CN107763712A - 新型单井地热联合太阳能供暖系统 - Google Patents

Abstract

新型单井地热联合太阳能供暖系统，包括单井换热系统、太阳能集热系统、热泵系统、采暖用户、第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门，优点是，通过地热的储热能力和变负荷应变能力提高太阳能供暖时的稳定性，同时能在非采暖季将太阳能存储在地下，有效补充冬季采暖时地下的热亏损；非采暖季，通过多孔体系内水的自然对流，将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热能力。采暖季，通过多孔体系内水的自然对流，将远处岩石的热量快速传导到金属井内，提高了单井采热量。

Description

新型单井地热联合太阳能供暖系统

技术领域

本发明涉及供暖系统技术领域，具体为一种新型单井地热联合太阳能供暖系统。

背景技术

我国北方地区雾霾严重，特别是冬天采暖季，采暖燃煤进一步加重了雾霾，现阶段对清洁能源采暖技术需求迫切。地热和太阳能作为清洁可再生能源，在北方采暖中越来越受到重视。

北方很多地区，冬季有采暖需求，夏季无制冷需求。采用太阳能供暖，冬季可以发挥作用，但非采暖季由于没有需求，或者需求少，太阳能集热器面临闷晒爆管的普遍现象。而且，由于太阳能波动大，冬季采暖时需要配置辅助热源或者大型储热系统，工程造价较高。

北方地区采用地源热泵采暖也较普遍，由于夏季没有制冷需求，地下岩土没有热补充，长期向浅层岩土取热，岩土温度降低，取热越来越难，导致供暖不达标。

目前市场上新出现了一种单井地热采暖系统，井深一般大于1000米，采用同轴套管结构，通过金属外壁向岩石取热，通过内保温管将热量输出。由于系统封闭循环，不采地下热水，没有腐蚀结垢，没有回灌等问题，备受市场欢迎。但是该单井地热采暖系统在使用过程中遇到了单井采热功率小，功率衰减快，投资回收期长等难题，限制了单井地热采暖系统的规模化推广。单井地热采暖系统基本不受地域限制，占地小，如果能解决单井换热能力小的问题，该种供暖方式可为我国北方冬季雾霾的解决做出巨大的贡献。

发明内容

本发明的目的旨在将太阳能和较深层的单井地热联合，冬季太阳能和地热能联合供暖，解决太阳能单独供暖时的不稳定性；非采暖季将太阳能储存在地下，既补充了冬季采暖时地下热能的亏损，又解决了太阳闷晒造成的爆管问题。同时，为解决单井地热由于岩石导热系数小造成的单井功率小的难题，保证热量存得进取得出，本发明采用人造多孔体系，在岩石中形成自然对流，提高单井存取功率。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

新型单井地热联合太阳能供暖系统，包括单井换热系统、太阳能集热系统、热泵系统、采暖用户、第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门；所述的包括单井换热系统、太阳能集热系统并接后通过热泵系统接入采暖用户；所述的单井换热系统包括金属井、保温管、多孔体系；所述的金属井深入岩石层，在金属井内部设有保温管，所述的保温管与金属井内壁之间形成第一通道，保温管内部形成第二通道，所述的第一通道与第二通道在金属井底部连通；所述的多孔体系设置在金属井底部的外围，所述的多孔体系上部为岩石层，多孔体系中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系的不规则孔隙中充满水。所述的太阳能集热系统为真空管集热器，第一水箱连接三路，一路为太阳能集热系统的A端，二路经第一阀门和第一循环泵与热泵系统的输入端连接，三路通过第五阀门、第五循环泵串联后与第六阀门并联所形成的管路再与单井换热系统的第二通道连接；第二水箱连接三路，一路连接热泵系统的输出端，二路通过第四循环泵和第四阀门与单井换热系统的第一通道连接，三路通过第三循环泵和第二阀门与太阳能集热系统的B端连接；热泵系统通过第二循环泵与采暖用户连接；太阳能集热系统的B端同时通过第三阀门与单井换热系统的第一通道连接。

