CN106403330A - 基于海水源的地热利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源供热和空调技术领域，具体涉及一种基于海水源的地热利用方法，利用海水流动与沙滩的热交换，通过沙滩中具有较强过滤能力的地热井，聚集热能，后通过依次连接的地热采集装置、热泵系统和空调系统，实现海水与室内的热交换；海水经过过滤器的多层过滤后，直接进入热泵系统进行热交换，减少一道换热环节，有效确保水源热泵系统的稳定运行，满足临海区域的室内供热和供冷的需求，同时换热效率高、造价低廉。

Description

基于海水源的地热利用方法

技术领域

本发明涉及能源供热和空调技术领域，具体涉及一种基于海水源的地热利用方法。

背景技术

随着社会的发展和人们生活水平的日渐提高，人们不愿再无助的忍受冬季的寒冷和夏季的酷暑，供人们生活和工作的现代建筑中，多数都配置了冷热装置来实现建筑内的冬暖夏凉。目前建筑物室内采暖主要依靠矿物燃料的直接燃烧和电能空调的制冷、制热，这中方式一方面造成极大的资源消耗，另一方面矿物燃料燃烧产生的大量污染物会污染环境。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。

水源热泵具有节能环境、运行稳定可靠等优点，但水源热泵对地下水的要求比较高，需要良好的地下水源条件；在地下水丰富的临海地区，取用源源不断的海水作为地热源为周边建筑提供恒温环境，已经取得了显著成效。闭式的海水源热泵系统不需要复杂的过滤装置，采用前端换热器与海水换热后，再用于热泵系统工作，换热效率低。开式的海水源热泵系统，直接驱动海水进行循环换热，热利用率较高，但前端换热装置需设置较为复杂的海水过滤系统，投资较大，维护复杂。因此，如何寻找到一种换热效率高、造价低廉的方法，来利用海水源建立水源热泵，成为一个重要问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供的一种基于海水源的地热利用方法，利用海水流动与沙滩的热交换，通过设置在沙滩中的地热井，提取热能，有效确保水源热泵系统的稳定运行，满足临海区域的室内供热和供冷的需求，同时换热效率高、造价低廉。

本发明提供的基于海水源的地热利用方法，包括以下步骤：

1)在临海的沙滩上选择位置建筑地热采集装置的位置，临海的沙滩地层中水源丰富，施工方便。

2)在沙滩上钻地热井孔，其深度要位于海水的最低水位以下，且底部到达砾岩层；保证地热井底部的地层温度相对稳定。

3)将预制好的过滤器固定安装到地热井孔内，使过滤器下端口立于砾岩层上，有效固定过滤器；过滤器上端口位于海水最低水位以下，保证地热井的稳定滤水和供水能力。

4)将预制好的固井管固定安装到地热井孔内，其下端口与过滤器连接，上端口位于海水的最高水位之上，并用井盖密封，形成封闭的地热井；地热井的封闭结构，能让井内的水体温度更加稳定，并保证水体的洁净。

5)将潜水泵安装到地热井的底部，并通过管道穿过井盖，与安装在地面上的热泵系统的蒸发器外循环盘管连通，换热后的海水经消毒池净化后，流回大海；完善的利用、净化和再回流循环，有效避免利用之后的水体回流大海造成的次地质灾害。

6)通过热泵系统，将蒸发器收集的热能传递给空调系统，供室内使用，实现海水与室内之间的热交换。

7)空调系统通过循环泵将冷凝器外循环盘管与风机盘管向相连，进行室内热交换后的循环水流回冷凝器再次吸热，实现室内的热交换。

进一步地，上述过滤器包括：从内到外依次套置的内管、外管、基础管、包网层和铁丝层，基础管和外管上均设有透水孔，内管与外管之间分为多个上下端开口的腔室，腔室中填充滤芯；通过分级多层过滤，提高过滤效果，保证井中水体的清洁，尤其是确保集热热井中的水体可以直接循环到上述热泵系统中进行热交换，换热效率高，同时省去了复杂的水体过滤装置，成本较低。

进一步地，上述过滤器安装在沙滩土壤细沙层和砾岩层之间的漂石层中，水体在漂石层中的渗透能力强，且换热效果显著。

进一步地，上述潜水泵、蒸发器外循环盘管和消毒池依次通过管道串联形成热能采集装置，蒸发器外循环盘管和消毒池之间管道上设置A控制阀，潜水泵和蒸发器外循环盘管之间的管道上设置B控制阀；有效控制热能采集装置的启用和关闭，方便清理和检修。

