本發(fā)明屬于中低溫地熱能利用領域，尤其涉及一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)及實現方法。

背景技術：

我國具有豐富的地熱資源，且呈現以中低溫為多的分布特征。隨著能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，淺層地熱資源已經在我國有了較廣泛的應用，淺層井下換熱器、土壤源等地埋管換熱技術已經得以推廣應用。同時，深層地熱利用也亦逐漸引起人們的重視，跨臨界朗肯循環(huán)在深層地熱的轉化利用引起廣泛關注。

地熱跨臨界朗肯循環(huán)中循環(huán)工質沸點低，可充分利用地下熱水、油田廢井等中低品位能源，系統(tǒng)結構簡單，效率高。但目前普遍使用帶中間介質回路的蒸發(fā)過程，循環(huán)段蒸發(fā)、換熱損失大。同時，大量的冷凝放熱通過冷卻塔釋放于大氣，造成了熱量的損失及熱污染，同時降低了系統(tǒng)的效率。另外，傳統(tǒng)的地源熱泵淺層地熱利用方面由于往往存在冬夏釋放熱的差異帶來的淺層土壤熱堆積、不平衡的問題，帶來系統(tǒng)性能的惡化及環(huán)境的污染。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)及實現方法。

本發(fā)明的第一個技術方案是：基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)，包括高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)和跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)，所述高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)包括依次串接的換向閥、壓縮機、冷凝器/蒸發(fā)器、節(jié)流閥、熱泵用地埋管和換熱器Ⅰ；所述跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括依次串接的膨脹機、換熱器Ⅰ、發(fā)電用地埋管、工質泵、儲液罐和換熱器Ⅱ，還包括發(fā)電機，

所述膨脹機的一側與所述發(fā)電機同軸連接，另一側通過可調聯軸器嚙合驅動所述高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)的壓縮機；

所述熱泵用地埋管與發(fā)電用地埋管組成淺層地埋管陣列，保證冷熱的平衡交換；

所述淺層地埋管陣列和換熱器Ⅱ組成地熱能獲取系統(tǒng)；

所述換熱器Ⅰ的第一連接管和第二連接管分別與所述膨脹機和發(fā)電用地埋管連接；所述換熱器Ⅰ的第三連接管和第四連接管分別與所述熱泵用地埋管和換向閥連接；

所述冷凝器/蒸發(fā)器的第Ⅰ連接管和第Ⅱ連接管分別與所述換向閥和節(jié)流閥連接；所述冷凝器/蒸發(fā)器的第Ⅲ連接管和第Ⅳ連接管分別與用戶和熱/冷水泵連接。

所述換熱器Ⅱ位于地熱井內。

根據異常區(qū)地熱梯度，所述換熱器Ⅱ利用深層地熱資源，設置于地下200-3000米。

所述發(fā)電用地埋管利用淺層地熱資源，設置于地下0-200米。

所述淺層地埋陳列為U型套管換熱器結構，發(fā)電用介質和熱泵用介質逆流布置，垂直或水平放置。

本發(fā)明的第二個技術方案是：一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)的實現方法：包括發(fā)電和供暖模式；

其中，發(fā)電模式采用朗肯循環(huán)，具體如下：

(a)、跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以如二氧化碳低沸點類的工質為工質，由換熱器Ⅱ向80℃以上的水熱型深層地熱熱儲取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳氣體；

(b)、高溫高壓的二氧化碳氣體進入膨脹機，推動膨脹機轉動，帶動發(fā)電機發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經過換熱器Ⅰ熱交換獲得冷量，再通過發(fā)電用地埋管向淺層土壤儲層放熱，冷凝為15_～20℃的低溫液體二氧化碳；

