CN103954078A - 采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，它以煤矿矿井岩层中的低品位热能为热源，用热泵技术对深层岩石中的热量进行提取和充分利用，分为利用煤矿井下岩石热源供暖和利用煤矿井下岩石热源制冷步骤，利用井下水循环系统、热泵机组为用户供热或制冷，该方法包括：煤矿井下岩石热物性实验；在井下岩石层打孔；井下埋管及回填；系统设计及安装。冬季热泵机组的冷凝器与用户末端系统换热，制冷剂被冷凝后将热量供给用户；夏季热泵机组的蒸发器与用户末端系统换热，制冷剂被蒸发后将冷量供给用户。实现了清洁能源和可再生能源的有效利用，减少了煤炭、天然气等不可再生能源的使用，对缓解能源紧缺及化石燃料使用引起的环境污染将产生重大影响。

Description

采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下岩石热量的提取方法，具体地说是一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，该方法是利用热泵系统提取煤矿井下废弃巷道岩石内热量的方法。

背景技术

我国煤矿企业众多，随着煤碳的大规模开采，产生了大量的废弃巷道。煤矿巷道系统多位于地表以下几百米甚至上千米深处，井下巷道岩石层温度常年保持在20℃左右，有着丰富的地热资源，且不受地面温度的影响，是地源热泵系统的良好冷热来源，具有较高的开发利用价值。

随着我国城市化进程的加快，城市的冬季供暖和夏季制冷能源需求量逐年增加，很多城市出现了能源紧张的局面。另一方面，北方采暖地区大量的燃煤热电厂冬季超负荷运行，带来严重的空气污染问题，目前已经达到了非常严峻的程度；南方夏热冬冷地区空调的使用也给当地的电能供应带来严峻的考验，拉闸限电现象非常普遍，给人们的生产生活带来不便。开发利用清洁能源和可再生能源，调整能源消费结构，是当前国内外共同关注的能源问题。

热泵系统可将浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）作为热源或热汇，将换热器置入地下，通过输入少量的高品位能源实现由低温位热能向高温位热能的转移，其性能系数可达5.0以上，被称之为21世纪最具发展前途的高效节能空调设备。但是普通土壤源热泵系统并不是适合所有建筑的，通常情况下地源热泵系统全年累计的土壤内释吸热量不相同，经过周期循环地下温度场可能得不到很好的恢复，常年运行的后果可能导致地埋管周围温度上升或者下降，从而直接影响整个热泵系统的性能，所以通常情况下，土壤源热泵系统的使用一般只局限在全年累计释取热量相当的地区、且通常都用于低密度的小型公共建筑、酒店或独栋建筑。而水源热泵系统中闭式环路地下水系统要求回灌率往往达不到设计要求；开式环路水系统存在腐蚀和结垢的巨大潜在可能性，因此，使用水源热泵系统时要求水量充足、水质好、具有稳定水位等严格要求，否则会造成热泵系统的效率下降。

利用热泵系统将煤矿井下的废弃巷道内的岩石潜热提取出来，用于城市供暖和夏季供冷，由于岩石的热扩散能力强，热源的温度非常稳定，可大大提高目前地源热泵的效率，达到很好的节约能源效果，而且不会对周围环境产生任何影响。

发明内容

本发明的目的是针对目前能源供应紧张及严重的环境污染问题，提供一种通过采用热泵系统提取煤矿井下岩石的热能，解决地面建筑物的供暖及制冷需求，实现井下热量井上利用的一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法。

实现上述发明目的采用以下技术方案：一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，它以煤矿矿井岩层中的低品位热能为热源，采用热泵技术对地下深层岩石中的热量进行提取和充分利用，分为利用煤矿井下岩石热源供暖和利用煤矿井下岩石热源制冷步骤，利用井下水循环系统、热泵机组为用户供热或制冷，所述方法包括下述步骤：

a、煤矿井下岩石热物性实验，在井下选择钻孔位置用钻机钻孔，钻孔深度为80~100米，往成型的钻孔内下管，采集钻孔内的热量数据并进行数据分析，测得岩石层的导热系数及热扩散能力；

b、在井下岩石层打孔：钻机采用正循环回转重力加压的钻进方式，将钻机钻速由低到高进行调节，钻孔深度为80~100米，孔间距为3-4米，各孔采用水平布置方式，单孔沿深度方向上倾斜20~30°角度；

c、井下埋管及回填：将埋管放入井下，使用高标号水泥作为回填层将埋管覆盖；

 d、系统设计及安装：

井下水循环系统主要由岩石埋管和换热器组成，热泵机组主要由冷凝器、压缩机和蒸发器组成，井下换热器采用全焊式高承压换热器，承受压力为5~10MPa，热泵系统的整体性能系数大于等于5.0，全焊式高承压换热器与井下埋管连接，通过管路与热泵机组连接；

