CN106403368B - 基于第四系冲洪积层的地热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地热利用技术领域，具体涉及一种基于第四系冲洪积层的地热利用系统，包括依次串联的地热采集装置、水源热泵和输出装置；利用地热采集装置在松散的第四系冲洪积层中构建的结构稳固且水源稳定的集热井，为水源热泵稳定提供可直接使用的恒温水体；水源热泵将水体中的地热能转移到输出装置，最后输送到需要的位置通过合适的利用终端加以利用，方便实用。整个系统换热效率高、制造成本低，能够稳定利用第四系冲洪积层地质环境的地热能。

Description

基于第四系冲洪积层的地热利用系统

技术领域

本发明涉及地热利用技术领域，具体涉及一种基于第四系冲洪积层的地热利用系统。

背景技术

随着人们环保意识的逐步加深，人们迫切的希望利用一种清洁能源取代燃煤锅炉来满足人们的生活需要，地热能作为一种清洁能源和可再生能源，其开发前景十分广阔。水源热泵作为地热利用的核心，其应用技术已经相当成熟。但水源热泵对供能水源条件的要求比较高：闭式的水源热泵采用前端换热装置获得地热后，再用于水源热泵工作，换热效率低；开式的水源热泵，直接驱动水体进行循环换热，热利用率较高，但前端换热装置需设置较为复杂的水体过滤装置，投资较大，维护复杂；同时，针对不同的地质环境，建立稳定的前端换热系统也是比较关键的问题。

对于第四系冲洪积层，土壤以上下覆盖的粘土层、卵石层和砂岩层为主，其结构松散且含水性好，但其厚度较薄，含水量有限且含沙量重，利用困难较大且成本贵较高。因此，如何高效廉价的在第四系冲洪积层的地质环境下建立稳定的水源热泵系统，具有非常积极的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供的一种基于第四系冲洪积层的地热利用系统，换热效率高、制造成本低，能够稳定利用第四系冲洪积层地质环境的地热能。

本发明提供一种基于第四系冲洪积层的地热利用系统，包括依次串联的地热采集装置、水源热泵和输出装置。所述地热采集装置包括：依次通过管道串联的集热井、第一循环泵、第一供热盘管和回灌井，第一循环泵和第一供热盘管之间的管道上设置A控制阀，第一供热盘管和回灌井之间的管道上设置B控制阀。所述集热井包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，固井段安装第一井壁管，且在第一井壁管与井身之间浇筑水泥浆；过滤井段安装过滤器，且在过滤器与井身之间填充卵石；沉淀井段安装第二井壁管，且在第二井壁管与井身之间浇筑水泥浆。所述回灌井包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，固井段安装固井管，且在固井管与井身之间浇筑水泥浆；过滤井段安装透水管，且在透水管与井身之间填充卵石；沉淀井段为井孔直径较小的裸井。所述水源热泵包括依次串联成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述蒸发器由第一供热盘管和第二供热盘管分别与蒸发盘管耦合而成，所述冷凝器由第一吸热盘管和第二吸热盘管分别与冷凝盘管耦合而成。所述输出装置包括依次通过管道首尾相连的第二循环泵、第一吸热盘管和利用终端，第二循环泵和第一吸热盘管之间的管道上设置C控制阀，第一吸热盘管和利用终端之间的管道上设置D控制阀。

为了实现本系统供热和制冷状态的顺利切换，在所述A控制阀的进水端和所述B控制阀的出水端之间并联所述第二吸热盘管，并在A控制阀的进水端和第二吸热盘管之间的管道上设置E控制阀，在B控制阀的出水端和第二吸热盘管之间的管道上设置F控制阀；所述C控制阀的进水端和所述D控制阀的出水端之间并联所述第二供热盘管，并在C控制阀的进水端和第二供热盘管之间的管道上设置G控制阀，在D控制阀的出水端和第二供热盘管之间的管道上设置H控制阀。

所述集热井和回灌井，开设在由粉质粘土层、卵石层和泥质粉砂岩层上下覆盖而成的第四系冲洪积层中，通过钢管和过滤器构建出结构稳固且水源稳定的集热井和回灌井。通过所述地热采集装置聚集集热井中水体所含的地热量，第一循环泵的吸水管插入到过滤器的下部，直接吸取经过滤器过滤，并在集热井中沉淀过后的清洁水体，为所述水源热泵所用，经水源热泵将地热能转移到输出装置，最后输送到需要的位置加以利用，利用过程中可以通过上述多个控制阀的开闭组合实现制冷和供热工况的切换，方便实用，且换热效率高、制造成本低。与水源热泵完成能量交换后的水体经回灌井流回地层土壤中，集热井和回灌井之间的水体通过渗透作用达到动态的水量平衡，且在渗透过程中不断与土壤进行热量交换，到达水体的能量平衡，确保本发明所提供的系统能够稳定的为水源热泵供能。

