CN109931651A - 无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统 - Google Patents

无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，包括套管(1)、隔热管(2)、换热器(7)、高温热泵(8)以及低温热泵(9)。本发明通过换热器、高温热泵以及低温热泵三级系统，可将地热能中高品位、中等品位和低品位部分依次进行吸收利用，最终实现中深层地热资源的梯级利用供暖目的，大幅度提高了供热系统的能效比及供热负荷。利用隔热管(尤其真空的)作为中心管可以有效的减少中心管内水的散热量，可以有效地保持地热能的品位。同时，本发明结合了采用真空隔热管的无干扰地热开采方式和热能梯级利用供暖系统的优势，具有高效、环保和可持续利用的特点。

Description

无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统
技术领域
本发明属于地热能开发技术领域，特别设计一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统。
背景技术
目前，我国每年约有8％的一次化石能源用于冬季的采暖，冬季采暖所排放出的粉尘和SO2也成为了目前城市雾霾形成的主要诱因，利用地热资源进行供暖是缓解城市雾霾污染的有效手段。而在目前中深层地热能供暖技术中，主要采用以PE管作为中心管的无干扰开采方法，由于PE管热导率较大，造成了出口水温以及热开采功率偏低的问题。同时，在目前中深层地热能供暖技术中，主要采用混水+单级热泵的方式将所开采的地热能品位进行提升以用于供暖，在直接混水过程中造成了所开采的地热能品位大幅度降低，使得热泵耗电量增加、系统综合能效降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统。
本发明提供了一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，包括：用于设置在地热井中的套管，其下端密封，其上端形成冷水入口或与冷水入口连接；设置在套管内的隔热管，其下端悬空设置得靠近所述套管的底部，其上端形成热水出口或与热水出口连接；以及换热器、高温热泵以及低温热泵，所述热水出口与所述换热器高温侧的入口端连接，所述换热器高温侧的出口端与所述高温热泵的蒸发器入口端连接，所述高温热泵的蒸发器出口端与所述低温热泵的蒸发器入口端连接，所述低温热泵的蒸发器出口端与所述冷水入口连接，所述换热器低温侧的入口端与供暖侧回水管路连接，其低温侧出口端与所述高温热泵的冷凝器入口端和所述低温热泵的冷凝器入口端连接，所述高温热泵的冷凝器出口端与供暖侧供水管路连接，所述低温热泵的冷凝器出口端与供暖侧供水管路连接，
在一实施例中，所述隔热管通过一个或多个扶正器固定在所述套管内。
在一实施例中，还包括阀，其连接在所述换热器低温侧的出口管路上，用于控制进入所述高温热泵和所述低温热泵的供暖循环水比例。
在一实施例中，还包括阀用温度传感器，其检测所述换热器低温侧的出水温度。
在一实施例中，还包括混水泵，其连接在所述低温热泵的冷凝器出口端与冷凝器入口端之间从而控制进入低温热泵的蒸发器的水温。
在一实施例中，还包括混水泵用温度传感器，其检测所述高温热泵的蒸发器侧出水温度。
在一实施例中，还包括循环水泵，其连接在所述低温热泵的蒸发器出口端与所述冷水入口之间。
在一实施例中，所述隔热管为双管夹层结构的玻纤复合管，具有内管和外管，内管和外管为钢质材料，内管和外管中间的夹层为多层玻璃丝布。
在一实施例中，所述隔热管为真空管。
本发明的有益效果
本发明通过换热器、高温热泵以及低温热泵三级系统，可将地热能中高品位、中等品位和低品位部分依次进行吸收利用，最终实现中深层地热资源的梯级利用供暖目的，大幅度提高了供热系统的能效比及供热负荷。利用隔热管(尤其真空的)作为中心管可以有效的减少中心管内水的散热量，可以有效地保持地热能的品位。同时，本发明结合了采用真空隔热管的无干扰地热开采方式和热能梯级利用供暖系统的优势，具有高效、环保和可持续利用的特点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)所述隔热管保温效果好，地热井出水温度高，提高了所开采地热能的品位；
(2)所述地热能梯级利用供暖系统，可以将所开采的地热能按品位高低进行分级吸收，降低了地热能利用过程中的传热温差，减少了“火用”损失，大幅度提高了系统的综合能效比，能源转化利用效率高；
(3)所述混水泵采用恒温控制系统，地热井回水温度低，提高了地热开采功率；
(4)所述系统中地热井深度、直径可在一定范围内调整，可满足不同的供热需求；
