本發明涉及能源綜合利用，尤其是涉及一種淺層地源耦合污水源熱泵綜合能源系統及其運行方法。
背景技術：
1、傳統的供暖、制冷及熱水供應系統往往依賴于單一能源，而普通空調在制冷或制熱過程中，能耗較高，尤其是在極端氣候條件下，能效比會大幅下降，增加了用戶的使用成本和能源消耗。
2、與此同時，淺層地熱能作為一種可再生、清潔的能源，廣泛存在于地表淺層(一般小于400米)的地層中，其溫度相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，具有巨大的開發利用潛力。此外，城市污水中蘊含著豐富的熱量，污水源熱量穩定且量大，屬于低品位熱能。如果能夠有效地將淺層地熱能與污水源熱能進行耦合利用，開發出綜合能源系統，將能充分發揮兩者的優勢。
3、本發明提出一種淺層地源耦合污水源熱泵綜合能源系統及其運行方法，通過熱泵及電制冷機組技術，將淺層地熱能和污水源熱能進行提取、提升、轉化后用于建筑供暖、制冷。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種淺層地源耦合污水源熱泵綜合能源系統及其運行方法，能夠解決淺層地熱、污水余熱、電制冷機組等多種能源耦合供熱的系統配置問題。
2、一方面本發明提供一種淺層地源耦合污水源熱泵綜合能源系統，包括：熱泵供能模塊、淺層地熱供能模塊、污水供能模塊、電制冷供冷模塊、蓄冷蓄熱裝置、熱用戶和冷用戶；
3、所述熱泵供能模塊包括依次連通并形成閉環回路的第一熱泵換熱器、熱泵壓縮機、第二熱泵換熱器和熱泵節流裝置，所述第二熱泵換熱器與所述蓄冷蓄熱裝置連通，且所述第二熱泵換熱器與熱用戶和冷用戶均雙向連通；
4、所述淺層地熱供能模塊包括依次連通的淺層地熱井、淺層地源供水泵閥組、地熱水溫度傳感器和淺層地源回水泵閥組，其中，所述淺層地源供水泵閥組通過所述地熱水溫度傳感器與所述第一熱泵換熱器的進水口相連通，所述淺層地源回水泵閥組與所述第一熱泵換熱器的出水口相連通，所述淺層地熱井內的地熱水在所述淺層地源供水泵閥組作用下通至所述第一熱泵換熱器內換熱后，回水在所述淺層地源回水泵閥組作用下流回所述淺層地熱井；
5、所述污水供能模塊包括依次連通的污水干管、污水源供水泵閥組、污水處理設備、污水源側換熱器、換熱水溫度傳感器和污水源回水泵閥組，所述換熱水溫度傳感器與所述第一熱泵換熱器的進水口相連通，所述第一熱泵換熱器的出水口與所述污水源側換熱器相連通，原水在所述污水源供水泵閥組作用下進入所述污水處理設備處理后的再生水，進入所述污水源側換熱器與換熱水換熱后，在所述污水源回水泵閥組作用下流回所述污水干管，換熱水一部分通至所述第一熱泵換熱器二次換熱，另一部分通至所述電制冷供冷模塊，二次換熱后的回水流回所述污水源側換熱器換熱后完成換熱水循環；
6、所述電制冷供冷模塊，包括依次連通并形成閉環的電制冷機組、冷卻水溫度傳感器和冷塔，另一部分換熱水在所述污水源側換熱器內換熱后通至所述電制冷機組，所述電制冷機組與所述蓄冷蓄熱模塊和冷用戶相連通；
7、所述蓄冷蓄熱裝置，用于蓄能，與熱用戶和冷用戶均相連通，為熱用戶供熱，為冷用戶供冷。
8、優選地，所述淺層地源供水泵閥組與所述淺層地熱井間接有淺層地熱供水分流器，所述淺層地源供水泵閥組與所述地熱水溫度傳感器間接有淺層地熱供水匯流器；所述第一熱泵換熱器的出水口和所述淺層地源回水泵閥組間接有淺層地熱回水分流器，所述淺層地源回水泵閥組和所述淺層地熱井間接有淺層地熱回水匯流器。
9、優選地，所述污水源供水泵閥組與所述污水干管間接有原水供水分流器，所述污水源供水泵閥組與所述污水處理設備間接有原水供水匯流器；
10、所述第一熱泵換熱器的出水口通過所述污水源側換熱器接至所述污水源回水泵閥組，所述污水源回水泵閥組與所述污水干管間接有再生水回水匯流器，所述污水源回水泵閥組與所述污水源側換熱器的出水口間接有再生水回水分流器。
11、優選地，所述污水處理設備與所述污水源側換熱器間接有再生水取水泵，所述換熱水溫度傳感器和所述第一熱泵換熱器間接有換熱水供水泵，所述換熱水供水泵通過換熱水供水分流器和電動閥與所述第一熱泵換熱器的進水口相連通，且所述換熱水供水分流器通過電動閥與所述電制冷機組的進水口相連通。
12、優選地，所述第一熱泵換熱器的出水口通過換熱水回水匯流器和換熱水回水泵接至所述污水源側換熱器，所述電制冷機組的出水口接至所述換熱水回水匯流器。
13、優選地，所述電制冷機組與所述冷卻水溫度傳感器間接有電動閥和循環冷卻水供水泵，所述冷塔和所述電制冷機組間接有循環冷卻水回水泵。
