CN109340864A - 一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，包括内切换热泵机组、用户侧循环泵、地源侧循环泵、中深层地热井换热系统、浅层地埋管换热系统，本发明具有地热能利用率高、工程投资和运行成本低、热泵机组供热系统效率高的特点；同时工艺简单，供能系统流程清晰，实现中深层地热能和浅层地热能的高效结合，整个地热能利用过程取热不取水，实现地热能无干扰清洁利用，供热和供冷过程中污染物零排放，通过用户负荷需求和项目实际情况，分配中深层和浅层地热能的比例，有效降低单纯使用中深层地热能进行供热所造成的建设成本过大的问题。

Description

一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统

技术领域

本发明属于地热开发和利用技术领域，尤其涉及中深层和浅层地热能进行联合供热以及浅层地温能补热的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统。

背景技术

地热能是一种绿色、洁净、可再生的清洁能源、具有分布广、储量大等优点，按照地热能的赋存埋深和温度，地热能可分为浅层地温能与中深层地热能。

浅层地热能是指蕴藏在地表以下一般小于200米的深度范围内岩土体、地下水和地表水中的热能，是由地球内部能量传导和太阳辐射共同作用而产生，但主要受太阳辐射影响，且温度随季节变化很小，温度多年几乎无变化，一般低于25℃，为低品质热能，浅层地热能一般是通过热泵技术进行开采利用，即利用高位能，如电能等使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，地源热泵正是利用了浅层地热能作为冷热源进行热量提取与释放。

地层土壤是地源热泵的冷热源，冬季工况时，地埋管换热器从地层中取热；夏季工况时，地埋管在地层中放热，然而由于末端用户冷热负荷不一致，外加气候差异等原因会使取热量与放热量并不能完全一致，长期的取放量不平衡会造成热堆积或冷堆积，会超过地层自身的热扩散能力，是地层温度远离其原始温度，从而使系统效率逐年降低，根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009版)，为了保证供冷、供热效率规范要求了浅层地埋孔的最小间距，因此浅层地埋孔需要占有大面积用地空间，限制了该技术的推广。

中深层地热能温度一般在50℃以上，埋深介于2000～4000米之间，主要赋存于地下水和岩石体中，中深层供热系统以提取中深层地热为主，热源为中深层地壳岩土体，通过前期勘探后，使用专业石油钻孔设备在目的地钻孔，钻孔深度地下2000～4000米，钻孔直径200mm，安装特种材料制成的金属换热器，封闭换热井，填充液体换热介质，通过换热介质将换热器所提取的热量传输至热泵设备机房，再分配至终端用户，该技术具有热源温度更高(地下2000m以下岩体热源可达70℃)且恒定，单个换热井换热面积大，运行成本低，节能环保性强等特点，在我国有大量工程案例，该供热技术已基本成熟，但该供热技术存在打井费用高，工程建设初投资高的缺点；同时，由于中深层地热井下温度较高，无法利用中深层井进行供冷，只有在采暖季才换热井才被使用，存在换热井闲置、利用率低的弊端。

发明内容

针对上述背景技术的阐述，本发明专利提供一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，主要解决中深层和浅层地热能进行联合供热以及过渡季节利用中深层地热能向浅层地热能进行补热的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，包括内切换热泵机组、用户侧循环泵、地源侧循环泵、中深层地热井换热系统、浅层地埋管换热系统；

所述浅层地埋管换热系统通过浅层地埋管供回水管道分别与浅层地埋管分水器和浅层地埋管集水器连接；

所述中深层地热井换热系统通过中深层地热井供回水管道分别与中深层地热井分水器和中深层地热井集水器连接；

所述浅层地埋管集水器与中深层地热井分水器通过管道连接，在管道上设置中浅交换阀门；

所述浅层地埋管集水器和中深层地热井集水器通过管道分别连接地源侧循环泵，地源侧循环泵通过管道连接内切换热泵机组，内切换热泵机组通过管道分别连接中深层地热井分水器和中深层地热井集水器；