(5)所述无干扰地热开采系统为钢制系统，强度高，使用寿命长，对环境无污染；
(6)所述的热开采井可以采用G级固井水泥进行固井，井筒结构稳定，适应于不同地层；
(7)所述系统结构简单，便于安装、维护和操作；
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：
1、套管；2、隔热管；3、扶正器；4、地层；5、冷水入口；6、热水出口；7、换热器；8、高温热泵；9、低温热泵；10、混水泵；11、循环水泵；12、阀用温度传感器；13、阀；14、混水泵用温度传感器；NH、供暖侧回水管路；NG、供暖侧供水管路。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
本发明描述中使用的上、下、左、右等方位词，仅是为了结合附图描述方便，并不限定相关结构仅能处于图示方位。
如图1所示，一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统包括：用于设置在地热井中的套管1，其下端密封，其上端形成冷水入口5或与冷水入口5连接；设置在套管1内的隔热管2，其下端悬空设置得靠近所述套管1的底部，其上端形成热水出口6或与热水出口6连接；以及换热器7、高温热泵8以及低温热泵9。
所述热水出口6与所述换热器7高温侧的入口端连接，所述换热器7高温侧的出口端与所述高温热泵8的蒸发器入口端连接，所述高温热泵8的蒸发器出口端与所述低温热泵9的蒸发器入口端连接，所述低温热泵9的蒸发器出口端与所述冷水入口5连接。
所述换热器7低温侧的入口端与供暖侧回水管路NH连接，其低温侧出口端与所述高温热泵8的冷凝器入口端和所述低温热泵9的冷凝器入口端连接，所述高温热泵8的冷凝器出口端与供暖侧供水管路NG连接，所述低温热泵9的冷凝器出口端与供暖侧供水管路NG连接。
这里，换热器的高温侧和低温侧是相对而言的，是本领域技术人员公知的含义。
例如，所述隔热管2可以通过一个或多个扶正器3固定在所述套管1内。例如，可以保持隔热管2与套管1同心位置。
在一个实施例中，可以包括阀13，其连接在所述换热器7低温侧的出口管路上，用于控制进入所述高温热泵8和所述低温热泵的供暖循环水比例。为了控制阀的开闭，可以包括阀用温度传感器12，其检测所述换热器7低温侧的出水温度。根据该温度可以控制阀13，从而调节进入所述高温热泵8和所述低温热泵的供暖循环水比例。阀13可以采用任何合适的结构，例如电磁阀等。
在一个实施例中，还包括混水泵10，其连接在所述低温热泵9的冷凝器出口端与冷凝器入口端之间从而控制进入低温热泵的蒸发器的水温。为了控制阀的开闭，可以包括混水泵用温度传感器14，其检测所述高温热泵8的蒸发器侧出水温度。根据该温度可以控制混水泵10的启动，从而控制进入低温热泵9的蒸发器的水温。这样，可以确保低温热泵始终在其工作温度范围内工作。
在一个实施例中，还包括循环水泵11，其连接在所述低温热泵9的蒸发器出口端与所述冷水入口5之间。
例如，所述隔热管可以为双管夹层结构的玻纤复合管，具有内管和外管，内管和外管为钢质材料，内管和外管中间的夹层为多层玻璃丝布。隔热管可以为真空管，综合热导率约为0.05W/℃.m。由此增强隔热效果。
以下介绍本发明的结构的安装方法：
在布置时，通过钻机在地面垂直向下钻出深度为例如2500m～4000m、直径为200mm～300mm的钻孔，在孔内下入例如φ177.8mm套管1，进行固井(例如使用G级固井水泥)，将套管底部封死，在套管1内设置例如φ140mm的隔热管2，隔热管2下端悬空，通过例如扶正器3将隔热管2卡在套管1内。然后将各部件按照前述连接方式连接。
以下介绍本发明的结构的运行方式：
本发明运行时，从套管1和隔热管2之间的环空中注入循环水，循环水在下行过程中从环空进入，通过套管1在下行过程中不断吸收地层4中的热量，到达井底后从隔热管返回到地面，随后分别进入换热器、高温热泵和低温热泵，将热量释放后通过环空返回井筒，形成循环。
这里，循环水首先进入换热器7，地热能中的高品位部分直接传递至供暖系统，循环水温度降低到例如38℃以下后进入高温热泵8的蒸发器，利用高温热泵将地热能中的中等品位部分吸收，并进行品位提升，传递至供暖系统，循环水温度降低到25℃以下(例如，利用混水泵控制其温度)并进入低温热泵9的蒸发器，利用低温热泵将地热能中的低等品位部分吸收，并进行品位提升，传递至供暖系统，循环水温度降低到12℃以下并返回地热开采井，完成循环。
换热器7可将地热侧循环水温度从例如50℃左右降低到例如38℃以下，将循环水中的高品位热量直接传递给温度较高的供暖回水，将地热能中的高品位部分吸收。
高温热泵8可允许例如38℃以下的热水进入其蒸发器，将地热能中的中等品位部分吸收，并进行品位提升，传递至供暖循环水。
低温热泵9可允许例如25℃以下的热水进入其蒸发器，将地热能中的低等品位部分吸收，并进行品位提升，传递至供暖循环水。低温热泵的蒸发器出水温度可降低到例如12℃以下。
