CN111365753A - 一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，包括第一供热系统、第二供热系统以及储热系统，第一供热系统包括循环泵、热泵和深井换热器，深井换热器的注入通道依次与循环泵和热泵相连，深井换热器的采出通道与热泵相连，热泵与目标建筑相连；第二供热系统包括太阳能集热器、储热水箱以及热水泵，太阳能集热器的出口依次与储热水箱、热水泵以及目标建筑相连，太阳能集热器的入口与目标建筑相连。本发明通过地热与太阳能联合组成供暖系统，解决了太阳能的不稳定和不连续性，同时又可以提高整个系统的出力和服务寿命，太阳能的不稳定性和间歇性以及气候对供暖负荷的影响，均可靠调整地热水的注入温度和流量来调节，两者相辅相成。

Description

一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统
技术领域
本发明涉及供暖技术领域，具体涉及一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统。
背景技术
近年我国北方冬季雾霾严重，建筑供暖进一步加剧了空气污染，现阶段对清洁能源供暖技术需求迫切。我国太阳能资源较丰富，但在建筑供暖领域应用较少。主要原因是太阳能属于间歇能源，不稳地，需要配置辅助热源或者储热系统，导致投资费用较高，限制了其在供暖领域的规模化应用。另外，我国地热资源储量丰富，但分布不均。有些地方的地热资源较贫乏，单井出水量少，地热开发成本高。针对地热资源贫乏，单井出水量少的现状，目前新出现了一种深井换热器(DBHE)技术，该技术采用同轴套管结构，通过金属外壁向岩石取热，通过内保温管将热量输出。由于系统封闭循环，不采地下热水，不存在腐蚀结垢和回灌等问题，备受市场欢迎。DBHE虽是一种有前景的地热开发技术，但该技术主要靠岩石的热传导将周围岩石的热量传递到井筒内，由于岩石的导热系数低，导致单井取热功率小，有热取不出。在钻井过程中，钻遇漏失层或含水层时，会造成钻井泥浆的漏失。同时，长期的取热可能会造成岩石热损失较大，如果没有热量的补充，系统的供暖性能将会大幅衰减。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，包括第一供热系统、第二供热系统以及储热系统，所述第一供热系统包括循环泵、热泵和深井换热器，所述深井换热器包括注入水的注入通道以及采出热水的采出通道，所述注入通道依次与循环泵、热泵的第一入口相连，所述采出通道与热泵的第一出口相连，所述热泵的第二入口和第二出口均与目标建筑相连；所述第二供热系统包括太阳能集热器、储热水箱以及热水泵，所述太阳能集热器的出口依次与储热水箱、热水泵以及目标建筑相连，所述太阳能集热器的入口与目标建筑相连。
进一步地，所述储热系统包括将热水泵的出口与采出通道相连，所述太阳能集热器的入口与注入通道相连；所述注入通道与循环泵之间设有第一注入阀门，所述采出通道与第一出口之间设有第一采出阀门；所述太阳能集热器的入口与目标建筑之间设有第二注入阀门，所述热水泵与目标建筑之间设有第二采出阀门；所述热水泵与采出通道之间设有储热注入阀门，所述太阳能集热器与注入通道之间设有储热采出阀门。
进一步地，所述深井换热器包括井以及在井外侧的岩石、漏失层和含水层，所述井包括保温管、井管以及包覆在井管外侧的水泥环，所述保温管设置在井管内部，保温管内部空间形成采出通道，所述保温管与井管之间的空间形成注入通道，所述采出通道与注入通道在井底连通，所述注入通道通过井管与水泥环向岩石取热。
进一步地，所述水泥环为采用高导热性能材料与水泥复合制成。
进一步地，所述井管包括采用高导热性能材料与油管复合制成的复合井管和普通油管，所述复合井管设置在漏失层和含水层部分井段，余下部分采用普通油管。
进一步地，在钻井时采用高导热性能材料与泥浆复合制成的复合钻井液。
进一步地，在钻遇漏失层时，通过调整复合钻井液的密度、黏度和回压，让复合钻井液多漏失进漏失层，以提高漏失层的导热性能。
进一步地，在钻遇含水层时，通过调整复合钻井液的密度、黏度和回压，让复合钻井液多漏失进含水层，以提高含水层的导热性能。
进一步地，所述高导热性能材料采用石墨烯材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
通过地热与太阳能联合组成供暖系统，既解决了太阳能的不稳定和不连续性，又不用建造跨季节储热设施或辅助热源，同时又可以提高整个系统的出力和服务寿命，太阳能的不稳定性和间歇性以及气候对供暖负荷的影响，均可靠调整地热水的注入温度和流量来调节，两者相辅相成，同时采用了高导热性能的钻井泥浆，固井水泥和井管，井下换热器的出力大幅提高，再加上太阳能的能量加入，确保了整个系统在采暖季热量取得出，在非采暖季热量存得进。
