CN109654581B - 一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***，将跨季节蓄热采暖供热技术与地下含水层回灌储能技术相结合，应用由于地下水位下降而无法继续开采到地下水的“原含水层”作为储能装置，将原地热井改建成储热井和采热井；在非供暖季节通过太阳能等能源提供的能量加热后回灌入储热井，依靠地下含水层流速慢、热量流失小的特点进行保温储存；供暖季节再通过采热井从地下含水层中抽取储存的热水，由供热单位分别运送到各个供暖用户。本发明能量容量大、成本低廉、环保无污染、可靠性和稳定性较佳，具有显著的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于供暖设备技术领域，尤其涉及一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***。
背景技术
近年来，由于环保方面的需求，我国北方多地采暖能源都走上了煤改天然气的改造之路，但是由于时间紧、任务重、国内天然气储存量不足等问题，很多地方都出现了采暖能源严重不足、居民饱受停暖之苦的现象。为解决冬季供暖和不可再生能源紧缺的问题，迫切需要寻找成熟的新型可再生的清洁能源，这其中包括新能源的收集、储藏与利用等，是一套完整而又严谨的***。
现在普遍流行的小型家用太阳热水器***及其他类似的太阳能蓄热装置，是将太阳能供热进行短期蓄热。由于地球表面太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化等特点，使太阳能供热的短期蓄热***不可避免地存在很大的不稳定性，导致太阳能利用效率很低。
此外，采用地热资源供暖也是现在普遍使用的采暖手段。在国内尤其是北方地区，抽取地下热水来作为供暖热源的做法非常普遍，有着40～50年的开采历史，但也由于过度开采，造成部分地区地下水位下降，地底出现许多大小不一的空洞，导致地面发生不同程度的沉降，存在着极大的安全隐患，严重的甚至可能导致地区甚至城市的大面积坍塌。因此部分城市如上海也在多年前就开启了地下水回灌的相关工程以避免地下水位下降导致的地面沉降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***，所述复合供暖***包括储热井、采热井和集热装置；所述储热井和所述采热井开设在同一承压含水层上，所述储热井井底的水平位置高于所述采热井井底的水平位置；所述集热装置与所述储热井上端井口通过第二管道连接，邻近所述储热井上端井口的所述第二管道上设有储热井控制阀，所述储热井控制阀与所述集热装置之间的所述第二管道上设置有储热井水泵；所述采热井上端入口与供热中心通过所述第三管道连接，邻近所述采热井上端入口的所述第三管道上设有采热井控制阀，所述采热井控制阀与所述供热中心之间的第三管道上设置有采热井水泵。
本发明将跨季节蓄热采暖供热技术与地下承压含水层回灌储能技术相结合，将水通入集热装置加热后回灌入储热井，依靠承压含水层流速慢、热量流失小的特点进行保温储存；供暖季节再通过采热井从承压含水层中抽取储存的热水，由供热单位分别运送到各个供暖用户。
进一步的，所述集热装置为太阳能集热***。
进一步的，所述复合供暖***还包括蓄水池，所述蓄水池与所述集热装置通过第一管道连通。
进一步的，所述储热井与所述储热井控制阀之间的所述第二管道上设置有氮气罐，和/或，所述采热井与所述采热井控制阀之间的所述第三管道上设置有氮气罐。
进一步的，所述储热井水泵和所述储热井控制阀之间的所述第二管道上设置有井口检测仪表，和/或，所述采热井水泵和所述采热井控制阀之间的所述第三管道上设置有井口检测仪表。
进一步的，所述井口检测仪表包括流量检测装置、温度检测装置和压力检测装置。流量检测装置优选电磁流量计，温度检测装置优选一体化温度变选器，压力检测装置优选压力变选器。
进一步的，所述井口检测仪表和所述储热井控制阀之间的所述第二管道上设置有除污器，用于中和回灌水的酸碱值，避免回灌水对储热井造成侵蚀。
进一步的，所述集热装置与所述储热井水泵之间的所述第二管道上设置有排气罐，用于排除从太阳能集热***中流出的水夹带的空气。
进一步的，所述集热装置与所述供热中心之间经冬季供热控制阀连通。
进一步的，所述储热井下端口设置有储热井滤水管，和/或，所述采热井下端口设置有采热井滤水管。储热井滤水管和采热井滤水管是带有许多小孔的管道，可以有效阻止小气泡附着在管壁上，防止空气渗入，避免对储热井与采热井造成堵塞。进一步的，所述采热井水泵和所述供热中心之间的所述第三管道上设置有除砂器，用于过滤水中的砂泥等杂质。
进一步的，供暖尾水通入所述蓄水池中，重新进入复合供暖***的水循环。
进一步的，所述第一管道上设置有过滤净化器，以保证经过过滤的水质达到回灌水的要求，不会对管道和相关设备造成侵蚀。
进一步的，所述蓄水池与供热水源连接。
