CN117212863A - 致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其包括：地热单井人造热储层和太阳能及供暖系统，地热单井人造热储层包括致密岩石、人造热储、热储进口井和热储出口井，致密岩石内设置有人造热储，热储进口井和热储出口井插入致密岩石并与人造热储热交换；太阳能及供暖系统包括太阳能集热器、储热水罐、热泵机组和供暖建筑，其中，在第一时间段内，太阳能集热器、储热水罐、热储进口井和热储出口井形成回路，以储存热量；在第二时间段内，太阳能集热器、储热水罐和供暖建筑形成回路，以提供用户热量，以及，供暖建筑、热泵机组、热储进口井和热储出口井形成回路，以加热循环水。本发明解决了太阳能供暖存在波动性和间歇性的问题。

Description

致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统

技术领域

本发明涉及可再生能源和节能环保领域，具体涉及一种致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统。

背景技术

现有的清洁能源采暖技术，主要有两种方式：一种是采用太阳能单独供暖，这种方式存在波动性和间歇性的问题；另一种是采用太阳能和储热共同供暖，这种供暖方式的储热系统存在跨季节储热费用较高的问题。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其通过在致密灰岩地层设置人造热储层，非采暖季将太阳能储存在人造热储，采暖季取出供暖，实现了太阳能的跨季节储存。

为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：

一种人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，设置在致密灰岩地层，其包括：

地热单井人造热储层，其包括致密岩石、人造热储、热储进口井和热储出口井，所述致密岩石内设置有人造热储，所述热储进口井和所述热储出口井插入所述致密岩石并与所述人造热储热交换，且所述热储进口井和所述热储出口井的循环水方向相反；

太阳能及供暖系统，其包括太阳能集热器、储热水罐、热泵机组和供暖建筑，其中，

在第一时间段内，所述太阳能集热器、所述储热水罐、所述热储进口井和所述热储出口井形成回路，以储存热量；在第二时间段内，所述太阳能集热器、所述储热水罐和所述供暖建筑形成回路，以提供用户热量，以及，所述供暖建筑、所述热泵机组、所述热储进口井和所述热储出口井形成回路，以加热循环水。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述地热单井人造热储层包括井管、保温管和封隔器，其中，所述保温管同轴放置在所述井管内，所述保温管内的通道形成所述热储出口井，所述井管与所述保温管之间的环空区域形成所述热储进口井，所述井管与所述保温管之间的环空区域还设有若干组所述封隔器。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述热泵机组的冷凝端与所述供暖建筑连通，所述热泵机组的蒸发端进口通过第二阀门连接所述热储出口井，所述热泵机组的蒸发端出口依次通过循环泵和第一阀门与所述热储进口井相连。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述太阳能集热器的进口端设有两支路，带有第三阀门的支路连接至所述热储出口井，带有第四阀门的支路连接至所述供暖建筑；所述太阳能集热器的出口端依次连接所述储热水罐、热水泵，所述热水泵的出口端设有两支路，带有第六阀门的支路连接至所述供暖建筑，带有第五阀门的支路连接至所述第一阀门的下游。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述人造热储距离地面的深度需要保持在设定的范围内。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述第一时间段为非采暖季储热时，所述第二时间段为采暖季取热时。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述非采暖季储热与所述采暖季取热交替，以利用变负荷调节能力解决太阳能的波动特性。

如上所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，进一步地，所述人造热储位于所述井管的下部。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明通过在致密灰岩地层设置人造热储层，非采暖季将太阳能储存在人造热储，采暖季取出供暖，实现了太阳能的跨季节储存，解决了太阳能供暖存在波动性和间歇性的问题，确保了本系统热量的稳定输出。

2、本发明的地热单井人造热储层设置在致密灰岩地层，由于较浅的致密灰岩，容易压裂，因此，人造热储费用低，且由于灰岩导热系数高，灰岩人造热储存取热效率高，可以实现热量存得进取得出，因此，本系统具有热回收效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明实施例的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的地热单井人造热储层的结构示意图。

