CN209341611U - 利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统。它解决了现有技术设计不够合理等技术问题。包括地热井，地热井内设有与外部换热器相连的换热套管组件，地热井周向外侧设有若干补热井，补热井的长度大小不超过地热井的长度大小，每一个补热井内具有补热套管组件，补热套管组件一端均通过第一集分水器和水箱一端相连，补热套管组件另一端均通过第二集分水器和水箱另一端相连，水箱的两端分别和太阳能集热组件相连。优点在于：利用太阳能给地层补热和储热，提高了地热井的换热效率。及时补给土壤热损失，是土壤层冷热平衡。提高地热井的换热量，只取热量不取水，不破坏含水层的水资源量，不会出现水位下降的问题。

Description

利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统

技术领域

本实用新型属于供能设备技术领域，具体涉及一种利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统。

背景技术

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。另外，地热能作为一种绿色低碳、用之不竭的可再生能源越来越受到重视。中深层地热能是热应用领域最具价值和潜力的来源，主要是指地下2～3km，温度在70～90℃甚至更高范围的地层中蕴含的热能资源。中深层地热能热源充足，可利用价值高，不会对环境造成污染，还能实现全天候全时段应用，具有绿色低碳、清洁安全、储量大、分布广、稳定性好等特点。

就目前现状来看，对于中深地热层的有效利用温度差较小，单井换热量只有350kW～450kW左右。通过实验测量及数值模拟发现，造成地热井换热量不足的主要原因是循环水在向下流动的过程中，不断受热升温，水温与岩土层的温度趋近一致，由于温差不足无法进一步地热量交换，致使地源井管的热交换面积不能有效利用，导致单井热功率小，经济效益不高。此外，由于中深层地源井深度达到两千米以上，通过增大流量强化对流的方式会使得水阻力大增，泵能耗大增，内外管耐压强度大增，其能效也有限。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，补热效果好的利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，包括地热井，所述的地热井内设有与外部换热器相连的换热套管组件，其特征在于，所述的地热井周向外侧设有若干补热井，所述的补热井的长度大小不超过地热井的长度大小，每一个补热井内具有补热套管组件，所述的补热套管组件一端均通过第一集分水器和水箱一端相连，所述的补热套管组件另一端均通过第二集分水器和水箱另一端相连，且所述的水箱的两端分别和太阳能集热组件相连。

利用中深层地热能封闭式套管换热给民用建筑供暖，在北方供暖期为120天，每天供暖时间为18小时，需要的热负荷会随天气的变化增大，这样土壤源逐渐暴露出负荷不平衡带来的弊端。北方气候寒冷地区，土壤源采暖取热的负荷一般较大，只取热而不补给热的情况也比较常见。这必然导致土壤源的温度逐渐下降，进而导致热泵机组的性能逐渐下降直至不能运行或是效率很低运行费用高。现利用太阳能将热量收集，以水为介质和井之间形成一个循环系统，使得循环介质与土壤接触传热，进而提升土壤的温度。既可以补给因供暖季节所吸取土壤的热量，同时可以储存热量，进而提高冬季采暖季水在地源井内循环流动中周围土壤中携带的热量。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的换热套管组件包括设置在地热井上端周向内侧的表层套管，所述的表层套管下端连接有沿地热井竖直方向向下延伸设置的技术套管，所述的技术套管周向外侧设有第一水泥固井，所述的技术套管下端封闭，在技术套管内穿设有内管，且所述的内管下端和技术套管内部相连通，所述的内管上端与外部换热器的进水端相连，所述的内管周向外侧和技术套管周向外侧和外部换热器的回水端相连。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的表层套管的直径大小大于技术套管的直径大小，且所述的表层套管下端和技术套管上端形成环形台阶。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的内管通过悬挂器设置在技术套管上端且所述的内管和技术套管同轴设置。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的地热井井深为2500-2700米；所述的补热井井深为 1400-1600米。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的地热井周向外侧设有六个补热井，且所述的补热井周向均匀分布设置。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的补热套管组件包括设置在补热井周向内侧的石油套管，所述的石油套管周向外侧设有第二水泥固井，所述的石油套管下端封闭，在石油套管穿设有PE内管，所述的PE内管下端和石油套管内部相连通且所述的PE内管下端和石油套管之间形成环形间隙。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的石油套管上端通过进水管和第一集分水器相连，所述的进水管和环形间隙相连通且在进水管上设有第一球阀，且所述的第一集分水器通过进水泵和水箱的输出部的出水端相连，所述的PE内管上端与通过出水管和第二集分水器相连，在出水管上设有第二球阀，且所述的第二集分水器连接有水箱的输出部的进水端。

