一种中深部地热能供暖系统技术方案

一种中深部地热能供暖系统，包括竖直延伸到地下2000m的垂直井以及与该垂直井相连通的深度相同的对接井，所述的对接井竖直向下至1700m后设置一个弧形偏斜段与垂直井在地下2000m处相接，垂直井与对接井内均铺设有相连通的套管，垂直井出口的套管经水泵连接地源热泵的吸热侧，地源热泵的吸热侧出口与对接井内的套管相连通构成闭合循环回路，地源热泵的换热侧接末端用户；本发明专利技术将套管垂直深度从常规的100m延伸到2000m，并通过垂直井与对接井在深层土壤的有效连接，在地下2000m处建立水平的换热管道，采用闭式循环系统，利用软化淡水与深层岩土的高效换热，提取深层地热能用于建筑供暖。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种地热能供暖系统，具体涉及一种能够高效地提取中深部地热能为建筑供暖的中深部地热能供暖系统。
技术介绍
地源热泵技术很好地利用了地下浅层岩土的蓄热作用，节能效果显著，近年来得到了快速发展。但是在应用过程中出现以下问题：(1)冷热不平衡，地源热泵主要利用浅层岩土体的蓄热作用，冬夏季运行过程若出现冷热不平衡现象将导致系统长期运行性能下降；(2)地埋管地源热泵系统的埋管占地面积广，尤其是我国城市发展过程中，土地资源日益紧缺，容积率较高，地埋管地源热泵系统容易受到场地条件制约；(3)地下水源热泵也是地源热泵的一种类型，一般是以浅层的温度稳定的地下水为介质，通过抽水井和回灌井的水路循环实现热交换的一种节能环保技术。但是地下水源热泵系统的实际推广应用还面临地下水资源的保护、热短路、岩土层变形、冷热岛效应等一系列地下工程问题。深层土壤相较于浅层土壤几乎不受大气环境的影响，保温性能好，有地心热传导作用等因素使得土壤温度能基本保持恒定的高温。实际的深层土壤勘测数据显示，在2000m的土壤深度以内，从恒温层往地下垂直深度每增加100m，则该深度处土壤温度就增加2-5℃。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种能够有效降低建筑能源消耗，提高可再生能源利用率的中深部地热能供暖系统。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：包括竖直延伸到地下2000m的垂直井以及与该垂直井相连通的深度相同的对接井，所述的对接井竖直向下至1700m后设置一个弧形偏斜段与垂直井在地下2000m处相接，垂直井与对接井内均铺设有相连通的套管，垂直井出口的套管经水泵连接地源热泵的吸热侧，地源热泵的吸热侧出口与对接井内的套管相连通构成闭合循环回路，地源热泵的换热侧接末端用户。所述的垂直井内的套管从地面至地下1000米深处的表面均敷设保温材料层。所述的保温材料采用聚氨脂硬质泡沫塑料，保温层的厚度为20mm。所述的套管的内径为150mm，介质水的流速为0.2～0.4m/s。所述的地源热泵的吸热侧出口管道上还安装有阀门。由于深层地热能储量丰富、可开发潜力大、分布广泛且热源稳定，利用深层地源热泵供热技术对其提取后进行地面建筑物的供暖，可有效降低建筑能源消耗，提高可再生能源利用率。本专利技术利用深层地温这一特点，将套管垂直深度从常规的100m延伸到2000m，并通过垂直井与对接井在深层土壤的有效连接，在地下2000m处建立水平的换热管道，采用闭式循环系统，利用软化淡水与深层岩土的高效换热，提取深层地热能用于建筑供暖。另外本专利技术设置一个弧形偏斜段，以便与垂直井在地下2000米处相接。这样，当两个井中的地下套管有效连接时，在深层土壤处便能够建立一段水平的换热管道，从而高效的提取深层地热能。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参见图1，本专利技术包括竖直延伸到地下2000m的垂直井1以及与该垂直井1相连通的深度相同的对接井7，所述的对接井7竖直向下至1700m后设置一个弧形偏斜段8与垂直井1在地下2000m处相接，垂直井1与对接井7内均铺设有相连通的内径为150mm的套管9，垂直井1内的套管9从地面至地下1000米深处的表面均敷设有聚氨脂硬质泡沫塑料制成的厚度为20mm的保温材料层10，垂直井1出口的套管9经吸热侧水泵2连接地源热泵3的吸热侧，地源热泵3的吸热侧出口与对接井7内的套管9相连通构成闭合循环回路，且在地源热泵3的吸热侧出口管道上还安装有阀门6，地源热泵3的换热侧接末端用户5，且在末端用户管道入地源热泵3的换热侧的入口管路上还安装有换热侧水泵4。