CN112856562A - 中深层地热能取热不取水模式供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其中，地埋管换热器设置于地热井筒内，地埋管换热器为密封循环对流结构，地埋管换热器的深度达到深层储热含水层，地埋管换热器内对应深层储热含水层井段设置高效金属换热器，地埋管换热器内填充循环介质，地埋管换热器与井筒(围岩)之间通过水泥砂浆固井形成密封；地埋管换热器的对流井筒通过换热管道形成与地源热泵循环系统相对独立不连通的循环系统，通过热交换将热量通过供暖系统传递至供暖建筑。通过本发明的技术方案，利用热传导方式提取地下地热能，不串通地下含水层，无需消耗地下水，且提高了换热效果，对地下环境不产生污染和扰动。

Description

中深层地热能取热不取水模式供暖系统
技术领域
本发明涉及地热开发利用技术领域，尤其涉及一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统。
背景技术
中深层水热型换热系统是指利用开采井抽取地下热水，通过换热设备将地热水中的热量传递给供热管网循环水，从而实现对建筑物供暖，同时将地热尾水进行回灌。该系统是迄今应用最广泛的中深层地热开发技术，但多年来的抽采引起了系列的问题：
(1)水位下降问题：如西安市地下热水下降位漏斗迅速扩展，平均下降20m/a；
(2)回灌问题(回灌量、堵塞、回灌效果的监测和研究等)：孔隙型砂岩储层回灌压力高、阻力大、空隙小、易堵塞等，很难实现连续性回灌；
由于长期开采地下热水，各地如陕西西安、咸阳、渭南等地地热井水位降深加大，已经形成大面积降落漏斗，水温衰减，水位和水温均难以恢复，有的井已经干涸报废。
中深部地下热水径流速度特别缓慢，深部径流补给量远远小于单井开采量。开采量大部分是中深部含水层静储量，导致地面沉降和地质灾害，并引起中深部地层热能传递受限致水温下降。
孔隙型砂岩热水回灌属世界性难题。目前地下水的回灌，特别是孔隙型储层的回灌，没有突破，难度较大。如果不进行回灌补充，地热尾水也会造成环境污染。这种系统引发的环境和灾害问题，使得在一些地区使用受到限制，如西安市区由于抽取地下水引起地裂缝和地面形变已限制地下水抽采。目前开展的直井同心管换热技术，其钻井结构、换热形式、施工工艺等都有许多需要改进的地方，特别套管外不进行固井，患通、破坏地下含水层，引起地下环境的恶化。
浅层地埋管换热系统换热效率低，埋管占地面积较大，城区内难以施工。
发明内容
针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统，通过采用闭式循环的中深层地埋管换热器(或井筒)，利用热传导方式提取地下地热能，地埋管换热器与地源热泵循环系统分属两个独立循环系统，无需消耗地下水，且深入至深层储热含水层，利用地下水的对流作用提高换热效果，对地质条件不产生污染和扰动。
为实现上述目的，本发明提供了一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统，包括：地下取热系统、地源热泵循环系统和供暖系统，所述地下取热系统包括地热井筒、地埋管换热器和高效金属换热器，所述地埋管换热器设置于所述地热井筒内，所述地埋管换热器为密封循环对流结构，所述地埋管换热器的深度达到深层储热含水层，所述地埋管换热器内对应所述深层储热含水层井段设置所述高效金属换热器，所述地埋管换热器内填充循环介质，所述的地埋管换热器与井筒(围岩)之间通过水泥砂浆固井形成密封；所述地埋管换热器的对流井筒通过换热管道形成与所述地源热泵循环系统相对独立不连通的循环系统，所述地埋管换热器的所述循环介质与所述地源热泵循环系统实现热交换，所述地源热泵循环系统将热交换获取的热量通过所述供暖系统传递至供暖建筑。
在上述技术方案中，优选地，所述地埋管换热器采用竖直或L型的同轴套管结构，所述地埋管换热器内包括高保温隔热的同轴套管。
在上述技术方案中，优选地，所述地埋管换热器采用U型对接井管结构，所述U型对接井管的底部水平段对应穿过所述深层储热含水层，所述高效金属换热器设置于该水平段，所述U型对接井管的两侧直井段分别与所述换热管道相连通形成循环对流。
在上述技术方案中，优选地，同一地点多个所述L型井管形成丛式井。
在上述技术方案中，优选地，所述地热井筒外壁设置固井水泥层，所述固井水泥层为采用水泥砂浆固井形成，所述固井水泥层使得所述地热井筒内形成密封。
在上述技术方案中，优选地，所述地热井筒的直径为200毫米～450毫米，深度为2000米～4000米。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过采用闭式循环的中深层地热井筒及地埋管换热器，利用热传导方式提取地下地热能，地埋管换热器与地源热泵循环系统分属两个独立循环系统，无需消耗地下水，且深入至深层储热含水层，利用地下水的对流作用提高换热效果，对地质条件不产生污染和扰动。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的中深层地热能取热不取水模式供暖系统的直井型结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的中深层地热能取热不取水模式供暖系统的L型井(从式井)结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的中深层地热能取热不取水模式供暖系统的U型井结构示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.地下取热系统，11.地热井筒，12.地埋管换热器，13.高效金属换热器，14.循环介质，15.固井水泥层，16.换热管道，2.地源热泵循环系统，3.供暖系统，4.深层储热含水层，5.浅层含水层，6.围岩。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
