用于长期供冷地区建筑的多能耦合供冷热系统及运行方法与流程

本发明属于太阳能、浅层地热能等可再生能源清洁应用工程领域，尤其涉及一种用于长期供冷地区建筑的多能耦合供冷热系统及运行方法。

背景技术：

1、在我国南部地区，夏季天气炎热潮湿，供冷季时间长，建筑冷量需求大；冬季气温虽然不如北方低，但由于空气湿度高，人体会有明显的“湿冷”现象。南方建筑全年冷量、热量需求不平衡，利用单一能源品种为建筑供冷供热易出现能耗过高、环境压力大、系统配置不合理等问题。为解决以上问题，多能源综合利用，多种技术协同供能的方案被提出，充分利用各种可再生能源、清洁低碳能源，通过多能耦合、互补利用，突破单一能源应用的限制，提高供能系统稳定性。

2、例如发明专利(授权公告号：cn 110701667 b)提出了一种复合式太阳能与土壤源热泵的供能系统及其运行方法，基于土壤源热泵技术和蓄热技术构建新型供能系统，充分利用太阳能和浅层地热，调节系统运行模式来满足生活、生产中不同温度水平的用热需求。但该系统只能提供建筑用热需求，不能满足供冷需求，因此对于南方居民建筑不适用。

3、发明专利(公开号cn 115127165 a)提出了一种太阳能耦合土壤源热泵的电热双储供能系统，以土壤源热泵作为冬季严寒期补充热源和夏季供冷冷源，光伏板产生的电预存于蓄电池中，相变材料和液体冷却相结合的主被动耦合方式将光伏板和蓄电池中产生的不利热收集，通过保温储能装置进行储能，用于冬季建筑供暖和夏季土壤补热。但是该发明通过储能装置补充土壤热能实现土壤冷热平衡，仅适用于热负荷高于冷负荷的建筑；并且依赖蓄电池、相变材料储能保障系统正常运行，导致适用范围局限于小型建筑和独立别墅；该发明的供能系统在能源端未有稳定的供能措施，过多的储能、蓄能环节会大大增加系统的故障率和运维成本，经济性较差。

4、发明专利(公开号cn 115435415 a)提供了一种地热能、空气能组合式供热供冷系统，通过两种能源供能，取长补短，保障建筑用能稳定性。但是该系统未考虑极端气候的影响，在严寒或者炎热气候下，空气能热泵供能效率受室外空气的影响较为明显，此时土壤源热泵的冷热不平衡问题也尤为显著，两者简单组合，很难保证用户的用能满意度。

5、对于多能源耦合、互补利用供能系统，简单的能源组合应用，会导致热效率不高，热损失大的问题。在系统中不同能源根据品位、特性差异进行热管理，可以有效提高系统的热效率，降低损失。例如发明专利(授权公告号cn 110260396 b)提出了一种基于分层热管理的太阳能和土壤源热泵耦合热水冷暖系统，利用蓄热水箱温度分层原理，控制水箱内各节点的温度品位，采用蓄热水箱上出下进的取补方式，实现太阳能、土壤源热泵和电补热系统高效利用。该发明系统负荷较小，仅适用于家庭用热领域。

6、以上提及的发明都只适用于北方地区热负荷大于冷负荷的建筑，对于供能稳定性也只关注供热方面。目前，对于南方长期供冷地区冷负荷需求大的建筑，供能系统依然缺少理想的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可满足建筑的供暖、供生活热水、供冷需求，能够实现稳定、高效、舒适、节能、经济的用于长期供冷地区建筑的多能耦合供冷热系统及运行方法。

2、为达到上述目的，本发明的系统构成形式如下：

3、本发明的用于长期供冷地区建筑的多能耦合供冷热系统，包括热源分级管理单元、太阳能集热单元、溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元、土壤源热泵供冷供热单元、间接蒸发冷却余热回收单元；热源分级管理单元连接太阳能集热单元、溴化锂吸收制冷单元、燃气补热单元、土壤源热泵供冷供热单元；土壤源热泵供冷供热单元连接溴化锂吸收制冷单元、燃气补热单元以及间接蒸发冷却余热回收单元；

