一种中深层地热耦合储能多源供热制冷工艺及系统的制作方法

本发明涉及地下热能利用技术，具体涉及一种地下换热器以及一种中深层地热耦合储能多源供热制冷工艺及系统。

背景技术：

中深层地热供能，是指通过提取地下2000m左右高温岩体所蕴含的热量进行供能，是一种新型的清洁高效的供能方式，正在逐渐的被推广应用。如何更加高效的利用地热资源，降低投资及运营成本，是目前急需要解决的重要课题，也是破解中深层地热推广应用的关键。

现有技术方案采用的原理如图1，地下取热器一般采用双层石油套管，外管1a中的冷水通过与地下岩体换热之后，温度升高，在通过内管2a输出到换热器(或热泵机组)3a中进行能量交换，温度降低后再返回地热井中循环。热量通过3a传递给二次管网后，输送到末端用户4a进行供热。单一采用中深层地热供暖，供暖总负荷需要覆盖最大热需求量，则所需要的地热井数为建筑最大热需求q1除以单井取热量。存在的问题在于：

1、系统配置不合理，投资巨大，虽然也有专利提出中深层地热和燃气锅炉耦合，虽能降低初投资，但提高了运营成本；

2、地热井取热器效率不高；

3、系统主要解决供热，制冷系统单另设计，制冷机组单独购置；

4、热泵机组为主要能耗单元，运营成本有待进一步降低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中深层地热耦合储能多源供热制冷工艺及系统，解决地下换热井的取热效率低、中深层地热系统的投资大、运行费用高的问题，

为实现上述目的，本发明拟采取如下技术手段：

一种中深层地热耦合储能多源供热制冷工艺，较低温工质进入地下吸收中深层地热后经地上发生热量交换后循环进入地下；经地上发生热量交换后产生的较高温工质输送至末端用户；同时，低温工质的热量进行提升后，部分返回地下吸收中深层地热，另外一部分为末端用户供能，实现中深层地热的梯级利用；末端用户的冷量通过双工况热泵主机和冷却设备提供；双工况热泵机组的多余热量或冷量进行储存，供给末端用户。

本发明还提供一种地下取热器，包括本体结构，该本体结构内设置有升温传热层和恒温层，在升温传热层和恒温层之间设置有水平的隔板；在该本体结构中心穿过隔板设置有热水产水管，热水产水管两侧连通有回水换热管；在恒温层内，热水产水管和回水换热管之间设置有隔热填料。

尤其是，该本体结构位于地下，包括外护管。

在此基础上，本发明还提供一种中深层地热耦合储能多源供热制冷系统，较低温工质进入上述地下取热器中吸收热量后经地上的换热器发生热量交换后循环进入地下取热器；经换热器的较高温工质输送至末端用户；

在地下取热器的回水换热管至换热器的管路之间设置有第一旁路管道，低温工质通过旁通管道进入双工况热泵机组对低温工质的热量进行提升后，联合换热器为末端用户供能，实现中深层地热的梯级利用；

双工况热泵主机的冷凝器进出水管路和冷却塔连通，为末端用户提供冷量；

在双工况热泵机组和末端用户之间的管路上设置有第二旁路管道，双工况热泵机组的多余热量或冷量通过第二旁路管道储存在储能装置中，储能装置释放热量或冷量供给末端用户。

此外，还包括光伏发电系统，为双工况热泵机组以及整个系统提供电力补充。

此外，还包括释能换热器，储能装置通过释能换热器释放热量或冷量。

优选的，末端用户采用毛细管网系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明在降低中深层地热初投资的同时降低了运行的费用，本发明采用q2负荷进行配置系统，节约地热井造价：[(q1-q2)/单井供热量]*单井造价，同时q2以上负荷用低谷电价提前制取并储存，在峰值电价时释放，降低运行成本，同时耦合光伏发电，进一步降低外购电力，降低运营成本。具体来说：

1)本发明的地下取热器，解决了目前常用换热器结构中低温回水对高温出水的影响的问题，提高了中深层地热利用的取热效率。该换热器特点在于结构简单，便于实施。解决了其他换热器结构复杂，在中深层孔中布置困难的问题。

2)本发明系统，通过储能装置的削峰填谷作用，在不用锅炉等其他供热设备分担供热负荷的基础上，降低了中深层地热的最大装机规模，节约了系统的投资造价，同时通过不同末端冷热负荷的需求情况，提供了不同的运行策略，降低运行成本。

3)该系统改善了中深层地热系统不能制冷的情况，通过管路的切换，使得中深层地热热泵主机，转化为制冷机组，解决用户的冷需求。

4)本发明不仅提供了中深层地热与储能技术的耦合，同时也实现了与光电技术的耦合，进一步降低了系统对外购电力的消耗和运营成本。

5)本发明供热制冷系统末端采用毛细管网技术，将毛细管网和中深层地热技术结合，将供暖供水温度降至25-35℃，提高了地热供热效率，降低了热泵机组的消耗，同时可以提供一种舒适、高效、安静的供能条件。