根据本发明提供的一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统，包括：地下取热系统1、地源热泵循环系统2和供暖系统3，地下取热系统1包括地热井筒11、地埋管换热器12和高效金属换热器13，地埋管换热器12设置于地热井筒11内，地埋管换热器12为密封循环对流结构，地埋管换热器12的深度达到深层储热含水层4，地埋管换热器12内对应深层储热含水层4井段设置高效金属换热器13，地埋管换热器12内填充循环介质14，地埋管换热器12与井筒11(围岩6)之间通过水泥砂浆固井15形成密封；地埋管换热器12的对流井筒通过换热管道16形成与地源热泵循环系统2相对独立不连通的循环系统，地埋管换热器12的循环介质14与地源热泵循环系统2实现热交换，地源热泵循环系统2将热交换获取的热量通过供暖系统3传递至供暖建筑。
在上述实施例中，通过闭式循环的热传导方式提取地下地热能，无需消耗地下水，其中高效金属换热器13通过外部深层储热含水层4的地下水的对流，能够稳定并最大限度地提取深层储热含水层4的热量。密闭的地埋管热热器12与围岩6之间不连通，不会破坏地下环境，不污染和扰动浅层含水层5、中深层地下水4和土壤。此外，地热井筒11设置于地下，仅需在供热建筑物附近施工钻孔很少孔，施工及机房占地面积极小，能够突破场地限制，且单孔换热量大。地下温度场通过恢复基本可以达到平衡，在控制的取热强度范围内，通过取暖季的取热后，地温场通过后期自恢复，可以保持地下温度场的平衡。
如图1和图2所示，在上述实施例中，优选地，地埋管换热器12采用竖直或L型(从式)的同轴套管结构，地埋管换热器12内安装高保温隔热的同轴套管，循环介质14在地埋管换热器12内形成对流，从而将地底热量通过热交换传递至地源热泵循环系统2，进而进入取暖系统，增强了取热效果。
如图3所示，在上述实施例中，优选地，地埋管换热器12采用U型对接井管结构，U型对接井管的底部水平段对应穿过深层储热含水层4，高效金属换热器13设置于该水平段，U型对接井管的两侧直井段分别与换热管道16相连通形成循环对流。
在上述实施例中，优选地，同一地点多个L型井管形成丛式井，井口集中对地面附近地质条件影响小、占地面积小，但取热面积大，提高了取热效果。
在上述实施例中，优选地，地热井筒11外壁设置固井水泥层15，固井水泥层15为采用水泥砂浆固井形成，固井水泥层15使得地热井筒11内形成密封，不串通地下含水层，且提高地热井筒11的长期稳定性。
在上述实施例中，优选地，地热井筒11的直径为200毫米～450毫米，孔径足够设置地埋管换热器12，且不会对建筑基础产生影响，占地面积小。地热井筒11深度为2000米～4000米，使得地热井筒11足以穿过深层储热含水层4，保证取热效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，包括：地下取热系统、地源热泵循环系统和供暖系统，
所述地下取热系统包括地热井筒、地埋管换热器和高效金属换热器，所述地埋管换热器设置于所述地热井筒内，所述地埋管换热器为密封循环对流结构，所述地埋管换热器的深度达到深层储热含水层，所述地埋管换热器内对应所述深层储热含水层井段设置所述高效金属换热器，所述地埋管换热器内填充循环介质，所述地埋管换热器与所述井筒之间通过水泥砂浆固井形成密封；
所述地埋管换热器的对流井筒通过换热管道形成与所述地源热泵循环系统相对独立不连通的循环系统，所述地埋管换热器的所述循环介质与所述地源热泵循环系统实现热交换，所述地源热泵循环系统将热交换获取的热量通过所述供暖系统传递至供暖建筑。
2.根据权利要求1所述的中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，所述地埋管换热器采用竖直或L型的同轴套管结构，所述地埋管换热器内安装高保温隔热的同轴套管。
3.根据权利要求1所述的中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，所述地埋管换热器采用U型对接井管结构，所述U型对接井管的底部水平段对应穿过所述深层储热含水层，所述高效金属换热器设置于该水平段，所述U型对接井管的两侧直井段分别与所述换热管道相连通形成循环对流。
4.根据权利要求2所述的中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，同一地点多个所述L型井管形成丛式井。
5.根据权利要求2或3所述的中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，所述地热井筒外壁设置固井水泥层，所述固井水泥层为采用水泥砂浆固井形成，所述固井水泥层使得所述地热井筒内形成密封。
6.根据权利要求1所述的中深层地热能取热不取水模式供暖系统，其特征在于，所述地热井筒的直径为200毫米～450毫米，深度为2000米～4000米。
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