4、所述的溴化锂吸收式制冷单元包括第一制冷机组换热器，所述的第一制冷机组换热器的第一壳程出口通过制冷循环管线依次连接第二制冷机组换热器的壳程进口、第二制冷机组换热器的壳程出口、第一节流阀、第三制冷机组换热器的壳程进口、第三制冷机组换热器的壳程出口、第四制冷机组换热器的壳程进口、第四制冷机组换热器的壳程出口、第一溶液泵以及第一制冷机组换热器的壳程进口；所述的第一制冷机组换热器的第二出口通过安装有节流阀的回流管线与第四制冷机组换热器的第二壳程进口相连；其中第一制冷机组换热器、第二制冷机组换热器、第三制冷机组换热器、第四制冷机组换热器依次串联连接成环状溴化锂吸收式制冷机组；风机盘管的出口通过风机盘管换热循环管线依次连接土壤源热泵换热器的第一管程进口、土壤源热泵换热器的第一管程出口、第十阀门、第五水泵、第十四阀门、第十六阀门以及风机盘管的进口；安装有第九阀门的第一连接管线的进口与位于土壤源热泵换热器的第一管程出口以及第十阀门之间的风机盘管换热循环管线连通且出口与第三制冷机组换热器的管程进口相连；第二连接管线的进口与第三制冷机组换热器的管程出口相连且出口与第十阀门和第五水泵之间的风机盘管换热循环管线连通；

5、土壤源热泵供冷供热单元包括通过土壤源循环管线依次连接土壤源热泵换热器的第二管程出口、压缩机、热泵换热器的第一管程进口、热泵换热器的第一管程出口、第二节流阀以及土壤源热泵换热器的第二管程进口；所述的热泵换热器、的土壤源热泵机组压缩机、热泵换热器、第二节流阀串联成环状土壤源热泵机组；所述的热泵换热器的第二壳程出口通过热泵换热循环管线依次连接第六水泵、第七阀门以及地埋管换热器进口、地埋管换热器出口、第八阀门以及热泵换热器第二壳程进口连接；

6、第三连接管线的一端与新风换热器的进口相连并且另一端与位于第十四阀门与第十六阀门之间的风机盘管循环管线连通，第四连接管线的一端与新风换热器的出口相连并且另一端与位于土壤源热泵换热器的第一管程进口和风机盘管的出口之间的风机盘管换热循环管线连通；

7、燃气补热单元包括燃气采暖热水炉，热源分级管理单元包括取热水箱，取热水箱补热热水出口通过补热循环管路依次连接第七水泵、第十二阀门、燃气热水采暖炉的供热进口、燃气热水采暖炉的供热出口、第十五阀门、第十一阀门以及取热水箱补热热水进口；第五连接管线一端与位于第十四阀门以及第十一阀门之间的补热循环管路连通并且另一端与位于第十五阀门和第十六阀门之间的风机盘管换热循环管线连通，安装有第十三阀门的第六连接管线一端与位于第十四阀门和第五水泵之间的风机盘管换热循环管线连通并且另一端与位于第十二阀门和燃气采暖热水炉的供热进口之间的补热循环管路连通；

8、间接蒸发冷却余热回收单元包括间接蒸发冷却器和补冷换热器，所述的间接蒸发冷却器的湿通道出口通过冷却循环管路依次连接补冷换热器的制冷侧管路的进口、制冷侧管路的出口、第八水泵以及间接蒸发冷却器的湿通道进口；所述的补冷换热器的取冷侧管路的进口通过安装有第十八阀门的第七连接管线与位于第五水泵和第十四阀门之间的风机盘管换热循环管线连通，所述的补冷换热器的取冷侧管路的出口通过安装有第十九阀门的第八连接管线与位于土壤源热泵换热器的第一管程进口和风机盘管的出口之间的风机盘管循环管线连通；间接蒸发冷却器的干通道进口与室外新风连通且干通道出口连接新风换热器的进风口；

9、热源分级管理单元包括集热水箱和所述的取热水箱；所述的集热水箱位于顶部的上循环水出口通过第九连接管线依次连接第二水泵、第二电磁阀以及位于取热水箱底部的下循环水进口；所述的取热水箱位于底部的下循环水出口通过第十连接管线依次连接第一电磁阀以及位于集热水箱顶部的上循环水进口；安置在所述的取热水箱中部的第一取热盘管出口连接生活用水末端；

