CN109631371B - 一种利用湖水实现供暖制冷的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用湖水实现供暖制冷的系统及方法，包括供水回路、回水回路、供暖制冷装置，供水回路包括供水管道，供水管道上依次设有第一三通换向阀、第二三通换向阀、Y型过滤器、供水泵和供水箱；供水箱输出端装设有分水器，用于分配供水管道内的水至各个目标管道；回水回路包括回水管道，回水管道从首端至末端依次设有集水器、第三温度计、第三压力表和回水泵，集水器的输入端装设有回流管，用于收集目标管道内的回流水，供暖制冷装置一端连接供水箱，另一端连接集水器，用于为与室内空气进行换热，可利用丰富的湖泊和地下溶洞资源，在夏天把高温湖水引入溶洞封存，用于冬天供暖；在冬天把低温湖水引入溶洞封存，用于夏天供冷。

Description

一种利用湖水实现供暖制冷的系统及方法
技术领域
本发明涉及暖通空调工程领域，具体涉及一种利用湖水实现供暖制冷的系统及方法。
背景技术
国家发展和改革委员会在2017年1月23日印发了《地热能开发利用“十三五”规划》，在“十三五”时期，新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米，其中：新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米；新增水热型地热供暖面积4亿平方米。新增地热发电装机容量500MW。到2020年，地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米，地热发电装机容量约530MW。2020年地热能年利用量7000万吨标准煤，地热能供暖年利用量4000万吨标准煤，因此采用地热供暖不仅可以有效利用可循环利用的地热能源，而且能够相应地减少不可再生资源煤的使用，值得大力的推广。
以武汉为例，武汉属北亚热带季风性湿润气候，具有夏季酷热、冬季寒冷的特点。冬天气温低于0.4℃；夏天普遍高于37℃，极端最高气温可达44.5℃。武汉素有“百湖之市”美称。武汉现在湖泊147个。其中江夏有包括汤逊湖在的湖泊16个，汤逊湖水系包括汤逊湖、南湖、野芷湖等湖泊，汇水区域面积达420平方公里。
同时武汉地铁27号线全长近17公里，江夏客厅区段(I标段)，长约10公里。经初步勘测，该路段有溶洞300多个，高度10米以上的超过20个，高度6米以上的80多个，其中，有4个溶洞高度达32米，最深的溶洞足足有85米深。在武咸城际铁路施工时也发现了大量溶洞，纸坊线盾构区间地下溶洞宛如蜂巢，11.22公里的盾构区间内，有大小溶洞3295个，平均每米就有一个溶洞，其中最大溶洞垂直深度约31米，相当于十层楼的高度，最宽近50米。
因此基于武汉冬冷夏热的特点，如何利用丰富的湖泊和地下溶洞资源，来实现夏天供冷和冬天供暖就具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种利用湖水实现供暖制冷的系统及方法，可利用丰富的湖泊和地下溶洞资源，在夏天把温度较高的湖水引入地下溶洞封存，用于冬天进行供暖；而在冬天把低温湖水引入溶洞封存，用于夏天进行供冷。该技术比常规的水源热泵和地源热泵效率高，成本低，有助于节能减排，对打造绿色环保城市具有重要意义。
第一方面：
本发明公开一种利用湖水实现供暖制冷的系统，包括一供水回路、一回水回路、一供暖制冷装置，所述供水回路包括一供水管道，所述供水管道上从首端至末端依次设有第一三通换向阀、第二三通换向阀、Y型过滤器、供水泵和供水箱；所述第一三通换向阀和第二三通换向阀均包括两流水端和一换水端，所述第一三通换向阀和第二三通换向阀的流水端均接入所述供水管道，所述换水端连接一二次换热装置，用于对所述供水管道内的水进行二次换热；所述供水箱输出端装设有分水器，用于分配供水管道内的水至各个目标管道；所述回水回路包括一回水管道，所述回水管道从首端至末端依次设有集水器、第三温度计、第三压力表和回水泵，所述集水器的输入端装设有回流管，用于收集目标管道内的回流水，所述供暖制冷装置一端连接所述供水箱，另一端连接所述集水器，用于为与室内空气进行换热。
