CN107763712B - 单井地热联合太阳能供暖*** - Google Patents

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Abstract

单井地热联合太阳能供暖***，包括单井换热***、太阳能集热***、热泵***、采暖用户、第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门，优点是，通过地热的储热能力和变负荷应变能力提高太阳能供暖时的稳定性，同时能在非采暖季将太阳能存储在地下，有效补充冬季采暖时地下的热亏损；非采暖季，通过多孔体系内水的自然对流，将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热能力。采暖季，通过多孔体系内水的自然对流，将远处岩石的热量快速传导到金属井内，提高了单井采热量。

Description

单井地热联合太阳能供暖***
技术领域
本发明涉及供暖***技术领域，具体为一种单井地热联合太阳能供暖***。
背景技术
我国北方地区雾霾严重，特别是冬天采暖季，采暖燃煤进一步加重了雾霾，现阶段对清洁能源采暖技术需求迫切。地热和太阳能作为清洁可再生能源，在北方采暖中越来越受到重视。
北方很多地区，冬季有采暖需求，夏季无制冷需求。采用太阳能供暖，冬季可以发挥作用，但非采暖季由于没有需求，或者需求少，太阳能集热器面临闷晒爆管的普遍现象。而且，由于太阳能波动大，冬季采暖时需要配置辅助热源或者大型储热***，工程造价较高。
北方地区采用地源热泵采暖也较普遍，由于夏季没有制冷需求，地下岩土没有热补充，长期向浅层岩土取热，岩土温度降低，取热越来越难，导致供暖不达标。
目前市场上新出现了一种单井地热采暖***，井深一般大于1000米，采用同轴套管结构，通过金属外壁向岩石取热，通过内保温管将热量输出。由于***封闭循环，不采地下热水，没有腐蚀结垢，没有回灌等问题，备受市场欢迎。但是该单井地热采暖***在使用过程中遇到了单井采热功率小，功率衰减快，投资回收期长等难题，限制了单井地热采暖***的规模化推广。单井地热采暖***基本不受地域限制，占地小，如果能解决单井换热能力小的问题，该种供暖方式可为我国北方冬季雾霾的解决做出巨大的贡献。
发明内容
本发明的目的旨在将太阳能和较深层的单井地热联合，冬季太阳能和地热能联合供暖，解决太阳能单独供暖时的不稳定性；非采暖季将太阳能储存在地下，既补充了冬季采暖时地下热能的亏损，又解决了太阳闷晒造成的爆管问题。同时，为解决单井地热由于岩石导热系数小造成的单井功率小的难题，保证热量存得进取得出，本发明采用人造多孔体系，在岩石中形成自然对流，提高单井存取功率。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
单井地热联合太阳能供暖***，包括单井换热***、太阳能集热***、热泵***、采暖用户、第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门；所述的单井换热***、太阳能集热***并接后通过热泵***接入采暖用户；所述的单井换热***包括金属井、保温管、多孔体系；所述的金属井深入岩石层，在金属井内部设有保温管，所述的保温管与金属井内壁之间形成第一通道，保温管内部形成第二通道，所述的第一通道与第二通道在金属井底部连通；所述的多孔体系设置在金属井底部的***，所述的多孔体系上部为岩石层，多孔体系中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系的不规则孔隙中充满水。所述的太阳能集热***为真空管集热器，第一水箱连接三路，一路为太阳能集热***的A端，二路经第一阀门和第一循环泵与热泵***的输入端连接，三路通过第五阀门、第五循环泵串联后与第六阀门并联所形成的管路再与单井换热***的第二通道连接；第二水箱连接三路，一路连接热泵***的输出端，二路通过第四循环泵和第四阀门与单井换热***的第一通道连接，三路通过第三循环泵和第二阀门与太阳能集热***的B端连接；热泵***通过第二循环泵与采暖用户连接；太阳能集热***的B端同时通过第三阀门与单井换热***的第一通道连接。
作为上述方案的改进，所述的多孔体系径向厚度为20-100m。
作为上述方案的改进，所述的多孔体系中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。
作为上述方案的改进，所述的保温管为双层真空管。