进一步的，所述第一管道上设置有自动补水装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明充分利用了地下承压含水层容积大、保温性好、流失小的特点作为储热装置，结合跨季节蓄热采暖供热技术，通过水泵、控制阀等装置实现储能热水在非供热季节与供热季节的存储与产出，实现了跨季节、无污染、可持续性的储能循环供热的目的。本发明中应用的地下承压储水层，是由于地下水位下降而无法再开采或是产出不足的底下出水层，属于资源再利用，可以大大减少一次管网的建设，节省大量基建成本；另外，本发明的供暖尾水循环利用再加上其他水源的补给，使热水回灌量大于抽取量，可以有效缓解地质沉降。综上所述，本发明具有能量容量大、成本低廉、环保无污染等优点，可靠性和稳定性较佳，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***的结构示意图；其中：
1供热水源；2蓄水池；3过滤净化器；4自动补水装置；5太阳能集热***；6排气罐；7储热井水泵；8井口检测仪表；9除污器；10储热井控制阀；11储热井；12氮气罐；13储热井滤水管；14采热井滤水管；15采热井；16采热井控制阀；17采热井水泵；18除砂器；19供热中心；20换热站；21供暖用户；22冬季供热控制阀。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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保护范围的限制。
下面结合附图1对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***，包括储热井11、采热井15、蓄水池2和太阳能集热***5；
蓄水池2的出口与太阳能集热***5的入水口通过第一管道连通，第一管道上设置有过滤净化器3，蓄水池2中的水通过过滤净化器3，以保证水质达到回灌水的要求，不会对管道和相关设备造成侵蚀；过滤净化器3与太阳能集热***5之间的第一管道上设置有自动补水装置4；自动补水装置4可与自来水管道直接连接；
通过太阳能集热***5加热至设计温度的水经太阳能集热***5出水口流出，通过第二管道连接至储热井11上端井口；从邻近太阳能集热***5的一端起，第二管道上依次设置有排气罐6、储热井水泵7、井口检测仪表8、除污器9、储热井控制阀10和氮气罐12；排气罐6用于排除从太阳能集热***5出水口流出的水夹带的空气；储热井11下端口设置有储热井滤水管13，储热井11和采热井15开设在同一承压含水层上，储热井11下端口和采热井15下端口通过同一承压含水层连通，采热井15下端口设置有采热井滤水管14；储热井11与采热井15可以分别利用原有开采地下水并属于同一承压含水层的地热井改造而成，储热井11井底的水平位置应该高于采热井15井底的水平位置；
采热井15上端井口与供热中心19通过第三管道连接；从邻近采热井15上端井口的一端起，第三管道上依次设置有氮气罐12、采热井控制阀16、井口检测装置8、采热井水泵17和除砂器18；
在取暖季节，经太阳能集热装置5加热的水也可以通过排气罐6直接输向供热中心19，排气罐6与供热中心19之间通过冬季供热控制阀22控制热水管道的开关；
供热中心19将热水经过各个换热站20输入各户供暖用户21的供暖装置，为供暖用户21供暖；供暖尾水直接经蓄水池2入口流入蓄水池2，再次进入复合供暖***的水循环中；蓄水池2入口还与供热水源1连接，方便随时将水储存到蓄水池2中进行集中处理。
在本发明中，井口检测仪表8包括流量检测装置、温度检测装置和压力检测装置，流量检测装置优选电磁流量计，温度检测装置优选一体化温度变选器，压力检测装置优选压力变选器。井口检测装置8主要是对基于地热资源生产的量、质及各项动态参数进行监测，不仅可以采集必要的动态数据，还能及时监测***运行状态，保证***正常运行。
在本发明中，氮气罐12优选可自动控制的充气装置，保证管道内没有空气渗入，防止管道被腐蚀。
在本发明中，储热井控制阀10与采热井控制阀16的开关与闭合均可由单片机进行控制。
在本发明中，储热井水泵7与采热井水泵17都优选采用离心水泵，采用变频控制，根据水泵出水口压力的实时动态来调节变频器频率，更好地满足供暖要求。
在本发明中，供热水源1的来源十分广泛，可以根据当地条件，选择城市中水、河水等。
应用本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***来进行跨季节蓄热供暖包括非供暖季节的蓄热和供暖季节的应用蓄热取暖，具体为：
在非供暖季节，利用蓄水池2将供热水源1以及前一季供热产出的废水集中起来，通过过滤净化器3进行过滤净化，达到地下回灌水的水质标准，再通过太阳能集热***5吸收太阳能将过滤后的水加热至设计温度，利用储热井水泵7将热水通过储热井11储存于地下承压含水层，通过储热井控制阀10与流量检测装置来控制储能热水的流速与总量，保证储能热水按照设计走向流动；并通过温度检测装置实时监控储能热水的水温变化。