进一步地，所述二次换热装置包括缓冲水箱、温度收集水箱、换热水泵、循环泵和换热器，所述缓冲水箱、循环泵和换热器通过管道形成一循环回路，所述温度收集水箱、换热水泵和换热器通过管道形成一换热回路，所述换热回路中还设有一用于通断的换热截止阀，所述温度收集水箱内的水可以通过所述换热器与所述缓冲水箱内的水进行换热，进而将缓冲水箱中的水二次换热后达到相应的温度要求。
进一步地，所述供暖制冷装置包括一循环风机、换热管道和壳体，所述壳体内设有一混风箱，所述混风箱内设有一换热管，所述换热管两端穿过壳体后分别连接所述分水器和回流管，用于循环流动供水管道内的水并与混风箱内空气进行换热，所述壳体一端连接一进风管道，所述进风管道和混风箱间设有所述循环风机，所述混风箱相对循环风机一端连接有出风管道，所述出风管道另一端穿出所述壳体后连接一送风机，用于将换热后的气体送入室内。
进一步地，所述进风管道和壳体连接处设有滤网，用于过滤进风管道内空气中的杂质。
进一步地，位于所述第一三通换向阀入水一侧的管道上设有第一压力表和第一温度计，用于检测换热前的水压和水温数值；位于所述第二三通换向阀出水一侧的管道上设有第二压力表和第二温度计，用于检测换热后的水压和水温数值。
进一步地，所述供水箱与所述集水器之间设有一压差旁通阀，用于自动调节二者之间的压差。
第二方面：
本发明还公开一种利用湖水实现供暖制冷方法，包括以下步骤：
步骤一，在临近湖泊和建筑物的地层寻找溶洞储层，所述溶洞储层包括相互独立的第一溶洞储层和第二溶洞储层，用于分别存储夏天和冬天的湖水，随后对所述溶洞储层进行防渗加固处理；
步骤二，在所述溶洞储层的上部岩体内分别钻凿一注水井，所述注水井与溶洞储层连通，同时以所述注水井为中心，围绕在所述注水井周围钻凿N个出水井，其中N≥1，所述出水井均与所述注水井连通；
步骤三，采用微型隧道铺管技术，在湖泊、溶洞储层以及建筑物管网之间均铺设连通管道，所述湖泊通过所述连通管道连接注水井，每一所述出水井均通过所述连通管道连接对应的建筑物管网中的供水管道，所述供水管道连接供暖制冷装置入口端，所述供暖制冷装置出口端连接建筑物管网中的回水管道，所述回水管道通过所述连通管道连通湖泊。
进一步地，所述防渗加固处理采用静压化学注浆法配合喷射注浆法进行处理。
进一步地，所述连通管道内壁均采用隔热保温材料，减少湖水在传输的过程中的热交换。
进一步地，所述连通管道内设有过滤器，有效防止湖水中的杂质在连通管道内造成堵塞。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：采用湖水进行供暖和制冷，整个过程中大大降低了对水进行升温和降温的成本，且溶洞所处地层条件以及溶洞储层岩石较低的导热性使得在存储过程中的热损耗小，提高了供热效率和热利用率，减少了购置、安装冷热源机组设备的成本；并且湖水在供水湖、储层、建筑物三者中循环，几乎无水量损耗，节能环保。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种供暖制冷系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中供暖制冷装置的结构示意图。
附图标记：
1、供水管道 2、第一三通换向阀 3、第二三通换向阀 4、过滤器 5、供水泵 6、分水器 7、回水管道 8、集水器 9、第一压力表 901、第一温度计 10、第二压力表 1001第二温度计 11、第三压力表 1101、第三温度计 12、回水泵 13、回流管 14、缓冲水箱 15、温度收集水箱 16、换热水泵 17、循环泵 18、换热器 19、换热截止阀 20、供水截止阀 21、回水截止阀 22、壳体 2201、混风箱 23、循环风机 24、换热管道 25、进风管道 26、出风管道 27、送风机 28、滤网 29、压差旁通阀 30、供水箱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例公开了一种供暖制冷系统，包括一供水回路、一回水回路、一供暖制冷装置，所述供水回路包括设在供水管道1上的第一三通换向阀2、第二三通换向阀3、Y型过滤器4、供水泵和供水箱30，所述供水管道1上从首端至末端依次均匀设有第一三通换向阀2、第二三通换向阀3、所述Y型过滤器4、所述供水泵和所述供水箱30；所述供水箱30输出端装设有分水器6，用于分配供水管道1内的水至目标建筑物内的各个管道，所述供水泵可不断进行将溶洞储层内的水抽取出来，并经所述供水箱30的分水器6分配至建筑物内每一个用户，为用户的供暖制冷系统供水，同时在所述供水箱30的分水器6上均设置一流量计，保证供水量的充足；