用户侧循环泵分别通过管道连接内切换热泵机组和用户侧终端。

上述技术方案中，所述中深层地热井换热系统，包括水源热泵机组、供热循环泵、地下水换热循环泵、热管式换热器、地下供回水管，所述供热循环泵、地下水换热循环泵分别通过管道连接水源热泵机组，地下水换热循环泵连接地下供回水管，所述地下供回水管通过螺旋缠绕的方式贴附在热管式换热器的热管本体外壁上部。

上述技术方案中，所述热管式换热器包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质，导液芯紧贴热管本体内壁，热管导热工质填充在导液芯内。

上述技术方案中，所述热管式换热器还包括翅片，所述翅片贴附在热管式换热器的热管本体外壁，位于热管式换热器的下部。

上述技术方案中，所述热管式换热器为U形地热换热器，为密闭的壳管式结构，包括U形热管和U形换热管，所述U形换热管位于U形热管内，U形换热管的进水端和出水端分别伸出U形热管的U形两端。

上述技术方案中，所述U形热管包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质，导液芯紧贴热管本体内壁，热管导热工质填充在导液芯内。

上述技术方案中，所述U形换热管位于U形热管内的中心轴位置。

本发明能够解决现有中深层地热能利用率低、利用浅层地热能造成打井占地面积过大、以及在寒冷、严寒地区和全年热负荷大于全年冷负荷的建筑使用浅层地热能引起土壤冬夏冷热不平衡的系列技术难题，具有地热能利用率高、工程投资和运行成本低、热泵机组供热系统效率高的特点；同时工艺简单，供能系统流程清晰，实现中深层地热能和浅层地热能的高效结合，整个地热能利用过程取热不取水，实现地热能无干扰清洁利用，供热和供冷过程中污染物零排放，通过用户负荷需求和项目实际情况，分配中深层和浅层地热能的比例，有效降低单纯使用中深层地热能进行供热所造成的建设成本过大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为中深层地热井换热系统的结构示意图。

图3为U形地热换热器的结构示意图。

其中，1.内切换热泵机组、2.用户侧循环水泵、3.地源侧循环水泵、4.中深层地热井换热系统、5.浅层地埋管换热系统、6.中深层地热井供回水管道、7.浅层地埋管供回水管道、8.浅层地埋管分水器、9.浅层地埋管集水器、10.中深层地热井分水器、11.中深层地热井集水器；12.V1地源集水阀、13.V2地源分水阀、14.V3地源集水阀、15.V4地源分水阀、16.V6浅层分水阀、17.V7浅层集水阀、18.V8中层分水阀、19.V9中层集水阀、20.V10中浅交换阀、21.V5交换阀、31.水源热泵机组、32.供热循环泵、33.地下水换热循环泵、34.中深层地热水井、35.热管式换热器、36.螺旋状换热盘管、37.翅片、38.导液芯、39.热管导热工质、40.地下供回水管、51.U形换热管、52.出水端、53.进水端、54.U形热管、55.热管管壁、56.导液芯、57.热管导热工质。

具体实施方式

下面将结合本发明专利的附图，对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

根据图1所示，作为实施例所示的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，包括内切换热泵机组、用户侧循环泵、地源侧循环泵、中深层地热井换热系统、浅层地埋管换热系统；

浅层地埋管换热系统通过浅层地埋管供回水管道分别与浅层地埋管分水器和浅层地埋管集水器连接，浅层地埋管分水器连接V6浅层分水阀；

中深层地热井换热系统通过中深层地热井供回水管道分别与中深层地热井分水器和中深层地热井集水器连接，中深层地热井分水器连接V8中层分水阀；

浅层地埋管集水器与中深层地热井分水器通过管道连接，在管道上设置中浅交换阀门；

浅层地埋管集水器和中深层地热井集水器通过管道分别连接地源侧循环泵，浅层地埋管集水器连接V7浅层集水阀，中深层地热井集水器连接V9中层集水阀，浅层集水阀和中层集水阀分别通过管道连接地源侧循环泵。

