CN111238084A - 闭式废弃矿井储能循环装置及循环系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种闭式废弃矿井储能循环装置及循环系统，涉及矿业工程及能源工程技术领域。该循环装置包括换热井、换热装置和热泵，其中：换热井具有涌水；换热装置，深入至涌水内，并能与涌水进行热量交换；热泵，一端与换热装置连接，另一端与供热装置连接，用于将换热装置中的热量传输至供热装置或将供热装置中的热量传输至换热装置。本公开的循环装置及循环系统可实现对热能的循环利用，避免热能资源浪费，替代煤炭资源，避免环境恶化。

Description

闭式废弃矿井储能循环装置及循环系统

技术领域

本公开涉及矿业工程及能源工程技术领域，具体而言，涉及一种闭式废弃矿井储能循环装置及闭式废弃矿井储能循环系统。

背景技术

近年来，“能源与环保”越来越受到社会各界的关注，煤碳作为主要能源之一被广泛应用于工业生产和生活中，而煤炭的大量使用对环境影响较大，要想在保证经济发展的前提下保护环境，实现可持续发展，控制煤炭的使用以及寻找新型的替代能源是亟待解决的问题。

煤矿地区的冬季主要通过燃烧煤炭的形式提供大量热量，以用于洗浴、供暖以及矿井井口防冻，随着煤炭的大量使用使得环境不断恶化。然而，煤矿地区具有较多废弃的矿井，而废弃矿井中的涌水温度可达30℃～40℃，是优质的地热资源，但是，涌水常位于据地面几百米甚至上千米的地下，很难将其中热量采集出来，造成资源浪费。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种闭式废弃矿井储能循环装置及闭式废弃矿井储能循环系统，可实现对热能的循环利用，避免热能资源浪费，替代煤炭资源，避免环境恶化。

根据本公开的一个方面，提供一种闭式废弃矿井储能循环装置，包括包括换热井，所述换热井具有涌水，所述循环装置还包括：

换热装置，深入至所述涌水内，并能与所述涌水进行热量交换；

热泵，一端与所述换热装置连接，另一端与供热装置连接，用于将所述换热装置中的热量传输至所述供热装置或将所述供热装置中的热量传输至所述换热装置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述循环装置还包括：

检测组件，至少设于所述换热井内，并延伸至所述涌水下方，用于检测所述涌水的参数信息，所述参数信息包括温度、水压或水质中至少一种；

显示单元，用于接收并显示所述参数信息。

在本公开的一种示例性实施例中，所述热泵包括：

蒸发器，用于通过制冷剂吸收所述供热装置中的热量，并能将所述制冷剂汽化生成低压蒸汽；

压缩机，用于将所述低压蒸汽压缩生成高温高压蒸汽，所述高温高压蒸汽能输送至所述换热装置，并在所述换热装置中冷凝生成高压液体；

节流阀，设于所述蒸发器与所述换热装置之间，用于控制所述高压液体输送至所述蒸发器的流量。

在本公开的一种示例性实施例中，所述换热装置具有制冷剂，并能吸收所述涌水的热量并将所述制冷剂汽化生成低压蒸汽，所述热泵包括：

压缩机，用于将所述低压蒸汽压缩生成高温高压蒸汽；

冷凝器，用于将所述高温高压蒸汽转化为液体，并将所述高温高压蒸汽中的热量传输至所述供热装置；

节流阀，设于所述换热装置与所述冷凝器之间，用于控制所述高压的液体输送至所述换热装置的流量。

在本公开的一种示例性实施例中，所述循环装置还包括：

多个锚桩，固定于地面上，并位于所述换热井的外周；

多个锚索，一端与所述换热装置连接，另一端与所述锚桩固定连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述换热装置包括多个U型换热管道，各所述U型换热管道沿所述换热井的深度方向并排设置且首尾相连。