位于所述第一三通换向阀2入水一侧的供水管道1上设有第一压力表9和第一温度计901，位于所述第二三通换向阀3出水一侧的供水管道1上设有第二压力表10和第二温度计1001，所述第一三通换向阀2和第二三通换向阀3均包括两位于同一直线的流水端和垂直两所述流水端的换水端，所述第一三通换向阀2和第二三通换向阀3的换水端均通过管道连接一二次换热装置，可在对所述供水管道1内的水进行二次换热，保证从所述二次换热装置中流出的水能够达到相应的温度要求；其中，第一压力表9和第一温度计901可以实时监测出换热之前供水管道1内的水温和水压力值，第二压力表10和第二温度计1001可以实时监测出换热之后供水管道1内的水温和水压力值。
所述二次换热装置包括缓冲水箱14、温度收集水箱15、换热水泵16、循环泵17和换热器18，所述缓冲水箱14、循环泵17和换热器18通过管道形成一循环回路，所述温度收集水箱15、换热水泵16和换热器18通过管道形成一换热回路，所述换热回路中还设有一用于通断的换热截止阀19，所述温度收集水箱15内的水可以通过所述换热器18与所述缓冲水箱14内的水进行换热，进而将缓冲水箱14中的水二次换热后达到相应的温度要求。
进一步地，在所述供水回路的不同位置可以设置若干供水截止阀20，一方面可以在方便在不同的位置隔断所述供水回路，另一方面可以在设备出现故障或者管道出现漏水的情况下及时关闭最近位置的所述供水截止阀20，便于后续快速的进行维修。
例如在冬天时，需要保证从所述供水管道1流入至建筑物管网的水的温度为35-50℃，则所述第一温度计901和第二温度计1001都会显示出此时供水管道1不同位置的温度，如果第二温度计1001检测出供水管道1中的温度在供暖的范围内，则所述第一三通换向阀2和第二三通换向阀3的出水端以及所述换热截止阀19全部关闭，溶洞储层中的存放的热水直接经过所述第一三通换向阀2和第二三通换向阀3流入所述分水器6即可，如果第二温度计1001检测出供水管道1中的温度在供暖的范围以下，则此时关闭连接所述第一三通换向阀2和第二三通换向阀3之间流通的阀门，打开出水端阀门将其与所述缓冲水箱14连通，同时打开所述换热截止阀19，将供水管道1内的水导引至所述缓冲水箱14内，并通过所述换热器18将所述温度收集水箱15内水温与所述缓冲水箱14内水温进行热交换，直至所述第二温度计1001检测出的温度达到对应的温度范围值；
同理，在夏天时，若供水管道1内的温度高于制冷的温度范围，则通过所述温度收集水箱15内水温与所述缓冲水箱14内水温进行冷交换，直至所述第二温度计1001检测出的温度达到对应的温度范围值。
所述Y型过滤器4可以在供水的过程中将水中的固体颗粒物隔挡在滤篮内，保证供水管道1内没有杂质，可以流动的更加顺畅，同时也有效防止在传输过程中的对供水管道1造成堵塞。
所述回水回路包括设在回水管道7上的集水器8、回水泵12、第三压力表11和第三温度计1101，所述回水管道7从首端至末端依次均匀设有所述集水器8、所述第三温度计1101、第三压力表11和回水泵12，所述集水器8的输入端装设有若干回流管13，建筑物内每一个用户的供暖制冷系统将使用后的水经回流管13回流入所述集水器8内进行收集，随后利用所述回水泵12进行抽取，所述集水器8通过回水管道7将水排回至湖内进行循环利用；所述第三压力表11和第三温度计1101可以实时测量出回水管道7内的水的温度和压力值；
进一步地，所述回水回路上的不同位置可设有若干回水截止阀21，一方面在所述集水器8收集水时关闭所述回水截止阀21，便于后续统一将所述集水器8内的水抽回至湖内，节约能源；另一方面也便于后续管道漏水时能够及时关闭最近位置的所述回水截止阀21进行快速维修。
进一步地，在所述供水箱30与所述集水器8之间设有一压差旁通阀29，所述压差旁通阀29可预设一个额定的压力值，用于在所述供水箱30和所述集水箱内的压力值产生的压力差值大于预设的额定压力值时自动打开，将水压力大的一侧流入水压力小的一侧，并根据产生的压力差值与预设的额定压力值之间的差值大小自动调整开合度，进而实现在流量发生变化时自动维护该供暖制冷系统的压差。
