：夏季供冷工况下，当供水温度低于或等于用户需求的供水温度时，表明冷井（1）提供的冷量已满足用户的冷负荷，此时冷井（1）直接提供冷水经板式换热器（3）换热、为用户末端（4）供冷，经板式换热器（3）换热后的冷水在太阳能集热场（5）加热升温后将热量储存在热井（6）中，以供下一个冬季循环取热使用；当供水温度高于用户需求的供水温度时，表明冷井（1）提供的冷量已不能满足用户的冷负荷，此时开启地源热泵机组（2），加大冷井（1）冷水供应；s2：冬季供暖工况下，当供水温度高于或等于用户需求的供水温度时，表明热井（6）提供的热量已满足用户的热负荷，此时热井（6）直接提供的热水经板式换热器（3）换热、为用户末端（4）供热，经板式换热器（3）换热降温后的热水储存在冷井（1）中，以供下一个夏季循环取冷使用，当供水温度低于用户需求的供水温度时，表明热井（6）提供的热量已无法满足用户的热负荷，此时开启地源热泵机组（2），加大热井（6）热水供应。

技术总结
本发明属于可再生能源综合利用技术领域，特别涉及一种太阳能与地热能耦合供能系统及运行方法。一种太阳能与地热能耦合供能系统，包括冷井、地源热泵机组、板式换热器、太阳能集热场和热井，冷井通过管道分别与地源热泵机组、板式换热器相连通，太阳能集热场一端通过管道与热井相连通，另一端通过管道分别与地源热泵机组、板式换热器相连通，地源热泵机组与板式换热器通过管道相连通，板式换热器通过管道与用户末端相连通。本发明利用冷井中储存的冷量供冷/热井储存的热量供热，解决了土壤“热堆积”的现象导致的取水温度不断上升、热泵能效明显下降、运行费用增加的问题，用能保障率高，可满足不同负荷条件下用户的用能需求。可满足不同负荷条件下用户的用能需求。可满足不同负荷条件下用户的用能需求。


技术研发人员：高潮 刘轩 马勃 贺镇 吕佼佼 李艳斌 兰博 杨晨波
受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/9