CN117109059A - 一种深层地热供热系统和控制该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深层地热供热系统，包括：‑适合埋在地下进行地下取热的多个同轴套管换热器，其中，每个所述同轴套管换热器包括一个控制阀；‑至少一个热交换装置；‑循环泵；‑连接管，用于流体地联接多个同轴套管换热器、至少一个热交换装置和循环泵，以形成闭合回路，其中工作流体适于在闭合回路中循环流动；和‑控制器；其中，控制器被配置为控制每个控制阀的打开和关闭，以便并非所有控制阀都同时打开或关闭。本发明提高了系统的运行效率。

Description

一种深层地热供热系统和控制该系统的方法
技术领域
本发明涉及地热换热技术领域，尤其是涉及深层地热供热领域。
背景技术
随着对可再生能源的需求增加，除了风能、太阳能等可再生能源，地 热能也受到了越来越多的关注。地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能 量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在。根据地热能的埋深，通常将 其分为浅层(0至200m)、中深层(200至3000m)和超深层(大于3000m)； 相应的采热技术分别为地源热泵技术、回灌式水热开采技术和以人工造储 为特征的干热岩开采技术。
自2012年首次应用于多个住宅项目以来，使用同轴套管换热器(CBHE) 进行区域供热的闭环式深层地热供热系统(CLDGHS)在中国迅速发展。 闭环式深层地热供热系统采用例如长度在2000米到3200米之间的同轴套 管换热器，它们被埋在地壳内，根据地温梯度、钻孔深度和运行条件，可 连续生产20至40度的热水。闭环式深层地热供热系统常配备热泵，利用 同轴套管换热器的地热能作为热源，生产40℃以上的热水。
因此，同轴套管换热器输出口水温度越高，越能提高供热系统的整体 系统效率。表示热泵系统整体效率的最常见指标称为季节能效比(SCOP)。 在区域供热中，该深层地热供热技术的SCOP一般为4到8，远高于空气 源和浅层地热热泵系统。到目前为止，闭环式深层地热供热系统已经覆盖 了众多区域，其中一些与集中式生活热水(DHW)生产系统相结合。
闭环式深层地热供热系统中，深层同轴套管换热器是重要的组成部分。 同轴套管换热器巧妙地利用了地球的地热梯度，其中，地热梯度是指地球 内部温度随深度增加而变化的速度。在世界大多数地区，平均地热梯度约 为20至40℃/1000米。也就是说，当地热梯度为30℃/1000米时，土壤温 度在2000米深处可以达到70℃。
同轴套管换热器的工作原理与传统的U型热交换器非常相似。入口的 冷水被泵入同轴套管换热器的外管并向下流动。由于地热梯度，水的温度 逐渐升高，因为周围土壤的热量通过(钢制)外管的壁传递。水的最高温 度点位于在同轴套管换热器(CBHE)的底部，此处，经过地热加热后的热 水流入内管，并向上流到同轴套管换热器的顶部。沿着内管上升，内管中 水的温度逐渐下降，因为外管的进水比内管热水的温度低。然而，由于内 管壁通常具有高隔热性的材料，例如塑料，同轴套管换热器出口处的输出 水温仍然高于进口处的输入水温。通常情况下，进水和出水之间的温差约 为10至20℃。
同轴套管换热器的加热能力从120W/m到300W/m不等，取决于整个 供热系统的设计和运行参数。
与其他热泵系统相比，同轴套管换热器技术具有很高的系统效率和较 低的运营成本。埋入地下的同轴套管换热器通常有超过50年的寿命。其还 具有极高的土地利用效率，因为单根同轴套管换热器的热输出比浅层地热 U型热交换器大得多。此外，世界各地都有深层地热资源，因此，与其他 可再生加热技术相比，同轴套管换热器的应用对资源地点的敏感性较低。 因此，这些技术优势使得同轴套管换热器技术在世界范围内成为非常有前景的清洁供热解决方案。
目前使用同轴套管换热器的供热系统包括并行设置的生活热水供热系 统和空间供热系统,如图1所示。
在图1中，一个典型的生活热水供热系统包括：