在上述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统中，所述的太阳能集热组件包括若干组并联设置的太阳能集热组，每一个太阳能集热组包括若干依次串联的太阳能集热板，所述的太阳能集热组一端均通过启闭阀并联在水箱的输入部的进水端，所述的太阳能集热组另一端均和水箱的输入部的出水端并联接。

与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：

1、利用太阳能给地层补热和储热，提高了地热井的换热效率。

2、及时补给土壤热损失，是土壤层冷热平衡。

3、提高地热井的换热量，只取热量不取水，不破坏含水层的水资源量，不会出现水位下降的问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构剖面图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图中，地热井1、换热套管组件2、表层套管21、技术套管 22、第一水泥固井23、内管24、环形台阶25、补热井3、补热套管组件4、石油套管41、第二水泥固井42、PE内管43、环形间隙44、水箱5、第一集分水器51、第二集分水器52、进水管53、第一球阀54、进水泵55、出水管56、第二球阀57、太阳能集热组件6、太阳能集热板61、启闭阀62。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1-2所示，本利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，包括地热井1，地热井1内设有与外部换热器相连的换热套管组件2，地热井1周向外侧设有若干补热井3，补热井3 的长度大小不超过地热井1的长度大小，每一个补热井3内具有补热套管组件4，补热套管组件4一端均通过第一集分水器51和水箱5一端相连，补热套管组件4另一端均通过第二集分水器52 和水箱5另一端相连，且水箱5的两端分别和太阳能集热组件6 相连。

利用中深层地热能封闭式套管换热给民用建筑供暖，在北方供暖期为120天，每天供暖时间为18小时，需要的热负荷会随天气的变化增大，这样土壤源逐渐暴露出负荷不平衡带来的弊端。北方气候寒冷地区，土壤源采暖取热的负荷一般较大，只取热而不补给热的情况也比较常见。这必然导致土壤源的温度逐渐下降，进而导致热泵机组的性能逐渐下降直至不能运行或是效率很低运行费用高。现利用太阳能将热量收集，以水为介质和井之间形成一个循环系统，使得循环介质与土壤接触传热，进而提升土壤的温度。既可以补给因供暖季节所吸取土壤的热量，同时可以储存热量，进而提高冬季采暖季水在地源井内循环流动中周围土壤中携带的热量。

优选地，这里的换热套管组件2包括设置在地热井1上端周向内侧的表层套管21，表层套管21下端连接有沿地热井1竖直方向向下延伸设置的技术套管22，技术套管22周向外侧设有第一水泥固井23，技术套管22下端封闭，在技术套管22内穿设有内管24，且内管24下端和技术套管22内部相连通，内管24上端与外部换热器的进水端相连，内管24周向外侧和技术套管22 周向外侧和外部换热器的回水端相连，其中，这里的表层套管21 的直径大小大于技术套管22的直径大小，且表层套管21下端和技术套管22上端形成环形台阶25。其中，内管24通过悬挂器设置在技术套管22上端且内管24和技术套管22同轴设置。其中，这里的地热井1井深为2500-2700米。

