CN106940032A - 一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统 - Google Patents

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Abstract

一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，广泛适用于城镇居民供热，该系统主要由地下采热循环系统和地上供热循环系统两部分组成；地下采热循环系统主要由外套管、钻孔、内套管、管卡装置、采热循环泵、采热供水管和采热回水管组成；地上供热循环系统主要由直燃型热泵、燃气进口管、烟气出口管、热网循环泵、热网供水管、热用户和热网回水管组成。本发明地下采热循环系统中所使用的介质为自来水或工业软化水，不采取地下水，无地下水污染的隐患，仅利用高温岩体或土壤与水进行换热以达到采热的目的；且本发明具有热能连续性好，无地域使用限制，投资成本低，系统简单可靠等优点。

Description

一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统
技术领域
本发明涉及一种提取地下2500m以下的深层地热的热泵供热系统，尤其是涉及一种可用于城镇居民供热的单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统。
背景技术
地热资源按赋存形式可分热水型、地压地热能、干热岩地热能和岩浆热能四种类型；根据地热水的温度，又可分为高温型(大于150℃)、中温型(90至150℃)和低温型(小于90℃)三大类。地热能的开发利用可分为发电和非发电两个方面，高温地热资源主要用于地热发电，中、低温地热资源主要是直接利用，多用于采暖、干燥、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游及人民的日常生活等方面。
深层地热资源极其丰富，相当于煤、石油、天然气等化石能源总和的1000倍。深层地热属可再生清洁能源，城乡都可开发利用。深层地热能开发技术的最大优势在于只提取地下热量，不抽采地下水、不污染地下水；利用深层地热能发电或供热，环境友好且无任何污染物排放，成本低且收益高，能有效节约能源、降低雾霾灾害、减轻温室效应、改善大气质量，亦或破解人类生存环境及能源危机问题。
深层地热井分为单式地热井和深层U型地热井两种。单式地热井即采热供水及采热回水均在同一口井中实现，通过换热器的形式吸收来自岩土的热量交换给采热水。专利申请号为201620603515.5所述的一种干热岩供暖装置，利用内套管向换热器注入经干热岩加热的热水，经换热器换热后的冷却水通过内管和外管之间的通道流入干热岩进行加热成为热水进入内管。但该供暖系统结构复杂，设备维护成本增加，且考虑到各地地质构造不同，干热岩分布不均等因素，故该系统不具有普遍适用性。专利申请号为201410314696.5的干热岩双效溴化锂吸收式热泵供热系统，通过地下设置一组或多组密闭的金属地下换热器通过供水管与双效溴化锂吸收式热泵机组相连以进行向外供热。但该系统干热岩热源供水和干热岩热源回水未做有效隔离，会降低干热岩热源供水温度，同时也会形成热阻，降低换热系统效率。专利申请号为201520986148.7的一种U型管式干热岩换热器，通过两管间用两块板夹紧中间的隔热材料的方式减少热损失，在钻井成本较高的情况下，没有充分利用管的换热面积和单位时间换热量的大小，具有较大局限性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足和居高不下的系统建设成本，提供了一种结构简单、成本低廉、普遍适用的单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统。
本发明的技术解决方案为：一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，可广泛应用于居民供热，主要由地下采热循环系统和地上供热循环系统组成，其特征在于：地下采热循环系统包括：外套管、钻孔、内套管、管卡装置、采热循环泵、采热供水管、采热回水管；地上供热循环系统包括：直燃型热泵、燃气进口管、烟气出口管、热网循环泵、热网供水管、热用户和热网回水管；外套管位于钻孔径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在钻孔内壁，内套管位于外套管径向内侧，并通过管卡装置固定在外套管上，采热循环泵位于采热供水管的汇合后端，外套管中的采热水通过采热循环泵送入直燃型热泵蒸发器中换热，并通过采热回水管送回到内套管内部通道，燃气通过燃气进口管送入到直燃型热泵发生器中燃烧，充分燃烧后的烟气通过烟气出口管排出，热网循环泵位于热网供水管上，热网水依次经过直燃型热泵吸收器和冷凝器，通过热网循环泵将热网水送给热用户，消耗热量后的热网水通过热网回水管回到直燃型热泵吸收器再次加热。
根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管和直燃型热泵之间设置采热循环泵。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的直燃型热泵和热用户之间设置热网循环泵。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的供热系统只设一口直径为325mm的采热井，且井内设置内外套管。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管为不锈钢904L材料，厚度为6mm。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管接近地面部分做玻化微珠保温砂浆保温处理。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管底部采用同材质焊接封堵处理。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的内套管为不锈钢304材料。根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管和内套管采用管卡装置进行固定安装。