内切换热泵机组分别连接V1地源集水阀、V2地源分水阀、V3地源集水阀、V4地源分水阀，地源侧循环泵通过管道连接到内切换热泵机组V2地源分水阀和V4地源分水阀上，内切换热泵机组所连接的V1地源集水阀通过管道连接中深层地热井分水器所连接的V8中层分水阀，将中深层地热井换热系统形成闭式循环，内切换热泵机组所连接的V3地源集水阀通过管道连接浅层地热井分水器所连接的V6浅层分水阀，将浅层地热井换热系统形成闭式循环；同时分别与连接V2地源分水阀和V4地源分水阀连接的管道，通过V5交换阀，连接到分别与连接V6浅层分水阀V8中层分水阀的管道连接。

用户侧循环泵分别通过管道连接内切换热泵机组和用户侧终端。

根据图2所示，中深层地热井换热系统，包括水源热泵机组、供热循环泵、地下水换热循环泵、热管式换热器、地下供回水管。

供热循环泵、地下水换热循环泵分别通过管道连接水源热泵机组，地下水换热循环泵连接地下供回水管，地下供回水管通过螺旋缠绕的方式，形成螺旋状换热盘管贴附在热管式换热器的热管本体外壁上部的放热段。地下供回水管采用这样的结构目的在于：增大进入热泵蒸发器的循环水换热量，换热盘管浸泡于水面以下吸收地热水井的热量，同还以导热的形式吸收由热管从热水井底部高温水向上传递的热量，可充分吸收地热井水的热量，最后将热量传递给水源热泵机组的蒸发器。

热管式换热器采用热管换热技术，位于热管式换热器的下部加热段，热管式换热器上端为放热段，热管式换热器包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质、翅片，导液芯紧贴热管本体内壁，封闭式的热管本体被抽成负压后，热管导热工质填充在导液芯内，导液芯中充满液体后加以密封；翅片贴附在热管式换热器的热管本体外壁，目的是增大换热面积，增大换热量。翅片直接贴附在热管式换热器下部的热管本体壁上，地下供回水管通过螺旋缠绕的方式贴附在热管式换热器上部的热管本体壁上，螺旋状换热盘管在水中浸泡直接与地热水进行热量交换，同时由于贴附于热管式换热器的管壁。

根据图3所示，热管式换热器也可以采用一种U形地热换热器，包括U形换热管、U形热管、热管管壁、导液芯、热管导热工质和地热井。

U形热管式地热能增效换热器采用热管换热技术增强换热管的换热量，位于U形热管式换热器的下部为加热段，U形热管式换热器上端为放热段，U形热管式换热器包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质、导液芯紧贴热管本体内壁，封闭式的热管本体被抽成负压后，热管导热工质填充在导液芯内，导液芯中充满液体后加以密封；U形换热管位于U形热管的中心轴位置，与热管形成壳管式结构。本发明技术方案的设计为：

1、冬季供热过程，单独利用中深层地热能进行供热或浅层地热能地源热泵系统与中深层地热系统同时工作，为末端建筑提供热量。

2、夏季制冷过程中，浅层地源热泵系统工作，中深层地热系统不工作，系统为末端用户提供冷量。

3、由于寒冷和严寒地区冬季热负荷需求远大于夏季冷负荷需求，或者区域内全年热负荷大于全年冷负荷的建筑，冬季从浅层地热取出的热量大于夏季向土壤排放的热量，经过几年运行后会造成浅层地热能严重的冷热不平衡问题，导致系统无法高效稳定的运行，因此，本发明利用中深层地热能系统高温性和稳定性，组成深层地热能向浅层地热能进行补热系统，在供冷季结束和供暖季开始的过渡季节，通过中深层地热能向浅层地温能系统的补热，解决浅层地埋管换热系统的冷热平衡问题，保证整个制冷供暖系统的平衡与稳定性。

因此本发明的几种运行模式为：

模式一：利用中深层地热能进行单独供热。

中深层地热井换热系统内的循环介质通过中深层地热井供回水管道进入中深层地热井集水器，打开V9中层集水阀，由中深层地热井集水器进入地源侧循环水泵，通过地源侧循环水泵进入内切换热泵机组的蒸发器，再由蒸发器出口送入中深层地热井分水器，由中深层地热井分水器送入中深层地热井换热系统，形成地源侧的闭式循环；用户侧循环方式为：用户侧回水通过用户侧循环水泵送入内切换热泵机组的冷凝器，吸取冷凝器的放热，加热到用户需求的供热温度后由管道送入用户侧末端系统，实现供热。