请参考图2，所述供暖制冷装置包括一循环风机23、换热管道24和壳体22，所述壳体22内设有一混风箱2201，所述壳体22一端连通设有进风管道25，所述进风管道25进口处连通有新风管道和回风管道，用于收集外界新鲜气体和室内气体，所述进风管道25和壳体22连接处设有滤网28，用于过滤空气中的灰尘和颗粒物杂质等，保证空气的洁净；所述进风管和混风箱2201之间的所述壳体22内设有所述循环风机23，所述循环风机23进口连接所述进气管道，所述循环风机23出口连接所述混风箱2201，用于将进风管道25内的气体抽取至混风箱2201内，所述混风箱2201内设有一换热管，所述换热管两端穿过壳体22后分别连接分水器6和回流管13，用于循环流动供水管道1内的水并与混风箱2201内空气进行换热，即分别在夏天时通入冷水释放冷气，在冬天时通入热水释放热气，随后与循环风机23排出的空气进行换热，实现冷热交换，所述混风箱2201相对循环风机23一端连接有出风管道26，所述出风管道26另一端穿出所述壳体22后连接一送风机27，用于将换热后的气体送入室内，完成供暖或制冷的操作。
本发明实施例还公开了一种利用湖水实现供暖制冷的方法，可利用湖水在夏天和冬天来分别存储热水和冷水，进而分别留存到冬天和夏天进行排放，以此来实现冬天供暖夏天制冷的效果，包括下列步骤：
(1)在临近湖泊和建筑物的地层寻找具备储热条件的溶洞储层，寻找的溶洞储层数量为2个，设为第一溶洞储层和第二溶洞储层，第一溶洞储层和第二溶洞储层相互独立设置，所述第一溶洞储层用于储存夏天温度较高的湖水，所述第二溶洞储层用于储存冬天温度较低的湖水。每一溶洞储层必须能够达到一定存储容量，保证能在其存储容量的范围内为其供能的建筑物内每一户提供足够的水量供应，例如，当供应四个120户的建筑物时，其溶洞储层的存储容量不得小于6.48×104吨，这样不仅能有效地降低使用成本，保证使用成本相对于天燃气和用电来讲更低，而且使得供暖和制冷的效果良好，增加用户的使用体验；
确定了溶洞储层的位置之后，采取施工措施，对所述溶洞储层进行防漏防渗加固处理，例如采用静压化学注浆法配合喷射注浆法，为防止浆液流失太远造成浪费，可采用间歇注浆方式，使得先注入浆液初步达到凝结后再注浆，循环注浆多次，直至达到要求。
(2)在溶洞储层的上部岩体内钻凿一注水井，所述注水井与溶洞储层连通，用于将抽取的湖水从所述注水井引入至所述溶洞储层进行存储，同时以所述注水井为中心，围绕在所述注水井周围钻凿N个出水井，其中N≥1，所述出水井均与所述注水井连通，所述出水井的数量N根据供应需求量来确定，保证每一所述出水井都能够为其供水的建筑物用户提供足够的水量供应；
(3)采用微型隧道铺管技术，在湖泊、溶洞储层以及建筑物管网之间均铺设连通管道，所述湖泊通过所述连通管道连接注水井，每一所述出水井均通过所述连通管道连接对应的建筑物管网中的供水管道，所述供水管道连接供暖制冷装置入口端，所述供暖制冷装置出口端连接建筑物管网中的回水管道，所述回水管道通过所述连通管道连通湖泊。其中在湖泊与溶洞储层以及溶洞储层与建筑物管网之间的连通管道内壁需采用隔热保温材料，保证湖水在传输的过程中和周围环境之间不会产生热量交换，保证水温不会发生过大的变化；并且管道在满足输送要求的基础上要保证铺设距离尽可能短，这样不仅进一步缩减了成本，也为后续的维护和检修工作降低了难度；同时在靠近供水湖位置的管道处设置过滤器4，所述过滤器4可以为Y型过滤器4，可以将湖水中的固体颗粒物隔挡在滤蓝内，保证流通入溶洞储层内的溶液没有杂质，可以流动的更加顺畅，同时也有效防止在传输过程中的对管道造成堵塞；
确保上述步骤(3)中的管道能够顺利接通之后，在每一个关联的建筑物内布置安装上述供暖制冷系统，也可以称之为空调系统，在夏天时，将溶洞储层内存储的冷水提供给建筑物内的供暖制冷系统进行制冷，同时在冬天时，将溶洞储层内存储的热水提供给建筑物内的供暖制冷系统进行制热，且将供暖和制冷换热之后的水直接回流至湖内，实现湖水的可循环利用。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用湖水实现供暖制冷的系统，包括一供水回路、一回水回路、一供暖制冷装置，其特征在于：所述供水回路包括一供水管道，所述供水管道上从首端至末端依次设有第一三通换向阀、第二三通换向阀、Y型过滤器、供水泵和供水箱；所述第一三通换向阀和第二三通换向阀均包括两流水端和一换水端，所述第一三通换向阀和第二三通换向阀的流水端均接入所述供水管道，所述换水端连接一二次换热装置，用于对所述供水管道内的水进行二次换热；所述供水箱输出端装设有分水器，用于分配供水管道内的水至各个目标管道；所述回水回路包括一回水管道，所述回水管道从首端至末端依次设有集水器、第三温度计、第三压力表和回水泵，所述集水器的输入端装设有回流管，用于收集目标管道内的回流水，所述供暖制冷装置一端连接所述分水器，另一端连接所述回流管，用于为与室内空气进行换热。
