CN103453571B - 一种封闭循环采暖系统 - Google Patents

Abstract

一种封闭循环采暖系统，包括储液箱以及与储液箱相连通的循环水箱，循环水箱内设置有电加热管，循环水箱经中心主井眼分别与若干水平分支井眼相连通，各个水平分支井眼内均设置有从中心主井眼下入的绝热管，绝热管的入口与水平分支井眼相连通，绝热管的出口与换热器相连后返回循环水箱，换热器与经过用户的采暖管网构成循环回路。本发明降低了钻井成本，提高了换热功率，在运行中不会对地层产生污染，属于环境友好型系统，避免了因采用地热水导致的系统运行的稳定性差和设备使用寿命相对较短的问题。另外，本发明适用性强，不受地理位置和地热资源的限制，任何地方都可以构建此封闭循环采暖系统，运行费用低。

Description

一种封闭循环采暖系统

技术领域

本发明涉及一种地热采暖系统，尤其涉及一种封闭循环采暖系统。

背景技术

地热资源是一种清洁的可再生资源，且具有易开发、费用低廉、清洁、恒温等优点，并已被广泛应用于采暖、洗浴等，传统的水源热能交换方法是在地表设置多个地热井，分别用于采集地热和回灌，这种开发利用方式存在一些问题，由于地热水矿化度较高，主要的矿物种类有碳酸钙、二氧化硅、硅酸盐等，碳酸钙和二氧化硅的沉淀对工质的压力和温度特别敏感，在发电或换热取暖过程中，地热水的温度和压力均会发生很大变化，进而影响到各种矿物质的溶解度，导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢，影响系统运行的稳定性；地热流体中还含有一些腐蚀介质（包括溶解氧(O₂)、H⁺、Cl^-、H₂S、CO₂、NH₃和SO₂），再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，地热流体对各种金属表面都会产生不同程度的腐蚀，直接影响设备的使用寿命；另外，由于这种结构要建造多个地热井，不仅浪费大量的人力、物力，而且占用了宝贵的城市空间，传统的地热井采暖系统还受到地热资源所处的地理位置的限制，不是任何地方都可以建造地热井。

发明内容

本发明的目的就在于提出了一种适用性强、换热效率高、环境友好、运行稳定性高且设备使用寿命长的封闭循环采暖系统。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括储液箱以及与储液箱相连通的循环水箱，循环水箱内设置有电加热管，循环水箱的出口与中心主井眼相连，中心主井眼分别与若干水平分支井眼相连通，各个水平分支井眼内均设置有从中心主井眼下入的绝热管，且绝热管的入口与水平分支井眼相连通，绝热管的出口与换热器的放热端相连后返回循环水箱，换热器的吸热端与用户的采暖管网构成循环回路。

所述的绝热管采用真空隔热管，真空隔热管由套装在一起的内管和外管组成，且在外管和内管所形成的环形空间内包有铝箔层和玻璃丝层。

所述的用户的采暖管网中从用户出来的管路分为两路，一路与换热器的吸热端入口相连通，另一路经热泵与换热器的吸热端出口管路相连通，换热器的放热端出口经热泵与循环水箱相连通。

所述的换热器采用板式换热器。

所述的中心主井眼的固井方式为套管固井，水平分支井眼的固井方式为尾管固井，且中心主井眼和水平分支井眼的固井水泥均采用添加有石墨和玻璃纤维的固井水泥。

每个绝热管的出口处均设置有调节热水流量的针阀，针阀的出口与换热器的放热端入口相连通。

所述的绝热管伸入水平分支井眼的井底。

所述的循环水箱上布置有显示循环水箱中水位变化的液位计，电加热管与位于循环水箱外部的温控仪相连。

所述的储液箱的出口与循环水箱之间依次设置有旋拧阀、注入泵和断流止回阀。

所述的循环水箱的出口与中心主井眼的入口之间设置有循环泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明由于在中心主井眼的基础上增加了若干水平分支井眼，极大的增加了换热流体与热储的换热面积，降低了钻井成本，提高了换热功率。由于本发明的封闭循环采暖系统在与热储进行热交换时，只是提取热储的热量，并没有和热储层进行任何的物质交换，因此，在运行中不会对地层产生污染，属于环境友好型系统，且本发明封闭循环采暖系统以洁净水作为载热流体，避免了因采用地热水导致的系统运行的稳定性差和设备使用寿命相对较短的问题。

另外，由于本发明仅仅是利用地下热储层与洁净水存在的温差来加热洁净水，只是提取热储的热量，因此，本发明适用性强，不受地理位置和地热资源的限制，任何地方都可以构建此封闭循环采暖系统，运行费用低。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为图1的水平分支井眼的剖视图；

图3为图2的B-B剖视图；

其中，1、循环泵，2、循环水箱，3、电加热管，4、液位计，5、温控仪，6、注入泵，7、储液箱，8、旋拧阀，9、第一断流止回阀；10热泵，11板式换热器，12、用户，13、针阀，14地面；15、绝热管；16、套管，17、中心主井眼，18、第一水平分支井眼，19、井底，20、第二水平分支井眼，21、第二断流止回阀，22、外管，23、内管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明封闭循环采暖系统由井下部分和地面部分组成。