进一步地，这里的补热井3井深为1400-1600米。其中，这里的地热井1周向外侧设有六个补热井3，且补热井3周向均匀分布设置。优选地，这里的补热套管组件4包括设置在补热井3 周向内侧的石油套管41，石油套管41周向外侧设有第二水泥固井42，石油套管41下端封闭，在石油套管41穿设有PE内管43，PE内管43下端和石油套管41内部相连通且PE内管43下端和石油套管41之间形成环形间隙44。

进一步地，这里的石油套管41上端通过进水管53和第一集分水器51相连，进水管53和环形间隙44相连通且在进水管53 上设有第一球阀54，且第一集分水器51通过进水泵55和水箱5 的输出部的出水端相连，PE内管43上端与通过出水管56和第二集分水器52相连，在出水管56上设有第二球阀57，且第二集分水器52连接有水箱5的输出部的进水端。

其中，太阳能集热组件6包括若干组并联设置的太阳能集热组，每一个太阳能集热组包括若干依次串联的太阳能集热板61，太阳能集热组一端均通过启闭阀62并联在水箱5的输入部的进水端，太阳能集热组另一端均和水箱5的输入部的出水端并联接。

1、这里的地热井1下入表层套管21、技术套管22，技术套管22与岩石壁的空隙之间用第一水泥固井23进行固井，技术套管22中间再下入内管24，即石油套管，井口用悬挂器把内管24 悬空挂起来，技术套管22与内管24之间是相通的并且注满水，内管24进水、技术套管22与内管24的空隙是回水，技术套管 22内的介质水与岩石壁之间换热，到达主机工作给用户提供热量。2、在地热井周边分布6眼补热井3，补热井3钻井至1500 米且与地热井1之间的井底温度相差30-40℃，补热井3下入石油套管41和PE内管43并注入水，石油套管41与岩石壁之间用第二水泥固井42进行固井。3、井口PE内管43与出水管56连接、石油套管41与进水管53相连接，利用第一集分水器51、第二集分水器52和进水泵55，让水流入水箱5储存被太阳能集热板61 加热后的热水，兼具保温作用；缓冲进入太阳能中集热器的冷水，防止低温的自来水直接进入玻璃真空管，温度过大而激裂。4、石油套管41和PE内管43之间的水形成一个循环系统，使进水管53中的热量散入岩石中，起到补给地热井1中的热量损失，同时可以储存热量，增强换热量。此种利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的方法能够高效换热并且达到热量零损失。

本实施例中的利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的方法，包括：

A、通过地热井1的换热套管组件2与岩石壁之间换热将地源热量输送至外部换热器，从而给用户提供热量；

B、通过太阳能集热组件6收集热量对水箱5内的水进行加热，加热后的水通过第一分集水器输送至补热井3内将热量散入岩石中，补给地热井1中的热量损失，然后通过第二分集水器将补热后的水输送回水箱5并通过太阳能集热组件6重新加热。

本方法的工作原理如下：1、2500米的闭式套管，有两层石油套管，内管24为抽水部分，技术套管22为回水部分的全封闭式系统，介质水与岩石壁换热，100％做到只取热量不取水不会破坏和浪费地下水资源。2、在地热井周边布设6个井深1500米的补热井3，井壁用水泥进行固井，水泥导热系数较高能增加补热且有固井作用。在井中下长度为1460米的PE内管43，在井中注入水，管内抽水，管外和水泥之间的部分回水，让水中的温度扩散到土壤中，即可让岩石周围的温度回升又可以提升岩石温度。3、在地面放置太阳能集热板61，总集热管设置6个分支，分别与6 眼补热井3相连接，形成一个循环系统。4、地热井1井深为2600米，出水口温度为85℃，低温梯度3.75℃/100米，地热井1中高效换热的部分在1500-2600米之间，进水温度是30℃，套管换出水口温度为65℃，给定套管内单向流量达到4升/秒。5、地热井1内的石油套管与岩石壁换热时注入水的温度会增加，依次循环，这样吸收岩石的温度也会增加，并且在短时间内不能很快的回复，造成换热量减少。而太阳能年总辐射在5000～6400MJ/(m2 ·a)，尤其是在夏季太阳辐射较大，通过太阳能集热，补给给岩石。补热井3时时在给0-1500米的地层在补热且储热，让内管的出水温度不会损失很大且有增加温度的效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了地热井1、换热套管组件2、表层套管 21、技术套管22、第一水泥固井23、内管24、环形台阶25、补热井3、补热套管组件4、石油套管41、第二水泥固井42、PE内管43、环形间隙44、水箱5、第一集分水器51、第二集分水器 52、进水管53、第一球阀54、进水泵55、出水管56、第二球阀 57、太阳能集热组件6、太阳能集热板61、启闭阀62等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (9)