系统运行时，循环工质为软化淡水，温度较低的冷水从对接井流入，在流入地下深层管道的过程中，不断从周围土壤吸收热量，岩土的平均地温梯度为2-5℃/100m(从恒温层往地下垂直深度每增加100m，则该深度处土壤温度就增加2-5℃)，当工质到达地下2000m处的时候，深层土壤的温度变得很高，在水平管道里，循环流体与高温岩土充分换热，提取深层地热能，然后从垂直井回到地面回水口，完成循环。循环水在对接井的流动过程中，不断被加热，但是当水通过垂直井流回地面的过程中，因为顺着水流方向的岩土温度在不断降低，所以如果不对管道进行保温，工质所携带的地热能将会大幅度流失。为了保证出口工质较高的温度，使得整个系统的换热效率达到最高，本专利技术在系统回水管道的上端，即垂直井管道的地面至地下1000米深处的表面，全部敷设保温材料。由于中深部地热能供暖技术钻孔深度较深，对材料的耐压性能有较高的要求，考虑到聚氨脂硬质泡沫塑料具有抗压强度高且使用寿命长等特点，本专利技术选择聚氨脂硬质泡沫塑料作为敷设在内管外壁的保温材料，保温层的厚度为20mm。聚氨酯硬质泡沫塑料不仅具有相对密度小、耐温、耐老化、抗压强度高等特点，而且这种材料对木材、金属、塑料、砖石等的粘附性很强，能与换热管道良好接触，便于施工且不易脱落。换热量计算本专利技术提出的垂直井与对接井构成的循环系统，在地下2000m高温的土壤层处，建立了有效的水平换热管道，采用冷水为循环工质，提取了大量的深层地热能，节能效果显著。为了便于系统设计及容量计算，下面给出系统换热量的计算方法：水侧流动换热的计算公式为：Q＝h·A·(Tw-Te)因为岩土的温度以及水的温度都在随着管道方向不断变化，所以在求总换热量的时候，需要对管道分段计算，然后再进行求和。具体而言，就是将除过保温部分的其他地下换热管道，即对接井全部管道、水平换热管道和垂直井下部1000m的管道全部划分成许多的微元段，每个微元段的长度不超过0.001m，然后建立微元段的换热方程，通过计算得出每个微元段的换热量后，再进行求和。垂直井上部1000m的管道，之所以不用进行分段计算，是因为这部分管道敷设了保温材料，忽略水与土壤的换热量。管段微元换热方程：Qi＝hi·Ai·ΔTihi＝Nu·λi/DNu＝0.023·Re0.8·Pr0.4Re＝ρ·u·D/vPr＝v·Cp/λi ΔT i = T e i - T w i ]]>Tei＝0.01·G·Hi T w i + 1 = 4 · Q i ρ · u · π · D 2 · C p + T w i ]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中深部地热能供暖系统，其特征在于：包括竖直延伸到地下2000m的垂直井(1)以及与该垂直井(1)相连通的深度相同的对接井(7)，所述的对接井(7)竖直向下至1700m后设置一个弧形偏斜段(8)与垂直井(1)在地下2000m处相接，垂直井(1)与对接井(7)内均铺设有相连通的套管(9)，垂直井(1)出口的套管(9)经水泵(2)连接地源热泵(3)的吸热侧，地源热泵(3)的吸热侧出口与对接井(7)内的套管(9)相连通构成闭合循环回路，地源热泵(3)的换热侧接末端用户。

【技术特征摘要】
1.一种中深部地热能供暖系统，其特征在于：包括竖直延伸到地下2000m的垂直井(1)以及与该垂直井(1)相连通的深度相同的对接井(7)，所述的对接井(7)竖直向下至1700m后设置一个弧形偏斜段(8)与垂直井(1)在地下2000m处相接，垂直井(1)与对接井(7)内均铺设有相连通的套管(9)，垂直井(1)出口的套管(9)经水泵(2)连接地源热泵(3)的吸热侧，地源热泵(3)的吸热侧出口与对接井(7)内的套管(9)相连通构成闭合循环回路，地源热泵(3)的换热侧接末端用户。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王沣浩，田春，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61