10、所述的太阳能集热单元包括太阳能集热器和位于集热水箱内部上方的上集热盘管，所述的太阳能集热器出口与集热盘管进口连接，经过与集热水箱中的储热水换热后，上集热盘管的出口通过第一水泵连接太阳能集热器进口，在所述的集热水箱内部下方设置有下集热盘管；

11、所述的溴化锂吸收式制冷单元与热源分级管理单元的连接结构为：集热水箱下部的集热热水出口通过第十一连接管线依次连接第四水泵、第三阀门以及第四制冷机组换热器管程进口，第四制冷机组换热器管程出口连接第二制冷机组换热器管程进口、第二制冷机组换热器管程出口、第四阀门以及集热水箱下部的集热热水进口连接；所述的第一制冷机组换热器管程出口通过第十二连接管线依次连接第三水泵以及安置在取热水箱内顶部的第二取热盘管的进口；第二取热盘管的出口连接第一制冷机组换热器的管程进口；

12、所述的土壤源热泵供冷供热单元与热源分级管理单元的连接为：下集热盘管的出口通过安装有第六阀门的第十九连接管线与位于第八阀门和热泵换热器的第二管程进口之间的热泵换热循环管线连通；下集热盘管的进口通过安装有第五阀门的第二十连接管线与位于第七阀门以及第六水泵之间的热泵换热循环管线连通。

13、本发明的用于长期供冷地区建筑的多能耦合供冷热系统的运行方法，包括供冷模式和供热模式；所述的供冷模式包括土壤源热泵供冷模式、土壤源热泵与溴化锂吸收式制冷机组联合供冷模式以及土壤源热泵与燃气补热的溴化锂吸收式制冷机组联合供冷模式；

14、其中所述的土壤源热泵供冷模式具体控制过程如下：

15、通过控制阀门和水泵切断土壤源热泵供冷供热单元与热源分级管理单元、溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元连接；切断热源分级管理单元与溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元的连接；连通土壤源热泵供冷供热单元与间接蒸发冷却余热回收单元之间的连接，形成土壤源热泵机组制冷循环、余热回收循环以及用户侧的冷冻水循环、生活热水供应；阀门和水泵的控制过程如下：

16、关闭第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十五阀门；开启第一阀门、第二阀门、第七阀门、第八阀门、第十阀门、第十四阀门、第十六阀门、第十七阀门、第十八阀门以及第十九阀门；启动第一水泵、第二水泵、第五水泵、第六水泵和第八水泵；运行环状土壤源热泵机组；

17、所述的土壤源热泵与溴化锂吸收式制冷机组联合供冷模式的控制过程如下：

18、通过控制阀门和水泵切断燃气补热单元与土壤源热泵供冷供热单元、热源分级管理单元的连接；连通土壤源热泵供冷供热单元与溴化锂吸收式制冷单元之间的连接；连通热源分级管理单元与土壤源热泵供冷供热单元、溴化锂吸收式制冷单元之间的连接，形成土壤源热泵机组制冷循环、溴化锂吸收式制冷机组制冷循环、余热回收循环以及用户侧的冷冻水循环、高温热水供应；所述的阀门和水泵的控制如下：

19、关闭第七阀门、第八阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门、第十三阀门和第十五阀门；开启第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十四阀门、第十六阀门、第十七阀门、第十八阀门、第十九阀门；启动第一水泵、第二水泵、第三水泵、第四水泵、第五水泵、第六水泵和第八水泵；运行环状土壤源热泵机组和环状溴化锂吸收式制冷机组；

20、所述的土壤源热泵与燃气补热的溴化锂吸收式制冷机组联合供冷模式包括以下步骤：

21、通过控制水泵和阀门切断燃气补热单元与土壤源热泵供冷供热单元的连接；连通热源分级管理单元与土壤源热泵供冷供热单元、溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元之间的连接；连通土壤源热泵供冷供热单元与溴化锂吸收式制冷单元之间的连接，形成土壤源热泵机组制冷循环、溴化锂吸收式制冷机组制冷循环、余热回收循环以及用户侧的冷冻水循环、高温热水供应；所述的水泵和阀门的控制如下：

