CN207180097U - 一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统 - Google Patents

Abstract

一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，包括中深层地热井单元、板式换热单元、水泵输运单元、热泵机组单元和用户侧单元，中深层地热井单元与板式换热单元连接，板式换热单元与水泵输运单元连接，水泵输运单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元与用户侧单元连接。本实用新型利用板式换热器串连接技术优势实现中深层地热资源梯级利用制取热水进行供冷供热。通过多台板式换热器的串联、并联组合，最大化拉大中深层地热温水利用温差，减少资源使用量，同时避免了采用多台热泵机组串联形式梯级利用中深层地热温水所导致的热泵机组运行的不可靠性和效率不高的问题。本实用新型结构简单，且降低运行管理的复杂性，减少了运行费用。

Description

一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统

技术领域

本实用新型涉及地热能利用技术领域的热泵供热系统，特别是涉及一种以中深层地热井提供热源通过热泵提升进行供热的中深层地热梯级利用的热泵供热系统。

背景技术

随着现代化建设和人民生活水平的提高，以及南方供热需求的增长，集中供热将会有很大的增长空间。与此同时，各省（区、市）面临着压减燃煤消费、大气污染防治、提高可再生能源消费比例等方面的要求，给分布广泛、清洁环保、稳定可靠的地热发展提供了难得的发展机遇。在地热利用的技术开发方面，从最简单的直接利用，发展到地热资源梯级综合利用系统技术，但仍处在粗放式利用阶段，地热资源利用效率并不高。

对于以温水形式存在的30℃~45℃范围内的中深层地热资源，由于温度限制直接用于供热时温度不足以满足室内舒适性，需要用热泵等设备进行提升对建筑物进行供热，经过多级利用后的地热水温降低到10℃左右回灌，提高了地热资源的利用效率。目前采用中深层地热供热时，多采用温水在多台热泵机组之间串联流动的形式实现中深层地热资源的梯级利用，在一定程度上提高了利用效率，同时也导致了多台热泵机组相互耦合影响，热泵机组性能稳定性和可靠性受到较大影响，当串联的热泵机组台数较多时尤其突出。如果在板式换热器侧改变多台连接方式，通过多台水泵和管道阀门控制，实现板式换热器与热泵机组对应运行，既实现了中深层地热的梯级利用，也避免了多台热泵机组串联耦合影响。

中深层地热资源利用结合一种可逐级降低中深层地热水温的板式换热器连接方式可以很好的实现中深层地热资源梯级利用，提高地热资源的利用效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其结构合理，能够实现中深层地热大温差梯级利用。使用该系统可取热不取水，避免热泵机组的相互耦合影响，保证建筑物供热系统高效稳定运行。

为了实现本实用新型目的，本实用新型提供一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，主要由中深层地热井单元、板式换热单元、水泵输运单元、热泵机组单元和用户侧单元组成，中深层地热井单元与板式换热单元连接，板式换热单元与水泵输运单元连接，水泵输运单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元与用户侧单元连接；其特征在于，所述中深层地热井单元与热泵机组单元通过所述的板式换热单元、水泵输运单元以串联、并联多样化连接方式实现中深层地热梯级利用；所述板式换热单元包含初级板式换热器、次级板式换热器；初级板式换热器一次侧通过阀门与次级板式换热器一次侧以串联或并联形式连接，并与中深层地热井单元连接；初级板式换热器二次侧、次级板式换热器二次侧之间通过阀门以并联形式连接；初级板式换热器二次侧和次级板式换热器二次侧分别通过水泵输运单元与热泵机组单元连接；所述水泵输运单元含有多台水泵和阀门，每台水泵包含有连接热泵机组单元的进水口、通往板式换热单元的出水口，可自由组合水泵的启停和调整水路管线。

所述板式换热单元包含多个初级板式换热器，多个初级板式换热器的一次侧之间以并联形式连接，然后通过阀门与次级板式换热器一次侧以串联或并联形式连接，并与中深层地热井单元连接。

所述热泵机组单元包含初级热泵机组、次级热泵机组，初级热泵机组具有连接初级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口，次级热泵机组具有连接次级板式换热器或初级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口。

所述中深层地热井单元含有1口或多口抽取、回灌温水用的地热井和1台或多台抽取温水用的潜水泵，每个地热井深度为700米~1200米，存在一定水位的温水水体，与中深层地下水赋存区连通，水体温度在30℃~45℃，潜水泵具有连接地热井水体的进水口和通往板式换热单元的出水口。

