一种中深部地热能供暖系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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℃。

技术实现要素：

本发明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，本发明采用的技术方案是：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。本发明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。

另外本发明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是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明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，本发明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，本发明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

本发明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·(T_w-T_e)

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：

Q_i＝h_i·A_i·ΔT_i

h_i＝Nu·λ_i/D

Nu＝0.023·Re^0.8·Pr^0.4

Re＝ρ·u·D/v

Pr＝v·Cp/λ_i

${\mathrm{\ΔT}}_i=T_{e_i}-T_{w_i}$

T_ei＝0.01·G·H_i

$T_{w_{i+1}}=4\·\frac{Qi}{\mathrm{\ρ}\·u\·\mathrm{\π}\·D^2\·Cp}+T_{wi}$

Q＝∑Q_i

式中：

Q_i：微元段的换热量(W)；

h_i：微元段水的传热系数(W/(m²·K))；

A_i：微元段的换热面积(m²)；

ΔT_i：微元段的换热温差(℃)；

λ_i：微元段水的导热系数(W/(m·K))；

D：管道的直径(m)；

Nu：努塞尔数；

Re：雷诺数；

Pr：普朗特数；

ρ：水的密度(kg/m³)；

u：水的流速(m/s)；

v：水的动力黏性系数(Pa·s)；

Cp：水的等压比热容(J/(kg·℃))；

微元段处的深层土壤温度(℃)；

微元段处的水的温度(℃)；

G：平均地温梯度(℃/hm)，工程取值为2-5℃/hm；

H_i：微元段处的埋管深度(m)；

Q：系统管道总换热量。

通过上述公式，只要输入系统管道的结构参数及入口水温等初始参数，就可以得到每个微元管道的换热量，进而计算出整个管道的总换热量。

对于该系统，钻孔深度越深，系统的总换热量就越大，这样可以大大减少室外钻孔的占地面积，充分发挥深层埋管的优势。但同时循环水泵沿程阻力损失亦会随着钻孔深度的增加而增大，导致循环水泵的净耗功率和扬程的增加，更重要的是增加钻孔深度将大大的提高钻孔成本。为了使该循环系统达到最佳的运行效果，并考虑到施工条件及经济性等因素，在工程实践过程中，垂直井深推荐为2000m，套管的内径为150mm，水的流速在0.2～0.4m/s，这样系统不但能以最小的成本获取最大的换热量，而且可以稳定高效的运行。本发明提出的中深部地热能间接利用形式，换热量巨大，一对由垂直井与对接井构成的循环系统，其换热量约为630kW。出水温度在45℃以上，可广泛用于民用建筑的低温辐射供暖。

一般建筑的冷负荷较小，只需要一对垂直井与对接井就能满足供热需求，但是如果在工程应用过程中，建筑的供热需求较大，需要有两个垂直井与对接井组成的循环系统联合供热，那么为了避免地下2000处的换热通道相互影响，垂直井1与垂直井2之间，以及对接井1与对接井2之间的距离都不得小于13m。

本发明具有以下优点：

(1)深层土壤处的温度基本保持恒定，在供暖季大量提取热量时，不会导致热源温度的大幅度波动，所以该系统能够长期稳定高效的运行。

(2)节约用地面积。常规地源热泵系统因为地埋管的换热量较小，在室外需要布设大量的地埋管，所以占用了大量的城市用地，本系统的地埋管深度较深，提取的中深部地热能较多，一般只需要很少的埋管，从而节约了城市用地。

(3)该系统采用闭式循环系统，在不抽取地下水的前提下，获取深部地热能，热交换在管道中进行，水质也不会发生变化，保护了水资源。