在本公开的一种示例性实施例中，所述循环装置还包括：

换热通道，设于所述换热井底部，且包括多个呈U形分布的通道。

在本公开的一种示例性实施例中，所述循环装置还包括：

观测井，设于所述换热井一侧，并由地面延伸至所述换热通道内；

所述检测组件设于所述观测井底部，用于检测所述观测井底部的涌水的参数信息，并将所述参数信息传输至所述显示单元。

在本公开的一种示例性实施例中，所述检测组件包括多个温度传感器，且各所述温度传感器按照预设间距沿所述换热井的深度方向并排设置。

根据本公开的一个方面，提供一种闭式废弃矿井储能循环系统，包括：

上述任意一项所述的闭式废弃矿井储能循环装置；

供热装置，与所述循环装置连接，用于与所述循环装置进行热量交换。

本公开的闭式废弃矿井储能循环装置及循环系统，可通过热泵获取供热装置中的热能，并可将热能传输至换热装置中，通过换热装置与矿井中的涌水进行热量交换，进而可将供热装置中的热量存储于矿井中，避免热能资源浪费，同时，将废弃矿井作为天然储能装置，可降低低品位能的开发成本；还可通过换热装置将涌水中的热能提取至热泵，进而传输给供热装置，用于洗浴、供暖以及矿井井口防冻，进而实现对热能的循环利用，替代煤炭资源，避免环境恶化。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式闭式废弃矿井储能循环装置的示意图。

图2为本公开实施方式单U管道的示意图。

图3为本公开实施方式双U串联管道的示意图。

图4为本公开实施方式双U并联管道的示意图。

图中：1、换热井；2、换热装置；21、单U管道；22、双U串联管道；23、双U并联管道；3、热泵；31、蒸发器；32、压缩机；33、节流阀；34、四通阀；4、供热装置；5、检测装置；51、温度传感器；6、数据收集中心；61、显示单元；71、锚桩；72、锚索；8、换热通道；9、观测井。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本公开实施方式提供了一种闭式废弃矿井储能循环装置，包括换热井，换热井可具有涌水，如图1所示，该循环装置还可以包括换热装置2及热泵3，其中：

换热装置2可深入至涌水内，并能与涌水进行热量交换；

热泵3一端可与换热装置2连接，另一端可与供热装置4连接，可用于将换热装置2中的热量传输至供热装置4或将供热装置4中的热量传输至换热装置2。

本公开的闭式废弃矿井储能循环装置及循环系统，可通过热泵3获取供热装置4中的热能，并可将热能传输至换热装置2中，通过换热装置2与矿井中的涌水进行热量交换，进而可将供热装置4中的热量存储于矿井中，避免热能资源浪费，同时，将废弃矿井作为天然储能装置，可降低低品位能的开发成本；还可通过换热装置2将涌水中的热能提取至热泵3，进而传输给供热装置4，用于洗浴、供暖以及矿井井口防冻，进而实现对热能的循环利用，替代煤炭资源，避免环境恶化。

下面对本公开实施方式循环装置的各部分进行详细说明：

换热井1可以是废弃的矿井，其内部可具有涌水。换热井1的深度可为几百米或几千米，在此不做特殊限定，只要具有涌水即可。涌水的温度可随换热井1的深度而发生改变。举例而言，涌水的温度可随着换热井1深度的增加逐渐升高，举例而言，在换热井1涌水的浅层区域，涌水的温度可为15℃左右，在换热井1深层区域，涌水的温度可达30℃～40℃，因此，涌水中可包含大量的低品位热能，可作为清洁使用，是优质的地热资源，可为工业生产或生活提供能量，减少煤矿资源的消耗，缓解环境压力。

换热装置2可深入至涌水内，并能与涌水进行热量交换，即：当换热装置2中的温度高于涌水的温度时，可以将其自身的热量释放至涌水中；当换热装置2中的温度小于涌水的温度时，换热装置2可吸收涌水中的热量。在一实施方式中，换热装置2可以呈管状结构，且为了增大换热装置2与涌水的接触面积，提高换热效率换热装置2可呈U型，也可呈环形，当然，还可呈其他形状，只要能增加换热装置2与涌水的接触面积即可，在此不再一一列举。其内部可设有换热原料，该换热原料可以是制冷剂，举例而言，其可以是氨气、二氧化硫或其他可用于换热的原料，在此不做特殊限定。可通过控制换热原料的类型控制换热装置2吸收热量或释放热量。

在一实施方式中，由于涌水较深，为了避免管状换热装置2在涌水中折断，可以将换热装置2设置为相互连通的多个U型管状结构，即：换热装置2可以包括多个U型换热管道，多个U型换热管道可呈螺旋状排列，且多个U型换热管道中相邻两个U型换热管道可首尾相连，并可沿换热井1的深度方向并排设置。换热管道可为金属管道，也可为塑料管道，当然，还可以是其他可用于换热的管道，在此不做特殊限定，其横截面的形状可以是圆形、椭圆形、矩形、多边形或不规则图形，当然，还可以是其他形状，在此不做特殊限定。