附图说明

图1为现有技术原理图(a)及用户负荷曲线示意图(b)。

图2为中深层地热耦合储能供热制冷系统图。

图3为地下取热器结构示意图。

其中：1地下取热器，2循环泵i，3截止阀a，4截止阀b，5截止阀c，6换热器，7冷却塔，8光伏发电装置，9截止阀d，10循环泵ii，11截止阀e，12循环泵iii,13毛细管网末端热用户，14，截止阀f，15截止阀g，16循环泵iv,17双效热泵机组，18释能换热器，19储能循环泵v,20释能循环泵vi,21储能装置，22截止阀h，23截止阀i，24截止阀j，25截止阀k，26隔板，27回水换热管，28隔热填料，29外护管，30热水产水管。

以下结合附图以及实施例对本发明的方案进一步进行说明。

具体实施方式

本发明所述的低温工质是指随着外界气温的降低，热负荷需求量增加，经过换热后的工质温度降低至30-40℃左右的工质。本发明所述的较低温工质是相对于低温工质而言，其温度略高于低温工质，通常发生在在用户热负荷较小时期(如供暖初期及外界环境温度较高时)。本发明所述的较高温工质，是相对用户端未进入换热器前的工质而言的，经换热器的较高温工质输送至末端用户，一般温度在50℃左右，可以根据工程地实际地下状况调整。

因此，本发明所述的较低温工质，是指在进入地下吸收中深层地热前的工质，经地上发生热量交换后产生的是较高温工质，如果较高温工质进入热泵机组进行二次换热后被再次利用，利用后降温再次产生低温工质，本发明的较低温工质、较高温工质以及低温工质可以实同一种工质，只是温度不同。

本发明所述中深层地热，是指地下2000m左右高温岩体所蕴含的热量，利用中深层地热进行供能，是指通过提取地下2000m左右高温岩体所蕴含的热量进行供能。

循环返回地下吸收中深层地热扩大供热能力，实现中深层地热的梯级利用；

实施例1：

本实施例提供一种中深层地热耦合储能多源供热制冷工艺，较低温工质进入地下吸收中深层地热后经地上发生热量交换后循环进入地下；经地上发生热量交换后产生较高温工质，用于输送至末端用户；同时，经地上发生热量交换后产生的较高温工质，部分进入热泵机组进行二次换热被再次利用，之后循环返回地下吸收中深层地热扩大供热能力，实现中深层地热的梯级利用；末端用户的冷量通过双工况热泵主机和冷却设备提供；双工况热泵机组的多余热量或冷量进行储存，供给末端用户。

上述工艺设计理念，可以实现供冷和供热需求，同时实现热量梯级利用。随着外界气温的降低，热负荷需求量增加，低温工质吸取地热，这是利用途径之一，同时经过换热后的工质温度降低至30-40℃左右，再次循环吸热。而较低温工质通常发生在在用户热负荷较小时期(如供暖初期及外界环境温度较高时)，与低温工质的产生条件略不同，但总的原则都是需要换热的工质进入中深层地下吸热，较高温工质，是相对用户端未进入换热器前的工质而言的，经换热器的较高温工质输送至末端用户，一般温度在50℃左右，可以根据工程地实际地下状况调整。

实施例2：

本实施例提供一种地下取热器，分为地下增温段和恒温段两部分，两部分之间设置隔板(26)，恒温段布置长度与地下恒温层厚度相一致，主要设置两个回水换热管(27)用于将在外部换热后的低温水输送到地下再次和岩体换热，回水换热管(27)与隔板(26)焊接，隔板(26)主要起到连接上下管路和固定管道作用，回水换热管(27)与热水产水管(30)之间设置隔热填料(28)，主要作用为隔热保温，阻止热水产水管(30)与回水换热管(27)中的低温回收产生热交换，导致产生温度的降低，提高中深层地热的产水温度。回水换热管(27)经过隔板(26)后进入增温底层，管路中的回水通过外护管与高温岩体充分接触换热，吸收地下岩体热量升温后，再由热水产水管(30)输出给外界热用户。该地下取热器在实现取热不取水的作用同时，还提高了供水的温度，进而提高了地热井的热效率。

实施例3：

本实施例提供一种中深层地热耦合储能供热制冷系统，以中深层地热为基础热源，通过与储能系统联合，再通过光伏系统的电力补充，实现了降低投资和运营成本的目标。

供暖运行：

在用户热负荷较小时期(如供暖初期及外界环境温度较高时)此时仅开启循环泵i(2)、阀门b(4)、截止阀d(9)，循环泵ii(10)。低温工质在循环泵i(2)的驱动型，进入地下取热器(1)中吸收热量，温度升高至45-50℃(甚至更高，具体根据工程地实际地下状况)后，由热水产水管(30)输出，经过换热器(6)热量交换后返回。接收热量的二次管网在循环泵ii(10)的驱动下，将热水输送到毛细管网末端用户(13)进行供暖，为了提高供热品质和利用率，末端用户采用毛细管网作为散热终端。