所述板式换热单元的初级板式换热器具有连接中深层地热井单元的一次侧进水口、通往次级板式换热器和中深层地热井单元的一次侧出水口、连接水泵输运单元的二次侧进水口和通往热泵机组单元的二次侧出水口，次级板式换热器具有连接初级板式换热器和中深层地热井单元的一次侧进水口、通往中深层地热井单元的一次侧出水口、连接水泵输运单元的二次侧进水口和通往热泵机组单元的二次侧出水口；初级板式换热器一次侧进水口通过阀门的开启或关闭实现与次级板式换热器的一次侧进水口并联连接，初级板式换热器一次侧出水口通过阀门的开启或关闭实现与次级板式换热器一次侧进水口串联连接，初级板式换热器二次侧出水口通过阀门与次级板式换热器的出水口并联连接，初级板式换热器二次侧进水口通过阀门与次级板式换热器的进水口并联连接。

所述热泵机组单元含有多台初级热泵机组和次级热泵机组，每台热泵机组包含有蒸发器侧、冷凝器侧和阀门，初级热泵机组具有连接初级板式换热器或级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口，次级热泵机组具有连接次级板式换热器或初级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口。初级热泵机组蒸发器侧进水口通过阀门与次级热泵机组蒸发器侧进水口并联连接，初级热泵机组蒸发器侧出水口通过阀门与次级热泵机组蒸发器侧出水口并联连接，初级热泵机组冷凝器侧进水口和次级热泵机组冷凝器侧进水口并联连接，通过阀门与用户侧单元出水口连接，初级热泵机组冷凝器侧出水口和次级热泵机组冷凝器侧出水口并联连接，通过阀门与用户侧单元进水口连接。

所述用户侧单元包括空调热水供水管、空调热水回水管和用户侧水泵，用户侧单元空调热水供水管与热泵机组单元的冷凝器侧连接，用户侧单元空调热水回水管通过用户侧水泵与热泵机组单元的冷凝器侧连接。

由于本实用新型一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统通过板式换热器和水泵连接方式改进实现中深层地热资源梯级综合利用，避免了热泵机组耦合影响，因此本实用新型能实现热泵供热系统稳定高效运行，且降低运营管理的复杂性，减少运行费用。

附图说明

图1为本实用新型一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统实施例的结构和流程示意图。

其中，101―中深层地热抽水井；102―潜水泵；103―中深层地热回灌井；201―第一初级板式换热器；201a―第一初级板式换热器一次侧进水口；201b―第一初级板式换热器一次侧出水口；201c―第一初级板式换热器二次侧出水口；201d―第一初级板式换热器二次侧进水口；202―第二初级板式换热器；202a―第二初级板式换热器一次侧进水口；202b―第二初级板式换热器一次侧出水口；202c―第二初级板式换热器二次侧出水口；202d―第二初级板式换热器二次侧进水口；203―次级板式换热器；203a―次级板式换热器一次侧进水口；203b―次级板式换热器一次侧出水口；203c―次级板式换热器二次侧出水口；203d―次级板式换热器二次侧进水口；204―第一阀门；205―第二阀门；206―第三阀门；207―第四阀门；301―第一水泵；302―第二水泵；303―第三水泵；304―第四水泵；305―第五阀门；306―第六阀门；401―第一初级热泵机组；401a―第一初级热泵机组蒸发器侧进水口；401b―第一初级热泵机组蒸发器侧出水口；401c―第一初级热泵机组冷凝器侧进水口；401d―第一初级热泵机组冷凝器侧出水口；402―第二初级热泵机组；402a―第二初级热泵机组蒸发器侧进水口；402b―第二初级热泵机组蒸发器侧出水口；402c―第二初级热泵机组冷凝器侧进水口；402d―第二初级热泵机组冷凝器侧出水口；403―次级热泵机组；403a―次级热泵机组蒸发器侧进水口；403b―次级热泵机组蒸发器侧出水口；403c―次级热泵机组冷凝器侧进水口；403d―次级热泵机组冷凝器侧出水口；404―第七阀门；405―第八阀门；406―第九阀门；407―第十阀门；408―第十一阀门；409―第十二阀门；501―空调热水回水管；502―空调热水回水管；503―热水泵。

具体实施方式

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，参照图1，其揭示了本实用新型中深层地热梯级利用的热泵供热系统的实施例，在本实施例中，一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统包括中深层地热井单元、板式换热单元、水泵输运单元、热泵机组单元和用户侧单元。