井下部分包括中心主井眼17以及与中心主井眼17分别连通的第一水平分支井眼18和第二水平分支井眼20，第一、二水平分支井眼18，20内均设置有从中心主井眼17下入的绝热管15，且绝热管15均伸入对应的水平分支井眼的井底19，绝热管15的入口与对应的水平分支井眼相连通，绝热管15的出口与地面部分相连通。参见图2-3所示，绝热管15导热系数可以达到0.002W/m.k，绝热管15采用真空隔热管，真空隔热管是由套装在一起的内管23和外管22组成的，且在在外管22和内管23所形成的环形空间包有铝铂层和玻璃丝层。这是因为载热流体在从绝热管15返回地面部分14的过程中会与绝热管15和中心主井眼17的套管16所形成的环形空间中的冷流体换热，损耗热量，所以，本发明的绝热管优选真空隔热管。

其中，中心主井眼17的固井方式为套管16固井，第一、二水平分支井眼18，20的固井方式为尾管固井，且中心主井眼17和第一、二水平分支井眼18，20的固井水泥均采用添加有石墨和玻璃纤维的固井水泥。

本发明井下部分是采用如下方法钻成的：在钻地热井时，利用多分支水平井技术，首先钻成中心主井眼17及第一水平分支井眼18，中心主井眼17和第一水平分支井眼18深度根据实际地温梯度和热负荷计算。另外，需要根据地质情况选择钻井方式，一般为三开，一开用Φ444.5mm的钻头钻进，下入Φ339.7mm套管固井，固井时水泥浆返至地面14；二开用Φ311.1mm的钻头钻进，下入Φ244.5mm的套管固井；三开采用Φ215.9mm钻头钻进形成第一水平分支井眼18，水平位移约为500m，下入Φ17.78mm尾管固井，然后选择合适的深度进行套管开窗，侧钻第二水平分支井眼20，第二水平分支井眼20的水平位移约为500m，同样采用尾管固井。中心主井眼17和第一、二水平分支井眼18、20的固井水泥均为导热水泥，该导热水泥是在常规固井水泥中添加有的石墨和的玻璃纤维，其中，石墨占常规固井水泥质量的5.69%，玻璃纤维占常规固井水泥质量的1.12%，其目的是增强热储与流体的对流换热。固井后，从中心主井眼17下入真空隔热管直至水平分支井眼底部。

地面部分包括储液箱7以及与储液箱7依次连通的旋拧阀8、注入泵6、第一断流止回阀9和循环水箱2，循环水箱2内设置有电加热管3，电加热管3与位于循环水箱2外部的温控仪5相连，循环水箱2上布置有显示循环水箱中水位变化的液位计4，循环水箱2的出口经循环泵1与中心主井眼17的入口相连，设置在第一、二水平分支井眼18、20内的各个绝热管15的出口处均设置有调节热水流量的针阀13，针阀13的出口管路汇合后并联到换热器11的放热端入口，换热器11的放热端出口经热泵10以及第二断流止回阀21连通到循环水箱2，同时，换热器11与的吸热端连接有经过用户12的采暖管网构成循环回路。各个绝热管15的出口处均设置有调节热水流量的针阀13，针阀13的可以实时的调节每条管路中热水的流量；换热器11的换热面积根据热负荷和进出口水温计算，换热器11采用板式换热器，板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便的优势。

采暖网管包括供暖循环回水管路、流经用户的放热段、供暖循环供水管路、流经换热器11的吸热段。其中，从用户12出来的管路为供暖循环回水管路，该管路分为两路，一路与换热器11的吸热端入口相连通，另一路经热泵10与换热器11的吸热端出口处的管路相连通，换热器11的吸热端出口处的管路为供暖循环供水管路。本发明从换热器11的放热端流出的热水进入热泵后加热热泵10中的循环工质，热泵10中的循环工质再将从热水中吸收的热量用于加热部分供暖回水。这样就进一步利用了热水的热量提高供暖效率。而放出热量的热水从热泵10中流出并经第二断流止回阀22进入循环水箱2中，随即在循环泵1的抽吸作用下，再次进入中心主井眼17。循环水箱2中布置的电加热管3可实时补偿洁净水热量损失，如果由于热量损耗，循环水箱中的洁净水温度达不到入井温度，温控仪自动控制电加热管开启，对洁净水进行加热，保证进入井下部分的洁净水的温度；液位计4显示循环水箱中水位的变化，以便及时掌握系统管路中洁净水的损失状况，储液箱7出口管路装有注入泵6，注入泵6主要用于向系统中加入洁净水以及运行阶段向系统管路中补充洁净水。