1.一种利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，包括地热井(1)，所述的地热井(1)内设有与外部换热器相连的换热套管组件(2)，其特征在于，所述的地热井(1)周向外侧设有若干补热井(3)，所述的补热井(3)的长度大小不超过地热井(1)的长度大小，每一个补热井(3)内具有补热套管组件(4)，所述的补热套管组件(4)一端均通过第一集分水器(51)和水箱(5)一端相连，所述的补热套管组件(4)另一端均通过第二集分水器(52)和水箱(5)另一端相连，且所述的水箱(5)的两端分别和太阳能集热组件(6)相连。

2.根据权利要求1所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的换热套管组件(2)包括设置在地热井(1)上端周向内侧的表层套管(21)，所述的表层套管(21)下端连接有沿地热井(1)竖直方向向下延伸设置的技术套管(22)，所述的技术套管(22)周向外侧设有第一水泥固井(23)，所述的技术套管(22)下端封闭，在技术套管(22)内穿设有内管(24)，且所述的内管(24)下端和技术套管(22)内部相连通，所述的内管(24)上端与外部换热器的进水端相连，所述的内管(24)周向外侧和技术套管(22)周向外侧和外部换热器的回水端相连。

3.根据权利要求2所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的表层套管(21)的直径大小大于技术套管(22)的直径大小，且所述的表层套管(21)下端和技术套管(22)上端形成环形台阶(25)。

4.根据权利要求3所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的内管(24)通过悬挂器设置在技术套管(22)上端且所述的内管(24)和技术套管(22)同轴设置。

5.根据权利要求3所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的地热井(1)井深为2500-2700米；所述的补热井(3)井深为1400-1600米。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的地热井(1)周向外侧设有六个补热井(3)，且所述的补热井(3)周向均匀分布设置。

7.根据权利要求6所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的补热套管组件(4)包括设置在补热井(3)周向内侧的石油套管(41)，所述的石油套管(41)周向外侧设有第二水泥固井(42)，所述的石油套管(41)下端封闭，在石油套管(41)穿设有PE内管(43)，所述的PE内管(43)下端和石油套管(41)内部相连通且所述的PE内管(43)下端和石油套管(41)之间形成环形间隙(44)。

8.根据权利要求7所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的石油套管(41)上端通过进水管(53)和第一集分水器(51)相连，所述的进水管(53)和环形间隙(44)相连通且在进水管(53)上设有第一球阀(54)，且所述的第一集分水器(51)通过进水泵(55)和水箱(5)的输出部的出水端相连，所述的PE内管(43)上端与通过出水管(56)和第二集分水器(52)相连，在出水管(56)上设有第二球阀(57)，且所述的第二集分水器(52)连接有水箱(5)的输出部的进水端。

9.根据权利要求1所述利用太阳能补给减少中深层换热土壤热损失的系统，其特征在于，所述的太阳能集热组件(6)包括若干组并联设置的太阳能集热组，每一个太阳能集热组包括若干依次串联的太阳能集热板(61)，所述的太阳能集热组一端均通过启闭阀(62)并联在水箱(5)的输入部的进水端，所述的太阳能集热组另一端均和水箱(5)的输入部的出水端并联接。