-多个同轴套管换热器101、102；
-高温热泵21；
-生活热水存储装置3，例如水箱；
-热泵和生活热水储装置之间的热交换器4；
-循环泵51；以及
-多根连接管6。
连接管6把多个同轴套管换热器101、102、循环泵51和高温热泵21 流体地联接成一个闭合回路，在该回路中工作流体，例如水，在其中循环 流动。工作流体经过循环泵的泵送进入多个同轴套管换热器101、102的外 管并向地下流动并吸收地热，然后在到达同轴套管换热器101、102的底部 后通过内管往上流动并从出口流出。
从出口流出的被地热加热后的工作流体进入高温热泵，热量通过热泵 的进行放热，出于卫生的考虑，热泵所释放的热量需要通过生活热水换热 回路后再进入生活热水存储装置3并对其中的水进行加热。
生活热水换热回路包括换热器71和循环泵72，其中循环泵72泵送生 活热水换热回路中的工作流体使其在回路中循环，以便把换热器71从热泵 21中交换获得的热量传递给生活热水存储装置3中的生活用水，从而使得 生活用水的温度升高，例如把15℃的自来水(从注水管道33进入)加热 到55至60℃。
加热后的生活用水通过出口管道31从生活热水存储装置3流出进入供 热管网，以及循环后的热水会通过入口管道32回流至生活热水存储装置3。
空间供热系统具有类似的方案，但没有热水存储装置和生活热水换热 回路，具体来说，在图1中，一个典型的空间供热系统包括：
-多个同轴套管换热器103、104、105、106；
-高温热泵22、23；
-循环泵52；以及
-多根连接管6。
类似地，连接管6把多个同轴套管换热器103、104、105、106、循 环泵52和高温热泵22、23流体地联接成一个闭合回路。在空间供热系统 中，高温热泵22、23直接对空间供热管8中的工作流体进行热交换，后者 通过循环泵81在空间供热管8中进行循环供热。
另外，生活热水供热系统和空间供热系统也可以不使用热泵，而使用 锅炉来制热。
在这些现有的系统中，通过以下逻辑进行供热：
1.同轴套管换热器作为深层地热泵的热源，在热泵蒸发器内的蒸发过 程中提供热量。
2.热泵几乎连续运行，以保持生活热水存储在一个给定的高温，通常 在55至60℃之间。
在运行中，当热水储水箱下降到55℃时，热泵开启，在60℃时停止。
以上描述的现有设计和操作都很简单，但系统效率却不理想。主要原 因是，高目标温度促使热泵在低运行效率(COP)下运行。特别是，集中 式生活热水系统的再循环系统导致同轴套管换热器的持续加热负荷，由于 热回收时间有限，这将同轴套管换热器的加热能力限制在一个较低水平。 此外，由于热泵的压缩比大，系统效率保持在一个相对较低的水平。例如， 当同轴套管换热器的出口温度从35℃下降到30℃时，热泵效率(COP) 从采暖季开始时的7下降到采暖季中期的5。
此外，在现有的系统的操作过程中，同轴套管换热器的热衰减情况严 重，导致传统的操作策略使系统效率处于较低水平。
为了解决这些问题，现有技术提出在设计阶段通过增加井眼深度或井 眼数量来提高SCOP。更高的井眼/需求比率将增加同轴套管换热器入口和 出口温度之间的温度差异。因此，由于更高的蒸发温度，热泵将有一个更 好的COP。然而，深层地热系统的经济性能对钻孔的建设工作有很大影响。 一个额外的钻孔将增加10％至20％的平均热能成本。
此外，现有技术还主要集中在同轴套管换热器尺寸和恒定运行条件的 调整上。例如，现有技术讨论了热泵对深层地热钻孔的调整。然而，关于 系统优化来提升整体运行效率的研究却很少。
发明内容
值得注意的是，本发明的目的在于克服背景技术中存在的缺陷和问题。
为了这个目的，根据本发明的一个方面，本发明提出一种深层地热供 热系统，其包括：
-适合埋在地下进行地下取热的多个同轴套管换热器，其中，每个所 述同轴套管换热器包括一个控制阀，该控制阀能控制所对应的同轴套管换 热器的运行，当控制阀关闭时，其所对应的同轴套管换热器停止运行，当 控制阀打开时候，其所对应的同轴套管换热器开始运行；
-至少一个热交换装置；
-循环泵；