各U型换热管道中U型的数量可以相同，也可以不同，在此不做特殊限定。举例而言，为了避免U型换热管道在换热井1内折断，可将U型换热管道设置为较短的U型管道。如图2-图4所示，U型换热管道可以是单U管道21，也可以是双U串联管道22，还可以是双U并联管道23，当然，还可以是其他数量的U型串联管道或并联管道，在此不做特殊限定。

热泵3一端可与换热装置2连接，另一端可与供热装置4连接，可用于将换热装置2中的能量传输至供热装置4或将供热装置4中的能量传输至换热装置2，即热泵3、换热装置2及供热装置4可形成能量循环系统。供热装置4可以是密封箱体，可具有密闭空间，该空间可用于聚集能量，聚集的能量可以是热能，也可以是冷能，在此不做特殊限定。举例而言，其可以是能量接收装置，也可以是能量供应装置，可根据具体环境需要设定供热装置4的类型。举例而言，在炎热的夏季，地表温度较高，地面及空气中所含热量较高，供热装置4可作为热量吸收装置，吸收地表热量，并可通过热泵3将吸收的热量传输至换热装置2中，进而可通过换热装置2与涌水进行能量交换，从而将热量存储于涌水中，避免资源浪费；在寒冷的冬天，供热装置4可作为能量接收装置接收由热泵3传输的涌水的热量，该热量可用于供暖、洗浴或矿井井口防冻等，当然，还可将该热量用于其他的工业生产或生活中，在此不做特殊限定。同时，还可减少煤炭燃烧量，避免环境进一步恶化。在长时间抽取较高温度的涌水后，换热井1中温度降低，可通过热泵将冬季的冷能回收，并通过回水井2存储于换热井1中，可通过换热装置2将换热井1中存储的冷能提取出来，用于夏季制冷，实现能量的回收利用。

在一实施方式中，热泵3可以包括蒸发器31、压缩机32及节流阀33，其中：

蒸发器31可用于通过制冷剂吸收供热装置4中的热量，并能将制冷剂汽化生成低压蒸汽，制冷剂可以是氨气或二氧化硫等，在此不做特殊限定。压缩机32可将低压蒸汽压缩，使得低压蒸汽压力升高，温度增加，进而变成高温高压的过热蒸汽，高温高压的蒸汽可通过管道进入换热装置2，并可与换热装置2中温度较低的干化气流在温差推动下进行间接换热，过热的气态制冷剂可放出热量，冷凝生成高压液体，节流阀33可设于蒸发器31与换热装置2之间，对液态制冷剂产生阻塞，降低液态制冷剂的压力和温度，使其可再次进入蒸发器31中吸收气流中的热量，并可用于控制高压液体输送至蒸发器31的流量。需要说明的是，高压液体的流量可根据换热装置2的管道材质及截面大小设定，在此不做特殊限定。

在另一实施方式之中，换热装置2可具有制冷剂，并能吸收涌水的热量并可将制冷剂汽化生成低压蒸汽，制冷剂可以是氨气或二氧化硫等，在此不做特殊限定。热泵3可以包括压缩机32和冷凝器，其中，压缩机32可将低压蒸汽压缩，使得低压蒸汽压力升高，温度增加，进而变成高温高压的过热蒸汽，高温高压蒸汽可通过管道进入冷凝器中，并可与冷凝器中温度较低的干化气流在温差推动下进行间接换热，过热的气态制冷剂可放出热量冷凝生成高压液体，节流阀33可设于换热装置2与冷凝器之间，对液态制冷剂产生阻塞，降低液态制冷剂的压力和温度，使其可再次进入换热装置2中吸收涌水中的热量，并可用于控制高压液体输送至换热装置2的流量。冷凝器可用于将高温高压蒸汽转化为液体，并可将高温高压蒸汽中的热量传输至供热装置4。

热泵3还可以包括四通阀34，其可设于换热装置与蒸发器或冷凝器之间，可用于切换蒸发器31和冷凝器，在夏季时，热泵3可包括蒸发器31，可通过蒸发器31吸收外界热量，并通过压缩机32压缩后形成高温高压的过热气体，该高温高压的过热气体在经过换热装置2时，换热装置2可作为冷凝器使得高温高压的过热气体与涌水进行换热，进而将外界的热量存储于涌水中。在冬季，热泵3可包括冷凝器，换热装置2可作为蒸发器，其可吸收涌水中的能量，使得制冷剂汽化形成低压蒸汽，压缩机32可将低压蒸汽压缩，使得低压蒸汽压力升高，温度增加，进而变成高温高压的过热蒸汽，高温高压蒸汽可通过管道进入冷凝器，从而为外界提供热能，该热能可用于洗浴、供暖或矿井井口防冻。四通阀34则可用于转换热泵3中的蒸发器和冷凝器，使得在冬季时热泵3中的冷凝器处于工作状态，在夏季时，热泵3中的蒸发器处于工作状态。

