CN109579180A - 一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统 - Google Patents

一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统 Download PDF

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Abstract

一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，涉及一种复合式土壤源热泵供能系统。本发明是要解决现有的废弃油气钻井孔荒废，拆除成本高的技术问题。本发明利用废弃油气钻井孔中深层地热源和空气热源耦合热泵辅以光伏电池板的余热，辅助加热热泵的取热热源能在空气源和土壤源之间进行切换，冷凝器余热可用于加热热水，利用一套装置，根据不同的需要实现建筑物供电、冬季供暖、夏季空调供冷以及卫生热水供应，同时由于废弃钻井孔较深，平均地温提高，从而提高单位长度的换热能力，本改造系统可获得比浅层常规土壤源热泵系统更高的出口温度和更经济的利用效率，比起专门钻井取地热源节省了约90％的成本。

Description

一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统
技术领域
本发明涉及一种复合式土壤源热泵供能系统。
背景技术
随着油气行业毛利不断缩紧，世界各地的油气公司正不断寻求替代方案，以便解决行业中耗费最多成本的问题之一，即废弃石油平台的处理。完全拆除平台比其他替代方案耗资高得多，而部分拆除平台利用其进行风能、潮汐能和太阳能收集的可行性和持续性仍无从考证，深海潜水酒店及石油平台度假村是石油平台成功转型的成功实例，利用废弃油气钻井孔改造土壤源热泵系统为度假村等临近建筑物供能具有重要意义。
地热能、空气能与太阳能一样都是一种新的清洁能源，在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。在石油钻井平台改造项目的周边，许多天然气及石油钻井孔被废弃，此时土壤将是热泵取热源的最佳选择。因此，如何合理综合利用太阳能、空气能、地热能为废弃钻井孔临近建筑物构建高效供能系统是一个重大课题。
发明内容
本发明是要解决现有的废弃油气钻井孔荒废，拆除成本高的技术问题，而提供一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统。
本发明的利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统是由压缩机1、冷凝器2、空气源蒸发器3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第一节流阀6、第二节流阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9、第一地源蒸发器10、第二地源蒸发器11、地源补热水泵12、第五电磁阀13、第六电磁阀14、储热水箱15、第七电磁阀16、第八电磁阀17、地源水循环泵18、地源膨胀水箱19、地埋管换热器出口20、太阳能真空管21、第一温度计22、自来水补水箱23、采暖设备24、第九电磁阀25、第十电磁阀26、采暖设备水循环泵27、第二温度计28、第十一电磁阀29、第十二电磁阀30、第十三电磁阀31、逆止阀32、第十四电磁阀33、地源补热换热器34、保温层35、单井回灌换热器36、地源水进水管37、地埋管换热器38、真空绝热保温管39、回水管40、单壁管41、双层过滤网42、第十五电磁阀43、第十六电磁阀44和第十四电磁阀45组成；所述的地埋管换热器38设置在废弃油气钻井孔中；
所述的压缩机1的排气口分别与第十五电磁阀43和第十一电磁阀29连通，第十五电磁阀43的另一端与冷凝器2的热端进口连通，冷凝器2的冷端出口与第十六电磁阀44连通，第十六电磁阀44的另一端分别与第一节流阀6、第二节流阀7和第十二电磁阀30连通，第一节流阀6的另一端与第二电磁阀5连通，第二电磁阀5的另一端与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连通，第一电磁阀4的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通，逆止阀32的出口与压缩机1的入口连通；第二节流阀7的另一端与第三电磁阀8连通，第三电磁阀8的另一端与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第一管路的出口与第四电磁阀9连通，第四电磁阀9的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通；第十二电磁阀30的另一端与第二地源蒸发器11的第一管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第一管路的出口与第十三电磁阀31连通，第十三电磁阀31的另一端与压缩机1的入口连通；
所述的热管式太阳能真空管21的热端出口和自来水补水箱23的出口均与储热水箱15的入口连通，太阳能真空管21的热端出口与储热水箱15的入口之间设有第一温度计22，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口连通，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口之间设有第二温度计28；所述的冷凝器2的换热部分设置在储热水箱15的内部；
所述的储热水箱15的出口与第十电磁阀26连通，第十电磁阀26的另一端与采暖设备24的如口连通，采暖设备24的出口与第九电磁阀25连通，第九电磁阀25的另一端与采暖设备水循环泵27的入口连通，采暖设备水循环泵27的出口与储热水箱15的进口连接；