-连接管，用于流体地联接所述多个同轴套管换热器、所述至少一个 热交换装置和所述循环泵，以形成一个闭合回路，其中工作流体适于在所 述闭合回路中循环流动；和
-控制器；
其中，所述控制器被配置为控制每个所述控制阀的打开和关闭，以便 并非所有控制阀都同时打开或关闭。
通过上述配置，本发明能有效地改善多个同轴套管换热器由于持续运 行导致同轴套管换热器出口输出温度低的问题，以及由于热量恢复不足， 导致系统效率低下的问题。
本发明通过增加独立控制阀以及选择性控制开启和关闭，能让输出温 度低的同轴套管换热器暂时停止运行，以便有时间进行热回收。由于热回 收效应发生在运行停止之后。同轴套管换热器周围的土壤通过吸收远处的 热量开始恢复，土壤温度回升，直到热量完全恢复。完全恢复的时间取决 于运行期间的热衰竭程度。通常情况下，几个小时的恢复期可以明显提高 同轴套管换热器在有限时间内的热输出。在同轴套管换热器完全恢复后，同轴套管换热器的重新启动可以产生最大的输出温度。
进一步地，根据本发明的深层地热供热系统的一个实施例，控制器被 配置为控制每个所述控制阀依次开启和关闭，即逐个轮流开启或关闭控制 阀，使得在同一时间至少有一个控制阀开启或关闭，且避免所有控制阀的 同时开启或关闭。这样就能使得多个同轴套管换热器能部分地运作，以保 证能同轴套管换热器既能进行热回收又能保证输出温度以便维持系统较高 的效率。
可选地，多个同轴套管换热器被分为多个组，每组包括至少两个同轴 套管换热器，并且所述控制器被配置为依次控制各组中的控制阀的开启和 关闭。
可选地，控制器被配置为当某同轴套管换热器的输出温度高于预设温 度点时或者达到一段时间后，打开其相应的控制阀，以及当所述同轴套管 换热器的输出温度低于预设温度点时关闭其相应的控制阀。该预设温度点 根据系统实际情况设置，例如为50℃至55℃。
可选地，在根据本发明的深层地热供热系统的至少一个热交换装置为 第一换热装置和第二换热装置，且在闭合回路中还包括自动阀，其适于控 制工作流体流入所述第一热交换装置和/或所述第二热交换装置，从而可以 使得第一和第二热交换装置单独工作或同时工作。
进一步地，第一换热装置适合与生活热水设备(例如锅炉)耦合，第 二换热装置适合与空间供热系统耦合，其中第一或换热装置可以例如为热 泵。
可选地，述系统在所述闭合回路中进一步包括辅助加热器，以便在系 统温度过低无法达到需求温度(例如生活热水水温要求)的时候可以加热 工作流体，从而达到要求温度。
可选地，根据本法明的深层地热供热系统的实施例还包括与多个同轴 套管换热器相联的旁路子系统，其中该旁路子系统包括：
-旁路循环泵；
-多个旁路阀，每个所述旁路阀各自与各所述同轴套管换热器流体联 接，即每个旁路阀对应一个同轴套管换热器流体。
所述旁路子系统被配置为控制每个所述同轴套管换热器的独立循环。 在独立循环时，控制阀关闭，所述工作流体不流入所述闭合回路循环，仅 在与同轴套管换热器形成的旁路回路中独立循环，从而可以在部分同轴套 管换热器参与闭合回路循环的时候，为参与闭合回路循环的同轴套管换热 器中的工作流体通过独立循环进行预热，以便更好地衔接上由于输出温度 降低而即将关闭的参与闭合回路循环的同轴套管换热器。
根据本发明的第二个方面，本发明涉及控制根据上述深层地热供热系 统的方法，该方法包括：
-通过循环泵泵送工作流体，以便工作流体适于在闭合回路中循环；
-当部分控制阀所对应的同轴套管换热器的输出温度高于预设温度点 时或一段时间后，打开所述部分控制阀，同时关闭其余的控制阀，其中所 述部分控制阀包括至少一个控制阀；
-当所述部分控制阀所对应的同轴套管换热器的输出温度低于预设温 度点时，关闭所述部分控制阀，同时当其他同轴套管换热器的输出温度高 于所述预设温度点时，打开所述其他同轴套管换热器的另一部分控制阀， 其中该另一部分控制阀也包括至少一个控制阀。
根据本发明的方法，仅部分控制阀会被同时开启或关闭，换言之，并 非所有同轴套管换热器同时持续地进行取热供热工作，从而避免持续运行 导致同轴套管换热器的出口输出温度低过低以及没有热回收时间来补充热 量。