冬季热泵机组的冷凝器与用户末端系统换热，制冷剂被冷凝后将热量供给用户；

夏季热泵机组的蒸发器与用户末端系统换热，制冷剂被蒸发后将冷量供给用户。

作为优选方案，所述的全焊式高承压换热器是5~10MPa的全焊式板壳式换热器。

作为优选方案，所述的井下埋管采用HDPE管作为地埋管，地埋管的管口内径为32mm，为单U型结构。

由于采用了上述技术方案，本发明利用热泵技术将煤矿井下岩石内热能的提取，用于地面建筑物的冬季供暖和夏季制冷，实现了清洁能源和可再生能源的有效利用，减少了煤炭、天然气等不可再生能源的使用，对缓解能源紧缺及化石燃料使用引起的环境污染将产生重大影响。由于埋管置于岩石层内，且深度较深，常年使用不会产生传统地源热泵对周围土壤热环境产生的生态影响问题；与传统地源热泵相比岩石层具有更高的导热系数，温度更加稳定，煤矿井下岩石热源热泵具有比传统热泵相比，岩石的热扩散能力强，热源的温度非常稳定，具有环境影响小、工作性能稳定、地源热泵效率高、节约能源效果显著。其显著的效果还在于：本发明采用换热器是全焊式高承压换热器，承受压力为5~10MPa，使热泵系统的整体性能系数大于等于5.0，全焊式高承压换热器具有效率高、占地面积小只有管壳式换热器的1/5—1/3，结垢倾向低（内部充分湍流度）、重量轻（只有管壳式的1/4）、承压高（最高能承压10.0MPa）、适应范围广（基本适用所有介质）等优点，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

附图1是本发明的煤矿井下岩石热量提取方法工艺流程图。

附图中标号表示如下：1.冷凝器（蒸发器）；2.压缩机；3.蒸发器（冷凝器）；4.膨胀阀；5.高承压换热器；Ⅰ.热用户末端系统；Ⅱ.热泵机组；Ⅲ.井下水循环系统；Ⅳ.岩石埋管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明公开了一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，该方法的发明思想是采用热泵系统Ⅱ提取煤矿井下岩石热作为城市冬季供热的热源和夏季制冷的冷源，通过消耗少量的电能，获得4-5倍于耗电量的热量。它以煤矿矿井岩层中的低品位热能为热源，采用热泵技术对地下深层岩石中的热量进行提取和充分利用，分为利用煤矿井下岩石热源供暖和利用煤矿井下岩石热源制冷步骤，利用井下水循环系统Ⅲ、热泵机组Ⅱ为用户供热或制冷，所述方法包括下述步骤：

a、煤矿井下岩石热物性实验：在井下选择适当的钻孔位置用钻机钻孔，钻孔深度为80~100米，往成型的钻孔内下管，采集钻孔内的热量数据并进行数据分析，测得岩石层的导热系数及热扩散能力；

b、在井下岩石层打孔：钻机采用正循环回转重力加压的钻进方式，将钻机钻速由低到高进行调节，钻孔深度为80~100米，孔间距为3-4米，以4米为佳，各孔采用水平布置方式，单孔沿深度方向上倾斜20~30°角度；

c、井下埋管及回填：将埋管放入井下，使用高标号水泥作为回填层将埋管覆盖；本发明采用HDPE管作为地埋管，地埋管的管口内径为32mm，为单U型结构，下管完成后，使用高标号水泥作为回填层；

d、系统设计及安装：

井下水循环系统主要由岩石埋管Ⅳ.和换热器组成，热泵机组Ⅱ主要由冷凝器、压缩机2和蒸发器组成，换热器采用全焊式高承压换热器5，全焊式高承压换热器5是10MPa的全焊式板壳式换热器。承受压力为5~10MPa，热泵系统的整体性能系数大于等于5.0，全焊式高承压换热器与井下埋管连接，通过管路与热泵机组Ⅱ连接。

根据制热和制冷的不同，冷凝器和蒸发器的功能不同；

冬季热泵机组Ⅱ的冷凝器1与用户末端系统换热，制冷剂被冷凝后将热量供给用户；

夏季热泵机组的蒸发器3与用户末端系统换热，制冷剂被蒸发后将冷量供给用户。

具体实施例如下：

实施例1：利用煤矿井下岩石热源供暖。

具体步骤是：

1、选择井下适合位置进行钻孔，孔深一般为80~100米，孔间距为4米，各孔采用水平布置方式，单孔沿深度方向上倾斜20~30°角度；

2、采用HDPE管作为地埋管，管口内径为32mm，单U型，下管完成后，使用高标号水泥作为回填层；

3、根据用户采暖面积及气候特点进行热泵系统设计及安装，进水和回水的循环回路连接结构是：热泵机组的冷凝器3与压缩机2连接，压缩机2与蒸发器1连接，蒸发器1的输出端与热用户系统末端连接，组成进水通路，热用户系统末端的回水管路与蒸发器1连接，蒸发器1通过回水管路与冷凝器3连接，在蒸发器1与冷凝器3连接的回水管路上安装膨胀阀4，蒸发器1高承压换热器5连接，高承压换热器5与岩石埋管连接组成回水通路。进水、回水通路组成循环回路。