(d)、低溫液體二氧化碳通過工質泵泵入儲液罐；

(e)、再次進入換熱器Ⅱ，實現循環(huán)做功發(fā)電；

其中，供暖模式采用熱泵循環(huán)，具體如下：

(a)、換向閥轉向供暖模式，熱泵系統(tǒng)進入制熱工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機與高溫熱泵供熱子系統(tǒng)的壓縮機之間經可調聯軸器嚙合連接，膨脹機直接驅動壓縮機,吸入熱泵用地埋管中的二氧化碳氣體；

(b)、熱泵用地埋管中的二氧化碳氣體經過換熱器Ⅰ熱交換獲得熱量提高干度至過熱，并保證3_～10℃的過熱度后，經過換向閥后被壓縮機吸入，提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(c)、二氧化碳氣體進入冷凝器向建筑熱源的熱水放熱，提高熱水的溫度大于50℃的同時，二氧化碳氣體冷凝為二氧化碳液體；

(d)、經節(jié)流閥降壓后，再次進入熱泵用地埋管吸熱，蒸發(fā)為二氧化碳氣體，再次被壓縮機吸入，實現制熱循環(huán)。

所述膨脹機乏汽與所述熱泵用地埋管乏汽在所述換熱器Ⅰ為逆向熱交換。

本發(fā)明的第三個技術方案是：一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)的實現方法：包括發(fā)電和制冷模式；

其中，發(fā)電模式采用朗肯循環(huán)，具體如下：

(a)、跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以如二氧化碳低沸點類的工質為工質，由換熱器Ⅱ向80℃以上的水熱型深層地熱熱儲取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳氣體；

(b)、高溫高壓的二氧化碳氣體進入膨脹機，推動膨脹機轉動，帶動發(fā)電機發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經過換熱器Ⅰ熱交換獲得冷量，再通過發(fā)電用地埋管向淺層土壤儲層放熱，冷凝為15_～20℃的低溫液體二氧化碳；

(d)、低溫液體二氧化碳通過工質泵泵入儲液罐；

(e)、再次進入換熱器Ⅱ，實現循環(huán)做功發(fā)電；

其中，制冷模式采用熱泵循環(huán)，具體如下：

(a)、換向閥轉向制冷模式，熱泵系統(tǒng)進入制冷工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機與高溫熱泵制冷子系統(tǒng)的壓縮機之間經可調聯軸器嚙合連接，膨脹機直接驅動壓縮機，蒸發(fā)器中的二氧化碳氣體經過換向閥后被壓縮機提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(b)、壓縮機中的高溫高壓二氧化碳氣體經過換熱器Ⅰ后直接進入熱泵用地埋管，經放熱后變?yōu)楦邷馗邏憾趸家后w；

(c)、二氧化碳液體經節(jié)流閥降壓后，再次進入蒸發(fā)器向建筑冷源的冷水吸熱，降低冷水的溫度小于10℃的同時，二氧化碳液體蒸發(fā)為二氧化碳氣體，再次被壓縮機吸入，實現制冷循環(huán)。

所述膨脹機乏汽與所述熱泵用地埋管乏汽在所述換熱器Ⅰ為同向熱交換。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明膨脹機與壓縮機聯動，實現了朗肯正循環(huán)和熱泵逆循環(huán)耦合和靈活切換，滿足不同季節(jié)建筑冷熱電負荷；同時省略熱泵系統(tǒng)的電動機及逆變器等設備，大大提高系統(tǒng)轉化效率。

2、本發(fā)明跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以如二氧化碳低沸點類工質為工質，由深層井下換熱器向深層地熱熱儲取熱，通過發(fā)電用地埋管向淺層土壤熱儲放熱，替代了傳統(tǒng)跨臨界系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，系統(tǒng)不可逆損失減小。

3、本發(fā)明井下換熱器Ⅱ采用U型管，實現與地熱井熱水的高效換熱，且只取熱不取水，熱泵用地埋管和發(fā)電用地埋管順序合理布置，能夠有效地平衡跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和高溫熱泵供暖系統(tǒng)之間的熱量交換，避免土壤熱堆積，保證淺層土壤熱儲溫度平衡。