作为上述方案的改进，所述的多孔体系径向厚度为20-100m。

作为上述方案的改进，所述的多孔体系中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。

作为上述方案的改进，所述的保温管为双层真空管。

通过井壁和保温管之间的环空注入15℃的水，注入水通过金属管壁与岩石和多孔体系进行换热。环空内注入水的温度低(注入水温度15℃，多孔体系内水的初始温度在70-100℃之间)，造成靠近井壁的多孔体系内的水降温，而远离井壁的多孔体系内的水温度高。多孔体系内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向下运动，远井流体向上运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过水的自然对流，将远处岩石的热量有效的传递到井壁，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井换热能力。通过调节注入水流速，可从保温管采出30℃左右的地热水，采出地热水通过热泵提升温度后去供暖，经热泵提取过热量的地热水变为15℃，再次注入井内换热。如果不采用多孔体系，仅用岩石的导热来取热的话，岩石的导热系数在2-3.5W/m/K之间，3000m单井的取热量在300kW左右，而且随着时间的衰减快，没有补热的话，几个采暖季后，单井取热量远小于300kW。如果采用单井自然对流强化换热，由于多孔体系内水的自然对流可以将远处岩石的热量快速导入井内，单井的采热量远大于仅靠岩石导热的采热量，而且衰减慢。

本发明具有以下有益效果：提高太阳能单独供暖时的稳定性，同时能在非地热采暖季将太阳能存储在地下，有效补充冬季采暖时地下的热亏损；通过多孔体系内水的自然对流，非采暖季将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，采暖季将远处岩石的热量快速传递到井内，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热取热能力。

附图说明

图1为本发明的供暖系统的结构示意图。

图2为本发明的冬季供暖模式的单井换热系统示意图。

图3为本发明的非采暖季储热模式的单井换热系统示意图。

附图标记说明：单井换热系统1、太阳能集热系统2、热泵系统3、采暖用户4、第一水箱5、第二水箱6、第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10、第五循环泵11、第一阀门12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15、第五阀门16、第六阀门17、金属井18、保温管19、多孔体系20、岩石层21、第一通道22、第二通道23。

具体实施方式

如图1所示，新型单井地热联合太阳能供暖系统，包括单井换热系统1、太阳能集热系统2、热泵系统3、采暖用户4、第一水箱5、第二水箱6、第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10、第五循环泵11、第一阀门12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15、第五阀门16、第六阀门17；所述的包括单井换热系统1、太阳能集热系统2并接后通过热泵系统3接入采暖用户4；所述的单井换热系统1包括金属井18、保温管19、多孔体系20；所述的金属井18深入岩石层21，在金属井18内部设有保温管19，所述的保温管19与金属井18内壁之间形成第一通道22，保温管19内部形成第二通道23，所述的第一通道22与第二通道23在金属井18底部连通；所述的多孔体系20设置在金属井18底部的外围，所述的多孔体系20上部为岩石层21，多孔体系20中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系20的不规则孔隙中充满水。所述的太阳能集热系统2为真空管集热器，第一水箱5连接三路，一路为太阳能集热系统2的A端，二路经第一阀门12和第一循环泵7与热泵系统3的输入端连接，三路通过第五阀门16、第五循环泵11串联后与第六阀门17并联所形成的管路再与单井换热系统1的第二通道23连接；第二水箱6连接三路，一路连接热泵系统3的输出端，二路通过第四循环泵10和第四阀门15与单井换热系统1的第一通道22连接，三路通过第三循环泵9和第二阀门13与太阳能集热系统2的B端连接；热泵系统3通过第二循环泵8与采暖用户4连接；太阳能集热系统2的B端同时通过第三阀门14与单井换热系统1的第一通道22连接。所述的多孔体系20径向厚度为20-100m。所述的多孔体系20中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。所述的保温管19为双层真空管。