所述的储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口连通，储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口之间设置第五电磁阀13，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34的第一管路的入口连通，地源补热换热器34的第一管路的出口与储热水箱15的入口连通；
地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14的另一端与第一地源蒸发器10的第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第二管路的出口与第七电磁阀16连通，第七电磁阀16的另一端分别与第八电磁阀17和第十四电磁阀33连通，第十四电磁阀33的另一端与第二地源蒸发器11的第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第二管路的出口与地源补热换热器34的第二管路的入口连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37之间设置第十四电磁阀45，地源水进水管37与地埋管换热器38的上端连通，地埋管换热器38的内部上端设置环形的单井回灌换热器36，单井回灌换热器36水平设置，单井回灌换热器36外壁设置保温层35，地源水进水管37的入口设置在单井回灌换热器36的下方，地埋管换热器38的内部的中心的中上部竖直设置真空绝热保温管39，真空绝热保温管39的下方依次设置单壁管41和双层过滤网42，单壁管41和双层过滤网42均为竖直设置，真空绝热保温管39的上端与地埋管换热器出口20连通，地埋管换热器出口20的另一端分别与地源水循环泵18的入口和地源膨胀水箱19的入口连通；第八电磁阀17的另一端与地源水进水管37连通，回水管40设置在真空绝热保温管39的内部；第二地源蒸发器11还设置有第三管路，第三管路的入口11-1连通空调冷凝水，第三管路的出口11-2为空调冷凝水的回水。
本发明的利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统的运行方式为：
在冬季运行时，压缩机1的排气口经过第十五电磁阀43与冷凝器2的热端入口连通，冷凝器2的冷端出口经过第十六电磁阀44后分两路，分别与第一节流阀6和第二节流阀7连接，一路为第一节流阀6通过第二电磁阀5与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连接；另一路为第二节流阀7通过第三电磁阀8与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连接，第一地源蒸发器10的第一管路出口与电磁阀9连接；第一电磁阀4和第四电磁阀9均经过逆止阀32与压缩机1的入口连接，构成一个回路；地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，单壁管41起到延长内外层水换热面积的作用，真空绝热保温管39起到为回水管40内高温水保温的作用。
夏季运行时，储热水箱15的热水出口通过第五电磁阀13与地源补热水泵12的入口连通，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34第一管路的入口连通，地源补热换热器34第一管路的出口与储热水箱15的入口连接，构成一个回路；地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14与第一地源蒸发器10第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10第二管路出口与第七电磁阀16连通，通过第十四电磁阀33(关闭第八电磁阀17)与第二地源蒸发器11第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11第二管路的出口与地源补热换热器34第二管路的入口连通，通过第十四电磁阀45回到地源水进水管37，经过单井回灌换热器36环井壁环一周进入地埋管换热器38，地埋管换热器出口20、与地源水循环泵18的入口连接，构成一个回路，此回路中设有地源膨胀水箱19起到定压及容纳系统循环水膨胀量的作用；
热管式太阳能真空管加热热水系统与常规太阳能加热冷水一样，太阳能通过热管式太阳能真空管21的吸热材料吸收太阳辐射，并通过翅片将热量传到热管上，再通过热管内工质冷凝放热加热冷水后送到储热水箱15中(此系统常年运行)。
冬季工况：当储热水箱15水温低于50℃时，根据室外空气温度和土壤温度的高低，实现取热热源在空气源和土壤源之间的切换，也可同时开启。运行空气源环路时打开空气源蒸发器3及其进出口第二电磁阀5和第一电磁阀4；当运行地源环路时打开第一地源蒸发器10及其进出口第三电磁阀8和第四电磁阀9；从蒸发器(空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10)来的工质蒸汽经过压缩机1压缩后升温升压，高温高压工质蒸汽进入冷凝器2中加热储热水箱15中的水，蒸汽被冷凝，再经过节流阀(第一节流阀6或第二节流阀7)，然后进入空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10中，吸热汽化后再进入压缩机1进行压缩完成一个循环；当储热水箱15水温加热到55℃时，关闭地源或空气源蒸发器及其进出口阀门。
此时地源端运行过程为地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内层，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，经过第六电磁阀14连接第一地源蒸发器10(高温水为蒸发过程提供热量)，通过第七电磁阀16、第八电磁阀17(关闭第十四电磁阀45)流回地源进水管37。