进一步地，上述第一井壁管包括外井壁管和内井壁管，且外井壁管和内井壁管之间设置有保温层；有效防止集热井中的水体和井身上方的地层发生热量交换，而变成与地表水体温度相同的低能量水体。

进一步地，上述内井壁管、外井壁管、第二井壁管和固井管均为不锈钢钢管，所述透水管为管体圆周面上均匀布置有透水孔的不锈钢钢管，为井身提供有效的支撑，并为过滤井段保留适当的透水能力。

进一步地，上述外井壁管的内表面设置有红外反射涂层，所述内井壁管的外表面设置有吸热涂层，所述保温层为聚氨酯发泡层；提高第一井壁管的绝热效果，确保深层地下水体在输入水源热泵之前的恒温水质。

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水源热泵中进行热交换，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，上述回灌井的井深小于所述集热井的井深，利用回灌井与集热井之间水位落差加快水体的渗透，减少第一循环泵的能耗。

进一步地，上述集热井的井孔穿过土壤的粘土层和卵石层之后深入到沙岩层，所述过滤器位于卵石层，过滤器的上端口套接所述第一井壁管，过滤器的下端口套接所述第二井壁管，套接端面上均设置有密封圈，确保水体只能通过过滤器进入地热井，保持集热井中水体的清洁。

进一步地，上述回灌井的井孔穿过土壤的粘土层到达卵石层，所述透水管位于卵石层，透水管的上端口套接所述固井管，确保回灌井中水体的渗透回流能力。

进一步地，上述第一井壁管和固井管的上端口均用井盖密封，封闭的结构，能让井内的水体温度更加稳定，并防止水体被污染而造成次地质灾害。

进一步地，上述集热井和回灌井均设置多个，单个井孔间的距离不小于40m，保证水体具有充足的渗透换热时间，为水源热泵提供充足且温度稳定的热交换介质。

根据上述技术方案，本发明提供的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，通过管体和过滤器在松散的第四系冲洪积层中构建出结构稳固且水源稳定的集热井和回灌井，集热井中的水量充足、洁净且温度稳定，能供水源热泵直接所用；水源热泵将水体中的地热能转移到输出装置，最后输送到需要的位置加以利用，利用过程中可以通过上述多个控制阀的开闭组合实现制冷和供热工况的切换，方便实用。整个系统换热效率高、制造成本低，能够稳定利用第四系冲洪积层地质环境的地热能。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明集热井和回灌井的布置示意图；

图3为本发明集热井的结构示意图；

图4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-水源热泵；3-输出装置；11-集热井；111-第一井壁管；1111-外井壁管；1112-内井壁管；1113-保温层；112-过滤器；1121-基础管；1122-外管；1123-内管；1124-包网层；1125-铁丝层；113-第二井壁管；12-第一循环泵；13-回灌井；131-固井管；132-透水管；14～17-A、B、E、F控制阀；21-蒸发器；211-第一供热盘管；212-第二供热盘管；213-蒸发盘管；22-压缩机；23-冷凝器；231-第一吸热盘管；212-第二吸热盘管；213-冷凝盘管；24-膨胀阀；31-利用终端；32-第二循环泵；33～36-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4所示，本发明提供的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，包括依次串联的地热采集装置1、水源热泵2和输出装置3。地热采集装置1包括依次通过管道串联的集热井11、第一循环泵12、第一供热盘管211和回灌井13；集热井11包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，固井段安装第一井壁管111，第一井壁管111由不锈钢的外井壁管1111和内井壁管1112套装而成，两者的间隙中填充聚氨酯发泡的保温层113，并在外井壁管111的内表面设置红外反射涂层，该红外反射涂层是以热固性树脂材料为低温成膜物质，以低熔点和低膨胀系数特制无铅玻璃粘结剂为高温粘结材料，经特殊工艺加工制备的一种具有红外反射功能的，耐高温、粘结性强且无毒无污染的有机无机复合涂层，可以对聚氨酯发泡的保温层113进行红外反射，降低聚氨酯发泡保温层113热量的扩散，提高保温效果；同时，由于内井壁管112直接接触集热井11中的水源，导致其外表面有较高的温度，因此在内井壁管112的外表面设太阳能吸热涂层，可以较好地吸收红外线，从而在内井壁管112的外表面形成一个聚热层，降低内井壁管112的热量溢出，进一步提高了保温效果，该太阳能吸热涂层作为钢的阳极氧化涂层，具有耐潮湿的特点，适用于集热井内的使用环境。过滤井段安装过滤器112，该过滤器112从内到外依次套置的内管1123、外管1122、基础管1121、包网层1124和铁丝层1125，基础管1121和外管1122上均设有透水孔，内管1123与外管1122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1121外包覆尼龙丝作为初滤的包网层1124，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1125，以防止包网层1124脱落。水体通过过滤器112时，首先经尼龙丝的包网层1124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1122；外管1122管壁上同样设置有透水孔，内管1123的管壁上未设置透水孔，而是在内管1123和外管1122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1122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水源热泵2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。沉淀井段安装不锈钢的第二井壁管以支撑井壁；过滤器112的上端口和下端口分别套接第一井壁管111和第二井壁管113，套接端面上设置密封圈；最后在第二井壁管113与井身之间浇筑水泥浆，在过滤器112与井身之间填充卵石，第一井壁管111与井身之间浇筑水泥浆。回灌井13同样包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，固井段安装不锈钢固井管131，在固井管131与井身之间浇筑水泥浆；过滤井段安装管体圆周面上均匀布置有透水孔的不锈钢透水管132，在透水管132与井身之间填充卵石；沉淀井段为井孔直径较小的裸井。集热井11和回灌井13的井口均用井盖密封。