在中深层地热井单元中，主要含有中深层地热抽水井101、潜水泵102、中深层地热回灌井103。潜水泵102的进水口与中深层地热抽水井101的水体相连接，潜水泵102的出水口与第一初级板式换热器201一次侧进水口201a、第二初级板式换热器202一次侧进水口202a相连接，潜水泵102的出水口通过第一阀门204与次级板式换热器203一次侧进水口203a相连接。

在板式换热单元中，主要含有第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202、次级板式换热器203、第一阀门204、第二阀门205、第三阀门206、第四阀门207。第一初级板式换热器201一次侧进水口201a与第二初级板式换热器202一次侧进水口202a相连接，并通过第一阀门204与次级板式换热器203一次侧进水口203a相连接。第一初级板式换热器201一次侧出水口201b与第二初级板式换热器202一次侧出水口202b相连接，并通过第二阀门205与次级板式换热器203一次侧进水口203a相连接，通过第三阀门206与次级板式换热器203一次侧出水口203b、中深层地热回灌井井103相连接。次级板式换热器203二次侧出水口203c通过第四阀门207与第一初级板式换热器201二次侧出水口201c、第二初级板式换热器202二次侧出水口202c相连接，并通过第六阀门404与第一初级热泵机组401蒸发器侧进水口401a相连接，通过第七阀门405与第二初级热泵机组402蒸发器侧进水口402a相连接、通过第八阀门406与次级热泵机组403蒸发器侧进水口403a相连接。第一初级板式换热器201二次侧进水口201d与第二初级板式换热器202二次侧进水口202d相连接，然后通过第四阀门305与次级板式换热器203二次侧进水口203d相连接。

在水泵输运单元中，主要有第一水泵301、第二水泵302、第三水泵303、第四水泵304、第五阀门305、第六阀门306。第一水泵301出水口与第二水泵302出水口、第一初级板式换热器201二次侧进水口201d和第二初级板式换热器202二次侧进水口202d连接，然后通过第五阀门305与第三水泵303出水口、第四水泵304出水口相连接，并与第一初级板式换热器201二次侧进水口201d、第二初级板式换热器202二次侧进水口202d、次级板式换热器203二次侧进水口203d相连接。第一水泵301进水口与第二水泵302进水口连接，然后通过第六阀门306与第三水泵303进水口、第四水泵304进水口相连接。

在热泵机组单元中，主要含有第一初级热泵机组401、第二初级热泵机组402、次级热泵机组403、第七阀门404、第八阀门405、第九阀门406、第十阀门407、第十一阀门408、第十二阀门409。第一初级热泵机组401蒸发器侧进水口401a通过第七阀门404、第八阀门405与第二初级热泵机组402蒸发器侧进水口402a相连接。第一初级热泵机组401蒸发器侧出水口401b与第二初级热泵机组402蒸发器侧出水口402b相连接，并通过第六阀门306与次级热泵机组403蒸发器侧出水口403b相连接。第一初级热泵机组401冷凝器侧进水口401c通过第十阀门407、第十一阀门408与第二初级热泵机组402冷凝器侧进水口402c连接；第一初级热泵机组401冷凝器侧进水口401c通过第十阀门407、第十二阀门409与次级热泵机组403冷凝器侧进水口403c相连接，并通过热水泵503与空调热水回水管501相连接。第一初级热泵机组401冷凝器侧出水口401d与第二初级热泵机组402冷凝器侧出水口402d、次级热泵机组403冷凝器侧出水口403d相连接，并与空调热水供水管502相连接。

在用户侧单元，主要含有空调热水回水管501、空调热水供水管502、热水泵503。空调热水回水管501通过热水泵503后分别通过第十阀门407、第十一阀门408、第十二阀门409与第一初级热泵机组401冷凝器侧进水口401c、第二初级热泵机组402冷凝器侧进水口402c、次级热泵机组403冷凝器侧进水口403c相连接。空调热水供水管502与第一初级热泵机组401冷凝器侧出水口401d、第二初级热泵机组402冷凝器侧出水口402d、次级热泵机组403冷凝器侧出水口403d相连接。

