CN113203213A - 一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统 - Google Patents

一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于地源热泵技术领域，具体是一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。包括设置在场地两侧的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之间设置有带有斜坡的地下人造含水层，地下人造含水层上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔，钻孔内侧设置有一层水泥注浆层，水泥注浆层内侧设置有外管，外管内设置内管。

Description

一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统
技术领域
本发明属于地源热泵技术领域，具体是一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。
背景技术
目前的地源热泵主要采用浅层地埋管的形式进行供暖及制冷，这种形式存在以下问题：目前地埋管主要选用PVC管，该管导热系数很低，约为0.4 W/(m·K)，而且钻孔回填中易产生大孔隙，进一步降低了钻孔整体导热系数，造成管内循环工质与地层之间综合导热系数低，使得单孔换热量较低，需要大量的钻孔才能满足建筑负荷要求，因此既占用了大量土地面积，又增加了投资，阻碍了地源热泵的推广。
要想解决以上问题，需要增加管内循环工质与地层之间的导热系数。这二者之间主要包括地埋管和回填材料（导热系数约为1.4 W/(m·K)，如果回填工艺不好产生孔隙，导热系数会大大降低）。地层导热系数一般为1.8~4 W/(m·K)，其中黏土地层导热系数较低，火成岩地层导热系数较高。近年来中深层同轴套管供暖比较热门，取得了较好的效果。具体结构及运行见图2，水从内外管之间的环空注入到管底部，再通过内部绝热管抽出。外管采用钢管（导热系数约为45 W/(m·K)），水泥注浆导热系数约为1.6 W/(m·K)，而且该注浆工艺在石油上非常成熟，可避免大孔隙产生。因此，循环工质与地层之间导热系数比传统地埋管大很多，每延米换热量可达100~150 W/m，是传统地埋管的3~4倍。然而，中深层同轴套管系统的缺点是目前只能供暖，而且深井费用太高。
天然地下水的渗流对地埋管换热有增益效果，但是申请人通过研究发现这种增益是有条件的，必须同时使钻孔综合导热系数和地下水流速达到某一值时才有效。若单纯采用同轴套管形式，即使钻孔综合导热系数得到大幅提升，由于天然地下水流速较低（细砂岩约0.01m/d），因此几乎没有增益效果。若单纯提高地下水流速，而采用传统地埋管形式，由于导热系数太低的缘故，因此也几乎没有增益效果。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。
本发明采取以下技术方案：一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，包括设置在场地两侧的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之间设置有带有斜坡的地下人造含水层，地下人造含水层上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔，钻孔内侧设置有一层水泥注浆层，水泥注浆层内侧设置有外管，外管内设置内管。
进一步的，地下水槽I和地下水槽II为墙体状结构；地下水槽I顶面的高程与地下水槽II顶面的高程相同，地下水槽I底面的高程大于地下水槽II底面的高程；地下水槽I面向含水层的一面均匀开有漏孔；地下水槽II分为上下两段，地下水槽II的下段内侧与地下人造含水层连接，并且该段面相含水层的一面均匀开有漏孔，地下水槽II的上段没有漏孔。
进一步的，地下水槽II上段的高度为H1，H1的计算方法如下：（1）通过对整个系统进行数值模拟，得出最优地下水流速v；（2）根据达西定律求解H1=v·L/K，其中L是A1B0之间的水平距离，K是含水层渗透系数。
进一步的，反斜坡表面设置有防渗层。
进一步的，地下人造含水层为充填有坚硬岩石形成的孔隙介质含水层，地下人造含水层的下水流速值>1 m/d。
进一步的，所述的垂直地下水流方向相邻钻孔的间距为L1，平行地下水流方向相邻钻孔的间距为L2，L1和L2的数值根据不同厚度人造含水层，模拟当地下水流速为1m/d时得到的钻孔附近温度场影响范围。
进一步的，地下水槽I和地下水槽II连接太阳能集热器。
进一步的，内管内部通过热泵抽水并输送给用户；内管与外管之间进行注水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）中深层同轴套管约2000m深，只能供暖，由于孔少，改造含水层增益效果不明显而且改造投资大；而浅层同轴套管只有100~200m，既可制冷又可供暖，改造含水层后采用群孔方式，可以充分利用地下水增益效果。
（2）相比传统地埋管，浅层同轴套管循环工质与地层之间的导热系数要高很多，而且注浆材料导热系数还有提升空间。经申请人研究发现，改造10m厚的人工含水层（流速1m/d）就可使换热量提高40%左右。改造60m厚可提高100%，但60m施工费用高，不现实。
附图说明
图1为本发明剖面示意图（以单孔为例）；
图2为钻孔的横切面图；
图3为本发明平面示意图；
图4为单孔附近温度场变化云图；