4、本發(fā)明跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機乏汽與高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)熱泵用地埋管的二氧化碳乏汽通過換熱器Ⅰ進行熱交換，通過換熱器逆流布置冷熱流體，能夠降低膨脹機乏汽溫度的同時調節(jié)壓縮機進氣過熱度，實現跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)膨脹功增大、冷凝負荷減小的同時，有效地保證了高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)壓縮機運行的可靠性及調節(jié)能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

附圖標記：1-地熱井、2-換熱器Ⅱ、3-膨脹機、4-發(fā)電機、5-換熱器Ⅰ、6-發(fā)電用地埋管、7-儲液罐、8-工質泵、9-可調聯軸器、10-壓縮機、11-冷凝器/蒸發(fā)器、12-節(jié)流閥、13-熱泵用地埋管、14-熱/冷水泵、15-建筑用戶、16-第一連接管17-第二連接管、18-第三連接管、19-第四連接管、20-第Ⅰ連接管、21-第Ⅱ連接管、22-第Ⅲ連接管、23-第Ⅳ連接管、24-換向閥。

具體實施方式

下面通過具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的實施例是為了更好地使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明，并不對本發(fā)明作任何的限制。

實施例：

如圖1所示，本發(fā)明基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)，包括高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)和跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng),所述高溫熱泵供熱子系統(tǒng)和跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)逆循環(huán)耦合,所述高溫熱泵制冷子系統(tǒng)和跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)正循環(huán)耦合；所述跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)選擇低沸點工質，本實施例使用二氧化碳工質，所述高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)以二氧化碳為制冷劑；所述高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)包括依次串接的換向閥24、壓縮機10、冷凝器/蒸發(fā)器11、節(jié)流閥12、熱泵用地埋管13和換熱器Ⅰ5(如圖1虛線部分所示)；所述跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括依次串接的膨脹機3、換熱器Ⅰ5、發(fā)電用地埋管6、工質泵8、儲液罐7、和換熱器Ⅱ2，還包括發(fā)電機4；所述膨脹機3的一側與所述發(fā)電機4同軸連接，轉動帶動發(fā)電，另一側通過可調聯軸器9嚙合驅動所述高溫熱泵供熱/制冷子系統(tǒng)的壓縮機10；所述換熱器Ⅱ2位于地熱井1內；所述熱泵用地埋管13與發(fā)電用地埋管6組成淺層地埋管陣列，保證冷熱平衡交換,所述淺層地埋陳列為U型套管換熱器結構，發(fā)電用介質和熱泵用介質逆流布置，所述淺層地埋陳列為垂直或水平放置，本實施例為垂直放置，所述淺層地埋管陣列和換熱器Ⅱ2組成地熱能獲取系統(tǒng)；所述膨脹機3乏汽與所述熱泵用地埋管13乏汽在所述換熱器Ⅰ5為逆向熱交換；本實施例發(fā)電用地埋管6設置于地下0-200米，根據異常區(qū)地熱梯度,換熱器Ⅱ2設置于地下200-3000米，換熱器Ⅱ2為U型管換熱器，換熱器Ⅰ5為列管式換熱器；所述換熱器Ⅰ5的第一連接管16和第二連接管17分別與所述膨脹機3和發(fā)電用地埋管6連接；所述換熱器Ⅰ5的第三連接管18和第四連接管19分別與所述熱泵用地埋管13和換向閥24連接；所述冷凝器/蒸發(fā)器11的第Ⅰ連接管20和第Ⅱ連接管21分別與所述換向閥24和節(jié)流閥12連接；所述冷凝器/蒸發(fā)器11的第Ⅲ連接管22和第Ⅳ連接管23分別與用戶15和熱/冷水泵14連接。

本發(fā)明的一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)的實現方法包括發(fā)電/供暖組合模式；

其中，發(fā)電模式采用朗肯循環(huán)，具體如下：

(a)、跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以如二氧化碳低沸點類的工質為工質，由換熱器Ⅱ2向80℃以上的水熱型深層地熱熱儲取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳氣體；