模式一需要打开的阀门为：V1地源集水阀、V2地源分水阀、V3地源集水阀、V4地源分水阀、V8中层分水阀、V9中层集水阀，其他阀门关闭。

模式二：利用浅层地热能进行供冷、供热。

浅层地埋管换热系统内的循环介质通过浅层地埋管供回水管道进入浅层地埋管集水器，打开V7浅层集水阀，由浅层地埋管集水器，进入地源侧循环水泵，通过地源侧循环水泵进入内切换热泵机组，冬季进入内切换热泵机组的蒸发器，夏季进入内切换热泵机组的冷凝器，再由内切换热泵机组的出口送入浅层地埋管分水器，由浅层地埋管分水器送入浅层地埋管换热系统的各组换热孔中进行循环，夏季通过循环介质想浅层土壤进行放热，冬季通过循环介质向土壤吸取热量。

用户侧循环方式为：用户侧回水通过用户侧循环水泵夏季送入内切换热泵机组的蒸发器放热降温，降低到用户需求的制冷供水温度后送入用户末端系统实现供冷；冬季送入热泵机组的冷凝器吸取热量，加热到用户需求的供热温度再由管道送入用户侧末端系统，实现供热。

模式二需要打开的阀门为：V1地源集水阀、V2地源分水阀、V3地源集水阀、V4地源分水阀、V6浅层分水阀、V7浅层集水阀，其他阀门关闭。

模式三：中深层和浅层地热能进行联合供热。

中深层地热井换热系统内的循环介质通过中深层地热井供回水管道进入中深层地热井集水器；浅层地埋管换热系统内的循环介质通过浅层地埋管浅层地埋管供回水管道进入浅层地埋管集水器，打开V9中层集水阀和V7浅层集水阀，中深层和浅层集水器内的循环介质通过连接的管道混合后统一被进入地源侧循环水泵，再通过地源侧循环水泵送入内切换热泵机组的蒸发器，再由热泵机组蒸发器出口分别进入中深层地热井分水器和浅层地埋管分水器，最后由中深层地热井分水器和浅层地埋管分水器分别送入中深层地热井换热系统和浅层地埋管换热系统，形成中深层和浅层换热的闭式循环。

用户侧循环方式为：用户侧回水通过用户侧循环水泵送入内切换热泵机组的冷凝器，吸取冷凝器的放热，加热到用户需求的供热温度后由管道送入用户侧末端系统，实现供热。

模式三需要打开的阀门为：V1地源集水阀、V2地源分水阀、V3地源集水阀、V4地源分水阀、V6浅层分水阀、V7浅层集水阀、V8中层分水阀、V9中层集水阀，其他阀门关闭。

模式四：利用中深层地热能向浅层地热能进行补热。

在严寒、寒冷地区，建筑冬季供热负荷要大于夏季供冷负荷，造成热泵冬季从地下土壤吸取的热量大于夏季向土壤排放的热量，导致土壤温度逐渐降低，致使系统供热量下降，耗功率上升，供热系数降低，据统计，一般情况下土壤温度每降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3％～4％，为了保证热泵系统能够长久、正常的运行，并充分体现其节能性，需要在系统中加入辅助加热设备，以解决在严寒、寒冷地区应用地埋管地源热泵所面临的土壤热平衡问题，位于地下2000m以下岩体热源的中深层地热能的热源温度可达70℃且温度恒定，位于地下150m的浅层低热土壤温度约为15～20℃左右，因此模式四为利用中深层地热能向浅层地热能进行补热。

中深层地热井换热系统内的循环介质通过中深层地热井中深层地热井供回水管道进入中深层地热井集水器，打开V9中层集水阀，再由中深层地热井集水器进入地源侧循环水泵，打开V5交换阀，循环介质通过地源侧循环水泵，经管道进入浅层地埋管分水器，再通过管道进入各组浅层地埋管换热系统，然后进入浅层地埋管集水器，浅层地埋管集水器通过管道与中深层地热井分水器相连，控制管道上设置的V10中浅交换阀，循环介质从中深层地热井分水器进入中深层地热井换热系统，最后在通过管道进入中深层地热井集水器，形成中深层地热井换热系统和浅层地埋管换热系统的闭式循环，循环介质在中深层换热井中加热后送入浅层地埋管系统，从而加热浅层地埋管附近的土壤，达到为浅层土壤补热、蓄热的目的。