冬季用户侧的供暖水温为45℃，回水温度为40℃，井下高承压换热器的管程走井下侧循环水，冬季进出水温度为8℃/13℃，工作压力为7.0MPa；高承压换热器的壳程走埋管循环水，冬季进出水温度为15℃/10℃，工作压力为0.2MPa。通过井下岩石埋管循环后，冬季可将水温提高5℃，系统的性能系数可达到5.0以上，室内温度平均23℃。

实施例2：利用煤矿井下岩石热源制冷。

具体步骤是：

1、选择井下适合位置进行钻孔，孔深一般为80~100米，孔间距为4米，各孔采用水平布置方式，单孔沿深度方向上倾斜20~30°角度；

2、采用HDPE管作为地埋管，管口内径为32mm，单U型，下管完成后，使用高标号水泥作为回填层；

3、根据用户制冷面积及气候特点进行热泵系统设计及安装，进水和回水的循环回路连接结构是：热泵机组的蒸发器1与压缩机2连接，压缩机2与冷凝器3连接，冷凝器3的输出端与用户系统末端连接，组成进水通路，用户系统末端的回水管路与冷凝器3连接，冷凝器3通过回水管路与蒸发器1连接，在冷凝器3与蒸发器1连接的回水管路上安装膨胀阀4，蒸发器1与高承压换热器5用管路连接，高承压换热器5与岩石埋管Ⅳ连接组成回水通路。进水、回水通路组成循环回路。

夏季用户侧的供冷水温为8℃，回水温度为14℃，井下高承压换热器的管程走井下侧循环水，夏季进出水温度为29℃/24℃，工作压力为7.0MPa；高承压换热器的壳程走埋管侧循环水，夏季进出水温度为21℃/26℃，工作压力为0.2MPa。夏季岩石热泵系统的性能系数可达到4.0以上，室内温度平均21℃。

本发明的工作过程：

见附图1所示（以冬季用户采暖为例进行说明），岩石层内埋管中的水吸收岩石热量后在高压换热器5内放出热量，井下侧水循环系统的水在高承压换热器5中与井下地埋管侧水进行热交换，吸收热量后，水温升高，在蒸发器3中与制冷剂进行热交换，放出热量后返回到井下换热器；热泵机组内制冷剂被压缩成高温高压气体后在冷凝器1内冷凝放热，然后经膨胀阀4减温减压后流入蒸发器3，在蒸发器3内与井下侧水循环系统进行热量交换，吸热气化后再次被压缩，完成一个循环周期；采暖区循环回水经冷凝器1与制冷剂进行热量交换，获得热量后输送到室内用于采暖。夏季制冷工况与制热工况工作相反，热泵机组的蒸发器变成冷凝器，冷凝器变成蒸发器。

上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，它以煤矿矿井岩层中的低品位热能为热源，采用热泵技术对地下深层岩石中的热量进行提取和充分利用，分为利用煤矿井下岩石热源供暖和利用煤矿井下岩石热源制冷步骤，利用井下水循环系统、热泵机组为用户供热或制冷，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

a、煤矿井下岩石热物性实验：在井下选择钻孔位置用钻机钻孔，钻孔深度为80~100米，往成型的钻孔内下管，采集钻孔内的热量数据并进行数据分析，测得岩石层的导热系数及热扩散能力；

b、在井下岩石层打孔：钻机采用正循环回转重力加压的钻进方式，将钻机钻速由低到高进行调节，钻孔深度为80~100米，孔间距为3-4米，各孔采用水平布置方式，单孔沿深度方向上倾斜20~30°角度；

c、井下埋管及回填：将埋管放入井下，使用高标号水泥作为回填层将埋管覆盖；

 d、系统设计及安装：

井下水循环系统主要由岩石埋管和换热器组成，热泵机组主要由冷凝器、压缩机和蒸发器组成，换热器采用全焊式高承压换热器，热泵系统的整体性能系数大于等于5.0，全焊式高承压换热器与井下埋管连接，通过管路与热泵机组连接；

冬季热泵机组的冷凝器与用户末端系统换热，制冷剂被冷凝后将热量供给用户；

夏季热泵机组的蒸发器与用户末端系统换热，制冷剂被蒸发后将冷量供给用户。

2.根据权利要求1所述的采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，其特征在于，所述的全焊式高承压换热器是5~10MPa的全焊式板壳式换热器。

3.根据权利要求1所述的采用热泵系统提取煤矿井下岩石热量的方法，其特征在于，所述的井下埋管采用HDPE管作为地埋管，地埋管的管口内径为32mm，为单U型结构。