(b)、高溫高壓的二氧化碳氣體進入膨脹機3，推動膨脹機3轉動，帶動發(fā)電機4發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經過換熱器Ⅰ5熱交換獲得冷量，再通過發(fā)電用地埋管6向淺層土壤儲層放熱，冷凝為15_～20℃的低溫液體二氧化碳；

(d)、低溫液體二氧化碳通過工質泵8泵入儲液罐7；

(e)、再次進入換熱器Ⅱ2，實現循環(huán)做功發(fā)電；

其中，供暖模式采用熱泵循環(huán)，具體如下：

(a)、換向閥24轉向供暖模式，熱泵系統(tǒng)進入制熱工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機3與高溫熱泵供熱子系統(tǒng)的壓縮機10之間經可調聯軸器9嚙合連接，膨脹機3直接驅動壓縮機10，吸入熱泵用地埋管13中的二氧化碳氣體；

(b)、熱泵用地埋管13中的二氧化碳氣體經過換熱器Ⅰ5熱交換獲得熱量提高干度至過熱，并保證3～10℃的過熱度后，經過換向閥24后被壓縮機(10)吸入,提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(c)、二氧化碳氣體進入冷凝器11向建筑熱源15的熱水放熱，提高熱水的溫度大于50℃的同時，二氧化碳氣體冷凝為二氧化碳液體；

(d)、經節(jié)流閥12降壓后，再次進入熱泵用地埋管13吸熱，蒸發(fā)為二氧化碳氣體，再次被壓縮機10吸入，實現制熱循環(huán)。

所述膨脹機3乏汽與所述熱泵用地埋管13乏汽在所述換熱器Ⅰ5為逆向熱交換。

本發(fā)明的一種基于正逆循環(huán)深淺層地熱建筑冷熱電耦合系統(tǒng)的實現方法包括發(fā)電/供冷組合模式；

其中，發(fā)電模式采用朗肯循環(huán)，具體如下：

(a)、跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以如二氧化碳低沸點類的工質為工質，由換熱器Ⅱ2向80℃以上的水熱型深層地熱熱儲取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳氣體；

(b)、高溫高壓的二氧化碳氣體進入膨脹機3，推動膨脹機3轉動，帶動發(fā)電機4發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經過換熱器Ⅰ5熱交換獲得冷量，再通過發(fā)電用地埋管6向淺層土壤儲層放熱，冷凝為15_～20℃的低溫液體二氧化碳；

(d)、低溫液體二氧化碳通過工質泵8泵入儲液罐7；

(e)、再次進入換熱器Ⅱ2，實現循環(huán)做功發(fā)電；

其中，制冷模式采用熱泵循環(huán)，具體如下：

(a)、換向閥24轉向制冷模式，熱泵系統(tǒng)進入制冷工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機3與高溫熱泵制冷子系統(tǒng)的壓縮機10之間經可調聯軸器9嚙合連接，膨脹機3直接驅動壓縮機10，蒸發(fā)器11中的二氧化碳氣體經過換向閥24后被壓縮機10提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(b)、壓縮機10中的高溫高壓二氧化碳氣體經過換熱器Ⅰ5后直接進入熱泵用地埋管13，經放熱后變?yōu)楦邷馗邏憾趸家后w；

(c)、二氧化碳液體經節(jié)流閥12降壓后，再次進入蒸發(fā)器11向建筑冷源15的冷水吸熱，降低冷水的溫度小于10℃的同時，二氧化碳液體蒸發(fā)為二氧化碳氣體，再次被壓縮機10吸入，實現制冷循環(huán)。

所述膨脹機3乏汽與所述熱泵用地埋管13乏汽在所述換熱器Ⅰ5為同向熱交換。

應當理解的是，這里所討論的實施方案及實例只是為了說明，對本領域技術人員來說，可以加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。