模式四需要打开的阀门为V5交换阀、V6浅层分水阀、V9中层集水阀、V10中浅交换阀，其他阀门关闭。

在中深层地热井换热系统包括设置了中深层换热井和井内换热器，其中换热井的深度为2500—3000米，中深层地热井换热系统通过钻机向地下一定深度岩层钻孔，在钻孔中安装密闭式金属换热器，在内充满换热介质，通过换热器传导将地下深度的热能导出；换热器形式可为同心管换热器、U型管换热器或热管等多种形式，现有技术中专利号为201520986455.5的发明专利一种热管式干热岩换热器，公开了热管式井下换热器；专利号为201510390694.9发明专利一种增强型地热换热管公开了肋片型增强换热管；专利号为201520986148.7发明专利一种U型管式干热岩换热器，公开了U型管式干热岩换热器包括换热器，这些技术均可以使用在本专利中，本专利设置换热器目的均为最大限度的提取深层岩石的热能。

浅层地埋管换热系统包括多组浅层换热孔，换热孔深度为120～150米，换热孔内设置有U型地埋管换热器，每个换热孔采用并联形式连接。地埋管换热系统是供传热介质与岩土进行换热，由埋于地下的密闭循环管组构成，又称为土壤热交换器，根据管理埋置方式不同，分为水平地埋管换热系统和竖直地埋管换热系统，水平地埋管换热系统最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m；竖直地埋管换热系统埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3-6m，水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m，地埋管采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，且公称压力不应小于1.0MPa。该换热系统已在地源热泵供冷、供热技术中广泛应用，相关技术规范参考《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005)。

以上所述，仅为本发明专利的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：包括内切换热泵机组、用户侧循环泵、地源侧循环泵、中深层地热井换热系统、浅层地埋管换热系统；

所述浅层地埋管换热系统通过浅层地埋管供回水管道分别与浅层地埋管分水器和浅层地埋管集水器连接；

所述中深层地热井换热系统通过中深层地热井供回水管道分别与中深层地热井分水器和中深层地热井集水器连接；

所述浅层地埋管集水器与中深层地热井分水器通过管道连接，在管道上设置中浅交换阀门；

所述浅层地埋管集水器和中深层地热井集水器通过管道分别连接地源侧循环泵，地源侧循环泵通过管道连接内切换热泵机组，内切换热泵机组通过管道分别连接中深层地热井分水器和中深层地热井集水器；

用户侧循环泵分别通过管道连接内切换热泵机组和用户侧终端。

2.根据权利要求1所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述中深层地热井换热系统，包括水源热泵机组、供热循环泵、地下水换热循环泵、热管式换热器、地下供回水管，所述供热循环泵、地下水换热循环泵分别通过管道连接水源热泵机组，地下水换热循环泵连接地下供回水管，所述地下供回水管通过螺旋缠绕的方式贴附在热管式换热器的热管本体外壁上部。

3.根据权利要求1或2所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述热管式换热器包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质，导液芯紧贴热管本体内壁，热管导热工质填充在导液芯内。

4.根据权利要求3所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述热管式换热器还包括翅片，所述翅片贴附在热管式换热器的热管本体外壁，位于热管式换热器的下部。

5.根据权利要求1或2所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述热管式换热器为U形地热换热器，为密闭的壳管式结构，包括U形热管和U形换热管，所述U形换热管位于U形热管内，U形换热管的进水端和出水端分别伸出U形热管的U形两端。

6.根据权利要求5所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述U形热管包括为封闭式的热管本体、导液芯和热管导热工质，导液芯紧贴热管本体内壁，热管导热工质填充在导液芯内。

7.根据权利要求6所述的一种中深层与浅层地热能联合供热及浅层地热能补热系统，其特征在于：所述U形换热管位于U形热管内的中心轴位置。