14、優選地，所述電制冷機組的冷媒水出口通過電制冷機組供水泵和冷媒水出口分流器分別接至所述蓄冷蓄熱裝置和冷用戶，且所述冷媒水出口分流器與所述蓄冷蓄熱裝置和冷用戶間分別接有電動閥，冷用戶通過電制冷機組回水泵接至所述電制冷機組。
15、優選地，所述第二熱泵換熱器的熱媒水出口接有熱泵機組供水泵，所述熱泵機組供水泵通過熱泵供能分流器和三個電動閥分別接至所述蓄冷蓄熱裝置、熱用戶和冷用戶，熱用戶和冷用戶通過熱泵供能回水匯流器和熱泵機組回水泵接至所述第二熱泵換熱器的回水口。
16、優選地，所述蓄冷蓄熱裝置為蓄能水罐，所述蓄冷蓄熱裝置的出口接有蓄能水罐供水泵，所述蓄能水罐供水泵通過蓄能水罐供能分流器和兩個電動閥分別接至熱用戶和冷用戶。
17、另一方面，本發明提供了上述系統的運行方法，根據地熱水溫度傳感器測量的地熱水溫度t1、污水換熱水溫度傳感器測量的換熱水溫度t2及冷卻水溫度傳感器測量的循環冷卻水溫度t3，系統具有以下的供熱運行模式、蓄熱運行模式、供冷運行模式及蓄冷運行模式，其中，
18、供熱運行模式：電制冷供冷模塊停用，無冷用戶，當t1>t2時，優先采用淺層地熱供能模塊供熱，此時，污水供能模塊關閉，依次將淺層地源供水泵閥組開啟到最大后，淺層地熱井中的地熱水經過淺層地源供水泵閥組加壓并經地熱水溫度傳感器測量溫度后送往第一熱泵換熱器釋放熱量，進行熱量交換后的地熱水經淺層地源回水泵閥組加壓后返回淺層地熱井，完成地熱水換熱循環，然后，開啟污水供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開度打開，污水干管中原水經污水源供水泵閥組加壓后進入污水處理設備凈化處理，處理后的再生水加壓后流入污水源側換熱器中釋放熱量，進行熱量交換后的再生水經污水源回水泵閥組加壓流回污水干管，換熱水經換熱水溫度傳感器進行溫度測量后，加壓輸送到第一熱泵換熱器，在第一熱泵換熱器中釋放熱量，換熱后的二次換熱水經過加壓后流回污水源側換熱器換熱后完成換熱水循環，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊耦合為熱泵供能模塊提供熱量；當t1<t2時，優先采用污水供能模塊供熱，此時，淺層地熱供能模塊關閉，依次將污水源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟淺層地熱供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟，污水供能模塊和淺層地熱供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊提供熱量；供熱時，熱泵工質在第一熱泵換熱器中吸熱后，經熱泵壓縮機壓縮，壓縮后的工質在第二熱泵換熱器中放熱給媒介水經熱泵節流裝置節流降壓，進入第一熱泵換熱器中吸熱，完成供熱熱泵工質循環，在第二熱泵換熱器中進行熱量交換的熱媒水輸送到熱用戶放熱進行供熱；該模式運行期間，蓄冷蓄熱裝置調峰使用；
19、蓄熱運行模式：在供熱季節蓄熱，此時，電制冷供冷模塊停用，無冷用戶，當t1>t2時，優先采用淺層地熱供能模塊供熱，此時關閉污水供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟污水供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開度打開，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊提供熱量，熱泵工質同上在熱泵供能模塊內循環后，在第二熱泵換熱器中進行熱量交換的熱媒水在蓄冷蓄熱裝置和熱用戶間分配進行蓄熱和供熱；當t1<t2時，優先采用污水供能模塊，此時關閉淺層地熱供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟淺層地熱供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊提供熱量，熱泵工質同上在熱泵供能模塊內循環后，在第二熱泵換熱器中進行熱量交換的熱媒水在蓄冷蓄熱裝置和熱用戶間分配進行蓄熱和供熱；