夏季工况：地源储热换热循环过程中，压缩机1出口连接第十一电磁阀29、分别与第一电磁阀4和第四电磁阀9连通，各自经过空气源蒸发器3和第一地源蒸发器10，此时系统逆向运行，第一地源蒸发器10和空气源蒸发器3起冷凝作用，分别通过第二电磁阀5、第一节流阀6以及第三电磁阀8、第二节流阀7，经过第十二电磁阀30(第十六电磁阀44关闭)进入第二地源蒸发器11，环路制冷剂在第二地源蒸发器11中吸收来自地埋管换热器38的热量，通过蒸发吸热过程为空调冷凝水回路提供冷量。
地埋管换热器出口20经地源水循环泵18通过第六电磁阀14与第一地源蒸发器的10进口连通，在此过程中吸收第一地源蒸发器10冷凝过程的余热，第一地源蒸发器10出口经第七电磁阀16、第十四电磁阀33(第八电磁阀17关闭)与第二地源蒸发器11入口连通，第二地源蒸发器11吸收该管路热量并为空调冷凝水系统制冷，此管路温度降低，进入地源补热换热器34中吸收来自储热水箱15的太阳能余热，通过第十四电磁阀45回到地埋管进口37，通过单井回灌换热器36循环井壁一周进入地埋管换热器38套管外环沿井壁向下流动将热量释放回浅层土壤。
储热水箱15由于太阳能加热温度较高，为实现热量的及时排除，开启地源补热水泵12及地源水循环泵18，连接地源补热换热器34利用上述地源储热回路储热水箱15中富余热量(富余热量储存于地下，提高土壤温度)，改善土壤存取热量不平衡，有利于热泵系统长期稳定运行。
供暖系统：当冬季需要采暖供暖时，开启第十电磁阀26、第九电磁阀25、采暖设备热泵27，从储热水箱15流出的热水，经过第十电磁阀26，送到采暖设备24降温以后的热水通过第九电磁阀25、采暖设备热泵27回到储热水箱15进行再加热；当冬季不需要采暖供暖时，关闭第九电磁阀25、第十电磁阀26和采暖设备热泵27。
冷凝水系统：夏季第二地源蒸发器11为空调冷凝水提供冷量。
本发明所述的单壁管41为使用热收缩材料制作的套管。
本发明利用废弃油气钻井孔中深层地热源和空气热源耦合热泵辅以光伏电池板的余热，取热热源能在空气源和土壤源之间进行切换，冷凝器余热可用于加热热水，当太阳能资源丰富时，将其余热存入地下，利用一套装置，根据不同的需要实现建筑物供电、冬季供暖、夏季空调供冷以及卫生热水供应，同时由于废弃钻井孔较深，平均地温提高，从而提高单位长度的换热能力，本改造系统可获得比浅层常规土壤源热泵系统更高的出口温度和更经济的利用效率，比起专门钻井取地热源节省了约90％的成本。
本发明提供一种利用废弃油气钻井孔中深层土壤源热泵、太阳能、空气能耦合供热系统，充分利用废弃油气钻井孔实现临近建筑的绿色转型，实现了地热能和太阳能的优点互补，克服地热能不间断使用导致土壤热平衡来不及恢复和太阳能受天气条件影响的问题，实现对地源热泵的多路供电，确保即使在供电系统出现故障时，土壤源热泵仍然能够正常工作，系统节能、环保、无污染，运行简单。
在中深层废弃油气井中埋设带有真空隔热内管的同轴套管换热器，充注水将通过环形和中心同轴套管进行充分的热量交换，为减少热量损失，内管为双壁管，其间隙为真空绝热层。通过太阳能电池板将太阳能转变成电量输出并储存，电池板的余热通过余热回收系统对储热水箱中的冷水进行加热，夏季可回收利用空调供冷时的冷凝排热，实现能量的高效利用。太阳辐射较强时，地源补热水泵则将多余的热量通过地埋管储存于地下，提高土壤温度，以便取热平衡。
附图说明
图1为具体实施方式一的利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，如图1所示，具体是由压缩机1、冷凝器2、空气源蒸发器3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第一节流阀6、第二节流阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9、第一地源蒸发器10、第二地源蒸发器11、地源补热水泵12、第五电磁阀13、第六电磁阀14、储热水箱15、第七电磁阀16、第八电磁阀17、地源水循环泵18、地源膨胀水箱19、地埋管换热器出口20、太阳能真空管21、第一温度计22、自来水补水箱23、采暖设备24、第九电磁阀25、第十电磁阀26、采暖设备水循环泵27、第二温度计28、第十一电磁阀29、第十二电磁阀30、第十三电磁阀31、逆止阀32、第十四电磁阀33、地源补热换热器34、保温层35、单井回灌换热器36、地源水进水管37、地埋管换热器38、真空绝热保温管39、回水管40、单壁管41、双层过滤网42、第十五电磁阀43、第十六电磁阀44和第十四电磁阀45组成；所述的地埋管换热器38设置在废弃油气钻井孔中；
所述的压缩机1的排气口分别与第十五电磁阀43和第十一电磁阀29连通，第十五电磁阀43的另一端与冷凝器2的热端进口连通，冷凝器2的冷端出口与第十六电磁阀44连通，第十六电磁阀44的另一端分别与第一节流阀6、第二节流阀7和第十二电磁阀30连通，第一节流阀6的另一端与第二电磁阀5连通，第二电磁阀5的另一端与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连通，第一电磁阀4的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通，逆止阀32的出口与压缩机1的入口连通；第二节流阀7的另一端与第三电磁阀8连通，第三电磁阀8的另一端与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第一管路的出口与第四电磁阀9连通，第四电磁阀9的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通；第十二电磁阀30的另一端与第二地源蒸发器11的第一管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第一管路的出口与第十三电磁阀31连通，第十三电磁阀31的另一端与压缩机1的入口连通；