22、关闭第七阀门、第八阀门、第十阀门、第十三阀门和第十五阀门，开启第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十四阀门、第十六阀门、第十七阀门、第十八阀门、第十九阀门；启动第一水泵、第二水泵、第三水泵、第四水泵、第五水泵、第六水泵、第七水泵和第八水泵，启动燃气采暖热水炉；运行环状土壤源热泵机组和环状溴化锂吸收式制冷机组；

23、所述的供热模式包括土壤源热泵供热模式和燃气补热式土壤源热泵供热模式，所述的土壤源热泵供热模式如下：

24、所述的土壤源热泵供热模式包括以下步骤：

25、通过控制阀门和水泵切断土壤源热泵供冷供热单元与热源分级管理单元、溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元、间接蒸发冷却余热回收单元的连接；切断热源分级管理单元与溴化锂吸收式制冷单元的连接；连通热源分级管理单元与燃气补热单元之间的连接，形成土壤源热泵机组制热循环、用户侧的供热循环、生活热水供应；阀门和水泵的控制步骤如下：

26、关闭第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十三阀门、第十五阀门、第十八阀门以及第十九阀门；开启第一阀门、第二阀门、第七阀门、第八阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十四阀门、第十六阀门、第十七阀门；启动第一水泵、第二水泵、第五水泵、第六水泵和第七水泵；运行环状土壤源热泵机组和燃气采暖热水炉；

27、所述的燃气补热式土壤源热泵供热模式包括以下步骤：

28、通过控制水泵和阀门切断土壤源热泵供冷供热单元与溴化锂吸收式制冷单元、间接蒸发冷却余热回收单元的连接，切断热源分级管理单元与溴化锂吸收式制冷单元、燃气补热单元的连接，连通土壤源热泵供冷供热单元与热源分级管理单元、燃气补热单元之间的连接，形成土壤源热泵机组制热循环、用户侧的供热循环、生活热水供应；所述的水泵和阀门的控制步骤如下：

29、关闭第三阀门、第四阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十四阀门、第十八阀门、第十九阀门；开启第一阀门、第二阀门、第五阀门、第六阀门、第十阀门、第十三阀门、第十五阀门、第十六阀门和第十七阀门；启动第一水泵、第二水泵、第五水泵、第六水泵；运行环状土壤源热泵机组和燃气采暖热水炉；所述的燃气采暖热水炉与土壤源热泵机组联合供热。

30、本发明的有益效果是：可以为我国南方夏季炎热潮湿，需要长期供冷地区的公共建筑实现高质量的供冷供热。本发明采用双水箱结构，蓄热水箱作为储能装置，储存热能时储热介质会产生自然对流，由于密度差异，高温热能上升，低温热能下沉，形成分层现象。基于上述的热分层原理，对蓄热水箱采用热源分级管理技术，根据热源品位梯级利用，减少损失，实现多种能源集成应用。在供冷季节，利用土壤源热泵为用户供冷；当土壤源热泵供冷不稳定或在极端气候下，太阳能驱动溴化锂吸收式制冷机组联合土壤源热泵供冷，与此同时溴化锂吸收式制冷机组与土壤源热泵的放热端又为安置太阳能集热器的蓄热水箱补热，实现系统多能源耦合，提高能源利用效率。当蓄热水箱温度不满足溴化锂吸收式制冷机组启动条件时，启动辅助热源燃气采暖热水炉为水箱供热，维持系统供冷能力稳定，保证用户的舒适性。本发明提供的间接蒸发冷却余热回收装置回收建筑室内排风中的冷量，利用水的蒸发冷却原理实现对高温高湿的室外新风进行预冷除湿处理，既节能又环保高效，有效缓解夏季系统冷负荷过高的压力。在供热季，启动土壤源热泵供热，通过太阳能辅助供热保证系统稳定性，在极端气候下，太阳能与土壤源热泵联合供热不能满足用户的采暖需求时，启动燃气采暖热水炉补热，维持供热稳定。此外，基于太阳能集热器和燃气采暖热水炉补热，为建筑提供全年、全天候的生活热水。