本公开实施方式的循环装置还可以包括检测组件5及显示单元61，其中：

检测组件5可至少设于换热井1内，并可延伸至涌水下方。检测组件5可至少固定于换热井1侧壁上，并可与涌水接触，可用于检测涌水的参数信息，该参数信息可以包括温度、水压或水质中至少一种。相应的，检测组件5可以包括温度检测组件、压力检测组件或水质检测组件中至少一种。

举例而言，温度检测组件可以用于检测涌水的温度，压力检测组件可用于检测涌水的水压，水质检测组件可用于检测涌水的水质，当然，检测组件5还包含其他组件，也可用于检测其他参数或信息，在此不做特殊限定。检测组件5可与数据收集中心6相连接，并可将检测到的参数信息实时传送至数据收集中心6。举例而言，其可与数据收集中心6通过导线连接，也可与数据收集中心6通过无线连接，当然，还可与数据收集中心6通过其他方式连接，只要能将检测到的参数信息实时传输至数据收集中心6即可，在此不做特殊限定。

数据收集中心6还可与一控制组件相连接，该控制组件可用于控制供热装置4向换热装置2输送热能或冷能。举例而言，在涌水温度超过阈值时，控制组件可控制供热装置4向涌水中释放冷能，以使涌水温度低于阈值，进而保证冬季冷能排放至换热井1后不会被涌水吸收，实现存储冷能的目的。

由于随着换热井1深度的变化，涌水的温度也随出现梯度变化，为了能够实时、准确的掌握不同深度下换热井1中涌水的温度变化情况，做好安全隐患排查工作，可对换热井1内涌水的水温进行分层检测。在一实施方式中，检测组件5可以包括多个温度传感器51，且各温度传感器51可按照预设间距沿换热井1的深度方向并排设置。举例而言，温度传感器51的数量可以是3个、4个、5个、6个、7个或8个，当然，为了使收集到的数据更加准确，温度传感器51的数量也可以更多，在此不再一一列举。可根据换热井1的深度及涌水中温度的变化梯度设置温度传感器51的数量及相邻两个温度传感器51的预设间距，举例而言，相邻两个温度传感器51的预设间距可以是200m、300m、400m、500m或600m，当然，也可以是其他预设间距，在此不做特殊限定。例如，深度每下降300m涌水温度升高10℃，为了方便观测，可将预设间距设为300m。

显示单元61可用于接收并显示参数信息，其可与检测组件5通过导线连接或通过无线连接，在此不做特殊限定。显示单元61可以是数据收集中心6的一部分，举例而言，其可以是位于数据收集中心6的显示面板，可用于显示检测组件5传输至数据收集中心6的参数信息，可使用户通过显示面板直接获知换热井1中涌水的各项参数信息。

本公开实施方式的循环装置还可以包括多个锚桩71及多个锚索72，其中：

多个锚索72的一端均可与换热装置2连接，可用于对换热装置2进行固定和保护，在需要检修换热装置2时可通过锚索72将换热装置2吊起，便于换热装置2的检修，且操作便捷。锚索72可呈条状，其可以是钢索，也可以是铁索，当然，还可以是其他材质的锁链结构，在此不做特殊限定。各锚桩71均可固定于地面上，且各锚桩71均可位于换热井1的外周，其一端可与锚索72固定连接，可用于将锚索72与地面固定连接，进而可将连接于锚索72另一端的换热装置2与地面固定连接。在一实施方式中，换热装置2可包括多个沿换热井1深度方向首尾相连的U型换热管道，各锚索72可与各U型换热管道对应设置，且每个U型换热管道均可与两个锚索72连接，且为了便于换热装置的起吊，位于每个U型换热管道上的两个锚索72可正对设置于U型换热管道的两侧。锚索72均可为刚性结构，其材料可以是钢、铁或铝合金等，在此不做特殊限定。

本公开实施方式的循环装置还可以包括换热通道8，可设于换热井1底部，且可包括多个呈U形分布的通道，各U型通道可用于对涌水进行引流，加大涌水与换热井1侧壁的接触面积，进而可使得涌水充分吸热，增加涌水对热量的吸收，最大限度的吸收井底热量。当然，换热通道8也可呈其他形状，例如，还可呈环形，只要能增加涌水与换热井1侧壁的接触面积即可，在此不做特殊限定。

