CN109297083A - 一种用于高速服务区的耦合供热***及其供热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速服务区的耦合供热***，该耦合供热***由风能集热装置、土壤地埋换热装置和采热装置三部分组成，其中风能集热装置和土壤地埋换热装置分别通过换热装置与采热装置实现热交换。本发明通过采用串联模式实现地源热泵与风能联合供热***的运行，一方面可避免风能利用中的“弃风”问题，另一方面有效地减少从土壤中获得的热负荷，维护土壤层温度场的平衡，能够很好的服务于高速服务区。

Description

一种用于高速服务区的耦合供热***及其供热方法

技术领域

本发明属于新能源领域，具体涉及一种用于高速服务区的耦合供热***及其供热方法。

背景技术

能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题，能源作为现代社会发展的物质基础，与国民经济发展有密切的关系。因此，研究、开发和利用绿色新能源已经成为世界各国能源建设的共同战略目标。合理地利用能源、提高能源的利用率和开发新型绿色能源对于缓解能源紧缺的局面具有重大意义。

高速交通建筑由于其服务的特殊性，决定了它们处于无市政配套设施的范围内，这就使得传统的服务区建筑内必须建设采暖锅炉、地下水井等设施，同时服务区、收费站等附属建筑往往也不注重节能，使得建筑整体能耗偏大，运行维护费用高，不利于节能减排工作的进行。我国北方地区地源辽阔，尤其北部地区及山区高速服务区风能资源较为丰富，风速超过3m/s的天数在167到170天之间，具有很高的开发潜力和应用价值。

风能属于可再生清洁能源，但是这种资源受地域及季节变化影响显著，存在间歇性、不稳定和波动等问题，风能具有不稳定性和间歇性的缺陷，土壤热源可以弥补单独采用风能不稳定性的弊端。

此外，北方寒冷地区建筑热负荷较大，容易造成地下土壤温度的失衡，这种土壤温度的失衡对于整个地源热泵***的效率影响很大，同时也会破坏地下生态平衡。加入风能后，土壤温度的波动相对会变小，这样热泵机组本身就可以具有较高的效率，风能对机组效率提升很有帮助。

发明内容

本发明就是针对上述提到的问题提供了一种耦合供热***及其供热方法，通过采用串联模式实现地源热泵与风能联合供热***的运行，一方面可避免风能利用中的“弃风”问题，另一方面有效地减少从土壤中获得的热负荷，维护土壤层温度场的平衡，能够很好的服务于高速服务区。

本发明提供的耦合供热***由风能集热装置、土壤地埋换热装置和采热装置三部分组成，其中风能集热装置和土壤地埋换热装置分别通过第一换热装置和第二换热装置与采热装置实现热交换。

上述的风能集热装置包括有风车机组，介质循环管路，介质储存装置和风能热交换管路，工作过程中循环介质经泵P1进入风车机组的制动器，经机组加热后迅速转入热介质槽保温，然后经管道流回介质储存装置，流回介质储存装置的加热后的循环介质经泵P2进入风能热交换管路，在风能集热装置和采热装置之间的第一换热装置中对采热装置管路中的水进行加热，完成热交换后，经风能热交换管路返回介质储存装置。

上述土壤地埋换热装置包括土壤地埋管换热器，连接土壤地埋管换热器与第二换热装置的地埋换热水循环管路，设于地埋换热水循环管路热水管路上的泵P3，以及三条桥连旁路，第一旁路连接地埋换热水循环管路的冷水管路与采热装置水循环管路的冷水管路，第一旁路上设有电阀门V6，在第一旁路和土壤地埋管换热器之间的冷水管道上设有电阀门V5；第二旁路一端连于V5和土壤地埋管换热器之间的冷水管道上，另一端连于采热装置水循环管路的热水管路，第二旁路上设有电阀门V7；第三旁路一端连于地埋换热水循环管路的热水管路，另一端连于第二旁路上，且其连接位置位于V7和地埋换热水循环管路的冷水管路之间，第三旁路上设有电阀门V8。

上述采热装置包括放热器，连接放热器和第一换热装置的循环水路，循环水路的冷水管道上设有泵P4和电阀门V2，其中V2位于泵P4和第一旁路在采热装置水循环管路冷水管路上连入位置之间，循环水路的热水管道上设有电阀门V1，V1位于放热器和第二旁路连入采热装置水循环管路热水管路的位置之间，采热装置还包括连接第二换热装置和循环水路的三条旁路，第四旁路和第五旁路的第一端口连于循环水路的热水管路上，且分别位于V1两侧，第四旁路和第五旁路的第二端口分别连于第二换热装置的出口和进口，两条旁路上分别设有电阀门V3和V9，第六旁路连第二换热装置的进口和循环水路的冷水管路，其上设有电阀门V4，其连入循环水路冷水管路的位置位于V2和泵P4之间。

