本發(fā)明屬于中低溫地?zé)崮芾妙I(lǐng)域，尤其涉及一種基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)具有豐富的地?zé)豳Y源，且呈現(xiàn)以中低溫為多的分布特征。隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，淺層地?zé)豳Y源已經(jīng)在我國(guó)有了較廣泛的應(yīng)用，淺層井下?lián)Q熱器、土壤源等地埋管換熱技術(shù)已經(jīng)得以推廣應(yīng)用。同時(shí)，深層地?zé)崂靡惨嘀饾u引起人們的重視，跨臨界朗肯循環(huán)在深層地?zé)岬霓D(zhuǎn)化利用引起廣泛關(guān)注。

地?zé)峥缗R界朗肯循環(huán)中循環(huán)工質(zhì)沸點(diǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。但目前普遍使用帶中間介質(zhì)回路的蒸發(fā)過(guò)程，循環(huán)段蒸發(fā)、換熱損失大。同時(shí)，大量的冷凝放熱通過(guò)冷卻塔釋放于大氣，造成了熱量的損失及熱污染，同時(shí)降低了系統(tǒng)的效率。另外，傳統(tǒng)的地源熱泵淺層地?zé)崂梅矫嬗捎谕嬖诙尼尫艧岬牟町悗?lái)的淺層土壤熱堆積、不平衡的問(wèn)題，帶來(lái)系統(tǒng)性能的惡化及環(huán)境的污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案是：基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)，包括高溫?zé)岜霉?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?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)包括依次串接的換向閥、壓縮機(jī)、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(jī)、換熱器Ⅰ、發(fā)電用地埋管、工質(zhì)泵、儲(chǔ)液罐和換熱器Ⅱ，還包括發(fā)電機(jī)，

所述膨脹機(jī)的一側(cè)與所述發(fā)電機(jī)同軸連接，另一側(cè)通過(guò)可調(diào)聯(lián)軸器嚙合驅(qū)動(dòng)所述高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)的壓縮機(jī)；

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?zé)崮塬@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(jī)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?zé)峋畠?nèi)。

根據(jù)異常區(qū)地?zé)崽荻龋鰮Q熱器Ⅱ利用深層地?zé)豳Y源，設(shè)置于地下200-3000米。

所述發(fā)電用地埋管利用淺層地?zé)豳Y源，設(shè)置于地下0-200米。

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

本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是：一種基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)類的工質(zhì)為工質(zhì)，由換熱器Ⅱ向80℃以上的水熱型深層地?zé)釤醿?chǔ)取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點(diǎn)31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w；

(b)、高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ熱交換獲得冷量，再通過(guò)發(fā)電用地埋管向淺層土壤儲(chǔ)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(guò)工質(zhì)泵泵入儲(chǔ)液罐；

(e)、再次進(jìn)入換熱器Ⅱ，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向供暖模式，熱泵系統(tǒng)進(jìn)入制熱工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機(jī)與高溫?zé)岜霉嶙酉到y(tǒng)的壓縮機(jī)之間經(jīng)可調(diào)聯(lián)軸器嚙合連接，膨脹機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),吸入熱泵用地埋管中的二氧化碳?xì)怏w；

(b)、熱泵用地埋管中的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ熱交換獲得熱量提高干度至過(guò)熱，并保證3_～10℃的過(guò)熱度后，經(jīng)過(guò)換向閥后被壓縮機(jī)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?xì)怏w進(jìn)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(shí)，二氧化碳?xì)怏w冷凝為二氧化碳液體；

(d)、經(jīng)節(jié)流閥降壓后，再次進(jìn)入熱泵用地埋管吸熱，蒸發(fā)為二氧化碳?xì)怏w，再次被壓縮機(jī)吸入，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)。

所述膨脹機(jī)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(gè)技術(shù)方案是：一種基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)類的工質(zhì)為工質(zhì)，由換熱器Ⅱ向80℃以上的水熱型深層地?zé)釤醿?chǔ)取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點(diǎn)31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w；

(b)、高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ熱交換獲得冷量，再通過(guò)發(fā)電用地埋管向淺層土壤儲(chǔ)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(guò)工質(zhì)泵泵入儲(chǔ)液罐；

(e)、再次進(jìn)入換熱器Ⅱ，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向制冷模式，熱泵系統(tǒng)進(jìn)入制冷工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機(jī)與高溫?zé)岜弥评渥酉到y(tǒng)的壓縮機(jī)之間經(jīng)可調(diào)聯(lián)軸器嚙合連接，膨脹機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，蒸發(fā)器中的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換向閥后被壓縮機(jī)提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(b)、壓縮機(jī)中的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ后直接進(jìn)入熱泵用地埋管，經(jīng)放熱后變?yōu)楦邷馗邏憾趸家后w；

(c)、二氧化碳液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后，再次進(jìn)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(shí)，二氧化碳液體蒸發(fā)為二氧化碳?xì)怏w，再次被壓縮機(jī)吸入，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。

所述膨脹機(jī)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(jī)與壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(fù)荷；同時(shí)省略熱泵系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)及逆變器等設(shè)備，大大提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(diǎn)類工質(zhì)為工質(zhì)，由深層井下?lián)Q熱器向深層地?zé)釤醿?chǔ)取熱，通過(guò)發(fā)電用地埋管向淺層土壤熱儲(chǔ)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?lián)Q熱器Ⅱ采用U型管，實(shí)現(xiàn)與地?zé)峋疅崴母咝Q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?zé)岜霉┡到y(tǒng)之間的熱量交換，避免土壤熱堆積，保證淺層土壤熱儲(chǔ)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(jī)乏汽與高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)熱泵用地埋管的二氧化碳乏汽通過(guò)換熱器Ⅰ進(jìn)行熱交換，通過(guò)換熱器逆流布置冷熱流體，能夠降低膨脹機(jī)乏汽溫度的同時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣過(guò)熱度，實(shí)現(xiàn)跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)膨脹功增大、冷凝負(fù)荷減小的同時(shí)，有效地保證了高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性及調(diào)節(jié)能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1-地?zé)峋?-換熱器Ⅱ、3-膨脹機(jī)、4-發(fā)電機(jī)、5-換熱器Ⅰ、6-發(fā)電用地埋管、7-儲(chǔ)液罐、8-工質(zhì)泵、9-可調(diào)聯(lián)軸器、10-壓縮機(jī)、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(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施例是為了更好地使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，并不對(duì)本發(fā)明作任何的限制。