根据本发明的第三个方面，本发明涉及一种设备，包括被配置为执行 存储在计算机可读介质上的指令的处理器，以执行上述方法。
本发明可以大幅度提升深层地热供热系统的效率，尤其是对于混合了 生活热水和空间供热的深层地热供热系统，在非暖气供应时间段(即不需 要空间供热时)，能大幅度提升生活热水供热的效率。于此同时，本发明 仅需对现有系统进行很小的调整，通过非常有限的额外投资提高能源效率。
本发明其他方面的特点和优点将在下面具体实施方式中讨论，本领域 技术人员基于以下实施例能够清楚地知道本发明的内容，以及所获得的技 术效果。
附图说明
应理解的是，在本发明中，除明显矛盾或不兼容的情况外，全部特征、 变形方式和/或具体实施例可以根据多种组合相结合。
通过阅读以下作为非限制性说明的具体实施例，并结合附图，本发明 的其它特征和优点将显而易见，图中：
-图1是现有同轴套管换热器的供热系统的示意图。
-图2根据本发明的深层地热供热系统的一个实施例的示意图。
-图3是图2所示深层地热供热系统实施例的一个变化例。
-图4是单个同轴套管换热器经过热回收后的温度变化曲线。
-图5示出了不同供热周期内同轴套管换热器输出温度的变化。
-图6示出了控制根据发明的同轴套管换热器中控制阀的流程图。
-图7是根据本发明的与同轴套管换热器相联的旁路子系统的一个实 施例的示意图。
-图8示出了增加了旁路子系统后不同供热周期内同轴套管换热器输 出温度的变化。
具体实施方式
以下是根据本发明的示例性实施例。下文中的相关定义近用于描述示 例性实施例，而不是为了限制本发明的范围。由于这里描述的实施例是示 例性的，它们也能被扩展至涉及本发明功能、目的和/或结构的修改。
图2示出了根据本法明的深层地热供热系统的一个实施例。该系统包 括生活热水供热子系统和空间供暖子系统，其中：
生活热水供热子系统包括：
-同轴套管换热器101、102，每个同轴套管换热器各自在例如其下游 位置包括控制阀V1、V2，其中同轴套管换热器101、102之间互相并行联 接；
-高温热泵21；
-生活热水存储装置3，例如水箱；
-热泵21和生活热水储装置3之间的生活热水换热回路；
-循环泵51；以及
-多根连接管6。
连接管6把多个同轴套管换热器101、102、循环泵51和高温热泵21 流体地联接成一个闭合回路，在该闭合回路中例如水的工作流体在其中循 环流动。工作流体经过循环泵51的泵送进入多个同轴套管换热器101、102 的外管并向地下流动并吸收地热，然后在到达同轴套管换热器101、102 的底部后通过内管往上流动并从出口流出。
从出口流出的被地热加热后的工作流体进入高温热泵21，热量通过热 泵21的进行放热。出于卫生的考虑，热泵所释放的热量需要通过生活热水 换热回路后再进入生活热水存储装置3并对其中的水进行加热。
生活热水换热回路包括换热器71和循环泵72，其中循环泵72泵送生 活热水换热回路中的工作流体使其在回路中循环，以便把换热器71从热泵 21中交换获得的热量传递给生活热水存储装置3中的生活用水，从而使得 生活用水的温度升高，例如把15℃的自来水加热到55至60℃。
加热后的生活用水通过出口管道31从生活热水存储装置3流出进入供 热管网，以及循环后的热水会通过入口管道32回流至生活热水存储装置3。
空间供暖子系统包括：
-同轴套管换热器103、104、105、106，每个同轴套管换热器各自在 例如其下游位置包括控制阀V3、V4、V5、V6，其中同轴套管换热器103、 104、105、106之间互相并行联接；
-高温热泵22、23；
-循环泵52；以及
-多根连接管6。
在空间供暖子系统中，连接管6把同轴套管换热器103、104、105、 106、循环泵52和高温热泵21流体地联接成一个闭合回路。工作流体通 过循环泵52的泵送在闭合回路中循环。在该空间供热系统中，高温热泵 22、23直接对空间供热管8中的工作流体进行热交换，后者通过循环泵81 在空间供热管8中进行循环供热。
可选地，根据本发明的实施例，如图2所示，该深层地热供热系统还 包括：