所述的热管式太阳能真空管21的热端出口和自来水补水箱23的出口均与储热水箱15的入口连通，太阳能真空管21的热端出口与储热水箱15的入口之间设有第一温度计22，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口连通，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口之间设有第二温度计28；所述的冷凝器2的换热部分设置在储热水箱15的内部；
所述的储热水箱15的出口与第十电磁阀26连通，第十电磁阀26的另一端与采暖设备24的如口连通，采暖设备24的出口与第九电磁阀25连通，第九电磁阀25的另一端与采暖设备水循环泵27的入口连通，采暖设备水循环泵27的出口与储热水箱15的进口连接；
所述的储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口连通，储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口之间设置第五电磁阀13，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34的第一管路的入口连通，地源补热换热器34的第一管路的出口与储热水箱15的入口连通；
地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14的另一端与第一地源蒸发器10的第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第二管路的出口与第七电磁阀16连通，第七电磁阀16的另一端分别与第八电磁阀17和第十四电磁阀33连通，第十四电磁阀33的另一端与第二地源蒸发器11的第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第二管路的出口与地源补热换热器34的第二管路的入口连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37之间设置第十四电磁阀45，地源水进水管37与地埋管换热器38的上端连通，地埋管换热器38的内部上端设置环形的单井回灌换热器36，单井回灌换热器36水平设置，单井回灌换热器36外壁设置保温层35，地源水进水管37的入口设置在单井回灌换热器36的下方，地埋管换热器38的内部的中心的中上部竖直设置真空绝热保温管39，真空绝热保温管39的下方依次设置单壁管41和双层过滤网42，单壁管41和双层过滤网42均为竖直设置，真空绝热保温管39的上端与地埋管换热器出口20连通，地埋管换热器出口20的另一端分别与地源水循环泵18的入口和地源膨胀水箱19的入口连通；第八电磁阀17的另一端与地源水进水管37连通，回水管40设置在真空绝热保温管39的内部；第二地源蒸发器11还设置有第三管路，第三管路的入口11-1连通空调冷凝水，第三管路的出口11-2为空调冷凝水的回水。
本实施方式的利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统的运行方式为：
在冬季运行时，压缩机1的排气口经过第十五电磁阀43与冷凝器2的热端入口连通，冷凝器2的冷端出口经过第十六电磁阀44后分两路，分别与第一节流阀6和第二节流阀7连接，一路为第一节流阀6通过第二电磁阀5与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连接；另一路为第二节流阀7通过第三电磁阀8与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连接，第一地源蒸发器10的第一管路出口与电磁阀9连接；第一电磁阀4和第四电磁阀9均经过逆止阀32与压缩机1的入口连接，构成一个回路；地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，单壁管41起到延长内外层水换热面积的作用，真空绝热保温管39起到为回水管40内高温水保温的作用。
夏季运行时，储热水箱15的热水出口通过第五电磁阀13与地源补热水泵12的入口连通，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34第一管路的入口连通，地源补热换热器34第一管路的出口与储热水箱15的入口连接，构成一个回路；地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14与第一地源蒸发器10第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10第二管路出口与第七电磁阀16连通，通过第十四电磁阀33(关闭第八电磁阀17)与第二地源蒸发器11第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11第二管路的出口与地源补热换热器34第二管路的入口连通，通过第十四电磁阀45回到地源水进水管37，经过单井回灌换热器36环井壁环一周进入地埋管换热器38，地埋管换热器出口20、与地源水循环泵18的入口连接，构成一个回路，此回路中设有地源膨胀水箱19起到定压及容纳系统循环水膨胀量的作用；
热管式太阳能真空管加热热水系统与常规太阳能加热冷水一样，太阳能通过热管式太阳能真空管21的吸热材料吸收太阳辐射，并通过翅片将热量传到热管上，再通过热管内工质冷凝放热加热冷水后送到储热水箱15中(此系统常年运行)。