上述介质循环管路的热介质管路、循环水路的冷水管路和循环水路的热水管路上分别设有三个用于检测温度的温度监测装置T、Td和Tg。

上述第一换热装置为板式换热器或气体换热器中的一种。

上述第二换热装置为板式换热器。

上述风能集热装置的循环介质为水、乙二醇或者二者混合物，也可以是空气、二氧化碳中的一种，当采用水和乙二醇的混合物时，二者体积比为4~9：1。

上述放热器为辐射装置、风机盘管中的一种或其组合，而且设有用于排出过量热量的散热器装置。

本发明提供的耦合供热***的供热方法如下，

（1）首先根据实际应用情况，确定出热介质管路上温度T满足应用的温度下限Tm，以及正常供热情况下，循环水路的冷水管路的温度Td的下限T1和循环水路的热水管路的温度Tg的上限T2；

（2）根据不同温度条件采取不同的供热方案，具体如下：

当T>T2时，

保持电阀门V1、V2开启，剩余电阀门处于关闭状态，与此同时，P2、P3、P4三个泵保持运行状态；

当Tm<T<T2时，

控制电阀门V2、V3、V5、V9开启，其它电阀门关闭，同时，所有泵均开启；

当T1<T<T2时，

保持V3、V4、V6、V7四个电阀门处于运行状态，剩余电阀门关闭，同时，所有泵均开启。

本发明取得的有益效果为：

1、绿色能源综合应用效果：风能具有不稳定性和间歇性的缺陷，土壤热源可以弥补单独采用风能运行的弊端。寒冷地区建筑热负荷较大，容易造成地下土壤温度的失衡，这种土壤温度的失衡对于整个地源热泵***的效率影响很大，同时也会破坏地下生态平衡。加入风能后，地源热泵在供暖季运行时，土壤温度的波动相对会变小，这样热泵机组本身就可以具有较高的效率，风能对机组效率提升很有帮助。

2、技术经济效果：***初始投资明显比单独的地源热泵***高，同时地源热泵又比风能工程造价高，但土壤源热泵-风能联合循环***总体上随着功率增加增幅明显。总体技术经济效果好。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的耦合供热***的组成部分的连接图。

其中1为风车机组，2为空气存储装置，3为制动器，4为热空气槽，5为气体换热器，6为土壤地埋管换热器，7为板式换热器，8为风机盘管，9为辐射地板，10为散热器；P1、P2为气泵，P3、P4为水泵，V1~V9为电阀门，T、Tg和Td为温度监测装置。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的耦合供热***由风能集热装置、土壤地埋换热装置和采热装置三部分组成，其中风能集热装置和土壤地埋换热装置分别通过空气换热器5和板式换热器7与采热装置实现热交换。

上述的风能集热装置包括有风车机组1，空气循环管路，空气储存装置2和风能热交换管路，工作过程中空气经气泵P1进入风车机组1的制动器3，经机组加热后迅速转入热空气槽4保温，然后经管道流回空气储存装置2，流回空气储存装置2的加热后的循环空气经气泵P2进入风能热交换管路，气体换热器5中对采热装置管路中的水进行加热，完成热交换后，经风能热交换管路返回介质储存装置2。

上述土壤地埋换热装置包括土壤地埋管换热器6，连接土壤地埋管换热器6与板式换热器7的地埋换热水循环管路，设于地埋换热水循环管路热水管路上的水泵P3，以及三条桥连旁路，第一旁路连接地埋换热水循环管路的冷水管路与采热装置水循环管路的冷水管路，第一旁路上设有电阀门V6，在第一旁路和土壤地埋管换热器6之间的冷水管道上设有电阀门V5；第二旁路一端连于V5和土壤地埋管换热器6之间的冷水管道上，另一端连于采热装置水循环管路的热水管路，第二旁路上设有电阀门V7；第三旁路一端连于地埋换热水循环管路的热水管路，另一端连于第二旁路上，且其连接位置位于V7和地埋换热水循环管路6的冷水管路之间，第三旁路上设有电阀门V8。

上述采热装置包括用于放热的辐射地板9，连接辐射地板9和板式换热器7的循环水路，循环水路的冷水管道上设有水泵P4和电阀门V2，其中V2位于水泵P4和第一旁路在采热装置水循环管路冷水管路上连入位置之间，循环水路的热水管道上设有电阀门V1，V1位于辐射地板和第二旁路连入采热装置水循环管路热水管路的位置之间，采热装置还包括连接板式换热器7和循环水路的三条旁路，第四旁路和第五旁路的第一端口连于循环水路的热水管路上，且分别位于V1两侧，第四旁路和第五旁路的第二端口分别连于板式换热器7的出口和进口，两条旁路上分别设有电阀门V3和V9，第六旁路连板式换热器7的进口和循环水路的冷水管路，其上设有电阀门V4，其连入循环水路冷水管路的位置位于V2和泵4之间，此外本实施例中还使用了用于放热的风机盘管和有用于排出过量热量的散热器，且在空气循环管路的热空气管路、循环水路的冷水管路和循环水路的热水管路上分别设有三个用于检测温度的温度监测装置T、Td和Tg。

