基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统技术方案

基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，由土壤源分级蓄热系统、太阳能系统、超高效热泵、室内末端及管路系统组成，其中土壤源蓄热分为内圈高温区、中圈中温区和外圈低温区三部分，非采暖期可分别接受来自工业企业的高温、中温和低温余热源进行蓄热，太阳能可对中温区蓄热。采暖期高温区蓄热及高温余热源可联合对室内高温末端供暖；中温区蓄热及中温余热源可联合对中温末端供暖；低温区蓄热及低温余热源可联合对低温末端供暖；热泵机组可吸收低温区蓄热及低温余热源制热并对高、中温末端供暖；太阳能可直接对中温末端供暖。该专利可实现基于工业余热及太阳能的清洁能源跨季节供热，与传统供热方式相比可节能80%～90%以上。～90%以上。～90%以上。

【技术实现步骤摘要】
基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统


[0001]本专利涉及基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，属于双碳清洁供热


技术介绍

[0002]充分利用高耗能工业企业的各类余热资源，和太阳能、地热能等自然能源，成为大幅降低化石能源供热的主要替代形式之一。
[0003]根据有关研究和报道，估算主要的余热资源来源及其规模如下。
[0004]核电余热：我国未来将在东部沿海地区建成2亿kW的核电，其中至少有1亿kW建设于从连云港到大连的北方沿海地区。发电量预计为7500
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8000亿kWh。按照热电比1.2计算，全年可产生热量约为32亿GJ。
[0005]火电余热：为了保证大规模可再生能源接入条件下的电网稳定性，预计未来我国将保留6亿kW的火电，年发电量1.5万亿kWh，考虑到其中一半位于北方地区，冬季提供余热量约为18亿GJ。
[0006]工业余热：未来我国保留的冶金、化工、建材生产过程中产生的工业余热约为15亿GJ。
[0007]对上述热量进行利用，考虑能够回收其中70%，则可用于城镇供热的热量约为45亿GJ（其中16亿GJ是在非采暖季进行储存，供暖季提取进行供热）。结合垃圾焚烧，中水水源热泵等技术，能够实现55亿GJ的总供热量。其余部分的供热量缺口可考虑以各种类型的热泵为主的分散式采暖方式提供。
[0008]另一方面，高耗能工业企业往往全年生产，或者主要集中在非采暖期投产、冬季降低产量乃至停产；太阳能也是非采暖期热量更足、冬季则大幅降低。如此之大的更高品位的能源可否转用于冬季供暖，一直是一个悬而未决的问题，其关键问题是解决跨季节大规模蓄能的方法问题，其中特别突出的问题是合适的蓄能介质及系统初投资、运行费用的有效降低。
[0009]目前已有科研院所和地方政府部门及企业进行各种跨季节储热技术方案的探讨和试验研究，主要包括：大型储热水箱跨季节储热、地下含水层跨季节储热、地埋管跨季节储热、岩石类跨季节储热、人工含水层跨季节储热等，各类技术方案都有一定的可实施性，但均需要综合考虑实施的技术条件、能源价格等，需要改善其技术经济效果。
[0010]室内供热末端的形式及运行参数也随着节能建筑的推广而变化，例如地板采暖方式占比越来越大，更有利于利用低品位余热供热、或热泵供热，更有利于减少和取代化石能源供热。同时，许多工业车间、地下室等辅助用房、乃至一些原本不供暖的农村住房、蔬菜花卉大棚温室、放假后的学校等有关单位等，往往只需要将室温控制在不低于5～10℃的值班采暖水平即可满足需求，此时其供水温度只要达到20～30℃即可满足需求。另外，如果采用清华大学正在开发的主动控温式节能建筑结构，即墙体、窗体等建筑围护结构的内部设置嵌管式换热结构，只需10～20℃的低温热源水即可满足保温供暖需求。如墙体内壁面或顶
板采用低温辐射末端供暖，则其供水温度只要达到20～30℃即可满足需求。