本发明封闭采暖循环模式为：循环泵注入—中心主井眼—水平分支井眼—绝热管—地面管汇—换热器—热泵—循环水箱—循环泵注入。其具体的操作步骤是：先打开注入泵6、第一、二断流止回阀9，21，然后通过注入泵6、第一断流止回阀9将储液箱7中的洁净水送入循环水箱，同时开启循环泵1，此时洁净水不断进入井下部分绝热管15与中心主井眼17的套管16所形成的环形空间内，然后分别向第一、二水平分支井眼18、20内扩展，由于热储温度较高（一般为80-100℃），与注入的洁净水存在温度差，因此，洁净水在中心主井眼17与绝热管15所形成的环形空间流动过程中，吸收热储热量，洁净水温度升高；当洁净水流至中心主井眼17的井底19时，洁净水即进入绝热管15内部，然后从绝热管15返回地面部分，经过热储加热的洁净水分别经过针阀13后管汇于一根管道然后被送入换热器11的放热端用以加热经过换热器11的供暖循环水；针阀13能够调节各绝热管中的热水流量，当经过一次放热的洁净水经过热泵10时进行二次放热，热泵10中的循环工质将热量吸收，而二次放热的洁净水经第二断流止回阀21返回至地面部分的循环水箱2时，储液箱7继续向循环水箱2中注入洁净水直至加满为止，关闭注入泵6，此时，系统可以进行采暖循环，另外，在循环过程中，如果循环水箱2中液位下降，可以开启注入泵6，及时向循环管路补充洁净水。如果由于热量损耗，循环水箱2中的洁净水温度达不到入井温度，温控仪5自动控制电加热管3开启，对洁净水进行加热，循环水箱2中液位下降时，可打开注入泵6及时补水，注入泵工作前开启旋拧阀8，停止工作后，立即关闭旋拧阀8。

从用户12出来的供暖循环回水管路分为两路，一路与换热器11的吸热端入口相连通，另一路经热泵10与换热器11的吸热端出口处的供暖循环供水管路相连通。因此，供暖循环水为用户12提供热量后的回水分为两路，一路直接进入换热器11的吸热端吸收来自加热的洁净水一次放热的热量，另一路经过热泵吸收来自循环工质吸收的洁净水二次放热的热量，吸取热量完毕后与从换热器流出的流体汇合后继续为用户12提供热量。

本发明利用分支水平井技术构建换热系统，极大的增加了换热流体与热储的换热面积，降低了钻井成本，并且与热泵技术相结合，提高了换热功率；本发明仅仅是利用地下热储层与洁净水存在的温差来加热洁净水，因此本发明采暖系统适用性强，不受地理位置和地热资源的限制，任何地方都可以构建此循环采暖系统；在与热储进行热交换时，只是提取热储的热量，没有和热储层进行任何的物质交换，属于环境友好型系统；闭合循环系统中采用洁净水作为载热流体，使得系统运行稳定，地面设备寿命延长。

Claims (10)

1.一种封闭循环采暖系统，其特征在于：包括储液箱(7)以及与储液箱(7)相连通的循环水箱(2)，循环水箱(2)内设置有电加热管(3)，循环水箱(2)的出口与中心主井眼(17)相连，中心主井眼(17)分别与若干水平分支井眼相连通，各个水平分支井眼内均设置有从中心主井眼(17)下入的绝热管(15)，且绝热管(15)的入口与水平分支井眼相连通，绝热管(15)的出口与换热器(11)的放热端相连后返回循环水箱(2)，换热器(11)的吸热端与经过用户(12)的采暖管网构成循环回路。

2.根据权利要求1所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的绝热管(15)采用真空隔热管，真空隔热管由套装在一起的内管(23)和外管(22)组成，且在外管(22)和内管(23)所形成的环形空间内包有铝箔层和玻璃丝层。

3.根据权利要求1或2所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的采暖管网中从用户(12)出来的管路分为两路，一路与换热器(11)的吸热端入口相连通，另一路经热泵(10)与换热器(11)的吸热端出口管路相连通，换热器(11)的放热端出口经热泵(10)与循环水箱(2)相连通。

4.根据权利要求3所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的换热器(11)采用板式换热器。

5.根据权利要求1或2所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的中心主井眼(17)的固井方式为套管(16)固井，水平分支井眼的固井方式为尾管固井，且中心主井眼(17)和水平分支井眼的固井水泥均采用添加有石墨和玻璃纤维的固井水泥。

6.根据权利要求1或2所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：每个绝热管(15)的出口处均设置有调节热水流量的针阀(13)，针阀(13)的出口与换热器(11)的放热端入口相连通。

7.根据权利要求1所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的绝热管(15)伸入水平分支井眼的井底。

8.根据权利要求1所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的循环水箱(2)上布置有显示循环水箱中水位变化的液位计(4)，电加热管(3)与位于循环水箱(2)外部的温控仪(5)相连。

9.根据权利要求1或8所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的储液箱(7)的出口与循环水箱(2)之间依次设置有旋拧阀(8)、注入泵(6)和断流止回阀(9)。

10.根据权利要求1所述的封闭循环采暖系统，其特征在于：所述的循环水箱(2)的出口与中心主井眼(17)的入口之间设置有循环泵(1)。