本公开实施方式的循环装置还可以包括观测井9，可设于换热井1一侧，并可由地面延伸至换热通道8内，可用于观测换热井1中换热通道8内涌水的扰动情况。举例而言，观测井9的深度可与换热井1的深度相同，并可延伸至换热井1的换热通道8内，可用于观察换热井1换热通道8中涌水的参数信息，该参数信息可以包括涌水的温度、涌水的水质或涌水的水压中的一种或多种。具体而言，观测井9的底部也可设有检测组件5，可用于检测观测井9底部的涌水的参数信息，并可将参数信息传输至显示单元61，并可通过显示单元61将参数信息显示出来。

本公开实施方式还提供了一种闭式废弃矿井储能循环系统，该循环系统可以包括上述任一实施方式的闭式废弃矿井储能循环装置及供热装置4，且该供热装置4可与循环装置连接，可用于与循环装置进行热量交换。供热装置4及循环装置的具体细节已经在上述实施方式中进行了详细描述，因此，此处不再赘述。

本公开的闭式废弃矿井储能循环系统，可通过热泵3获取供热装置4中的热能，并可将热能传输至换热装置2中，通过换热装置2与矿井中的涌水进行热量交换，进而可将供热装置4中的热量存储于矿井中，避免热能资源浪费，同时，将废弃矿井作为天然储能装置，可降低低品位能的开发成本；还可通过换热装置2将涌水中的热能提取至热泵3，进而传输给供热装置4，用于洗浴、供暖以及矿井井口防冻，进而实现对热能的循环利用，替代煤炭燃资源，避免环境恶化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种闭式废弃矿井储能循环装置，包括换热井，所述换热井具有涌水，其特征在于，所述循环装置还包括：

换热装置，深入至所述涌水内，并能与所述涌水进行热量交换；

热泵，一端与所述换热装置连接，另一端与供热装置连接，用于将所述换热装置中的热量传输至所述供热装置或将所述供热装置中的热量传输至所述换热装置。

2.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述循环装置还包括：

检测组件，至少设于所述换热井内，并延伸至所述涌水下方，用于检测所述涌水的参数信息，所述参数信息包括温度、水压或水质中至少一种；

显示单元，用于接收并显示所述参数信息。

3.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述热泵包括：

蒸发器，用于通过制冷剂吸收所述供热装置中的热量，并能将所述制冷剂汽化生成低压蒸汽；

压缩机，用于将所述低压蒸汽压缩生成高温高压蒸汽，所述高温高压蒸汽能输送至所述换热装置，并在所述换热装置中冷凝生成高压液体；

节流阀，设于所述蒸发器与所述换热装置之间，用于控制所述高压液体输送至所述蒸发器的流量。

4.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述换热装置具有制冷剂，并能吸收所述涌水的热量并将所述制冷剂汽化生成低压蒸汽，所述热泵包括：

压缩机，用于将所述低压蒸汽压缩生成高温高压蒸汽；

冷凝器，用于将所述高温高压蒸汽转化为液体，并将所述高温高压蒸汽中的热量传输至所述供热装置；

节流阀，设于所述换热装置与所述冷凝器之间，用于控制所述高压的液体输送至所述换热装置的流量。

5.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述循环装置还包括：

多个锚桩，固定于地面上，并位于所述换热井的外周；

多个锚索，一端与所述换热装置连接，另一端与所述锚桩固定连接。

6.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述换热装置包括多个U型换热管道，各所述U型换热管道沿所述换热井的深度方向并排设置且首尾相连。

7.根据权利要求2所述的循环装置，其特征在于，所述循环装置还包括：

换热通道，设于所述换热井底部，且包括多个呈U形分布的通道。

8.根据权利要求7所述的循环装置，其特征在于，所述循环装置还包括：

观测井，设于所述换热井一侧，并由地面延伸至所述换热通道内；

所述检测组件设于所述观测井底部，用于检测所述观测井底部的涌水的参数信息，并将所述参数信息传输至所述显示单元。

9.根据权利要求2所述的循环装置，其特征在于，所述检测组件包括多个温度传感器，且各所述温度传感器按照预设间距沿所述换热井的深度方向并排设置。

10.一种闭式废弃矿井储能循环系统，其特征在于，包括：

权利要求1-9任一项所述的闭式废弃矿井储能循环装置；

供热装置，与所述循环装置连接，用于与所述循环装置进行热量交换。

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