技术实现思路

[0011]本专利的目的和任务是，设计一种新型的基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，结合跨季节蓄能和建筑节能及供热技术，构建一套碳中和背景下的全新的复合热源的柔性清洁供热方法和技术体系，将有望助力供热领域的碳中和目标的实现。
[0012]本专利的具体描述是：基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，其特征在于，该复合热源柔性清洁供热系统由土壤源分级蓄热系统、太阳能系统、超高效热泵、室内末端及管路系统组成，其中土壤源分级蓄热系统由3组地埋管管组组成，其中内圈地层蓄热区A为高温区蓄热管组1，中圈地层蓄热区B为中温区蓄热管组2，外圈地层蓄热区C为低温区蓄热管组3，高温区蓄热管组1和中温区蓄热管组2之间为虚拟高温分界线L1，中温区蓄热管组2和低温区蓄热管组3之间为虚拟中温分界线L2，室内采暖末端分为高温末端10、中温末端8和低温末端9，超高效热泵分为热泵5和二级热泵4，太阳能系统包括太阳能集热器7和蓄热水罐6，其中高温区蓄热管组1的进水口与高温余热来水A1的管路相通，并通过高温泵P1与高温末端10的进水口相连，高温区蓄热管组1的出水口与高温余热退水A2的管路相通，并与高温末端10的出水口相连；中温区蓄热管组2的进水口与中温余热来水B1的管路相通，并通过中温泵P3与中温末端8的进水口相连，中温区蓄热管组2的出水口与中温余热退水B2的管路相通，并与中温末端10的出水口相连；低温区蓄热管组3的进水口与低温余热来水C1的管路相通，并通过低温泵P2与低温末端9的进水口和二级热泵4的蒸发器41的进水口相连，并通过一级热源泵P4和热泵5的蒸发器51的进水口相连，低温区蓄热管组3的出水口与低温余热退水C2的管路相通，并与低温末端9的出水口相连，与热泵5的蒸发器51的出水口和二级热泵4的蒸发器41的出水口相连；热泵5的冷凝器53的出水口通过一级采暖泵P5与中温末端8的进水口相连，热泵5的冷凝器53的进水口与中温末端8的出水口相连；二级热泵4的二级冷凝器43的出水口通过二级采暖泵P6与高温末端10的进水口相连，二级热泵4的二级冷凝器43的进水口与高温末端10的出水口相连；中温末端8的出水口还与太阳能集热器7的进水口相连，太阳能集热器7的出水口与蓄热水罐6的进水口相连，蓄热水罐6的出水口通过太阳能水泵P7与中温末端8的进水口相连。
[0013]复合热源柔性清洁供热系统的具体工作方法如下。
[0014]（一）在非采暖期蓄热的工作方法如下。
[0015]I．高温区蓄热管组1接受高温余热源的循环加热，高温余热源的来水温度55～90，并最终将其所属地下土壤区域加热到50～85℃，优选地，55～70℃。
[0016]II．中温区蓄热管组2接受中温余热源的循环加热，中温余热源的来水温度45～55，并最终将其所属地下土壤区域加热到40～50℃，优选地，45～50℃。
[0017]III．低温区蓄热管组3接受低温余热源的循环加热，低温余热源的来水温度30～40，并最终将其所属地下土壤区域加热到25～40℃，优选地，30～35℃。
[0018]IV．太阳能系统的太阳能集热器7和蓄热水罐6在有光照条件下向中温区蓄热管组2注入太阳能并蓄热，具体方法及流程如下：太阳能集热器7吸收太阳能并加热管内循环水，通过出水口送往蓄热水罐6内并蓄存，当蓄热水罐6内水温达到中温供水低限值后，开启太