上述方案的原理是：如图1所示，采热水通过外套管的传热吸收来自深层岩土的热量，吸收热量的采热水温度升高，并通过采热循环泵送入到直燃型热泵蒸发器中进行和冷剂水的热交换，释放热量后的采热水通过内套管内部通道回到井下继续换热，这就完成采热水的循环。天然气通过燃气进口管进入到直燃型热泵发生器中，燃气的充分燃烧产生的高温烟气作为驱动热源，并通过烟气出口管排出。热用户消耗热量后的热网回水首先经过直燃型热泵吸收器时吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽释放的潜热，温度首次提升；其次经过直燃型热泵冷凝器吸收来自发生器中冷剂蒸汽释放的热量，完成温度的二次提升。升温后的热网水通过热网循环泵送给热用户，热用户消耗热量后回到热泵中进行加热。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采取深层地热，与干热岩采热方法相比，避免了地质结构的不同而无法取热的缺点，具有普遍适用的优点；与深层U型井采热方法相比，其利用单井式循环采热，减少竖井及水平井的成本支出，极大降低钻井成本；与井下放置密闭式金属换热器采热相比，采用传热系数高的外套管作为换热器进行换热，使系统更加方便简洁；与现有干热岩采热系统直接供暖的方式相比，采用深层地热利用直燃型热泵系统对采热水出水温度要求更低，且采用燃气驱动热泵更加符合分布式居民供热的特点。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统结构示意图。
具体实施方式
一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，可广泛应用于居民供热，主要由地下采热循环系统和地上供热循环系统组成，其特征在于：地下采热循环系统包括：外套管1、钻孔2、内套管3、管卡装置4、采热循环泵5、采热供水管6、采热回水管7；地上供热循环系统包括：直燃型热泵8、燃气进口管9、烟气出口管10、热网循环泵11、热网供水管12、热用户13和热网回水管14；外套管1位于钻孔2径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在钻孔2内部，内套管3位于外套管1径向内侧，并通过管卡装置4固定在外套管1上，采热循环泵5位于采热供水管6的汇合后端，外套管1中的采热水通过采热循环泵5送入直燃型热泵8蒸发器中换热，并通过采热回水管7送回到内套管3内部流道，完成采热水循环，燃气通过燃气进口管9送入到直燃型热泵8发生器中燃烧，产生的烟气通过烟气出口管10排出，热网循环泵11位于热网供水管12上，热网水依次经过直燃型热泵8吸收器和冷凝器，通过热网循环泵11将热网水送给热用户13，消耗热量后的热网水通过热网回本管14回到直燃型热泵8吸收器再次加热，完成热网水循环。
系统正常运行时，采热水通过外管套1的传热不断吸收来自高温岩体或土壤的热量，升温后的采热水沿着外管套1内壁流动，通过工作的采热循环泵5将采热水送入到直燃型热泵8的蒸发器中。经过吸收器和冷凝器的热网水吸收来自冷剂水冷凝释放的热量，通过热网循环泵11送入到热用户13，消耗掉部分热量的热网水再回到热泵中进行循环。
设置的外套管1和内管套3均设置在井中，其材料分别为不锈钢904L材料和为不锈钢904L。内管套3通过管卡装置4安放在外套管1上，管卡装置设置为同平面4个均布。
采热水传热过程为：深层岩土将热量传递给传热系数高的外管套1，外管套1吸收来自深层岩土的热量后传递给来自内管套3内部通道的低温采热水，当采热水经过外管套1的内壁时，温度升高。
总之，本发明的供热系统较好的考虑到系统结构、钻井成本等因素，具有热能连续性好、无地域使用限制、投资成本低、系统简单可靠等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，可广泛应用于居民供热，主要由地下采热循环系统和地上供热循环系统组成，其特征在于：地下采热循环系统包括：外套管(1)、钻孔(2)、内套管(3)、管卡装置(4)、采热循环泵(5)、采热供水管(6)、采热回水管(7)；地上供热循环系统包括：直燃型热泵(8)、燃气进口管(9)、烟气出口管(10)、热网循环泵(11)、热网供水管(12)、热用户(13)和热网回水管(14)；外套管(1)位于钻孔(2)径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在钻孔(2)内壁，内套管(3)位于外套管(1)径向内侧，并通过管卡装置(4)固定在外套管(1)上，采热循环泵(5)位于采热供水管(6)的汇合后端，外套管(1)中的采热水通过采热循环泵(5)送入直燃型热泵(8)蒸发器中换热，并通过采热回水管(7)送回到内套管(3)内部通道，燃气通过燃气进口管(9)送入到直燃型热泵(8)发生器中燃烧，充分燃烧后的烟气通过烟气出口管(10)排出，热网循环泵(11)位于热网供水管(12)上，热网水依次经过直燃型热泵(8)吸收器和冷凝器，通过热网循环泵(11)将热网水送给热用户(13)，消耗热量后的热网水通过热网回水管(14)回到直燃型热泵(8)吸收器再次加热。
2.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管(1)和直燃型热泵(8)之间设置采热循环泵(5)。
3.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的直燃型热泵(8)和热用户(13)之间设置热网循环泵(11)。
4.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的供热系统只设一口直径为325mm的采热井，且井内设置内外套管。
5.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管(1)为不锈钢904L材料，厚度为6mm。
6.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管(1)接近地面1000m以浅做玻化微珠保温砂浆保温处理。
7.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管(1)底部采用同材质焊接封堵处理。
8.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的内套管(3)为不锈钢304材料。
9.根据权利要求1所述的一种单井式深层地热利用直燃型热泵供热系统，其特征在于：所述的外套管(1)和内套管(3)采用管卡装置(4)进行固定安装。
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