随着外界气温的降低，热负荷需求量增加，经过换热后的工质温度降低至30～40℃左右(也可经过多次换热，将温度再次降低)，此时关闭阀门b(4)，开启阀门a(3)和阀门c(5)，使得降温后的工质进入双工况热泵机组(17)中，对工质中的热量进行提升再利用后返回地下取热器(1)中，经过双工况热泵机组(17)提升后的工质，在循环泵iii(12)的作用下，联合换热器(6)换热产生的工质共同为毛细管网末端用户(13)进行供能，增加供热量的同时也实现的中深层地热的梯级利用。

中深层地热耦合储能装置联合供能：该模式下是在日用能高峰或电价高峰时段进行，通过储能装置释放能量，补充中深层地热的出力，同时降低供能系统电力消耗，主要运行方式为：在夜间用户负荷较小，且用户电价低谷时段，启动储能循环泵v(19)，开启截止阀f(14)、截止阀g(15)、截止阀i(23)、截止阀j(24)。中深层地热通过热泵机组，除满足用户的基础负荷外，将多余的热量储存到储能装置(21)中。为了降低运行成本，在低谷电价时段，尽量增大中深层地热给储能装置(21)的供热量，以储存较多的热量。在日间用能高峰时段，一般也是电价的高峰时段，优先开启释能循环泵vi(20)、循环泵iv(16)，采用储能装置释放热能来给用户供暖，不足部分由中深层地热系统双工况热泵主机(17)提供，降低在峰值电价时段，热泵主机(17)的电力消耗，降低运营成本。同时日间有光照资源，通过光伏发电系统，为双工况热泵主机(17)及整个系统提供电力补充，减少电力的外购量，进一步降低运行成本。

中深层地热耦合储能装置联合供能的另一种模式，是在日间负荷较低，储能装置(21)通过释能换热器(18)释放的热能能够满足用户(13)的热需求，则运行模式为夜间低谷电价且负荷较低时，中深层地热系统通过换热器(6)和双工况主机(17)为用户供暖的同时，进行储能。日间通过储能装置(21)进行热能释放，给用户提供热量，双工况机组(17)日间则无需运行。

中深层地热耦合储能装置联合供能不仅可以降低运行成本，在耦合运行时间段内，中深层供热系统的出力程度降低，仅作为释能时的补充能源，改时间段内也有助于地下换热器热量的再次恢复和平衡。提高了中深层地热供热系统的稳定性。

制冷运行：

在夏季制冷运行时系统的运行模式为：关闭阀门a(3)和阀门c(5)，将地下取热器(1)旁路隔离，同时开启冷却塔管理系统上的阀门，使双工况热泵主机(17)冷凝器的进出水管路系统和冷却塔(7)联通。双工况主机(17)切换到供冷工况，为毛细管网末端用户(13)提供冷量。储能装置(21)通过储冷和释冷耦合双工况主机(17)同时为用户供冷，供冷时系统耦合模式与供热时耦合模式的区别在于阀门i(23)阀门j(24)关闭，开启阀门h(22)阀门k(25)。同时该模式中，如果用户(13)在夏季还有少量热水需求，还可以通过地下取热器(1)和换热器(6)为用户提供。该运行模式通过设置双工况热泵主机连接冷却塔(7)，旁路地下取热器(1)的方式，解决了用户冷需求，避免了用户为解决供冷，单独购买空调机组的投资，节约了设备投资费用。

效果论证：

本发明的系统已经在陕鼓地热供暖系统中得到了应用，在节能、降低运行成本及降低初投资方面效果显著。以下为本发明同2个现有公开专利(现有专利一：中深层地热源热泵系统，申请号201710907384.9及现有专利二：一种中深层无干扰地岩热系统与燃气锅炉联合供热系统，申请号201720830833.x)中所述系统工艺进行模拟测算对比情况：

按照陕鼓分布式能源供暖项目规模：6270kw总热负荷及园区用能负荷变化情况进行测算，同时对比中按照陕西地区现有干热岩井平均供热能力600kw/口测算：①如按照现有专利一中的工艺，共需要约10口地热井；按照本发明，根据园区用能变化情况将总负荷中约2230kw的峰值负荷采用储能代替，则地热井需要承担的负荷为：4040kw，与现有专利一中工艺相比可减少4口地热井的投资，共计可节约500万元左右地热井初投资成本，同时由于本发明中储能利用了峰谷电价差，故运营成本较专利一在一个供暖季成本下降12万元左右(该运营成本按照目前供暖季储热量进行估算得出)。②如按照专利二中的工艺，要替代2230kw的负荷，需要配置一台2.1mw的燃气锅炉，2.1mw锅炉额定耗气量为170m3/h，按照每天60％负荷运行9小时，燃气价格2.5元/m³进行估算，则一个供暖季的运行费用27.5万元，虽然能同样降低4口井的初投资，但是相对于专利一在一个供暖季的运行费用提高了15.5万元。则本专利与专利二方案对比，一个供暖运营成本将节约：15.5+12＝27.5万元。