通过井壁和保温管之间的环空注入15℃的水，注入水通过金属管壁与岩石和多孔体系进行换热。环空内注入水的温度低(注入水温度15℃，多孔体系内水的初始温度在70-100℃之间)，造成靠近井壁的多孔体系内的水降温，而远离井壁的多孔体系内的水温度高。多孔体系内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向下运动，远井流体向上运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过水的自然对流，将远处岩石的热量有效的传递到井壁，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井换热能力。通过调节注入水流速，可从保温管采出30℃左右的地热水，采出地热水通过热泵提升温度后去供暖，经热泵提取过热量的地热水变为15℃，再次注入井内换热。如果不采用多孔体系，仅用岩石的导热来取热的话，岩石的导热系数在2-3.5W/m/K之间，3000m单井的取热量在300kW左右，而且随着时间的衰减快，没有补热的话，几个采暖季后，单井取热量远小于300kW。如果采用单井自然对流强化换热，由于多孔体系内水的自然对流可以将远处岩石的热量快速导入井内，单井的采热量远大于仅靠岩石导热的采热量，而且衰减慢。
本发明具有以下有益效果：提高太阳能单独供暖时的稳定性，同时能在非地热采暖季将太阳能存储在地下，有效补充冬季采暖时地下的热亏损；通过多孔体系内水的自然对流，非采暖季将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，采暖季将远处岩石的热量快速传递到井内，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热取热能力。
附图说明
图1为本发明的供暖***的结构示意图。
图2为本发明的冬季供暖模式的单井换热***示意图。
图3为本发明的非采暖季储热模式的单井换热***示意图。
附图标记说明：单井换热***1、太阳能集热***2、热泵***3、采暖用户4、第一水箱5、第二水箱6、第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10、第五循环泵11、第一阀门12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15、第五阀门16、第六阀门17、金属井18、保温管19、多孔体系20、岩石层21、第一通道22、第二通道23。
具体实施方式
如图1所示，单井地热联合太阳能供暖***，包括单井换热***1、太阳能集热***2、热泵***3、采暖用户4、第一水箱5、第二水箱6、第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10、第五循环泵11、第一阀门12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15、第五阀门16、第六阀门17；所述的单井换热***1、太阳能集热***2并接后通过热泵***3接入采暖用户4；所述的单井换热***1包括金属井18、保温管19、多孔体系20；所述的金属井18深入岩石层21，在金属井18内部设有保温管19，所述的保温管19与金属井18内壁之间形成第一通道22，保温管19内部形成第二通道23，所述的第一通道22与第二通道23在金属井18底部连通；所述的多孔体系20设置在金属井18底部的***，所述的多孔体系20上部为岩石层21，多孔体系20中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系20的不规则孔隙中充满水。所述的太阳能集热***2为真空管集热器，第一水箱5连接三路，一路为太阳能集热***2的A端，二路经第一阀门12和第一循环泵7与热泵***3的输入端连接，三路通过第五阀门16、第五循环泵11串联后与第六阀门17并联所形成的管路再与单井换热***1的第二通道23连接；第二水箱6连接三路，一路连接热泵***3的输出端，二路通过第四循环泵10和第四阀门15与单井换热***1的第一通道22连接，三路通过第三循环泵9和第二阀门13与太阳能集热***2的B端连接；热泵***3通过第二循环泵8与采暖用户4连接；太阳能集热***2的B端同时通过第三阀门14与单井换热***1的第一通道22连接。所述的多孔体系20径向厚度为20-100m。所述的多孔体系20中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。所述的保温管19为双层真空管。