为确保水源热泵2具有充足且温度稳定的热交换介质，同时修筑多个集热井11和回灌井13，单个井孔间的距离不小于40m。第一循环泵12抽取集热井11中的清洁恒温水体，送到第一供热盘管211换热后回灌到回灌井13，利用回灌井13与集热井11之间水位落差加快水体的渗透循环和与土壤的热量交换，保持地热采集装置1中水体的动态平衡，为水源热泵2稳定供能。

水源热泵2包括依次串联成回路的蒸发器21、压缩机22、冷凝器23和膨胀阀24，蒸发器21由第一供热盘管211和第二供热盘管212分别与蒸发盘管213耦合而成，冷凝器23由第一吸热盘管231和第二吸热盘管232分别与冷凝盘管233耦合而成。热泵做功时，进行蒸发器21吸热和冷凝器23发热的能量循环。

输出装置3包括依次通过管道首尾相连的第二循环泵32、第一吸热盘管231和利用终端31，第二循环泵32驱动输出装置3内部的循环水到需要的地方，最终通过在使用点设置的利用终端31进行热交换利用，之后循环水流回冷凝器23再次吸热，实现输出装置3的循环利用。在不同的环境和条件下，利用终端31可以按需求设置成空调盘管、地暖管、苗床地埋管、温水喷头等等生活中需要冷热供能的终端设备。

为了实现本系统供热和制冷状态的顺利切换，在第一循环泵11和第一供热盘管211之间的管道上设置A控制阀14，第一供热盘管211和回灌井13之间的管道上设置B控制阀15；在第二循环泵32和第一吸热盘管231之间的管道上设置C控制阀33，第一吸热盘管231和利用终端31之间的管道上设置D控制阀34。A控制阀14的进水端和B控制阀15的出水端之间并联第二吸热盘管232，并在A控制阀14的进水端和第二吸热盘管232之间的管道上设置E控制阀16，在B控制阀15的出水端和第二吸热盘管232之间的管道上设置F控制阀17；在C控制阀33的进水端和D控制阀34的出水端之间并联第二供热盘管212，并在C控制阀33的进水端和第二供热盘管212之间的管道上设置G控制阀35，在D控制阀34的出水端和第二供热盘管212之间的管道上设置H控制阀36。

如图2所示，本发明的集热井11和回灌井13按一定距离开设在由粉质粘土层、卵石层和泥质粉砂岩层上下覆盖而成的第四系冲洪积层中，集热井11穿过粘土层和卵石层到达砂岩层，地层内的温度常年变化不大。水体在集热井11和回灌井13之间土壤中渗透的过程中，进行了热交换，经过滤器111的五层过滤结构过滤后，储存到集热井11中，并通过第一井壁管111的良好绝热效果保持抽取过程中的水温稳定，后直接进入水源热泵2进行热交换，减少一道换热环节，水体中的热能利用率更高。