冬季供暖模式：如图1、图2所示，在冬季采暖模式，地热和太阳能联合向热泵系统3提供热水，热水经热泵提升后向建筑物供暖。进入太阳能集热系统2的水温为15℃，经太阳能集热系统2加热后，水温升高到30℃。同样，注入单井换热系统1的水温也为15℃，经地下换热后，出单井换热系统1的水温为30℃。30℃的热水供给热泵系统3，经热泵蒸发器后变为15℃的水重新进入太阳能集热系统2或单井换热系统1。热泵系统3冷凝器的出水为45℃，用于建筑采暖。其具体操作为：关闭第三阀门14和第五阀门16，关闭第五循环泵11。其他阀门与循环泵开启，开启热泵系统3。冬季采暖时，单井换热系统1属于采热模式。对于单井换热系统1，通过金属井18壁和保温管19形成的环空向地热井注入水，注入水通过金属井18壁与岩石和多孔体系20换热。上部岩石通过导热将热量传递给注入水，下部多孔体系20通过自然对流将热量传递给注入水，具体见图1。由于环空内注入水的温度低，造成靠近井壁的多孔体系20内的水降温，而远离井壁的多孔体系20内的水温度高。多孔体系20内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向下运动，远井流体向上运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过水的自然对流，将远处岩石的热量有效的传递到井壁，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井采热能力。由于地热单井经过了多孔体系20的强化，换热能力大幅增强，应对变负荷的能力也增强。通过太阳能和地热能负荷的合理匹配和设计，可通过地热能解决太阳能的波动性，实现稳定供暖。

非采暖季储热模式：如图1、图3所示，在非采暖季，太阳能通过热水将热量储存在地热井内，补充由于冬季采暖造成的地下热亏空。太阳能集热系统2的出水温度为90℃，回水温度为70℃。将90℃的热水经单井换热系统1的保温管19注入井内，通过多孔体系20和岩石的换热，出地热井的水温变为70℃，再回到太阳能集热系统2进行加热。由于系统全封闭运行，水不会遭到污染，因此可以循环使用。只要太阳辐照良好，该系统均可在非采暖季运行，将太阳能源源不断的存储在地下。同时，由于系统的运行，解决了闷晒造成的真空管爆管问题。其具体操作为：关闭第一阀门12、第二阀门13、第四阀门15、第六阀门17，关闭第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10，开启其他阀门和循环泵。在非采暖季，地热井属于储热模式。对于地热单井强化换热系统，通过保温管19注入经太阳能集热器加热的水，注入的热水通过金属井18壁与岩石层21和多孔体系20换热。下部的多孔体系20通过自然对流将高温注入水的热量传递到远离井壁处，上部岩石通过导热将高温注入水的热量传递给远离井壁的岩石。由于前一个采暖季的取热，造成多孔体系20以及岩石的温度降低，而注入水的温度高于多孔体系20及岩石的温度，造成靠近井壁的多孔体系20内的水升温，其温度高于远离井壁的多孔体系20内的水温。多孔体系20内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向上运动，远井流体向下运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过多孔体系20内水的自然对流，将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热能力。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.新型单井地热联合太阳能供暖系统，其特征在于，包括单井换热系统、太阳能集热系统、热泵系统、采暖用户；所述的包括单井换热系统、太阳能集热系统并接后通过热泵系统接入采暖用户；所述的单井换热系统包括金属井、保温管、多孔体系；所述的金属井深入岩石层，在金属井内部设有保温管，所述的保温管与金属井内壁之间形成第一通道，保温管内部形成第二通道，所述的第一通道与第二通道在金属井底部连通；所述的多孔体系设置在金属井底部的外围，所述的多孔体系上部为岩石层，多孔体系中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系的不规则孔隙中充满水。

2.根据权利要求1所述的新型单井地热联合太阳能供暖系统，其特征在于，还包括第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门；所述的太阳能集热系统为真空管集热器，第一水箱连接三路，一路为太阳能集热系统的A端，二路经第一阀门和第一循环泵与热泵系统的输入端连接，三路通过第五阀门、第五循环泵串联后与第六阀门并联所形成的管路再与单井换热系统的第二通道连接；第二水箱连接三路，一路连接热泵系统的输出端，二路通过第四循环泵和第四阀门与单井换热系统的第一通道连接，三路通过第三循环泵和第二阀门与太阳能集热系统的B端连接；热泵系统通过第二循环泵与采暖用户连接；太阳能集热系统的B端同时通过第三阀门与单井换热系统的第一通道连接。

3.根据权利要求1所述的新型单井地热联合太阳能供暖系统，其特征在于，所述的多孔体系径向厚度为20-100m。

4.根据权利要求1所述的新型单井地热联合太阳能供暖系统，其特征在于，所述的多孔体系中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。

5.根据权利要求1所述的新型单井地热联合太阳能供暖系统，其特征在于，所述的保温管为双层真空管。