进一步地，上述热泵系统包括由冷凝器、压缩机、蒸发器和膨胀阀依次串联组成的回路；其中的蒸发器由蒸发器外循环盘管和蒸发器内循环盘管耦合组成，冷凝器由冷凝器外循环盘管和冷凝器内循环盘管耦合组成；通过完善的循环回路，持续高效的进行海水和室内的冷热交换。

进一步地，上述循环泵、冷凝器外循环盘管和风机盘管依次通过管道串联形成热空调系统，循环泵和冷凝器外循环盘管之间管道上设置C控制阀，冷凝器外循环盘管和风机盘管之间的管道上设置D控制阀；有效控制空调系统的启用和关闭，以及控制空调系统的循环路径。

进一步地，在所述A控制阀的出水端和所述C控制阀的出水端之间并联E控制阀，所述B控制阀的进水端和所述D控制阀的进水端之间并联F控制阀，所述A控制阀的进水端和所述C控制阀的进水端之间并联G控制阀，所述B控制阀的出水端和所述D控制阀的出水端之间并联H控制阀，形成制冷和供热转换回路；供热时，A控制阀、B控制阀、C控制阀和D控制阀打开，E控制阀、F控制阀、G控制阀和H控制阀关闭；制冷时，A控制阀、B控制阀、C控制阀和D控制阀关闭，E控制阀、F控制阀、G控制阀和H控制阀打开，方便室内制冷和供热需求的切换。

进一步地，在地热井四周筑建堤坝，避免地热井周围的泥沙因潮水作用而流失，确保地热井的稳固。

根据上述技术方案，本发明通过所述热能采集装置吸收海水的热量为所述热泵系统供能，流动的海水与沙滩地层进行热交换，经地热井的过滤器过滤后进入地热井内后，直接进入热泵系统交换热量，再通过空调系统输入到室内，实现与室内的冷热交换，达到室内冬暖夏凉的效果，换热效率高、造价低廉。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明地热井结构示意图；

图3为本发明过滤器的结构示意图。

附图标记：1-地热采集装置；2-热泵系统；3-空调系统；

11-地热井；111-过滤器；112-固井管；113-井盖；1111-基础管；1112-外管；1113-内管；1114-包网层；1115-铁丝层；12-潜水泵；13-蒸发器外循环盘管；14-消毒池；15～18-A、B、E、F控制阀；21-蒸发器；211-蒸发器内循环盘管；22-压缩机；23-冷凝器；231-冷凝器内循环盘管；24-膨胀阀；31-风机盘管；32-循环泵；33-冷凝器外循环盘管；34～37-C、D、G、H控制阀

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明提供的基于海水源的地热利用方法，利用海水流动与沙滩地层的热交换，通过设置在沙滩中的地热井11，提取热能，有效确保热泵系统2的稳定运行，具体包括以下步骤：

在临海的沙滩上选择位置建筑地热采集装置1的位置，临海的沙滩地层中水源丰富，施工方便。

在沙滩上钻地热井11的井孔，其深度要位于海水的最低水位以下，且井孔穿过细砂层和漂石层，底部到达地层温度相对稳定的砾岩层。

将预制好的过滤器111固定安装到地热井11井孔内，具体置于细沙层和砾岩层之间的渗透性较好的漂石层中，并将过滤器111的下端口立于砾岩层上，有效固定过滤器111；过滤器111包括：从内到外依次套置的内管1113、外管1112、基础管1111、包网层1114和铁丝层1115，基础管1111和外管1112上均设有透水孔，内管1113与外管1112之间分为多个上下端开口的腔室，腔室中填充滤芯；在基础管1111外包覆尼龙丝作为初滤的包网层1114，并在尼龙丝包网外按一定间距缠绕抗腐蚀的镀锌铁丝形成铁丝层1115，以防止包网层1114脱落。水体通过过滤器111时，首先经尼龙丝的包网层1114过滤掉大颗粒的砂子，再经过基础管1111的透水孔进入到外管1112；外管1112管壁上同样设置有透水孔，内管1113的管壁上未设置透水孔，而是在内管1113和外管1112之间的环形空间内分设多个上、下端敞口的腔室，水体经外管1112的透水孔进入腔室后，沿腔室上、下流动，从腔室上、下端排出，延长了水体在滤芯中的流动路径，提高了过滤效果，保证井中水体的清洁，尤其是确保集热热井中的水体可以直接循环到上述热泵系统中进行热交换，换热效率高，同时省去了复杂的水体过滤装置，成本较低。将预制好的固井管112固定安装到地热井11的井孔内，其下端口与过滤器111的基础管1111连接，上端口位于海水的最高水位之上，并用井盖113密封，形成封闭的地热井111，并在地热井11四周筑建堤坝，避免地热井周围的泥沙因潮水作用而流失，确保地热井11能持续提供洁净且温度稳定的水体。