阳能水泵P7并开启太阳能供水电动阀V2，且关闭中温末端进口阀V4、关闭中温末端出口阀V5、开启太阳能进水调节阀V3、太阳能蓄热电动阀V6、停运中温泵P3及开启中温旁通阀V1，将循环水送入到中温区蓄热管组2内并与周边土壤换热，放热冷却后的循环水自中温区蓄热管组2的出水口经太阳能蓄热电动阀V6及太阳能进水调节阀V3，返回太阳能集热器7继续由太阳能加热；但当蓄热水罐6内水温低于中温供水低限值后，则停运向中温区蓄热管组2注入太阳能，此时关闭中温旁通阀V1关闭太阳能蓄热电动阀V6，蓄热水罐6的出水经太阳能水泵P7、太阳能供水电动阀V2、太阳能循环调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，其特征在于，该复合热源柔性清洁供热系统由土壤源分级蓄热系统、太阳能系统、超高效热泵、室内末端及管路系统组成，其中土壤源分级蓄热系统由3组地埋管管组组成，其中内圈地层蓄热区（A）为高温区蓄热管组（1），中圈地层蓄热区（B）为中温区蓄热管组（2），外圈地层蓄热区（C）为低温区蓄热管组（3），高温区蓄热管组（1）和中温区蓄热管组（2）之间为虚拟高温分界线（L1），中温区蓄热管组（2）和低温区蓄热管组（3）之间为虚拟中温分界线（L2），室内采暖末端分为高温末端（10）、中温末端（8）和低温末端（9），超高效热泵分为热泵（5）和二级热泵（4），太阳能系统包括太阳能集热器（7）和蓄热水罐（6），其中高温区蓄热管组（1）的进水口与高温余热来水（A1）的管路相通，并通过高温泵（P1）与高温末端（10）的进水口相连，高温区蓄热管组（1）的出水口与高温余热退水（A2）的管路相通，并与高温末端（10）的出水口相连；中温区蓄热管组（2）的进水口与中温余热来水（B1）的管路相通，并通过中温泵（P3）与中温末端（8）的进水口相连，中温区蓄热管组（2）的出水口与中温余热退水（B2）的管路相通，并与中温末端（10）的出水口相连；低温区蓄热管组（3）的进水口与低温余热来水（C1）的管路相通，并通过低温泵（P2）与低温末端（9）的进水口和二级热泵（4）的蒸发器（41）的进水口相连，并通过一级热源泵（P4）和热泵（5）的蒸发器（51）的进水口相连，低温区蓄热管组（3）的出水口与低温余热退水（C2）的管路相通，并与低温末端（9）的出水口相连，与热泵（5）的蒸发器（51）的出水口和二级热泵（4）的蒸发器（41）的出水口相连；热泵（5）的冷凝器（53）的出水口通过一级采暖泵（P5）与中温末端（8）的进水口相连，热泵（5）的冷凝器（53）的进水口与中温末端（8）的出水口相连；二级热泵（4）的二级冷凝器（43）的出水口通过二级采暖泵（P6）与高温末端（10）的进水口相连，二级热泵（4）的二级冷凝器（43）的进水口与高温末端（10）的出水口相连；中温末端（8）的出水口还与太阳能集热器（7）的进水口相连，太阳能集热器（7）的出水口与蓄热水罐（6）的进水口相连，蓄热水罐（6）的出水口通过太阳能水泵（P7）与中温末端（8）的进水口相连。2.如权利要求1所述的基于跨季节分级蓄热的复合热源柔性清洁供热方法与系统，其特征在于所述的复合热源柔性清洁供热系统的具体工作方法如下：（一）在非采暖期蓄热的工作方法如下：I．高温区蓄热管组（1）接受高温余热源的循环加热，高温余热源的来水温度55～90，并最终将其所属地下土壤区域加热到50～85℃，优选地，55～70℃；II．中温区蓄热管组（2）接受中温余热源的循环加热，中温余热源的来水温度45～55，并最终将其所属地下土壤区域加热到40～50℃，优选地，45～50℃；III．低温区蓄热管组（3）接受低温余热源的循环加热，低温余热源的来水温度30～40，并最终将其所属地下土壤区域加热到25～40℃，优选地，30～35℃；IV．