20、供冷運行模式：此時，電制冷供冷模塊關閉，無熱用戶，當t1<t2時，優先采用淺層地熱供能模塊供冷，此時關閉污水供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟到最大后，淺層地熱井中的地熱水經過淺層地源供水泵閥組加壓并經地熱水溫度傳感器測量溫度后送往第一熱泵換熱器吸收熱量，進行熱量交換后的地熱水經淺層地源回水泵閥組加壓后返回淺層地熱井，完成地熱水換熱循環，再開啟污水供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開度打開，污水干管中原水經污水源供水泵閥組加壓后進入污水處理設備凈化處理，處理后的再生水加壓后流入污水源側換熱器中吸收熱量，進行熱量交換后的再生水經污水源回水泵閥組加壓流回污水干管，換熱水經換熱水溫度傳感器進行溫度測量后，加壓輸送到第一熱泵換熱器，在第一熱泵換熱器中吸收熱量，換熱后的二次換熱水經過加壓后流回污水源側換熱器換熱后完成換熱水循環，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊耦合為熱泵供能模塊供冷；當t1>t2時，優先采用污水供能模塊供冷，此時關閉淺層地熱供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟淺層供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟，污水供能模塊和淺層地熱供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊供冷；供冷時，熱泵工質在第一熱泵換熱器中放熱后，經熱泵節流裝置節流降壓后，在第二熱泵換熱器中吸熱，吸熱后經熱泵壓縮機壓縮，壓縮后的工質進入第一熱泵換熱器中放熱，完成供冷熱泵工質循環；在第二熱泵換熱器中進行熱量交換的媒介水輸送到冷用戶吸熱進行供冷；該模式運行期間，蓄冷蓄熱裝置作為調峰使用，調峰不夠時，開啟電制冷機組，電制冷機組中冷媒水輸送到冷用戶供冷，吸熱后輸送回電制冷機組，完成冷媒水制冷循環；比較t2與t3，當t2更接近電制冷機組冷卻效率高區時，采用二次污水換熱水為電制冷機組冷卻；當t3更接近電制冷機組冷卻效率高區時，采用循環冷卻水對電制冷機組冷卻，循環冷卻水經加壓輸送到冷卻水溫度傳感器中經溫度測量后進入冷塔散熱，散熱后的循環冷卻水輸送回電制冷機組，完成循環冷卻水循環；
21、蓄冷運行模式：在供冷季節蓄冷，此時，電制冷供冷模塊停用，無熱用戶，當t1<t2時，優先采用淺層地熱供能模塊供冷，此時關閉污水供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟污水供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開度打開，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊供冷，熱泵工質同上在熱泵供能模塊內循環后，在第二熱泵換熱器中進行熱量交換的冷媒水在蓄冷蓄熱裝置和冷用戶間分配進行蓄冷和供冷；當t1>t2時，優先采用污水供能模塊，此時關閉淺層地熱供能模塊，依次將污水源供水泵閥組開啟到最大后，再開啟淺層地熱供能模塊，依次將淺層地源供水泵閥組開啟，淺層地熱供能模塊和污水供能模塊同上耦合為熱泵供能模塊供冷，熱泵工質同上在熱泵供能模塊內循環后，在第二熱泵換熱器中進行熱量交換后的冷媒水在蓄冷蓄熱裝置和冷用戶間分配進行蓄冷和供冷；當冷媒水不夠時，開啟電制冷機組，電制冷機組中冷媒水加壓后分流為兩部分，一部分輸送到冷用戶供冷，吸熱后輸送回電制冷機組，完成冷媒水制冷循環，另一部分輸送到蓄冷蓄熱裝置存儲；比較t2與t3，當t2更接近電制冷機組冷卻效率高區時，同上采用二次污水換熱水為電制冷機組冷卻；當t3更接近電制冷機組冷卻效率高區時，采用循環冷卻水對電制冷機組冷卻，循環冷卻水經加壓輸送到冷卻水溫度傳感器中經溫度測量后進入冷塔散熱，散熱后的循環冷卻水輸送回電制冷機組，完成循環冷卻水循環。
22、相比現有技術，本發明具有以下有益效果：
23、(1)本專利耦合了淺層地熱、污水余熱及電制冷機組循環冷卻水，利用熱泵、電制冷機組及蓄冷蓄熱裝置打造了綜合能源系統，在冬季，系統從淺層地熱能和污水中吸取熱量，通過熱泵將熱量提升溫度后供給建筑物室內取暖；夏季則將室內熱量轉移至淺層地層和污水中，達到制冷效果，實現了為冷用戶夏季供冷、熱用戶冬季供熱，并提供了多種的經濟供能運行模式；
24、(2)本發明淺層地源供回水泵、污水源熱泵供回水泵采用閥組形式，閥組為若干組相同型號的泵及閥門，可以靈活根據所需污水量輸送選擇啟動泵的臺數，使得淺層地熱和污水余熱可以互為調峰，泵效率可以在最優工況附近運行，整體泵效率提升5％左右；
25、(3)本發明熱泵供熱供水泵及回水泵采用供冷供熱公用模式，減小設備冗余，減少建設投資；
26、(4)通過對淺層地熱水、污水及電制冷機組循環冷卻水的溫度測量及控制，實現綜合能源系統多設備運行優先級排序，保證系統高效運行，可提高綜合能源項目經濟性5％-10％。