混水泵10可以将低温热泵的蒸发器进水温度控制在例如25℃以下，以保证低温热泵的正常运行。
这里，高温热泵作为第一热泵，低温热泵作为第二热泵，高温和低温是相对而言的，是指第一热泵的正常工作温度高于低温热泵的正常工作温度。基于换热器7的出水温度通过电磁阀13控制进入高温热泵和低温热泵的供暖循环水比例。基于高温热泵8的蒸发器出水温度通过混水泵10控制进入低温热泵9的蒸发器的水温。
本发明通过换热器、高温热泵以及低温热泵三级系统，可将地热能中高品位、中等品位和低品位部分依次进行吸收利用，最终实现中深层地热资源的梯级利用供暖目的，大幅度提高了供热系统的能效比及供热负荷。利用隔热管作为中心管可以有效的减少中心管内水的散热量，可以有效地保持地热能的品位。同时，本发明结合了采用隔热管的无干扰地热开采方式和热能梯级利用供暖系统的优势，具有高效、环保和可持续利用的特点。
本发明中示出的各种数值仅是示意性的，并不具有任何限定作用。例如，以上所示的温度值也可以为，换热器将循环水降低到例如45℃以下，然后该循环水进入高温热泵，从高温热泵出来的循环水可降低到例如30℃以下，然后进入低温热泵，从低温热泵出来的循环水可降低到例如12℃以下，返回地热井。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，各实施例可以单独或组合使用，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本发明中示出的各种数值仅是示意性的，并不具有任何限定作用。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，包括：
用于设置在地热井中的套管(1)，其下端密封，其上端形成冷水入口(5)或与冷水入口(5)连接；
设置在套管(1)内的隔热管(2)，其下端悬空设置得靠近所述套管(1)的底部，其上端形成热水出口(6)或与热水出口(6)连接；以及
换热器(7)、高温热泵(8)以及低温热泵(9)，
所述热水出口(6)与所述换热器(7)高温侧的入口端连接，所述换热器(7)高温侧的出口端与所述高温热泵(8)的蒸发器入口端连接，所述高温热泵(8)的蒸发器出口端与所述低温热泵(9)的蒸发器入口端连接，所述低温热泵(9)的蒸发器出口端与所述冷水入口(5)连接，
所述换热器(7)低温侧的入口端与供暖侧回水管路(NH)连接，其低温侧的出口端与所述高温热泵(8)的冷凝器入口端和所述低温热泵(9)的冷凝器入口端连接，所述高温热泵(8)的冷凝器出口端与供暖侧供水管路(NG)连接，所述低温热泵(9)的冷凝器出口端与供暖侧供水管路(NG)连接。
2.如权利要求1所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，所述隔热管(2)通过一个或多个扶正器(3)固定在所述套管(1)内。
3.如权利要求1所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，还包括阀(13)，其连接在所述换热器(7)的低温侧出口管路上，用于控制进入所述高温热泵(8)和所述低温热泵(9)的供暖循环水比例。
4.如权利要求3所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，还包括阀用温度传感器(12)，其检测所述换热器(7)低温侧的出水温度。
5.如权利要求1所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，还包括混水泵(10)，其连接在所述低温热泵(9)的冷凝器出口端与冷凝器入口端之间从而控制进入所述低温热泵(9)的蒸发器的水温。
6.如权利要求5所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，还包括混水泵用温度传感器(14)，其检测所述高温热泵(8)的蒸发器侧出水温度。
7.如权利要求1所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，还包括循环水泵(11)，其连接在所述低温热泵(9)的蒸发器出口端与所述冷水入口(5)之间。
8.如权利要求1所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，所述隔热管为双管夹层结构的玻纤复合管，具有内管和外管，内管和外管为钢质材料，内管和外管中间的夹层为多层玻璃丝布。
9.如权利要求1或8所述的无干扰中深层地热资源梯级利用供暖系统，其特征在于，所述隔热管为真空管。
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