冬季工况：当储热水箱15水温低于50℃时，根据室外空气温度和土壤温度的高低，实现取热热源在空气源和土壤源之间的切换，也可同时开启。运行空气源环路时打开空气源蒸发器3及其进出口第二电磁阀5和第一电磁阀4；当运行地源环路时打开第一地源蒸发器10及其进出口第三电磁阀8和第四电磁阀9；从蒸发器(空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10)来的工质蒸汽经过压缩机1压缩后升温升压，高温高压工质蒸汽进入冷凝器2中加热储热水箱15中的水，蒸汽被冷凝，再经过节流阀(第一节流阀6或第二节流阀7)，然后进入空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10中，吸热汽化后再进入压缩机1进行压缩完成一个循环；当储热水箱15水温加热到55℃时，关闭地源或空气源蒸发器及其进出口阀门。
此时地源端运行过程为地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内层，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，经过第六电磁阀14连接第一地源蒸发器10(高温水为蒸发过程提供热量)，通过第七电磁阀16、第八电磁阀17(关闭第十四电磁阀45)流回地源进水管37。
夏季工况：地源储热换热循环过程中，压缩机1出口连接第十一电磁阀29、分别与第一电磁阀4和第四电磁阀9连通，各自经过空气源蒸发器3和第一地源蒸发器10，此时系统逆向运行，第一地源蒸发器10和空气源蒸发器3起冷凝作用，分别通过第二电磁阀5、第一节流阀6以及第三电磁阀8、第二节流阀7，经过第十二电磁阀30(第十六电磁阀44关闭)进入第二地源蒸发器11，环路制冷剂在第二地源蒸发器11中吸收来自地埋管换热器38的热量，通过蒸发吸热过程为空调冷凝水回路提供冷量。
地埋管换热器出口20经地源水循环泵18通过第六电磁阀14与第一地源蒸发器的10进口连通，在此过程中吸收第一地源蒸发器10冷凝过程的余热，第一地源蒸发器10出口经第七电磁阀16、第十四电磁阀33(第八电磁阀17关闭)与第二地源蒸发器11入口连通，第二地源蒸发器11吸收该管路热量并为空调冷凝水系统制冷，此管路温度降低，进入地源补热换热器34中吸收来自储热水箱15的太阳能余热，通过第十四电磁阀45回到地埋管进口37，通过单井回灌换热器36循环井壁一周进入地埋管换热器38套管外环沿井壁向下流动将热量释放回浅层土壤。
储热水箱15由于太阳能加热温度较高，为实现热量的及时排除，开启地源补热水泵12及地源水循环泵18，连接地源补热换热器34利用上述地源储热回路储热水箱15中富余热量(富余热量储存于地下，提高土壤温度)，改善土壤存取热量不平衡，有利于热泵系统长期稳定运行。
供暖系统：当冬季需要采暖供暖时，开启第十电磁阀26、第九电磁阀25、采暖设备热泵27，从储热水箱15流出的热水，经过第十电磁阀26，送到采暖设备24降温以后的热水通过第九电磁阀25、采暖设备热泵27回到储热水箱15进行再加热；当冬季不需要采暖供暖时，关闭第九电磁阀25、第十电磁阀26和采暖设备热泵27。
冷凝水系统：夏季第二地源蒸发器11为空调冷凝水提供冷量。
本实施方式所述的单壁管41为使用热收缩材料制作的套管。
本实施方式利用废弃油气钻井孔中深层地热源和空气热源耦合热泵辅以光伏电池板的余热，取热热源能在空气源和土壤源之间进行切换，冷凝器余热可用于加热热水，当太阳能资源丰富时，将其余热存入地下，利用一套装置，根据不同的需要实现建筑物供电、冬季供暖、夏季空调供冷以及卫生热水供应，同时由于废弃钻井孔较深，平均地温提高，从而提高单位长度的换热能力，本改造系统可获得比浅层常规土壤源热泵系统更高的出口温度和更经济的利用效率，比起专门钻井取地热源节省了约90％的成本。
本实施方式提供一种利用废弃油气钻井孔中深层土壤源热泵、太阳能、空气能耦合供热系统，充分利用废弃油气钻井孔实现临近建筑的绿色转型，实现了地热能和太阳能的优点互补，克服地热能不间断使用导致土壤热平衡来不及恢复和太阳能受天气条件影响的问题，实现对地源热泵的多路供电，确保即使在供电系统出现故障时，土壤源热泵仍然能够正常工作，系统节能、环保、无污染，运行简单。
在中深层废弃油气井中埋设带有真空隔热内管的同轴套管换热器，充注水将通过环形和中心同轴套管进行充分的热量交换，为减少热量损失，内管为双壁管，其间隙为真空绝热层。通过太阳能电池板将太阳能转变成电量输出并储存，电池板的余热通过余热回收系统对储热水箱中的冷水进行加热，夏季可回收利用空调供冷时的冷凝排热，实现能量的高效利用。太阳辐射较强时，地源补热水泵则将多余的热量通过地埋管储存于地下，提高土壤温度，以便取热平衡。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的双层过滤网42的孔径为1.041mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的单壁管41为使用热收缩材料制作的套管。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的采暖设备24为建筑物散热器。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的采暖设备24为建筑物地热管。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，如图1所示，具体是由压缩机1、冷凝器2、空气源蒸发器3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第一节流阀6、第二节流阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9、第一地源蒸发器10、第二地源蒸发器11、地源补热水泵12、第五电磁阀13、第六电磁阀14、储热水箱15、第七电磁阀16、第八电磁阀17、地源水循环泵18、地源膨胀水箱19、地埋管换热器出口20、太阳能真空管21、第一温度计22、自来水补水箱23、采暖设备24、第九电磁阀25、第十电磁阀26、采暖设备水循环泵27、第二温度计28、第十一电磁阀29、第十二电磁阀30、第十三电磁阀31、逆止阀32、第十四电磁阀33、地源补热换热器34、保温层35、单井回灌换热器36、地源水进水管37、地埋管换热器38、真空绝热保温管39、回水管40、单壁管41、双层过滤网42、第十五电磁阀43、第十六电磁阀44和第十四电磁阀45组成；所述的地埋管换热器38设置在废弃油气钻井孔中；