当基于中深层地热的热泵供热系统处于满负荷供热时，第一阀门204、第三阀门206、第四阀门207、第五阀门305、第六阀门306关闭，第二阀门205、第七阀门404、第八阀门405、第九阀门406、第十阀门407、第十一阀门408、第十二阀门409开启。中深层地热抽水井101由潜水泵102抽取提升通过一次侧进水口201a、一次侧进水口202a同时进入并联连接形式的第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202中加热来自于第一初级热泵机组401、第二初级热泵机组402蒸发器侧的低温冷却水，降温后由一次侧出水口201b、一次侧出水口202b经过一次侧进水口203a进入串联连接形式的次级板式换热器203中继续加热，再次降温后经过一次侧出水口203b返回至中深层地热回灌井103，实现中深层地热资源梯级利用，提取热泵机组所需的热量。

在第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202中加热升温后的冷却水由二次侧出水口201c、202c流出，通过第一水泵301、第二水泵302输运至第一初级热泵机组401蒸发器侧进水口401a、第二初级热泵机组402蒸发器侧进水口402a进入第一初级热泵机组401、第二初级热泵机组402蒸发器中，冷却水在蒸发器中冷媒蒸发吸热而降温，再经由第一初级热泵机组401蒸发器侧出水口401b、第二初级热泵机组402蒸发器侧出水口402b流出，通过第一水泵301、第二水泵302输运返回至第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202，完成较高温度的冷却水循环，实现热泵机组高效运行。在次级板式换热器203中加热升温后的冷却水由二次侧出水口203c流出，通过第三水泵303、第四水泵304输运至次级热泵机组403蒸发器侧进水口403a进入次级热泵机组403蒸发器中，冷却水在蒸发器中冷媒蒸发吸热而降温，再经由次级热泵机组403蒸发器侧出水口403b流出，通过第三水泵303、第四水泵304输运返回至次级板式换热器203，由于次级板式换热器203二次侧水量增加，提高蒸发器侧平均水温，同样完成冷却水循环，实现热泵机组高效运行。

第一初级热泵机组401、第二初级热泵机组402、次级热泵机组403蒸发器中冷媒蒸发吸收热量经过压缩机温度显著上升，在冷凝器侧加热经由第一初级热泵机组401冷凝器侧进水口401c、第二初级热泵机组402冷凝器侧进水口402c、次级热泵机组403冷凝器侧进水口403c进入的来自于用户侧空调热水回水管501中热水，该热水温度上升至55℃~60℃从第一初级热泵机组401冷凝器侧出水口401d、第二初级热泵机组402冷凝器侧出水口402d、次级热泵机组403冷凝器侧出水口403d流出，经热水泵503输运后进入到用户侧空调热水供水管502中，满足建筑物供热需求。

当基于中深层地热的热泵供热系统处于部分负荷供热时，根据供热负荷需求确定1~2台热泵机组运行。以选取第一初级热泵机组401和次级热泵机组403供热为例，第一阀门204、第三阀门206、第四阀门207、第五阀门305、第六阀门306、第七阀门404、第九阀门406、第十阀门407、第十二阀门409开启，第二阀门205、第八阀门405、第十一阀门408关闭。中深层地热抽水井101中的温水经由潜水泵102抽取提升通过一次侧进水口201a、一次侧进水口202a、一次侧进水口203a同时进入并联连接形式的第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202、次级板式换热器203中加热来自于第一初级热泵机组401、次级热泵机组403蒸发器侧的低温冷却水，降温后由一次侧出水口201b、一次侧出水口202b、一次侧出水口203b并联连接返回至中深层地热回灌井103，实现中深层地热资源梯级利用，提取热泵机组所需的热量。

在第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202、次级板式换热器203中加热升温后的冷却水由二次侧出水口201c、202c、203c流出，通过第一水泵301、第二水泵302、第三水泵303、第四水泵304输运至第一初级热泵机组401蒸发器侧进水口401a、次级热泵机组403蒸发器侧进水口403a进入第一初级热泵机组401、次级热泵机组402蒸发器中，冷却水在蒸发器中冷媒蒸发吸热而降温，再经由第一初级热泵机组401蒸发器侧出水口401b、次级热泵机组403蒸发器侧出水口403b流出，通过第一水泵301、第二水泵302、第三水泵303、第四水泵304输运返回至第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202、次级板式换热器203，由于第一初级板式换热器201、第二初级板式换热器202、次级板式换热器203二次侧水量增加，提高蒸发器侧平均水温，同样完成冷却水循环，实现热泵机组高效运行。

第一初级热泵机组401、次级热泵机组403蒸发器中冷媒蒸发吸收热量经过压缩机温度显著上升，在冷凝器侧加热经由第一初级热泵机组401冷凝器侧进水口401c、次级热泵机组403冷凝器侧进水口403c进入的来自于用户侧空调热水回水管501中热水，该热水温度上升至55℃~60℃从第一初级热泵机组401冷凝器侧出水口401d、次级热泵机组403冷凝器侧出水口403d流出，经热水泵503输运后进入到用户侧空调热水供水管502中，满足建筑物供热需求。