2.根据权利要求1所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统，其特征在于：所述二次换热装置包括缓冲水箱、温度收集水箱、换热水泵、循环泵和换热器，所述缓冲水箱、循环泵和换热器通过管道形成一循环回路，所述温度收集水箱、换热水泵和换热器通过管道形成一换热回路，所述换热回路中还设有一用于通断的换热截止阀，所述温度收集水箱内的水可以通过所述换热器与所述缓冲水箱内的水进行换热，进而将缓冲水箱中的水二次换热后达到相应的温度要求。
3.根据权利要求1所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统，其特征在于：所述供暖制冷装置包括一循环风机、换热管道和壳体，所述壳体内设有一混风箱，所述混风箱内设有一换热管，所述换热管两端穿过壳体后分别连接所述分水器和回流管，用于循环流动供水管道内的水并与混风箱内空气进行换热，所述壳体一端连接一进风管道，所述进风管道和混风箱间设有所述循环风机，所述混风箱相对循环风机一端连接有出风管道，所述出风管道另一端穿出所述壳体后连接一送风机，用于将换热后的气体送入室内。
4.根据权利要求3所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统，其特征在于：所述进风管道和壳体连接处设有滤网，用于过滤进风管道内空气中的杂质。
5.根据权利要求1所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统，其特征在于：位于所述第一三通换向阀入水一侧的管道上设有第一压力表和第一温度计，用于检测换热前的水压和水温数值；位于所述第二三通换向阀出水一侧的管道上设有第二压力表和第二温度计，用于检测换热后的水压和水温数值。
6.根据权利要求1所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统，其特征在于：所述供水箱与所述集水器之间设有一压差旁通阀，用于自动调节二者之间的压差。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述一种利用湖水实现供暖制冷的系统的供暖制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在临近湖泊和建筑物的地层寻找溶洞储层，所述溶洞储层包括相互独立的第一溶洞储层和第二溶洞储层，用于分别存储夏天和冬天的湖水，随后对所述溶洞储层进行防渗加固处理；
步骤二，在所述溶洞储层的上部岩体内分别钻凿一注水井，所述注水井与溶洞储层连通，同时以所述注水井为中心，围绕在所述注水井周围钻凿N个出水井，其中N≥1，所述出水井均与所述注水井连通；
步骤三，采用微型隧道铺管技术，在湖泊、溶洞储层以及建筑物管网之间均铺设连通管道，所述湖泊通过所述连通管道连接注水井，每一所述出水井均通过所述连通管道连接对应的建筑物管网中的供水管道，所述供水管道连接供暖制冷装置入口端，所述供暖制冷装置出口端连接建筑物管网中的回水管道，所述回水管道通过所述连通管道连通湖泊。
8.根据权利要求7所述一种供暖制冷方法，其特征在于：所述防渗加固处理采用静压化学注浆法配合喷射注浆法进行处理。
9.根据权利要求7所述一种供暖制冷方法，其特征在于：所述连通管道内壁均采用隔热保温材料，减少湖水在传输的过程中的热交换。
10.根据权利要求7所述一种供暖制冷方法，其特征在于：所述连通管道内设有过滤器，有效防止湖水中的杂质在连通管道内造成堵塞。
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