所述的压缩机1的排气口分别与第十五电磁阀43和第十一电磁阀29连通，第十五电磁阀43的另一端与冷凝器2的热端进口连通，冷凝器2的冷端出口与第十六电磁阀44连通，第十六电磁阀44的另一端分别与第一节流阀6、第二节流阀7和第十二电磁阀30连通，第一节流阀6的另一端与第二电磁阀5连通，第二电磁阀5的另一端与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连通，第一电磁阀4的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通，逆止阀32的出口与压缩机1的入口连通；第二节流阀7的另一端与第三电磁阀8连通，第三电磁阀8的另一端与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第一管路的出口与第四电磁阀9连通，第四电磁阀9的另一端分别与逆止阀32的入口和第十一电磁阀29的另一端连通；第十二电磁阀30的另一端与第二地源蒸发器11的第一管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第一管路的出口与第十三电磁阀31连通，第十三电磁阀31的另一端与压缩机1的入口连通；
所述的热管式太阳能真空管21的热端出口和自来水补水箱23的出口均与储热水箱15的入口连通，太阳能真空管21的热端出口与储热水箱15的入口之间设有第一温度计22，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口连通，储热水箱15的出口与热管式太阳能真空管21的冷端入口之间设有第二温度计28；所述的冷凝器2的换热部分设置在储热水箱15的内部；
所述的储热水箱15的出口与第十电磁阀26连通，第十电磁阀26的另一端与采暖设备24的如口连通，采暖设备24的出口与第九电磁阀25连通，第九电磁阀25的另一端与采暖设备水循环泵27的入口连通，采暖设备水循环泵27的出口与储热水箱15的进口连接；
所述的储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口连通，储热水箱15的出口与地源补热水泵12的入口之间设置第五电磁阀13，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34的第一管路的入口连通，地源补热换热器34的第一管路的出口与储热水箱15的入口连通；
地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14的另一端与第一地源蒸发器10的第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10的第二管路的出口与第七电磁阀16连通，第七电磁阀16的另一端分别与第八电磁阀17和第十四电磁阀33连通，第十四电磁阀33的另一端与第二地源蒸发器11的第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11的第二管路的出口与地源补热换热器34的第二管路的入口连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37连通，地源补热换热器34的第二管路的出口与地源水进水管37之间设置第十四电磁阀45，地源水进水管37与地埋管换热器38的上端连通，地埋管换热器38的内部上端设置环形的单井回灌换热器36，单井回灌换热器36水平设置，单井回灌换热器36外壁设置保温层35，地源水进水管37的入口设置在单井回灌换热器36的下方，地埋管换热器38的内部的中心的中上部竖直设置真空绝热保温管39，真空绝热保温管39的下方依次设置单壁管41和双层过滤网42，单壁管41和双层过滤网42均为竖直设置，真空绝热保温管39的上端与地埋管换热器出口20连通，地埋管换热器出口20的另一端分别与地源水循环泵18的入口和地源膨胀水箱19的入口连通；第八电磁阀17的另一端与地源水进水管37连通，回水管40设置在真空绝热保温管39的内部；第二地源蒸发器11还设置有第三管路，第三管路的入口11-1连通空调冷凝水，第三管路的出口11-2为空调冷凝水的回水；所述的双层过滤网42的孔径为1.041mm；所述的单壁管41为使用热收缩材料制作的套管。
本试验的利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统的运行方式为：
在冬季运行时，压缩机1的排气口经过第十五电磁阀43与冷凝器2的热端入口连通，冷凝器2的冷端出口经过第十六电磁阀44后分两路，分别与第一节流阀6和第二节流阀7连接，一路为第一节流阀6通过第二电磁阀5与空气源蒸发器3的入口连通，空气源蒸发器3的出口与第一电磁阀4连接；另一路为第二节流阀7通过第三电磁阀8与第一地源蒸发器10的第一管路的入口连接，第一地源蒸发器10的第一管路出口与电磁阀9连接；第一电磁阀4和第四电磁阀9均经过逆止阀32与压缩机1的入口连接，构成一个回路；地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，单壁管41起到延长内外层水换热面积的作用，真空绝热保温管39起到为回水管40内高温水保温的作用。