-自动阀VA1、VA2,它们被布置并联接在生活热水供热子系统和空间 供暖子系统之间，以便控制工作流体在它们被布置并联接在生活热水供热 子系统和空间供暖子系统内独自循环或整体循环，即工作流体分别在生活 热水供热子系统和空间供暖子系统内独立循环，或者在生活热水供热子系 统和空间供暖子系统之间整体循环。在独立循环的情况下，工作流体分别 从各子系统的同轴套管换热器处获得加热并在各自的热交换装置(热泵21 或热泵22、23)处进行放热。在整体循环的情况下，工作流体能从所有同 轴套管换热器处获得加热并在生活热水供热子系统的热交换装置和/或空间 供暖子系统的热交换装置处放热。在整体循环的情况下(自动阀被打开)， 尤其可以把空间供暖子系统的同轴套管换热器用于热水供热子系统的供热， 特别是在非供暖季节。同样，在供暖季节，自动阀可被关闭从而使得生活 热水供热子系统和空间供暖子系统恢复各自的供热。
此外，如图2所示的实施例，该深层地热供热系统还包括控制器11， 其能控制循环泵、控制阀和自动阀的开启和关闭，其具体控制方式将在后 文中阐述。
作为一种变换形式，图3示出了类似于图2中的系统，但是取消了热 泵，而采用普通热交换装置71、74。同时，在图3所示的生活热水供热子 系统中，闭合回路还额外包括辅助加热器61，例如辅助锅炉。如果水流供 应不符合目标温度，该辅助加热器开启加热。当然，该辅助加热器是可选 的，因为它主要取决于同轴套管换热器的热容量。当同轴套管换热器不能 自行产生目标温度的生活热水(如60℃)时，辅助加热器就需要开启进行 额外加热。类似地，在空间供热管8形成的供暖系统中也能增加辅助加热 器62，以及该辅助加热器也是可选的。
本发明巧妙地利用了同轴套管换热器的热回收效应。同轴套管换热器 的热回收效应使同轴套管换热器的出口温度回升，有助于提高同轴套管换 热器的能源效率。热回收效应是同轴套管换热器的一个共同特点，它来自 地下土壤的地热梯度。在运行过程中，同轴套管换热器沿外管吸收周围土 壤的热量，产生热水通过内管上升到地面。根据传热规律，在运行过程中， 热量不断从远处转移到同轴套管换热器中。因此，土壤温度下降，导致温 度梯度，其中同轴套管换热器管壁的外表面是温度最低的点。由于放热率 通常高于加热率，同轴套管换热器的输出温度和热功率在加热期间逐渐下 降。
与传统操作方式不同，通常认为所有同轴套管换热器必须持续运行以 便不断地转移热量，本发明却利用发生在同轴套管换热器运行停止后的热 回收效应。热回收效应周围的土壤通过吸收远处的热量开始恢复，土壤温 度回升，直到热量完全恢复。完全恢复的时间取决于运行期间的热衰竭程 度。通常情况下，几个小时的恢复期可以明显提高热回收效应在有限时间 内的热输出。在热回收效应完全恢复后，热回收效应的重新启动可以产生最大的输出温度。
例如，对于一个典型的深度为2500米的同轴套管换热器，在热回收的 间歇方案下运行(2小时运行，10小时停止，2小时运行，10小时停止......)。 每次重新启动19分钟后，同轴套管换热器的出口温度可以达到40℃以上， 而传统的连续运行方式仅能持续产生低于40℃的热水。
图4示出了的单个同轴套管换热器(2500米)在经过热回收后的示例 性温度曲线，其中出口输出温度从低温(10至30℃)开始。然后温度迅速 上升，在运行约13分钟后超过了传统方案的平均出口温度(约35℃)。 运行35分钟后，温度达到峰值(48℃)。峰值过后，温度下降并逐渐接近 传统连续运行方案的曲线。大约在40℃以上产生热水的时间是170分钟(2.85小时)；45℃以上是24分钟(0.4小时)。
以下结合图2中所示的系统，对控制器11的控制方式进行例举性描述。
例如在非供暖季节，自动阀VA1、VA2被打开，这样生活热水供热子 系统和空间供暖子系统形成一个完整的闭合回路，其中由于不需要供暖， 用于空间供热的热泵22、23停止工作，同轴套管换热器101至106产生 热都被用于加热生活热水。此时，控制器11被配置成控制各同轴套管换热 器的控制阀逐个打开与关闭，以便并非所有控制阀门同时开启或同时关闭。 如此，在同一时间，总有同轴套管换热器在预设工况条件下参与工作，即 给系统供热，以及总有同轴套管换热器因不满足预设工况条件停止工作进 行热回收以等待再次满足预设工况条件。