本实施例一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统通过板式换热器串联、并联组合实现中深层地热梯级利用，借助热泵机组提升实现建筑物供热需求，避免了采用多台热泵机组串联形式梯级利用中深层地热温水所导致的热泵机组耦合，影响了热泵机组运行的可靠性和效率。因此本系统能够解决中深层地热资源温度限定的情况下高效率利用中深层地热温水进行建筑物供热，且降低运行管理的复杂性，减少了运行费用。

以上仅为本实用新型优先选用的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效功效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，包括中深层地热井单元、板式换热单元、水泵输运单元、热泵机组单元和用户侧单元，中深层地热井单元与板式换热单元连接，板式换热单元与水泵输运单元连接，水泵输运单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元与用户侧单元连接；其特征在于，所述板式换热单元包含初级板式换热器、次级板式换热器；初级板式换热器一次侧通过阀门与次级板式换热器一次侧以串联或并联形式连接，并与中深层地热井单元连接；初级板式换热器二次侧和次级板式换热器二次侧之间通过阀门以并联形式连接；初级板式换热器二次侧和次级板式换热器二次侧分别通过水泵输运单元与热泵机组单元连接；所述水泵输运单元含有多台水泵和阀门，每台水泵包含有连接热泵机组单元的进水口、通往板式换热单元的出水口。

2.如权利要求1所述的一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其特征在于，所述板式换热单元包含多个初级板式换热器，多个初级板式换热器的一次侧之间以并联形式连接，然后通过阀门与次级板式换热器一次侧以串联或并联形式连接，并与中深层地热井单元连接。

3.如权利要求1或2所述的一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其特征在于，所述中深层地热井单元含有1口或多口抽取、回灌温水用的地热井和1台或多台抽取温水用的潜水泵；每个地热井深度为700米~1200米，存在一定水位的温水水体，与中深层地下水赋存区连通，水体温度在30℃~45℃，潜水泵具有连接地热井水体的进水口和通往板式换热单元的出水口。

4.如权利要求1或2所述的一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其特征在于，所述板式换热单元的初级板式换热器具有连接中深层地热井单元的一次侧进水口、通往次级板式换热器和中深层地热井单元的一次侧出水口、连接水泵输运单元的二次侧进水口和通往热泵机组单元的二次侧出水口，次级板式换热器具有连接初级板式换热器和中深层地热井单元的一次侧进水口、通往中深层地热井单元的一次侧出水口、连接水泵输运单元的二次侧进水口和通往热泵机组单元的二次侧出水口；初级板式换热器一次侧进水口通过阀门的开启或关闭实现与次级板式换热器一次侧进水口并联连接，初级板式换热器一次侧出水口通过阀门的开启或关闭实现与次级板式换热器一次侧进水口串联连接；初级板式换热器二次侧出水口通过阀门与次级板式换热器的出水口并联连接，初级板式换热器二次侧进水口通过阀门与次级板式换热器的进水口并联连接。

5.如权利要求1或2所述的一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其特征在于，所述热泵机组单元含有多台初级热泵机组和次级热泵机组，每台热泵机组包含有蒸发器侧、冷凝器侧和阀门，初级热泵机组具有连接初级板式换热器或次级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口，次级热泵机组具有连接次级板式换热器或初级板式换热器的进水口和通往水泵输运单元的出水口；初级热泵机组蒸发器侧进水口通过阀门与次级热泵机组蒸发器侧进水口并联连接，初级热泵机组蒸发器侧出水口通过阀门与次级热泵机组蒸发器侧出水口并联连接；初级热泵机组冷凝器侧进水口和次级热泵机组冷凝器侧进水口并联连接，并通过阀门与用户侧单元的出水口连接；初级热泵机组冷凝器侧出水口和次级热泵机组冷凝器侧出水口并联连接，并通过阀门与用户侧单元进水口连接。

6.如权利要求5所述的一种中深层地热梯级利用的热泵供热系统，其特征在于，所述用户侧单元包括空调热水供水管、空调热水回水管和用户侧水泵，用户侧单元空调热水供水管与热泵机组单元的冷凝器侧连接，用户侧单元空调热水回水管通过用户侧水泵与热泵机组单元的冷凝器侧连接。