附图说明
图1为太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统的结构示意图；
图2为深井换热器的结构示意图；
附图标记说明：1、循环泵；2、热泵；21、第一入口；22、第一出口；23、第二入口；24、第二出口；3、深井换热器；31、井管；32、保温管；33、水泥环；34、岩石；35、漏失层；36、含水层；37、井底；38、注入通道；39、采出通道；4、目标建筑；5、太阳能集热器；6、储热水箱；7、热水泵；81、第一注入阀门；82、第一采出阀门；83、第二注入阀门；84、第二采出阀门；91、储热注入阀门；92、储热采出阀门。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1所示，一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，包括第一供热系统和第二供热系统，第一供热系统包括循环泵1、热泵2和深井换热器3，深井换热器3包括注入水的注入通道38以及采出热水的采出通道39，注入通道38依次与循环泵1、热泵2的第一入口21相连，采出通道39与热泵2的第一出口22相连，热泵2的第二入口23和第二出口24均与目标建筑4相连；第二供热系统包括太阳能集热器5、储热水箱6以及热水泵7，太阳能集热器5的出口依次与储热水箱6、热水泵7以及目标建筑4相连，太阳能集热器5的入口与目标建筑4相连。
如图2所示，深井换热器3，包括井以及在井外侧的岩石34、漏失层35和含水层36，井包括保温管32、井管31以及包覆在井管31外侧的水泥环33，保温管32设置在井管31内部，保温管32内部空间形成采出通道39，保温管32与井管31之间的空间形成注入通道38，采出通道39与注入通道38在井底37连通，注入通道38通过井管31与水泥环33向岩石34取热，水泥环33为采用高导热性能材料与水泥复合制成，例如石墨烯与水泥复合，高导热性能材料除了石墨烯以外，还能采用碳纤维等其他高导热性能的材料。
由于漏失层35和含水层36的传热效果相对岩石34较小，因此针对漏失层35和含水层36对井管31进行改进，井管31包括采用石墨烯与油管复合制成的复合井管和普通油管，复合井管设置在漏失层35和含水层36部分井段，以增强换热效果，余下部分采用普通油管。
为了进一步提高漏失层35与含水层36的导热性能，在钻井时采用石墨烯与泥浆复合制成的复合钻井液，在钻遇漏失层35和含水层36时，通过调整复合钻井液的密度、黏度和回压，故意让复合钻井液多漏失进漏失层35和含水层36，以提高漏失层35和含水层36的导热性能。
由于深井换热器3的取热功率的提高，会导致岩石34的热损失加大，长时间的取热，可能会造成系统的供暖性能的衰减，因此加入储热系统，如图1所示，储热系统包括将热水泵7的出口与采出通道39相连，太阳能集热器5的入口与注入通道38相连；注入通道38与循环泵1之间设有第一注入阀门81，采出通道39与第一出口22之间设有第一采出阀门82；太阳能集热器5的入口与目标建筑4之间设有第二注入阀门83，热水泵7与目标建筑4之间设有第二采出阀门84；热水泵7与采出通道39之间设有储热注入阀门91，太阳能集热器5与注入通道38之间设有储热采出阀门92。当需要进行储热的时候，将第一、第二采出阀门和第一、第二注入阀门均关闭，打开储热注入阀门91和储热采出阀门92对深井换热器3进行储热。
具体地，深井换热器3建造的实施过程如下：
第一步，配制高导热性能的复合钻井液：采用质量分数70％的泥浆钻井液与质量分数30％的石墨烯复合，配置成高导热性能的复合钻井液。
第二步，开始钻井：一开井段钻头311.15mm，套管244.275mm，深度200米，主要用于保护浅层地下水。
第三步，二开钻井：钻头215.9mm，套管177.8mm，目标深度3000米。在钻井过程中，遇到无水的漏失层或者含水层，通过调节复合钻井液的密度、黏度以及回压，让钻井液故意漏失进漏失层或含水层，提高地层的导热性能。
第四步，下入井管：在漏失层和含水层以外的井段，采用直径177.8mm的普通油管；在漏失层和含水层，采用油管与石墨烯复合组成高导热性能的复合井管。
第五步，配置复合固井水泥：采用普通固井水泥和石墨烯复合，制备高导热性能的复合固井水泥。普通水泥和石墨烯的质量比例为7：3。
第六步，固井：采用复合固井水泥进行固井。
第七步，下入保温管：保温管322长度2995m，直径110mm，材质为聚乙烯。