冬季空气温度较低，集热井11中的水温高于环境温度。此时，打开A控制阀14、B控制阀15、C控制阀33和D控制阀34，关闭E控制阀16、F控制阀17、G控制阀35和H控制阀36。水源热泵2通过蒸发器21的蒸发盘管213吸取热能采集装置3中的地下水体热量，经压缩机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中的冷凝环盘233将热量传递到输出装置3，最终通过利用终端31为既定环境供热。

夏季空气温度较高，集热井11中的水温低于环境温度。此时，关闭A控制阀14、B控制阀15、C控制阀33和D控制阀34，打开E控制阀16、F控制阀17、G控制阀35和H控制阀36。水源热泵2通过冷凝器23的冷凝盘管233将热量释放给低温的地下水，以降低水源热泵2中导热介质的温度。水源热泵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，并通过蒸发器21的蒸发盘管213吸收输出装置3中循环水的热量，最终通过利用终端31为既定环境降温。

综上所述，本发明提供的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，通过井壁管、固井管、透水管和过滤器在松散的第四系冲洪积层中构建出结构稳固且水源稳定的集热井和回灌井，集热井中的水量充足且温度稳定，能供水源热泵直接所用；水源热泵将水体中的地热能转移到输出装置，最后输送到需要的位置加以利用，利用过程中可以通过上述多个控制阀的开闭组合实现制冷和供热工况的切换，方便实用。整个系统换热效率高、制造成本低，能够稳定利用第四系冲洪积层地质环境的地热能。

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)

1.一种基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，包括依次串联的地热采集装置、水源热泵和输出装置；

所述地热采集装置包括：依次通过管道串联的集热井、第一循环泵、第一供热盘管和回灌井，第一循环泵和第一供热盘管之间的管道上设置A控制阀，第一供热盘管和回灌井之间的管道上设置B控制阀；

所述集热井包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，所述固井段安装第一井壁管，且在所述第一井壁管与井身之间浇筑水泥浆；所述过滤井段安装过滤器，且在所述过滤器与井身之间填充卵石；所述沉淀井段安装第二井壁管，且在所述第二井壁管与井身之间浇筑水泥浆；

所述回灌井包括从上至下排列的固井段、过滤井段和沉淀井段，所述固井段安装固井管，且在所述固井管与井身之间浇筑水泥浆；所述过滤井段安装透水管，且在所述透水管与井身之间填充卵石；沉淀井段为井孔直径较小的裸井；

所述水源热泵包括依次串联成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述蒸发器由第一供热盘管和第二供热盘管分别与蒸发盘管耦合而成，所述冷凝器由第一吸热盘管和第二吸热盘管分别与冷凝盘管耦合而成；

所述输出装置包括依次通过管道首尾相连的第二循环泵、第一吸热盘管和利用终端，第二循环泵和第一吸热盘管之间的管道上设置C控制阀，第一吸热盘管和利用终端之间的管道上设置D控制阀；

所述A控制阀的进水端和所述B控制阀的出水端之间并联所述第二吸热盘管，并在A控制阀的进水端和第二吸热盘管之间的管道上设置E控制阀，在B控制阀的出水端和第二吸热盘管之间的管道上设置F控制阀；所述C控制阀的进水端和所述D控制阀的出水端之间并联所述第二供热盘管，并在C控制阀的进水端和第二供热盘管之间的管道上设置G控制阀，在D控制阀的出水端和第二供热盘管之间的管道上设置H控制阀；

所述回灌井的井深小于所述集热井的井深,所述集热井的井孔穿过土壤的粘土层和卵石层之后深入到沙岩层，所述过滤器位于卵石层，过滤器的上端口套接所述第一井壁管，过滤器的下端口套接所述第二井壁管，套接端面上均设置有密封圈。

2.根据权利要求1所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述第一井壁管包括外井壁管和内井壁管，所述外井壁管和内井壁管之间设置有保温层。

3.根据权利要求2所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述内井壁管、外井壁管、第二井壁管和固井管均为不锈钢钢管，所述透水管为管体圆周面上均匀布置有透水孔的不锈钢钢管。

4.根据权利要求3所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述外井壁管的内表面设置有红外反射涂层，所述内井壁管的外表面设置有吸热涂层，所述保温层为聚氨酯发泡层。

5.根据权利要求1所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，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。

6.根据权利要求1所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述回灌井的井孔穿过土壤的粘土层到达卵石层，所述透水管位于卵石层，透水管的上端口套接所述固井管。

7.根据权利要求1所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述第一井壁管和固井管的上端口均用井盖密封。

8.根据权利要求1所述的基于第四系冲洪积层的地热利用系统，其特征在于，所述集热井和回灌井均设置多个，单个井孔间的距离不小于40m。