图中1-地下水槽I，2-地下水槽II，3-地下人造含水层，4-钻孔，5-水泥注浆层，6-外管，7-内管。
具体实施方式
如图1-3所示，一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，包括设置在场地两侧的地下水槽I1和地下水槽II2，地下水槽I1和地下水槽II2之间设置有带有斜坡的地下人造含水层3，地下人造含水层3上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔4，钻孔4内侧设置有一层水泥注浆层5，水泥注浆层5内侧设置有外管6，外管6内设置内管7。
地下水槽I1和地下水槽II2为墙体状结构；地下水槽I1顶面的高程与地下水槽II2顶面的高程相同，地下水槽I1底面的高程大于地下水槽II2底面的高程；地下水槽I1面向含水层的一面均匀开有漏孔；地下水槽II2分为上下两段，地下水槽II2的下段内侧与地下人造含水层3连接，并且该段面相含水层的一面均匀开有漏孔，地下水槽II2的上段没有漏孔。
地下人造含水层3为充填有坚硬岩石形成的孔隙介质含水层，地下人造含水层3的下水流速值>1 m/d。
内管7内部通过热泵抽水并输送给用户；内管7与外管6之间进行注水。
本发明系统的建造过程：
1）根据建筑负荷设计及理论计算，得出大概场地面积，确定长宽及L1和L2（图3）。
2） 开挖地下人造含水层。A1A2断面处含水层顶板为地表，斜向下开挖至B1B2断面，两端面各建造一个覆盖全断面的地下水槽（呈墙体状）。在开挖的底板上（A2B2）开始逐层均匀回填砾石等大孔隙岩石材料，至顶板（A1B1）。人造含水层顶、底板及两侧均浇筑混凝土以形成不渗透边界。然后，A1B1以上开始回填之前开挖的原位土壤，直至形成一个反斜坡（CA1）。在CA1地下1米深处，按照图2铺设从出水水槽（B1B2）回流至进水水槽（A1A2）的水力回路管线（CA1）。
3）根据图3开始施工浅层同轴套管群孔，地表通过分集水管路和总集水管路进行汇聚，再与热泵及用户终端进行管路连接。
系统运行：
（1）从A1A2向地下人造含水层均匀注入地下水，在B1B2处通过水泵抽出，再通过管线CA1回流至A1A2，形成水流回路。可以调整A1A2的进水流量和水温。
（2）运行浅层同轴套管群孔（环空注水，内管抽水），开始按照地区制冷及供暖工况的要求运行。
浅层同轴套管：组成及施工工艺参照现有油气井及中深层同轴套管。各管径大致如图1所示，可根据具体情况再调整。
人造含水层：层厚建议10m，如果研究区有地下废弃煤矿巷道或存在矿山复垦、工业固体废渣堆砌等条件，可以增加层厚。换热量与层厚近似呈正比。出水处含水层顶板深度H1决定了整个含水层静态水力梯度（H1为地下水槽II2上段的高度）。H1结合含水层渗透系数可以确定人造含水层中的地下水流速。因此，需要结合实际工程计算H1。H1的计算方法如下：（1）通过对整个系统进行数值模拟，得出最优地下水流速v；（2）根据达西定律求解H1=v·L/K，其中L是A1B0之间的水平距离，K是含水层渗透系数。
采用模拟软件Tough2，根据某地热工程的钻孔资料，建立了三维地热换热数值模型。该模型包含100m深地热管以及一定厚度的含水层（aquifer）。地下水从模型的OYZ面流入，从另一侧流出。该模型可以调整地下水流速，以模拟不同地下水流速下地热管出水温度以及温度场的影响。L1和L2是发明人在10m人造含水层条件下，模拟当地下水流速为1m/d时得到的钻孔附近温度场影响范围（垂直和平行地下水流两个方向），需要说明的是如果施工人员没有进行任何勘察和计算时，该L1和L2值可以作为参考（该值偏保守）；如果施工人员根据具体场地地层资料进行模拟计算，则以其计算结果为准。L1是垂直地下水流方向相邻钻孔间距。L2是平行地下水流方向相邻钻孔间距。L1和L2均是根据10m人造含水层时通过数值模拟得出。本次给出的L1和L2值可以避免钻孔间的热干扰，L1约为2.3米，L2约为4.5米。
具体模拟过程如下：
（1）假设人造含水层厚10m，根据场地地层资料建立下图数值模型；（2）地层导热系数和比热容等参数通过现场试验得到，注入水流速和温度一般有规范要求（GB50366一2005地源热泵系统工程技术规范）；（3）此时给定一个地下水流速v1，可得到对应的地热管出水温度T1。如果T1满足用户对温度的要求，则根据地下水流速v1计算H1=v·L/k.（4）如果T1不满足用户对温度的要求，则改变地下水流速为v2，继续模拟，直到出水温度满足要求。（5）如果不管怎么改变地下水流速，出水温度仍无法满足要求，可以在模型中改变人造含水层厚度，然后继续上述（3）-（4）的操作。
通过以上步骤可以得到满足要求的人造含水层厚度、地下水流速和H1值。
填充砾石：含水层中填充坚硬的砾石等岩石材料，形成孔隙介质含水层。根据要形成的地下水流速值（>1 m/d），反算填充砾石的渗透率，进而确定砾石粒径大小及填充工艺。
地下水槽：A1A2水槽面向含水层的一面要均匀开漏孔，使得水槽水能均匀的流入含水层整个断面。B0B2是整个水槽，其中B1B2段设计同A1A2，B0B1段不设计漏孔。
人造斜坡：斜坡表面设置防渗层，目的是可以将降雨回流至A1A2水槽，上覆可以进行绿化等设计。
群孔布置：由于地下水渗流将使钻孔附近温度场反生扭曲（见图4），为了保证钻孔间不发生热干扰，需要计算孔间距L1及L2。图4为比较可能的间距值供施工参考。
人造含水层可作为蓄能水库。可在A1A2和B0B2连接太阳能集热器，在冬季可把太阳能贮存到含水层中提高供暖效率，春秋季也可以贮存到含水层为居民提供生活热水。
人造含水层水温和流量灵活性大，可与各种水源对接，可利用各种废水进行循环，比如工业废水，该废水余温较高，灌入人造含水层后可大幅提高供暖效率。