具体来说，控制器11控制打开第一个同轴套管换热器(例如同轴套管 换热器101)的控制阀V1，使得该同轴套管换热器在有限的时间内运行， 以确保最输出温度。当输出温度开始下降时，控制器11控制关闭该第一同 轴同轴套管换热器101的控制阀，使其停止工作。并在第一个同轴套管换 热器101停止时切换到另一个同轴套管换热器102。类似地，当第二个同 轴套管换热器102停止时，第三个同轴套管换热器103将开始运行。以此 类推，控制器11控制其余同轴套管换热器的控制阀104、105、106依次 打开，之后再次进行循环。因此，这种控制模式的目的是使得每个轴套管 换热器都能在最佳工作温度运行，并有最长的热回收时间。
更具体地，当同轴套管换热器101开始运行时，其控制器11控制打开 控制阀V1，而关闭其他所有轴套管换热器的控制阀。同时，生活热水供热 子系统的循环泵51也被打开。经过一段时间，例如60分钟后，输出温度 降低达到设定值，然后，同轴套管换热器101的控制阀V1被控制器11关 闭。同时，控制器11控制打开同轴套管换热器102的控制阀V2,让同轴套 管换热器102同样运行60分钟。然后，当同轴套管换热器102的输出温 度开始下降到设定点以下时，同轴套管换热器102的控制阀V2被控制器 11关闭，从而停止工作。同样，在这个时候，同轴套管换热器103的控制 阀V3被开启。此时，生活热水供热子系统的循环泵51循环泵关闭。由于 同轴套管换热器103属于空间供暖子系统，负责同轴套管换热器103至106的循环泵52开始同步运行。
以这种方式，同轴套管换热器103至106也将逐一运行以保持输出温 度维持在预设值之上。当同轴套管换热器106完成运行时，控制器11将再 次循环开启同轴套管换热器101的控制阀V1，以便开始另一个循环。
在热回收效应的作用下，同轴套管换热器的输出温度可以持续保持在 预设值之上。如图5所示，各参与工作的同轴套管换热器(3200米)的输 出温度在不同供热周期内的温度变化。在每个时长为a供热周期，控制器 11总打开一个轴套管换热器的控制阀。例如，在第1供热周期,同轴套管 换热器101的控制阀V1经控制器11开启并进行工作，其输出温度在短时 间内上升至60℃，然后逐步下降至预设温度值55℃。当达到预设温度值时， 即经过第一供热周期1，控制器11控制关闭控制阀V1，从而停止同轴套 管换热器101工作，并打开同轴套管换热器102的控制阀V2，使同轴套管 换热器102开始工作。于是，在第二供热周期2，同样地，输出温度在短 时间内上升至60℃，然后逐步下降至预设温度值55℃。以相同的方式，控 制器11在后续供热周期内逐个控制其他控制阀，以便形成类似的如图5所 示的出口温度变化曲线。
图6进一步示出了上述控制逻辑的流程图，其中控制阀V1被首先打开， 与此同时关闭其他控制阀V2至V6，控制器11接收到同轴套管换热器101 的输出温度TCBHE1_OUT,并将其与预设温度值Tsetpoint进行比较。需要指出的 是，由于同轴套管换热器101的刚开始工作时候其输出温度需要一段时间 (例如十几分钟)才能达到工作温度，以及温度传感装置会有送号传送延 迟情况，通常需要在一定时间后才进行比较并判断。当TCBHE1_OUT>Tsetpoint时，控制器11保持控制阀V1的开打状态，当TCBHE1_OUT<Tsetpoint时，控 制器11关闭控制阀V1，并开启控制阀V2。然后，类似地，控制器11接 收到同轴套管换热器102的输出温度TCBHE2_OUT,并将其与预设温度值 Tsetpoint进行比较。当TCBHE2_OUT>Tsetpoint时，控制器11保持控制阀V2的 开打状态，当TCBHE2_OUT<Tsetpoint时，控制器11关闭控制阀V2。类似地， 控制器11逐一打开控制阀V3、V4、V5、V6，并在各控制阀打开的时候， 接收相应同轴套管换热器103、104、105、106的输出温度TCBHE3_OUT、 TCBHE4_OUT、TCBHE5_OUT、TCBHE6_OUT,并将其与预设温度值Tsetpoint进行比较， 当大于预设温度值Tsetpoint时，保持当前运行的同轴套管换热器的控制阀打 开，当小于预设温度值Tsetpoint时，关闭当前打开的控制阀并开启下一个控 制阀。当所有控制阀都被打开过之后，控制器11再次控制控制阀V1的开 启，从而进行新的循环。