将潜水泵12安装到地热井11的底部，并通过管道穿过井盖113，与安装在地面上的热泵系统1的蒸发器外循环盘管13连通，换热后的海水经消毒池14净化后，流回大海；依次通过管道串联的潜水泵12、蒸发器外循环盘管13和消毒池14，同地热井11一起组成热能采集装置1，潜水泵12和蒸发器外循环盘管13之间管道上设置A控制阀15，蒸发器外循环盘管13和消毒池14之间的管道上设置B控制阀16。

通过热泵系统2，将蒸发器21收集的热能传递给空调系统3，供室内使用，实现海水与室内之间的热交换。热泵系统2包括由蒸发器21、压缩机22、冷凝器23和膨胀阀24依次串联组成的回路；其中的蒸发器21由蒸发器外循环盘管13和蒸发器内循环盘211管耦合组成，冷凝器23由冷凝器外循环盘管33和冷凝器内循环盘管21耦合组成。

空调系统3由循环泵32、冷凝器外循环盘管33和风机盘管31依次通过管道串联组成，在风机盘管31中进行室内热交换后的循环水流回冷凝器23再次吸热，实现室内的热交换；循环泵32和冷凝器外循环盘管33之间管道上设置C控制阀34，冷凝器外循环盘管33和风机盘管31之间的管道上设置D控制阀35，有效控制空调系统的启用和关闭，以及控制空调系统的循环路径。

同时，在A控制阀15的出水端和C控制阀34的出水端之间并联E控制阀17,B控制阀16的进水端和D控制阀35的进水端之间并联F控制阀18,A控制阀15的进水端和所述C控制阀34的进水端之间并联G控制阀36,B控制阀16的出水端和D控制阀35的出水端之间并联H控制阀37，形成可切换的制冷和供热转换回路：供热时，A控制阀15、B控制阀16、C控制阀34和D控制阀35打开，E控制阀17、F控制阀18、G控制阀36和H控制阀37关闭；制冷时，A控制阀15、B控制阀16、C控制阀34和D控制阀35关闭，E控制阀17、F控制阀18、G控制阀36和H控制阀37打开。

如图2所示，本发明的地热井11开设在沿海的沙滩中，直达沙滩深处的砾岩层，地层内的温度常年变化不大，井内的水位与海水水位基本一致。从地热井11中抽取的海水，并非直接取自大海，而是与沙滩进行过热交换，并经过滤器111过滤后的清洁水体；如图3所示，海水经过过滤器111铁丝层1115、包网层1114、基础管1111、外管1112和内管1113中的滤芯组成的五层过滤结构过滤后，可直接进入热泵系统2进行热交换，减少一道换热环节，海水中的热能利用率更高。在寒冷的冬季，表面海水的温度较低，在流入地热井11的过程中吸取沙滩地层中的热量，所以潜水泵12抽取的是温度较高的水体，经热泵系统2将水体中的热量提取，并提升温度后通过空调系统3释放到室内，达到冬季供暖的目的。在酷热的夏季，表面海水温度较高，经沙滩地层渗透到地热井11的过程中降温到较低的温度，可以中和更多热泵系统2通过空调系统3吸取的室内热量，提高热泵系统2的工作效率，到达夏季制冷的目的。

供热时，A控制阀15、B控制阀16、C控制阀34和D控制阀35打开，E控制阀17、F控制阀18、G控制阀36和H控制阀37关闭。地热井11中经过滤器111过滤之后的高温水体，被潜水泵12抽取，流经蒸发器外循环盘管13，后经消毒池14中净化后流回大海，形成地热采集装置1的放热循环。热能在蒸发器21中耦合的蒸发器外循环盘管13和蒸发器内循环盘管211之间完成第一次热交换；热泵系统2通过压缩机22做功，将在蒸发器21吸收完热量的导热介质升温加压后传递到冷凝器23，通过冷凝器23中耦合的冷凝器内循环盘管231和冷凝器外循环盘33完成第二次热交换，传热降温后的导热介质通过膨胀阀24减压后，重新流入蒸发器21再次吸热，形成热泵供热循环。空调系统3将通过冷凝器外循环盘管33热交换吸取热量后的空调循环水，通过循环泵32输送到风机盘管31向室内放热，降温后返回冷凝器23再次吸热，形成空调系统3的供热循环。室内空气吸收风机盘管31带来的热量，达到供暖效果。