Claims (8)

1.一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：包括设置在场地两侧的地下水槽I（1）和地下水槽II（2），地下水槽I（1）和地下水槽II（2）之间设置有带有斜坡的地下人造含水层（3），地下人造含水层（3）上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔（4），钻孔（4）内侧设置有一层水泥注浆层（5），水泥注浆层（5）内侧设置有外管（6），外管（6）内设置内管（7）。
2.根据权利要求1所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的地下水槽I（1）和地下水槽II（2）为墙体状结构；地下水槽I（1）顶面的高程与地下水槽II（2）顶面的高程相同，地下水槽I（1）底面的高程大于地下水槽II（2）底面的高程；地下水槽I（1）面向含水层的一面均匀开有漏孔；地下水槽II（2）分为上下两段，地下水槽II（2）的下段内侧与地下人造含水层（3）连接，并且该段面相含水层的一面均匀开有漏孔，地下水槽II（2）的上段没有漏孔。
3.根据权利要求2所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的地下水槽II（2）上段的高度为H1，H1的计算方法如下：（1）通过对整个系统进行数值模拟，得出最优地下水流速v；（2）根据达西定律求解H1=v·L/K，其中L是地下水槽I（1）和地下水槽II（2）之间的水平距离，K是含水层渗透系数。
4.根据权利要求3所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于： 所述的反斜坡表面设置有防渗层。
5.根据权利要求4所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的地下人造含水层（3）为充填有坚硬岩石形成的孔隙介质含水层，地下人造含水层（3）的下水流速值>1 m/d。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的垂直地下水流方向相邻钻孔的间距为L1，平行地下水流方向相邻钻孔的间距为L2，L1和L2的数值根据不同厚度人造含水层，模拟当地下水流速为1m/d时得到的钻孔附近温度场影响范围。
7.根据权利要求6所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的地下水槽I（1）和地下水槽II（2）连接太阳能集热器。
8.根据权利要求7所述的人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，其特征在于：所述的内管（7）内部通过热泵抽水并输送给用户；内管（7）与外管（6）之间进行注水。
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