在非供暖季节对复合供暖***的具体操作内容包括：记录采热井15与储热井11的井口检测仪表8的流量检测装置等测试仪器的起始读数，并测量采热井17与储热井11中的水位、水温等原始参数；封固采热井17井口，严格紧固密封，拉真空，关闭采热井控制阀16与冬季供热控制阀22，停止采热井水泵17的工作；但继续保持井口检测仪表8对采热井17的监控，定期检查采热井水泵17，检测井口检测仪表8的使用情况，做好装置的防腐、防锈等保养措施，确保监测的正常运行。将蓄水池2中蓄积的水经过过滤净化器3流入太阳能集热装置5加热成回灌热水，开足储热井控制阀10，待回灌热水从排气罐6溢出后，再关紧排气罐6的排气阀，调节流量，并记录回灌热水的水量、水温及压力；开启储热井水泵7进行加压回灌。回灌时，要先拉真空，排出管路和泵管内的空气，确保各环节真空密封；确保泵管下入储热井11的水面以下，回灌热水从泵管内注入，保证真空泵管回灌；回灌量和压力要由小到大逐步调节，直至回灌能正常运行；储热井水泵一般优选离心泵，禁止断水打空泵，否则会把空气打入井内，造成堵塞和腐蚀。
在供暖季节，储存于地下承压含水层内的储能热水由采热井水泵17从采热井15中抽出，通过采热井控制阀16，使热水进入除砂器18过滤；采热井控制阀16和流量检测装置保证热水的出入平衡；过滤后的热水被导入供热中心19，再由供热中心19将热水通过各个换热站20供向供暖用户21。供暖产出的尾水再次被通入蓄水池2，再通过过滤净化器3进行过滤，消除管路和换热器给供暖尾水带来的杂质；过滤后的水加上通过自动补水装置4补入的水，一起通过太阳能集热器5的加热及排气罐6的排气后，再次由储热井水泵7回灌入储热井，完成供热循环；或者经太阳能集热器5加热及排气罐6排气后的热水通过冬季供热控制阀22直接输向供热中心19，通入供热中心19的热水量通过调节冬季供热控制阀22来进行控制。
在供暖季节对复合供暖***的具体操作内容包括：记录采热井15与储热井11的井口检测仪表8的流量检测装置等仪器的起始读数，并测量采热井17与储热井11中的水位、水温等原始参数；开采采热井15前，检查电源、各设备和阀门的开关状态，确保***内密封运行，检查除砂器18的过滤效果，做好室外管路的防冻措施；确保检测***正常运转后闭合采热井控制阀16，开启采热井水泵17进行加压开采。开采运行中，必须严格保证***密封，杜绝出现包括测管、充气孔等与外界连通的空口敞开，严格禁止带氧操作运行；密切监视***水位、水质及各仪表装置、管路压力等数据的变化，正确判断***的运行情况，及时采取有效措施予以防治。与此同时，太阳能集热装置5正常运作，闭合冬季供热控制阀22，将加热后的热水直接供应到供热中心19，确保热源的来源充足。
供暖季节的供暖结束，供暖***的供暖尾水通过管道再次汇集到蓄水池2，等待再次利用，实现跨季节供暖的水资源循环利用。
本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***将跨季节蓄热采暖供热技术与地下含水层回灌储能技术相结合，应用由于地下水位下降而无法继续开采到地下水的“原含水层”作为储能装置，将原地热井改建成储热井11和采热井15；在非供暖季节，将水经过过滤，通过太阳能提供的能量加热，再将热水回灌入储热井11，依靠地下含水层流速慢、热量流失小的特点进行保温储存，将利用非供暖季节太阳能提供的热量季节性地储存在地下含水层中；待到供暖季节，再通过采热井15从地下含水层中抽取储存的热水，通过除砂处理后由供热单位分别运送到各个供暖用户；供暖尾水经过过滤后可以再次进入复合供暖***的水循环。
本发明充分利用了地下承压含水层容积大、保温性好、流失小的特点作为储热装置，结合跨季节太阳能蓄热采暖供热技术，通过水泵、控制阀等装置实现储能热水在非供热季节与供热季节的存储与产出，实现了跨季节、无污染、可持续性的太阳能储能循环供热的目的。本发明中应用的地下承压储水层，是由于地下水位下降而无法再开采或是产出不足的底下出水层，属于资源再利用，可以大大减少一次管网的建设，节省大量基建成本；另外，本发明的供暖尾水循环利用再加上其他水源的补给，使热水回灌量大于抽取量，可以有效缓解地质沉降。综上所述，本发明具有能量容量大、成本低廉、环保无污染等优点，有较高的经济性、可靠性和稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。