實(shí)施例：

如圖1所示，本發(fā)明基于正逆循環(huán)深淺層地?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)，包括高溫?zé)岜霉?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?zé)岜霉嶙酉到y(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?zé)岜弥评渥酉到y(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(diǎn)工質(zhì)，本實(shí)施例使用二氧化碳工質(zhì)，所述高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)以二氧化碳為制冷劑；所述高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)包括依次串接的換向閥24、壓縮機(jī)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(jī)3、換熱器Ⅰ5、發(fā)電用地埋管6、工質(zhì)泵8、儲(chǔ)液罐7、和換熱器Ⅱ2，還包括發(fā)電機(jī)4；所述膨脹機(jī)3的一側(cè)與所述發(fā)電機(jī)4同軸連接，轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電，另一側(cè)通過(guò)可調(diào)聯(lián)軸器9嚙合驅(qū)動(dòng)所述高溫?zé)岜霉?制冷子系統(tǒng)的壓縮機(jī)10；所述換熱器Ⅱ2位于地?zé)峋?內(nèi)；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(jié)構(gòu)，發(fā)電用介質(zhì)和熱泵用介質(zhì)逆流布置，所述淺層地埋陳列為垂直或水平放置，本實(shí)施例為垂直放置，所述淺層地埋管陣列和換熱器Ⅱ2組成地?zé)崮塬@取系統(tǒng)；所述膨脹機(jī)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(shí)施例發(fā)電用地埋管6設(shè)置于地下0-200米，根據(jù)異常區(qū)地?zé)崽荻?換熱器Ⅱ2設(shè)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(jī)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?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)類的工質(zhì)為工質(zhì)，由換熱器Ⅱ2向80℃以上的水熱型深層地?zé)釤醿?chǔ)取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點(diǎn)31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w；

(b)、高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入膨脹機(jī)3，推動(dòng)膨脹機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)4發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ5熱交換獲得冷量，再通過(guò)發(fā)電用地埋管6向淺層土壤儲(chǔ)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(guò)工質(zhì)泵8泵入儲(chǔ)液罐7；

(e)、再次進(jìn)入換熱器Ⅱ2，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向供暖模式，熱泵系統(tǒng)進(jìn)入制熱工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機(jī)3與高溫?zé)岜霉嶙酉到y(tǒng)的壓縮機(jī)10之間經(jīng)可調(diào)聯(lián)軸器9嚙合連接，膨脹機(jī)3直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)10，吸入熱泵用地埋管13中的二氧化碳?xì)怏w；

(b)、熱泵用地埋管13中的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ5熱交換獲得熱量提高干度至過(guò)熱，并保證3～10℃的過(guò)熱度后，經(jīng)過(guò)換向閥24后被壓縮機(jī)(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?xì)怏w進(jìn)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(shí)，二氧化碳?xì)怏w冷凝為二氧化碳液體；

(d)、經(jīng)節(jié)流閥12降壓后，再次進(jìn)入熱泵用地埋管13吸熱，蒸發(fā)為二氧化碳?xì)怏w，再次被壓縮機(jī)10吸入，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)。

所述膨脹機(jī)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?zé)峤ㄖ錈犭婑詈舷到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)類的工質(zhì)為工質(zhì)，由換熱器Ⅱ2向80℃以上的水熱型深層地?zé)釤醿?chǔ)取熱，使液體二氧化碳吸熱變?yōu)闇囟群蛪毫笥谂R界點(diǎn)31℃和7.4Mpa的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w；

(b)、高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入膨脹機(jī)3，推動(dòng)膨脹機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)4發(fā)電；

(c)、膨脹后的二氧化碳乏汽，經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ5熱交換獲得冷量，再通過(guò)發(fā)電用地埋管6向淺層土壤儲(chǔ)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(guò)工質(zhì)泵8泵入儲(chǔ)液罐7；

(e)、再次進(jìn)入換熱器Ⅱ2，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)向制冷模式，熱泵系統(tǒng)進(jìn)入制冷工況,跨臨界朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機(jī)3與高溫?zé)岜弥评渥酉到y(tǒng)的壓縮機(jī)10之間經(jīng)可調(diào)聯(lián)軸器9嚙合連接，膨脹機(jī)3直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)10，蒸發(fā)器11中的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換向閥24后被壓縮機(jī)10提高壓力至7.4Mpa以上和提高溫度至55℃以上；

(b)、壓縮機(jī)10中的高溫高壓二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ5后直接進(jìn)入熱泵用地埋管13，經(jīng)放熱后變?yōu)楦邷馗邏憾趸家后w；

(c)、二氧化碳液體經(jīng)節(jié)流閥12降壓后，再次進(jìn)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(shí)，二氧化碳液體蒸發(fā)為二氧化碳?xì)怏w，再次被壓縮機(jī)10吸入，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。

所述膨脹機(jī)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(yīng)當(dāng)理解的是，這里所討論的實(shí)施方案及實(shí)例只是為了說(shuō)明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。