作为一种变换形式，根据本发明的实施例还可以将类似于图2或图3 所示的系统中的同轴套管换热器101至106进行分组，例如每组包含两个 轴套管换热器。类似于上述对单个同轴套管换热器的控制阀的控制，控制 器11可以对各组同轴套管换热器的控制阀进行同时控制。例如，控制器11可以先开启同轴套管换热器101、102的控制阀V1、V2，然后关闭V1、 V2并开启同轴套管换热器103、104的控制阀V3、V4，以此类推。
在上述所示实施例中，刚开启的同轴套管换热器需要经过一小段(例 如十几分钟)时间才能使得出口的输出温度达到正常工作值(大于预设值)， 例如图4所示。这是因为在开启前，同轴套管换热器由于其控制阀门未被 打开导致其中的工作流体停止循环没有进行有效的热量转移。
为了使工作的同轴套管换热器开启其控制阀是就输出大于预设值的温 度，本发明还提出了在根据发明的深层地热供热系统中增加一个与同轴套 管换热器相联的旁路子系统。
图7示出了该旁路子系统的一个实施例，其中旁路子系统包括：
-旁路循环泵13；
-多个旁路阀B1至B6，每个旁路阀各自与各所述同轴套管换热器通 过连接管流体联接；
该旁路子系统被配置为控制每个所述同轴套管换热器的独立循环，其 中在独立循环时，所述工作流体不流入深层地热供热系统的闭合回路循环。
该旁路子系统允许同轴套管换热器在其控制阀被关闭时仅在旁路子内 独立循环，此时该同轴套管换热器不对深层地热供热系统供热。该旁路子 系统可以进一步提高同轴套管换热器的供热效率。
具体来说，该旁路子系统用于最大限度地提高新的根据本发明的系统 运行过程中的能源效率。在同轴套管换热器(例如同轴套管换热器101) 进入供热周期a时候，其控制阀V1被延迟开启，此时先打开其对应的旁路 阀B1，在旁路循环泵13的作用下，该同轴套管换热器101在旁路子系统 内进行独立循环，以便将其出口处的低于预设温度的工作流体循环回该同 轴套管换热器101。当同轴套管换热器101的出口温度超过设定值时，旁 路阀B1被关闭，以便停止该独立循环。同时，控制阀V1开启，为深层地 热供热系统供热。
在根据本发明的深层地热供热系统中，当运行中的同轴套管换热器(例 如同轴套管换热器101)仍处于工作状态时，其后续同轴套管换热器102 将通过旁路子系统提前开始运行，即提前开始在该旁路分支中独立循环， 以便提高其输出温度至预设值以上。然后，当运行的同轴套管换热器101 由于出口输出温度低于预设温度而停止时，后续的同轴套管换热器102从 旁路切循环换到深层地热供热系统的闭合回路循环。每个同轴套管换热器 提前启动时间(引导期)主要取决于出口温度超过设定值的时间。
作为一个示例，图8示出了当图2或图3中的深层地热供热系统中加 入上述旁路子系统后，各参与工作的轴套管换热器(3200米)的输出温度 在不同供热周期内的温度变化。在第一个供热周期1即将结束时，即同轴 套管换热器101的控制阀V1被关闭前，控制器11提前打开轴套管换热器 102所对应的旁路阀B2，由此同轴套管换热器102在进入其供热周期2前 预先进行独立循环使其输出温度高于预设温度(例如55℃)，并在其出口 输出温度高于预设温度以及同轴套管换热器101的输出温度低于预设温度 时候，或者同轴套管换热器102的出口输出温度高于同轴套管换热器101 的输出温度，关闭控制阀V1和旁路阀B2，并开启控制阀V2，以便同轴套 管换热器102参与运行对深层地热供热系统进行供热。以相同的方式，控 制器11在后续时间段内逐个控制其他控制阀和旁路阀，以便如图8所示， 使进入深层地热供热系统循环的输出温度一致保持在预设温度之上。