在具体使用本发明的时候，在需要采暖的季节，开启第一、第二采出阀门和第一、第二注入阀门，并关闭储热注入阀门91和储热采出阀门92，启动热水泵7、热泵2和循环泵1，利用太阳能和地热能同时为目标建筑4供暖；在阴雨天或者晚上，太阳能不稳定和不连续时，通过改变地热水的注入温度和流量以及调节热泵的输出热功率，以满足建筑的热负荷需求；当建筑热负荷随天气的冷暖发生变化时，主要靠改变地热水的注入温度和流量以及调节热泵的热负荷需求。
在非采暖季时，关闭第一、第二采出阀门和第一、第二注入阀门，并开启储热注入阀门91和储热采出阀门92，启动热水泵7，将从太阳能集热器5输出的热水通过保温管32流入井内，到底井底37后，通过井管31和保温管32之间的空间返回至太阳能集热器5中。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：包括第一供热系统、第二供热系统以及储热系统，所述第一供热系统包括循环泵(1)、热泵(2)和深井换热器(3)，所述深井换热器(3)包括注入水的注入通道(38)以及采出热水的采出通道(39)，所述注入通道(38)依次与循环泵(1)、热泵(2)的第一入口(21)相连，所述采出通道(39)与热泵(2)的第一出口(22)相连，所述热泵(2)的第二入口(23)和第二出口(24)均与目标建筑(4)相连；所述第二供热系统包括太阳能集热器(5)、储热水箱(6)以及热水泵(7)，所述太阳能集热器(5)的出口依次与储热水箱(6)、热水泵(7)以及目标建筑(4)相连，所述太阳能集热器(5)的入口与目标建筑(4)相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：所述储热系统包括将热水泵(7)的出口与采出通道(39)相连，所述太阳能集热器(5)的入口与注入通道(38)相连；所述注入通道(38)与循环泵(1)之间设有第一注入阀门(81)，所述采出通道(39)与第一出口(22)之间设有第一采出阀门(82)；所述太阳能集热器(5)的入口与目标建筑(4)之间设有第二注入阀门(83)，所述热水泵(7)与目标建筑(4)之间设有第二采出阀门(84)；所述热水泵(7)与采出通道(39)之间设有储热注入阀门(91)，所述太阳能集热器(5)与注入通道(38)之间设有储热采出阀门(92)。
3.根据权利要求1所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：所述深井换热器(3)包括井以及在井外侧的岩石(34)、漏失层(35)和含水层(36)，所述井包括保温管(32)、井管(31)以及包覆在井管(31)外侧的水泥环(33)，所述保温管(32)设置在井管(31)内部，保温管(32)内部空间形成采出通道(39)，所述保温管(32)与井管(31)之间的空间形成注入通道(38)，所述采出通道(39)与注入通道(38)在井底(37)连通，所述注入通道(38)通过井管(31)与水泥环(33)向岩石(34)取热。
4.根据权利要求3所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：所述水泥环(33)为采用高导热性能材料与水泥复合制成。
5.根据权利要求3所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：所述井管(31)包括采用高导热性能材料与油管复合制成的复合井管和普通油管，所述复合井管设置在漏失层(35)和含水层(36)部分井段，余下部分采用普通油管。
6.根据权利要求3所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：在钻井时采用高导热性能材料与泥浆复合制成的复合钻井液。
7.根据权利要求6所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：在钻遇漏失层(35)时，通过调整复合钻井液的密度、黏度和回压，让复合钻井液多漏失进漏失层(35)，以提高漏失层(35)的导热性能。
8.根据权利要求7所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：在钻遇含水层(36)时，通过调整复合钻井液的密度、黏度和回压，让复合钻井液多漏失进含水层(36)，以提高含水层(36)的导热性能。
9.根据权利要求4-6任一所述的太阳能耦合增强型深井换热器供暖系统，其特征在于：所述高导热性能材料采用石墨烯材料。
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