在本发明中，承压含水层的深度、水温、水量是衡量这一地层利用价值与风险评价的重要指标，选择以合适的承压含水层为基础建设本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***可以获得更高的经济效益并减低风险。在现有技术的基础上，出水量40-100m3/h、水温在45-65℃之间的承压含水层相对更适宜用于建设本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***，可以获得更为理想的经济效益。而承压含水层的深度直接影响本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***的稳定性和风险大小，也是在选择承压含水层时需要重点考虑的因素。
经济效益分析
本发明提供的基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***的节能减排效果十分显著，以天津地区为例：
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当地直接辐射强度(DNI)：
solargis数据：1123kWh/m2
NASA数据：2033kWh/m2
当地直接辐射数据选取solargis50％+NASA50％即1578kWh/m2＝5680MJ/㎡，由于项目地址处于39.02°N，太阳能集热装置采用槽式太阳能集热***，太阳能集热装置采用东西向布置，集热面积：土地面积＝1:2。假设敷设面积为4万㎡，则集热面积为2万㎡。槽式太阳能集热***按东西向布置的年均效率为55％以上，因此集热场年得热量QY＝5680MJ/㎡*55％*20000㎡＝6.25*107MJ。
按照太阳能集热装置将水从20℃加热到50℃来计算，每年产50℃热水的产水量为：
QY*1000KJ/MJ/(1000Kg/t*4.18KJ/Kg·℃*(50℃-20℃))
＝4.98*105t
约50万吨水可基本提供130万平米的冬季正常采暖(商用面积：民用面积＝3:7)。
由此可得，若集热器总占地4万平米，集热器面积2万平米，全年产热量达6.25*107MJ，可节约电能1736余万度，按电价0.6元/度计算，每年可节省电费1041.67余万元。
本发明提供的复合供暖***在减少各种污染物排放方面具有产生良好的效果。一吨标准煤可以发三千千瓦时(3000度)的电。而工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。以年产6.25*107MJ热量为例，具体减排量详见表1：
表1节能效果统计表
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于承压含水层的跨季节蓄热的复合供暖***，其特征在于，所述复合供暖***包括储热井(11)、采热井(15)、蓄水池(2)和集热装置；所述储热井(11)和所述采热井(15)开设在同一承压含水层上，所述储热井(11)井底的水平位置高于所述采热井(15)井底的水平位置；将水通入集热装置加热后回灌入储热井，所述储热井(11)的下端口和所述采热井(15)的下端口通过同一承压含水层连通，供暖季节再通过采热井从承压含水层中抽取储存的热水；所述蓄水池(2)与所述集热装置通过第一管道连通，所述集热装置与所述储热井(11)上端井口通过第二管道连接，邻近所述储热井(11)上端井口的所述第二管道上设有储热井控制阀(10)，所述储热井控制阀(10)与所述集热装置之间的所述第二管道上设置有储热井水泵(7)；所述采热井(15)上端入口与供热中心(19)通过第三管道连接，邻近所述采热井(15)上端入口的所述第三管道上设有采热井控制阀(16)，所述采热井控制阀(16)与所述供热中心(19)之间的第三管道上设置有采热井水泵(17)，供暖尾水循环利用再加上其他水源的补给，使热水回灌量大于抽取量，可以有效缓解地质沉降。
2.根据权利要求1所述的复合供暖***，其特征在于，所述集热装置为太阳能集热***(5)。
3.根据权利要求1所述的复合供暖***，其特征在于，所述储热井水泵(7)和所述储热井控制阀(10)之间的所述第二管道上设置有井口检测仪表(8)，和/或，所述采热井水泵(17)和所述采热井控制阀(16)之间的所述第三管道上设置有井口检测仪表(8)。
4.根据权利要求1-2任一所述的复合供暖***，其特征在于，所述集热装置与所述供热中心(19)之间经冬季供热控制阀(22)连通。
5.根据权利要求1-2任一所述的复合供暖***，其特征在于，所述采热井水泵(17)和所述供热中心(19)之间的所述第三管道上设置有除砂器(18)。
6.根据权利要求4所述的复合供暖***，其特征在于，供暖尾水通入所述蓄水池(2)中。
7.根据权利要求6所述的复合供暖***，其特征在于，所述第一管道上设置有过滤净化器(3)。
8.根据权利要求7所述的复合供暖***，其特征在于，所述蓄水池(2)与供热水源(1)连接。
9.根据权利要求7或8所述的复合供暖***，其特征在于，所述第一管道上设置有自动补水装置(4)。
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