相对于传统的深层地热供热系统，根据本发明的系统和控制方法，提 高了同轴套管换热器的输出温度，并由此提升了整个系统的运行效率。
本领域技术人员掌握多种实施例及多种变形及改进。尤其是，需明确 的是，除明显矛盾或不兼容的情况外，本发明所记载的特征、变形方式和/ 或具体实施例可以相互结合。所有这些实施例及变形及改进都属于本发明 的保护范围。

Claims (11)

1.一种深层地热供热系统，包括：
-适合埋在地下进行地下取热的多个同轴套管换热器(101、102、103、104、105、106)，其中，每个所述同轴套管换热器包括一个控制阀(V1、V2、V3、V4、V5、V6)；
-至少一个热交换装置(21、22、23、71、74)；
-循环泵(51、52)；
-连接管(6)，用于流体地联接所述多个同轴套管换热器(101、102、103、104、105、106)、所述至少一个热交换装置(21、22、23、71、74)和所述循环泵(51、52)，以形成一个闭合回路，其中工作流体适于在所述闭合回路中循环流动；和
-控制器(11)；
其中，所述控制器(11)被配置为控制每个所述控制阀(V1、V2、V3、V4、V5、V6)的打开和关闭，以便并非所有控制阀(V1、V2、V3、V4、V5、V6)都同时打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述控制器被配置为控制每个所述控制阀依次开启和关闭。
3.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述多个同轴套管换热器适于被分为多个组，每组包括至少两个同轴套管换热器，并且所述控制器被配置为依次控制各组中的控制阀的开启和关闭。
4.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述控制器被配置为当所述同轴套管换热器的输出温度高于预设温度点打开其相应的控制阀，以及当所述同轴套管换热器的输出温度低于预设温度点时关闭其相应的控制阀。
5.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述系统在所述闭合回路中进一步包括以下部件；
-第一热交换装置；
-第二热交换装置；
-自动阀，其适于控制所述工作流体流入所述第一换热装置和/或所述第二换热装置。
6.根据权利要求5所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述第一热交换装置适合与生活热水设备耦合，所述第二热交换装置适合与空间加热系统耦合。
7.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述系统在所述闭合回路中进一步包括以下部件：
-辅助加热器。
8.根据权利要求1所述的深层地热采暖系统，其特征在于，所述热交换装置是热泵。
9.根据权利要求1所述的深层地热供热系统，其特征在于，所述系统还包括与所述多个同轴套管换热器相联的旁路子系统，其中所述旁路子系统包括：
-旁路循环泵；
-多个旁路阀，每个所述旁路阀各自与各所述同轴套管换热器流体联接；
所述旁路子系统被配置为控制每个所述同轴套管换热器的独立循环，其中在所述独立循环时，所述工作流体不流入所述闭合回路循环。
10.控制根据权利要求1所述的深层地热供热系统的方法，包括：
-通过循环泵泵送工作流体，以便工作流体适于在闭合回路中循环；
-当部分控制阀所对应的同轴套管换热器的输出温度高于预设温度点，打开所述部分控制阀，同时关闭其余的控制阀，其中所述部分控制阀包括至少一个控制阀；
-当所述部分控制阀所对应的同轴套管换热器的输出温度低于预设温度点时，关闭所述部分控制阀，同时当其他同轴套管换热器的输出温度高于所述预设温度点时，打开所述其他同轴套管换热器的另一部分控制阀。
11.一种设备，包括被配置为执行存储在计算机可读介质上的指令的处理器，以执行根据权利要求10所述的方法。
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