夏季运行时，储热水箱15的热水出口通过第五电磁阀13与地源补热水泵12的入口连通，地源补热水泵12的出口与地源补热换热器34第一管路的入口连通，地源补热换热器34第一管路的出口与储热水箱15的入口连接，构成一个回路；地源水循环泵18的出口与第六电磁阀14连通，第六电磁阀14与第一地源蒸发器10第二管路的入口连通，第一地源蒸发器10第二管路出口与第七电磁阀16连通，通过第十四电磁阀33(关闭第八电磁阀17)与第二地源蒸发器11第二管路的入口连通，第二地源蒸发器11第二管路的出口与地源补热换热器34第二管路的入口连通，通过第十四电磁阀45回到地源水进水管37，经过单井回灌换热器36环井壁环一周进入地埋管换热器38，地埋管换热器出口20、与地源水循环泵18的入口连接，构成一个回路，此回路中设有地源膨胀水箱19起到定压及容纳系统循环水膨胀量的作用；
热管式太阳能真空管加热热水系统与常规太阳能加热冷水一样，太阳能通过热管式太阳能真空管21的吸热材料吸收太阳辐射，并通过翅片将热量传到热管上，再通过热管内工质冷凝放热加热冷水后送到储热水箱15中(此系统常年运行)。
冬季工况：当储热水箱15水温低于50℃时，根据室外空气温度和土壤温度的高低，实现取热热源在空气源和土壤源之间的切换，也可同时开启。运行空气源环路时打开空气源蒸发器3及其进出口第二电磁阀5和第一电磁阀4；当运行地源环路时打开第一地源蒸发器10及其进出口第三电磁阀8和第四电磁阀9；从蒸发器(空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10)来的工质蒸汽经过压缩机1压缩后升温升压，高温高压工质蒸汽进入冷凝器2中加热储热水箱15中的水，蒸汽被冷凝，再经过节流阀(第一节流阀6或第二节流阀7)，然后进入空气源蒸发器3或第一地源蒸发器10中，吸热汽化后再进入压缩机1进行压缩完成一个循环；当储热水箱15水温加热到55℃时，关闭地源或空气源蒸发器及其进出口阀门。
此时地源端运行过程为地源进水管37经过单井回灌换热器36环井壁一周进入地埋管换热器38的套管外环沿井壁向下流动吸收土壤热量，通过双层过滤网42过滤后进入回水管40内层，流出地埋管换热器到达地埋管换热器出口20，流出高温水连接地源水循环泵18，经过第六电磁阀14连接第一地源蒸发器10(高温水为蒸发过程提供热量)，通过第七电磁阀16、第八电磁阀17(关闭第十四电磁阀45)流回地源进水管37。
夏季工况：地源储热换热循环过程中，压缩机1出口连接第十一电磁阀29、分别与第一电磁阀4和第四电磁阀9连通，各自经过空气源蒸发器3和第一地源蒸发器10，此时系统逆向运行，第一地源蒸发器10和空气源蒸发器3起冷凝作用，分别通过第二电磁阀5、第一节流阀6以及第三电磁阀8、第二节流阀7，经过第十二电磁阀30(第十六电磁阀44关闭)进入第二地源蒸发器11，环路制冷剂在第二地源蒸发器11中吸收来自地埋管换热器38的热量，通过蒸发吸热过程为空调冷凝水回路提供冷量。
地埋管换热器出口20经地源水循环泵18通过第六电磁阀14与第一地源蒸发器的10进口连通，在此过程中吸收第一地源蒸发器10冷凝过程的余热，第一地源蒸发器10出口经第七电磁阀16、第十四电磁阀33(第八电磁阀17关闭)与第二地源蒸发器11入口连通，第二地源蒸发器11吸收该管路热量并为空调冷凝水系统制冷，此管路温度降低，进入地源补热换热器34中吸收来自储热水箱15的太阳能余热，通过第十四电磁阀45回到地埋管进口37，通过单井回灌换热器36循环井壁一周进入地埋管换热器38套管外环沿井壁向下流动将热量释放回浅层土壤。
储热水箱15由于太阳能加热温度较高，为实现热量的及时排除，开启地源补热水泵12及地源水循环泵18，连接地源补热换热器34利用上述地源储热回路储热水箱15中富余热量(富余热量储存于地下，提高土壤温度)，改善土壤存取热量不平衡，有利于热泵系统长期稳定运行。
供暖系统：当冬季需要采暖供暖时，开启第十电磁阀26、第九电磁阀25、采暖设备热泵27，从储热水箱15流出的热水，经过第十电磁阀26，送到采暖设备24降温以后的热水通过第九电磁阀25、采暖设备热泵27回到储热水箱15进行再加热；当冬季不需要采暖供暖时，关闭第九电磁阀25、第十电磁阀26和采暖设备热泵27。
冷凝水系统：夏季第二地源蒸发器11为空调冷凝水提供冷量。
本试验所述的单壁管41为使用热收缩材料制作的套管。
本试验利用废弃油气钻井孔中深层地热源和空气热源耦合热泵辅以光伏电池板的余热，取热热源能在空气源和土壤源之间进行切换，冷凝器余热可用于加热热水，当太阳能资源丰富时，将其余热存入地下，利用一套装置，根据不同的需要实现建筑物供电、冬季供暖、夏季空调供冷以及卫生热水供应，同时由于废弃钻井孔较深，平均地温提高，从而提高单位长度的换热能力，本改造系统可获得比浅层常规土壤源热泵系统更高的出口温度和更经济的利用效率，比起专门钻井取地热源节省了约90％的成本。
本试验提供一种利用废弃油气钻井孔中深层土壤源热泵、太阳能、空气能耦合供热系统，充分利用废弃油气钻井孔实现临近建筑的绿色转型，实现了地热能和太阳能的优点互补，克服地热能不间断使用导致土壤热平衡来不及恢复和太阳能受天气条件影响的问题，实现对地源热泵的多路供电，确保即使在供电系统出现故障时，土壤源热泵仍然能够正常工作，系统节能、环保、无污染，运行简单。
在中深层废弃油气井中埋设带有真空隔热内管的同轴套管换热器，充注水将通过环形和中心同轴套管进行充分的热量交换，为减少热量损失，内管为双壁管，其间隙为真空绝热层。通过太阳能电池板将太阳能转变成电量输出并储存，电池板的余热通过余热回收系统对储热水箱中的冷水进行加热，夏季可回收利用空调供冷时的冷凝排热，实现能量的高效利用。太阳辐射较强时，地源补热水泵则将多余的热量通过地埋管储存于地下，提高土壤温度，以便取热平衡。

Claims (5)