其中：1、致密岩石；2、人造热储；3、热储进口井；4、热储出口井；5、井管；6、保温管；7、封隔器；8、太阳能集热器；9、储热水罐；10、热泵机组；11、供暖建筑；12、热水泵；13、循环泵；14、第一阀门；15、第二阀门；16、第三阀门；17、第四阀门；18、第五阀门；19、第六阀门。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图2，本发明提供了一种致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其通过在致密灰岩地层设置人造热储层，非采暖季将太阳能储存在人造热储2，采暖季取出供暖，实现了太阳能的跨季节储存，解决了太阳能供暖存在波动性和间歇性的问题，确保了本系统热量的稳定输出。

参见图1，图1展示了一种致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其包括：地热单井人造热储层和太阳能及供暖系统，地热单井人造热储层包括致密岩石1、人造热储2、热储进口井3和热储出口井4，致密岩石1内设置有人造热储2，热储进口井3和热储出口井4插入致密岩石1并与人造热储2热交换，且热储进口井3和热储出口井4的循环水方向相反；太阳能及供暖系统包括太阳能集热器8、储热水罐9、热泵机组10和供暖建筑11，其中，在第一时间段内，太阳能集热器8、储热水罐9、热储进口井3和热储出口井4 形成回路，以储存热量；在第二时间段内，太阳能集热器8、储热水罐9和供暖建筑11形成回路，以提供用户热量，与此同时，供暖建筑11、热泵机组10、热储进口井3和热储出口井 4形成回路，以加热循环水。

本实施例中，地热单井人造热储层设置在地下，太阳能及供暖系统设置在地表，在第一时间段内，通过将太阳能集热器8、储热水罐9、热储进口井3和热储出口井4形成回路，储存太阳能的热量。在第二时间段内，利用地热单井人造热储层和太阳能联合供暖，解决了太阳能供暖存在波动性和间歇性的问题，确保了本系统热量的稳定输出。本系统采用地热单井人造热储层存取热，具有占地面积小，工程费用低，以及负荷调节容易的优势。此外，人造热储2设置在致密灰岩地层，由于灰岩导热系数高，存取热量大，因而能有效提高人造热储 2的热回收效率高；同时，人造热储2设置在致密灰岩地层也能够防止有大断裂造成储层内水漏失的情况。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，地热单井人造热储层包括井管5、保温管6 和封隔器7，其中，保温管6同轴放置在井管5内，保温管6内的通道形成热储出口井4，井管5与保温管6之间的环空区域形成热储进口井3，井管5与保温管6之间的环空区域还设有若干组封隔器7。

参见图2，图2展示了地热单井人造热储层的结构，本实施例中，通过在井管5与保温管6之间设置若干封隔器7，能够防止流体短路，确保本系统保持良好的换热效果。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，热泵机组10的冷凝端与供暖建筑11连通，热泵机组10的蒸发端进口通过第二阀门15连接热储出口井4，热泵机组10的蒸发端出口依次通过循环泵13和第一阀门14与热储进口井3相连。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，太阳能集热器8的进口端设有两支路，带有第三阀门16的支路连接至热储出口井4，带有第四阀门17的支路连接至供暖建筑11；太阳能集热器8的出口端依次连接储热水罐9、热水泵12，热水泵12的出口端设有两支路，带有第六阀门19的支路连接至供暖建筑11，带有第五阀门18的支路连接至第一阀门14的下游。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，人造热储2距离地面的深度需要保持在设定的范围内。本实施例中，由于较浅的致密灰岩，容易压裂，因此人造储层应设置在致密灰岩地层，且距离地面的深度尽可能的浅，以降低造储的工程费用。同时，人造热储2对地温梯度以及有无地下水没有要求，因此，本系统的施工地点容易选择，具有较广的应用范围。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，第一时间段为非采暖季储热时，第二时间段为采暖季取热时。

上述实施例中，进一步地，非采暖季储热与采暖季取热交替，以利用变负荷调节能力解决太阳能的波动特性。示例性的，在非采暖季时，本系统利用地热单井人造热储层进行储热，在采暖季时，本系统利用太阳能和地热单井人造热储层联合供暖，通过地热单井人造热储层的变负荷调节能力，解决太阳能供暖的波动特性。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，人造热储2位于井管5的下部。