制冷时，A控制阀15、B控制阀16、C控制阀34和D控制阀35关闭，E控制阀17、F控制阀18、G控制阀36和H控制阀37打开。夏季地热井11中经沙滩地层降温后的水体温度较低，经过滤器111流入地热井11中，被潜水泵12直接抽取，流经冷凝器外循环盘管33吸热，后经消毒池14净化后流回大海，形成地热采集装置1的吸热循环。热能在冷凝器23中耦合的冷凝器外循环盘管33和冷凝器内循环盘管231之间完成第一次热交换；热泵系统2做功，将在冷凝器23中完成放热的低温导热介质经膨胀阀24降压后传递给蒸发器21，并在蒸发器21中通过耦合的蒸发器内循环盘管211和蒸发器外循环盘管13完成第二次热交换，吸热升温后的导热介质经压缩机23增压后重新流入冷凝器23再次放热，形成热泵制冷循环。空调系统3将经过蒸发器外循环盘管13热交换放热降温后的空调循环水，通过循环泵32输送到风机盘管31向室内吸热，升温温后返回蒸发器21再次放热，形成空调系统3的制冷循环。室内空气中的热量被风机盘管31吸收带走，达到室内制冷的效果。

采用以上技术方案，本发明提供的基于海水源的地热利用方法，利用海水流动与沙滩的热交换，通过沙滩中的具有较强过滤能力的地热井，提取热能，直接供热泵系统使用，有效确保水源热泵系统的稳定运行，满足临海区域的室内供热和供冷的需求，同时换热效率高、造价低廉。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于海水源的地热利用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在临海的沙滩上选择建筑地热采集装置的位置；

2)在沙滩上钻地热井孔，其深度要位于海水的最低水位以下，且底部到达砾岩层；

3)将预制好的过滤器固定安装到地热井孔内，使过滤器下端口立于砾岩层上，上端口位于海水最低水位以下；

4)将预制好的固井管固定安装到地热井孔内，其下端口与过滤器连接，上端口位于海水的最高水位之上，并用井盖密封，形成封闭的地热井；

5)将潜水泵安装到地热井的底部，并通过管道穿过井盖，与安装在地面上的热泵系统的蒸发器外循环盘管连通，换热后的海水经消毒池净化后，流回大海；

6)通过热泵系统，将蒸发器收集的热能传递给空调系统，供室内使用；

7)空调系统通过循环泵将冷凝器外循环盘管与风机盘管向相连，进行室内热交换后的循环水流回冷凝器再次吸热。

2.根据权利要求1所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述过滤器包括：从内到外依次套置的内管、外管、基础管、包网层和铁丝层，基础管和外管上均设有透水孔，内管与外管之间分为多个上下端开口的腔室，腔室中填充滤芯。

3.根据权利要求1所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述过滤器安装在沙滩土壤细沙层和砾岩层之间的漂石层中。

4.根据权利要求1所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述潜水泵、蒸发器外循环盘管和消毒池依次通过管道串联形成热能采集装置，蒸发器外循环盘管和消毒池之间管道上设置A控制阀，潜水泵和蒸发器外循环盘管之间的管道上设置B控制阀。

5.根据权利要求4所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述热泵系统包括由冷凝器、压缩机、蒸发器和膨胀阀依次串联组成的回路；其中的蒸发器由蒸发器外循环盘管和蒸发器内循环盘管耦合组成，冷凝器由冷凝器外循环盘管和冷凝器内循环盘管耦合组成。

6.根据权利要求5所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述循环泵、冷凝器外循环盘管和风机盘管依次通过管道串联形成热空调系统，循环泵和冷凝器外循环盘管之间管道上设置C控制阀，冷凝器外循环盘管和风机盘管之间的管道上设置D控制阀。

7.根据权利要求6所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述A控制阀的出水端和所述C控制阀的出水端之间并联E控制阀；所述B控制阀的进水端和所述D控制阀的进水端之间并联F控制阀；所述A控制阀的进水端和所述C控制阀的进水端之间并联G控制阀；所述B控制阀的出水端和所述D控制阀的出水端之间并联H控制阀，形成制冷和供热转换回路。

8.根据权利要求1所述的基于海水源的地热利用方法，其特征在于，所述地热井四周筑建堤坝。