冬季供暖模式：如图1、图2所示，在冬季采暖模式，地热和太阳能联合向热泵***3提供热水，热水经热泵提升后向建筑物供暖。进入太阳能集热***2的水温为15℃，经太阳能集热***2加热后，水温升高到30℃。同样，注入单井换热***1的水温也为15℃，经地下换热后，出单井换热***1的水温为30℃。30℃的热水供给热泵***3，经热泵蒸发器后变为15℃的水重新进入太阳能集热***2或单井换热***1。热泵***3冷凝器的出水为45℃，用于建筑采暖。其具体操作为：关闭第三阀门14和第五阀门16，关闭第五循环泵11。其他阀门与循环泵开启，开启热泵***3。冬季采暖时，单井换热***1属于采热模式。对于单井换热***1，通过金属井18壁和保温管19形成的环空向地热井注入水，注入水通过金属井18壁与岩石和多孔体系20换热。上部岩石通过导热将热量传递给注入水，下部多孔体系20通过自然对流将热量传递给注入水，具体见图1。由于环空内注入水的温度低，造成靠近井壁的多孔体系20内的水降温，而远离井壁的多孔体系20内的水温度高。多孔体系20内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向下运动，远井流体向上运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过水的自然对流，将远处岩石的热量有效的传递到井壁，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井采热能力。由于地热单井经过了多孔体系20的强化，换热能力大幅增强，应对变负荷的能力也增强。通过太阳能和地热能负荷的合理匹配和设计，可通过地热能解决太阳能的波动性，实现稳定供暖。
非采暖季储热模式：如图1、图3所示，在非采暖季，太阳能通过热水将热量储存在地热井内，补充由于冬季采暖造成的地下热亏空。太阳能集热***2的出水温度为90℃，回水温度为70℃。将90℃的热水经单井换热***1的保温管19注入井内，通过多孔体系20和岩石的换热，出地热井的水温变为70℃，再回到太阳能集热***2进行加热。由于***全封闭运行，水不会遭到污染，因此可以循环使用。只要太阳辐照良好，该***均可在非采暖季运行，将太阳能源源不断的存储在地下。同时，由于***的运行，解决了闷晒造成的真空管爆管问题。其具体操作为：关闭第一阀门12、第二阀门13、第四阀门15、第六阀门17，关闭第一循环泵7、第二循环泵8、第三循环泵9、第四循环泵10，开启其他阀门和循环泵。在非采暖季，地热井属于储热模式。对于地热单井强化换热***，通过保温管19注入经太阳能集热器加热的水，注入的热水通过金属井18壁与岩石层21和多孔体系20换热。下部的多孔体系20通过自然对流将高温注入水的热量传递到远离井壁处，上部岩石通过导热将高温注入水的热量传递给远离井壁的岩石。由于前一个采暖季的取热，造成多孔体系20以及岩石的温度降低，而注入水的温度高于多孔体系20及岩石的温度，造成靠近井壁的多孔体系20内的水升温，其温度高于远离井壁的多孔体系20内的水温。多孔体系20内，近井和远井的温差造成了水的自然对流，近井流体向上运动，远井流体向下运动。水的自然对流换热系数远大于岩石的导热系数，通过多孔体系20内水的自然对流，将注入水的热量有效的传递到远离井壁处，强化了井外岩石的换热，大幅提高了地热单井储热能力。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.单井地热联合太阳能供暖***，其特征在于，包括单井换热***、太阳能集热***、热泵***、采暖用户；所述的单井换热***、太阳能集热***并接后通过热泵***接入采暖用户；所述的单井换热***包括金属井、保温管、多孔体系；所述的金属井深入岩石层，在金属井内部设有保温管，所述的保温管与金属井内壁之间形成第一通道，保温管内部形成第二通道，所述的第一通道与第二通道在金属井底部连通；所述的多孔体系设置在金属井底部的***，所述的多孔体系上部为岩石层，多孔体系中设有相互连通的不规则孔隙，在多孔体系的不规则孔隙中充满水；还包括第一水箱、第二水箱、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第五循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门；所述的太阳能集热***为真空管集热器，第一水箱连接三路，一路为太阳能集热***的A端，二路经第一阀门和第一循环泵与热泵***的输入端连接，三路通过第五阀门、第五循环泵串联后与第六阀门并联所形成的管路再与单井换热***的第二通道连接；第二水箱连接三路，一路连接热泵***的输出端，二路通过第四循环泵和第四阀门与单井换热***的第一通道连接，三路通过第三循环泵和第二阀门与太阳能集热***的B端连接；热泵***通过第二循环泵与采暖用户连接；太阳能集热***的B端同时通过第三阀门与单井换热***的第一通道连接。
2.根据权利要求1所述的单井地热联合太阳能供暖***，其特征在于，所述的多孔体系径向厚度为20-100m。
3.根据权利要求1所述的单井地热联合太阳能供暖***，其特征在于，所述的多孔体系中注入支撑剂，所述的支撑剂为金属颗粒或陶瓷颗粒。
4.根据权利要求1所述的单井地热联合太阳能供暖***，其特征在于，所述的保温管为双层真空管。
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