为更好地理解本发明，下面对本致密灰岩地热单井人造热储耦合太阳能存取热供暖系统的工作过程进行描述。

以灰岩埋深500-2000m的区域为例，地温梯度30℃/km，500m以浅为致密的泥砂互层。人造热储2距离地面的深度从1000m到1500m，压裂半径30m。200m以浅的井段采用保温水泥固井，200m以深的井段采用高导水泥固井。太阳能集热器8采用真空管集热器，集热温度在30-100℃之间可调。井管5的尺寸为177.8×6.91mm，保温管6的尺寸为110×10mm。

本系统在非采暖季储热的工作过程如下：

开启第三阀门16和第五阀门18，关闭其他阀门。当太阳能集热器8水温达到90℃要求时，热水进入储热水罐9。热水泵12抽取储热水罐9的热水，热水流经第五阀门18后，进入井管5与保温管6之间的环空区域，再进入人造热储2进行储热。从人造热储2返回的循环水经保温管6回到地面，然后再经第三阀门16流到太阳能集热器8的进口进行再次加热。

本系统在采暖季取热供暖的工作过程如下：

关闭第三阀门16和第五阀门18，开启其他阀门。此时，太阳能集热器8和人造热储2并联为建筑供暖。以地板辐射采暖为例，供回水温度为40/30℃。

太阳能及供暖系统的工作过程如下：供暖建筑11的30℃的回水经第四阀门17后进入太阳能集热器8的进口，经太阳能集热器8加热后，变为40℃的热水进入储热水罐9。热水泵12抽取储热水罐9内40℃的热水，热水流经第六阀门19后为供暖建筑11供暖。

地热单井人造热储层的的工作过程如下：供暖建筑11的30℃的回水，经热泵机组10的冷凝器加热后变为40℃热水，再送往供暖建筑11进行供暖。热泵机组10的蒸发器出口8℃的循环水，经循环泵13和第一阀门14后进入井管5与保温管6之间的环空区域，然后再经过人造热储2进行加热，加热后的循环水经保温管6返回地表，变为18℃，然后再经第二阀门15进入热泵机组10的蒸发器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (8)

1.一种人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，设置在致密灰岩地层，其特征在于，包括：

地热单井人造热储层，其包括致密岩石、人造热储、热储进口井和热储出口井，所述致密岩石内设置有人造热储，所述热储进口井和所述热储出口井插入所述致密岩石并与所述人造热储热交换，且所述热储进口井和所述热储出口井的循环水方向相反；

太阳能及供暖系统，其包括太阳能集热器、储热水罐、热泵机组和供暖建筑，其中，

在第一时间段内，所述太阳能集热器、所述储热水罐、所述热储进口井和所述热储出口井形成回路，以储存热量；在第二时间段内，所述太阳能集热器、所述储热水罐和所述供暖建筑形成回路，以提供用户热量，以及，所述供暖建筑、所述热泵机组、所述热储进口井和所述热储出口井形成回路，以加热循环水。

2.根据权利要求1所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述地热单井人造热储层包括井管、保温管和封隔器，其中，所述保温管同轴放置在所述井管内，所述保温管内的通道形成所述热储出口井，所述井管与所述保温管之间的环空区域形成所述热储进口井，所述井管与所述保温管之间的环空区域还设有若干组所述封隔器。

3.根据权利要求1所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述热泵机组的冷凝端与所述供暖建筑连通，所述热泵机组的蒸发端进口通过第二阀门连接所述热储出口井，所述热泵机组的蒸发端出口依次通过循环泵和第一阀门与所述热储进口井相连。

4.根据权利要求1所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器的进口端设有两支路，带有第三阀门的支路连接至所述热储出口井，带有第四阀门的支路连接至所述供暖建筑；所述太阳能集热器的出口端依次连接所述储热水罐、热水泵，所述热水泵的出口端设有两支路，带有第六阀门的支路连接至所述供暖建筑，带有第五阀门的支路连接至所述第一阀门的下游。

5.根据权利要求1所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述人造热储距离地面的深度需要保持在设定的范围内。

6.根据权利要求1所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述第一时间段为非采暖季储热时，所述第二时间段为采暖季取热时。

7.根据权利要求6所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述非采暖季储热与所述采暖季取热交替，以利用变负荷调节能力解决太阳能的波动特性。

8.根据权利要求2所述的人造热储耦合太阳能存取热供暖系统，其特征在于，所述人造热储位于所述井管的下部。