应用本实施例进行供热的方法如下，

（1）首先根据实际应用情况，确定出热介质管路上温度T满足应用的温度下限Tm，以及正常供热情况下，循环水路的冷水管路的温度Td的下限T1和循环水路的热水管路的温度Tg的上限T2；

（2）根据不同温度条件采取不同的供热方案，具体如下：

当T>T2时，

保持电阀门V1、V2开启，剩余电阀门处于关闭状态，与此同时，P2、P3、P4三个泵保持运行状态；

当Tm<T<T2时，

控制电阀门V2、V3、V5、V9开启，其它电阀门关闭，同时，所有泵均开启；

当T1<T<T2时，

保持V3、V4、V6、V7四个电阀门处于运行状态，剩余电阀门关闭，同时，所有泵均开启。

实施例2

本实施例除将风能集热装置的循环介质换用水外，其余设置与实施例1相同，同时风能集热装置的介质储存装置换成了保温保湿水箱，并相应地更换了泵。

实施例3

本实施例除将风能集热装置的循环介质换用水和乙二醇混合物外，其余设置与实施例1相同，其中水与乙二醇的体积比为4：1，同时风能集热装置的介质储存装置换成了保温保湿水箱，并相应地更换了泵。

Claims (10)

1.一种用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，该耦合供热***由风能集热装置、土壤地埋换热装置和采热装置三部分组成，其中风能集热装置和土壤地埋换热装置分别通过第一换热装置和第二换热装置与采热装置实现热交换。

2.根据权利要求1所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的风能集热装置包括有风车机组，介质储存装置，连接风车机组和介质储存装置的介质循环管路，和用以连接介质储存装置和第一换热装置的风能热交换管路。

3.根据权利要求2所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的风车机组包括有被介质循环管路依次连接的制动器和热介质槽。

4.根据权利要求2所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的第一换热装置为板式换热器或气体换热器中的一种。

5.根据权利要求2所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的循环介质为水、乙二醇或者二者混合物，二者体积比为4~9：1。

6.根据权利要求2所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的循环介质为空气、二氧化碳中的一种。

7.根据权利要求1所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述土壤地埋换热装置包括土壤地埋管换热器，连接土壤地埋管换热器与第二换热装置的地埋换热水循环管路，设于地埋换热水循环管路热水管路上的泵P3，以及三条桥连旁路，第一旁路连接地埋换热水循环管路的冷水管路与采热装置水循环管路的冷水管路，第一旁路上设有电阀门V6，在第一旁路和土壤地埋管换热器之间的冷水管道上设有电阀门V5；第二旁路一端连于V5和土壤地埋管换热器之间的冷水管道上，另一端连于采热装置水循环管路的热水管路，第二旁路上设有电阀门V7；第三旁路一端连于地埋换热水循环管路的热水管路，另一端连于第二旁路上，且其连接位置位于V7和地埋换热水循环管路的冷水管路之间，第三旁路上设有电阀门V8。

8.根据权利要求1所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的采热装置包括放热器，连接放热器和第一换热装置的循环水路，循环水路的冷水管道上设有泵P4和电阀门V2，其中V2位于泵P4和第一旁路在采热装置水循环管路冷水管路上连入位置之间，循环水路的热水管道上设有电阀门V1，V1位于放热器和第二旁路连入采热装置水循环管路热水管路的位置之间，采热装置还包括连接第二换热装置和循环水路的三条旁路，第四旁路和第五旁路的第一端口连于循环水路的热水管路上，且分别位于V1两侧，第四旁路和第五旁路的第二端口分别连于第二换热装置的出口和进口，两条旁路上分别设有电阀门V3和V9，第六旁路连第二换热装置的进口和循环水路的冷水管路，其上设有电阀门V4，其连入循环水路冷水管路的位置位于V2和泵P4之间。

9.根据权利要求7所述的用于高速服务区的耦合供热***，特征在于，所述的放热器为辐射装置、风机盘管中的一种或其组合，且设有散热器。

10.应用权利要求1所述的用于高速服务区的耦合供热***进行供热的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先根据实际应用情况，确定出热介质管路上温度T满足应用的温度下限Tm，以及正常供热情况下，循环水路的冷水管路的温度Td的下限T1和循环水路的热水管路的温度Tg的上限T2；

（2）根据不同温度条件采取不同的供热方案，具体如下：

当T>T2时，

保持电阀门V1、V2开启，剩余电阀门处于关闭状态，与此同时，P2、P3、P4三个泵保持运行状态；

当Tm<T<T2时，

控制电阀门V2、V3、V5、V9开启，其它电阀门关闭，同时，所有泵均开启；

当T1<T<T2时，

保持V3、V4、V6、V7四个电阀门处于运行状态，剩余电阀门关闭，同时，所有泵均开启。