太阳能系统的太阳能集热器（7）和蓄热水罐（6）在有光照条件下向中温区蓄热管组（2）注入太阳能并蓄热，具体方法及流程如下：太阳能集热器（7）吸收太阳能并加热管内循环水，通过出水口送往蓄热水罐（6）内并蓄存，当蓄热水罐（6）内水温达到中温供水低限值后，开启太阳能水泵（P7）并开启太阳能供水电动阀（V2），且关闭中温末端进口阀（V4）、关闭中温末端出口阀（V5）、开启太阳能进水调节阀（V3）、太阳能蓄热电动阀（V6）、停运中温泵（P3）及开启中温旁通阀（V1），将循环水送入到中温区蓄热管组（2）内并与周边土壤换热，放热冷却后的循环水自中温区蓄热管组（2）的出水口经太阳能蓄热电动阀（V6）及太阳能进水
调节阀（V3），返回太阳能集热器（7）继续由太阳能加热；但当蓄热水罐（6）内水温低于中温供水低限值后，则停运向中温区蓄热管组（2）注入太阳能，此时关闭中温旁通阀（V1）关闭太阳能蓄热电动阀（V6），蓄热水罐（6）的出水经太阳能水泵（P7）、太阳能供水电动阀（V2）、太阳能循环调节阀（V7）后送入太阳能集热器（7）继续加热；如不再满足光照条件则关闭太阳能水泵（P7）；V．依据地下土壤的蓄热及传热特性，高温区蓄热管组（1）通过虚拟高温分界线（L1）向中温区蓄热管组（2）自然传热，中温区蓄热管组（2）通过虚拟高温分界线（L1）向低温区蓄热管组（3）自然传热；（二）在采暖期联合供热的工作方法如下：I．高温末端（10）的供热方法及流程如下：进入采暖期后优先将高温余热来水（A1）作为基载热源启动，启动高温泵（P1），将高温余热来水（A1）送入高温末端（10），放热降温后送入高温余热退水（A2）的回水管，此时如高温末端（10）的供热负荷小于高温余热来水（A1）的热量则高温余热来水（A1）的部分水量仍继续送入高温区蓄热管组（1）进行蓄热；随环境温度降低、当高温末端（10）的供热负荷大于高温余热来水（A1）的热量时，启动高温区蓄热管组（1）的供热运行模式并将供热出水通过高温泵（P1）送入高温末端（10），放热降温后等量回水返回高温区蓄热管组（1）并进行循环取热后供出；随环境温度进一步降低、当高温末端（10）的供热负荷大于高温余热来水（A1）的热量加上高温区蓄热管组（1）的供热量之和时，启动二级热泵（4）的尖峰加热运行模式，此时启动二级压缩机（42）和二级节流阀（44），启动低温泵（P2）并优先将低温余热来水（C1）送入二级蒸发器（41），放热降温后送入低温余热退水（C2）的回水管，当低温余热来水（C1）的热量不足时再行投运低温区蓄热管组（3）并增加二级蒸发器（41）的换热量，同时二级冷凝器（43）的高温出水经二级采暖泵（P6）进入高温末端（10），放热降温后等量回水返回二级冷凝器（43）继续循环加热；随环境温度升高、当高温末端（10）的供热负荷逐渐减少时优先降低二级冷凝器（43）的放热量，并直至停止二级热泵（4）的尖峰加热运行模式；随环境温度继续升高、当高温末端（10）的供热负荷继续减少时优先降低高温区蓄热管组（1）的放热量，并直至停止高温区蓄热管组（1）的加热运行模式，并再次进入由低温余热来水（C1）的单热源加热模式；II．中温末端（8）的供热方法及流程如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先庭，石文星，王宝龙，李天成，韦发林，张茂勇，岑俊平，熊烽，倪文岗，韩志刚，刘士刚，
申请(专利权)人：北京清大天工能源技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：