1.一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，其特征在于利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统是由压缩机(1)、冷凝器(2)、空气源蒸发器(3)、第一电磁阀(4)、第二电磁阀(5)、第一节流阀(6)、第二节流阀(7)、第三电磁阀(8)、第四电磁阀(9)、第一地源蒸发器(10)、第二地源蒸发器(11)、地源补热水泵(12)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、储热水箱(15)、第七电磁阀(16)、第八电磁阀(17)、地源水循环泵(18)、地源膨胀水箱(19)、地埋管换热器出口(20)、太阳能真空管(21)、第一温度计(22)、自来水补水箱(23)、采暖设备(24)、第九电磁阀(25)、第十电磁阀(26)、采暖设备水循环泵(27)、第二温度计(28)、第十一电磁阀(29)、第十二电磁阀(30)、第十三电磁阀(31)、逆止阀(32)、第十四电磁阀(33)、地源补热换热器(34)、保温层(35)、单井回灌换热器(36)、地源水进水管(37)、地埋管换热器(38)、真空绝热保温管(39)、回水管(40)、单壁管(41)、双层过滤网(42)、第十五电磁阀(43)、第十六电磁阀(44)和第十四电磁阀(45)组成；所述的地埋管换热器(38)设置在废弃油气钻井孔中；
所述的压缩机(1)的排气口分别与第十五电磁阀(43)和第十一电磁阀(29)连通，第十五电磁阀(43)的另一端与冷凝器(2)的热端进口连通，冷凝器(2)的冷端出口与第十六电磁阀(44)连通，第十六电磁阀(44)的另一端分别与第一节流阀(6)、第二节流阀(7)和第十二电磁阀(30)连通，第一节流阀(6)的另一端与第二电磁阀(5)连通，第二电磁阀(5)的另一端与空气源蒸发器(3)的入口连通，空气源蒸发器(3)的出口与第一电磁阀(4)连通，第一电磁阀(4)的另一端分别与逆止阀(32)的入口和第十一电磁阀(29)的另一端连通，逆止阀(32)的出口与压缩机(1)的入口连通；第二节流阀(7)的另一端与第三电磁阀(8)连通，第三电磁阀(8)的另一端与第一地源蒸发器(10)的第一管路的入口连通，第一地源蒸发器(10)的第一管路的出口与第四电磁阀(9)连通，第四电磁阀(9)的另一端分别与逆止阀(32)的入口和第十一电磁阀(29)的另一端连通；第十二电磁阀(30)的另一端与第二地源蒸发器(11)的第一管路的入口连通，第二地源蒸发器(11)的第一管路的出口与第十三电磁阀(31)连通，第十三电磁阀(31)的另一端与压缩机(1)的入口连通；
所述的热管式太阳能真空管(21)的热端出口和自来水补水箱(23)的出口均与储热水箱(15)的入口连通，太阳能真空管(21)的热端出口与储热水箱(15)的入口之间设有第一温度计(22)，储热水箱(15)的出口与热管式太阳能真空管(21)的冷端入口连通，储热水箱(15)的出口与热管式太阳能真空管(21)的冷端入口之间设有第二温度计(28)；所述的冷凝器(2)的换热部分设置在储热水箱(15)的内部；
所述的储热水箱(15)的出口与第十电磁阀(26)连通，第十电磁阀(26)的另一端与采暖设备(24)的入口连通，采暖设备(24)的出口与第九电磁阀(25)连通，第九电磁阀(25)的另一端与采暖设备水循环泵(27)的入口连通，采暖设备水循环泵(27)的出口与储热水箱(15)的进口连接；
所述的储热水箱(15)的出口与地源补热水泵(12)的入口连通，储热水箱(15)的出口与地源补热水泵(12)的入口之间设置第五电磁阀(13)，地源补热水泵(12)的出口与地源补热换热器(34)的第一管路的入口连通，地源补热换热器(34)的第一管路的出口与储热水箱(15)的入口连通；
地源水循环泵(18)的出口与第六电磁阀(14)连通，第六电磁阀(14)的另一端与第一地源蒸发器(10)的第二管路的入口连通，第一地源蒸发器(10)的第二管路的出口与第七电磁阀(16)连通，第七电磁阀(16)的另一端分别与第八电磁阀(17)和第十四电磁阀(33)连通，第十四电磁阀(33)的另一端与第二地源蒸发器(11)的第二管路的入口连通，第二地源蒸发器(11)的第二管路的出口与地源补热换热器(34)的第二管路的入口连通，地源补热换热器(34)的第二管路的出口与地源水进水管(37)连通，地源补热换热器(34)的第二管路的出口与地源水进水管(37)之间设置第十四电磁阀(45)，地源水进水管(37)与地埋管换热器(38)的上端连通，地埋管换热器(38)的内部上端设置环形的单井回灌换热器(36)，单井回灌换热器(36)水平设置，单井回灌换热器(36)外壁设置保温层(35)，地源水进水管(37)的入口设置在单井回灌换热器(36)的下方，地埋管换热器(38)的内部的中心的中上部竖直设置真空绝热保温管(39)，真空绝热保温管(39)的下方依次设置单壁管(41)和双层过滤网(42)，单壁管(41)和双层过滤网(42)均为竖直设置，真空绝热保温管(39)的上端与地埋管换热器出口(20)连通，地埋管换热器出口(20)的另一端分别与地源水循环泵(18)的入口和地源膨胀水箱(19)的入口连通；第八电磁阀(17)的另一端与地源水进水管(37)连通，回水管(40)设置在真空绝热保温管(39)的内部；第二地源蒸发器(11)还设置有第三管路，第三管路的入口(11-1)连通空调冷凝水，第三管路的出口(11-2)为空调冷凝水的回水。
2.根据权利要求1所述的一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，其特征在于所述的双层过滤网(42)的孔径为1.041mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，其特征在于所述的单壁管(41)为使用热收缩材料制作的套管。
4.根据权利要求1所述的一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，其特征在于所述的采暖设备(24)为建筑物散热器。
5.根据权利要求1所述的一种利用废弃油气钻井孔改造的复合式土壤源热泵供能系统，其特征在于所述的采暖设备(24)为建筑物地热管。
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