一种利用地底换热腔室的热能利用系统的制作方法

本发明涉及地热能利用领域，特别是一种利用地底换热腔室的热能利用系统。

背景技术：

在地热能利用领域现有技术中进入实用的方案是循环采取地下40~50℃热水进行供暖，但是该方案对地形的要求较高，仅适用于温泉资源较为丰富的地域。在地底一定范围内，大致处在13~25℃恒温条件下，再每下降100米，温度大致增加3~6℃，利用地底的热能进行构建物的温度调节，是一项清洁和环保的能源利用方式。

作者张庆2014发表的《增强型地热系统人工压裂机理研究及应用》，记载了利用压裂方法在特殊的干热岩地形条件下，地面深度大于2000米的热能采集利用的方案。但是该方法主要用于地面深度大于2000米的位置，施工成本极高，失败几率较大，世界各国也仍是处于试验阶段。部分地域的地质条件较为复杂，各种地形条件并存，该方案的应用存在较大的技术困难。

中国专利文献cn101939598a，提出了一种地热能利用装置，采用双套管水循环方案，将地底的热能与构建物进行交换，存在的问题是，这种结构的地下部分换热效率较低，而且水循环的能耗较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用地底换热腔室的热能利用系统，能够以较低的成本充分利用地底的地热资源，能够使地热资源进入实用，在优选的方案中，能够在确保取暖效果的基础上，大幅降低取暖成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种利用地底换热腔室的热能利用系统，至少一根输入管桩与位于地面下的换热腔室连通，换热腔室与至少一根输出管桩连通，输出管桩与地面上的换热管网连接，换热管网的顶部设有排风管。

优选的方案中，在输入管桩设有鼓风机和\或在排风管设有抽风机。

优选的方案中，在输出管桩与换热管网之间设有空气源热泵，空气源热泵的空气换热器位于输出管桩与换热管网之间的管道内；

或者在排风管设有空气源热泵，空气源热泵的空气换热器位于排风管内。

优选的方案中，所述的换热管网安装在构建物内，换热管网内设有至少一根竖直的换热管。

优选的方案中，在换热管网内还设有至少一根横向的换热管。

优选的方案中，所述的空气源热泵中，压缩机的高压端通过管路与水换热器连接，水换热器通过管路与膨胀阀连接，膨胀阀通过管路与空气换热器连接，空气换热器通过管路与气液分离器连接，气液分离器通过管路与压缩机的低压端连接。

优选的方案中，所述的换热腔室上方设有顶盖层，下方设有底垫层，顶盖层和底垫层通过向地底灌注水泥砂浆后形成。

优选的方案中，所述的水泥砂浆为导热缓凝水泥砂浆。

优选的方案中，换热腔室采用清水压裂或支撑剂压裂形成。

优选的方案中，输入管桩位于换热腔室一端的边缘，输出管桩位于换热腔室另一端的边缘，在输入管桩与输出管桩之间设有封闭管桩。

本发明提供的一种利用地底换热腔室的热能利用系统，通过将空气引入位于地底的换热腔室，再通过换热管网进行换热，能够以较低的成本实现地热的利用。经过换热后的空气从排风管直接排入大气，减少了水循环的能耗。并且对换热腔室的水密性也要求不高，大幅降低施工难度。优选的方案中，由于从换热腔室经过换热的空气温度高于大气的温度，因此这些热风也是空气源热泵的较佳换热介质，与空气源热泵配合后，能够提供较高温度的热水用于取暖，也能够较大程度的降低空气源热泵的能耗。采用封闭管桩的结构，能够扩大换热腔室的容积，并增大空气换热行程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的热能利用结构示意图。

图2为本发明中换热腔室的结构示意图。

图3为本发明中另一种结构的的热能利用示意图。

图4为本发明中多个热能腔室连通工作时的水平截面示意图。

图5为本发明中空气源热泵的原理结构简图。

图中：管桩1，输入管桩101，输出管桩102，封闭管桩103，顶盖层2，底垫层3，换热腔室4，地面5，换热管网6，空气源热泵7，压缩机71，膨胀阀72，气液分离器73，空气换热器74，水换热器75，构建物8，集风管9，抽风机10，排风管11，鼓风机12。

具体实施方式

如图1、3中，一种利用地底换热腔室的热能利用系统，至少一根输入管桩101与位于地面下的换热腔室4连通，换热腔室4与至少一根输出管桩102连通，输出管桩102与地面上的换热管网6连接，换热管网6的顶部设有排风管11。由此结构，通过换热管网6和排风管11的抽拔作用，使空气进入到地面下的换热腔室4内进行换热，加热后的空气进入到换热管网6内，再将热量交换给换热管网6，通过换热管网传递给构建物8，从而提高构建物8内的温度，实现利用地面下的换热腔室4取暖。

优选的方案如图1、3中，在输入管桩101设有鼓风机12和\或在排风管11设有抽风机10。通常管桩1的打入深度在地面以下10~1900米处。优选在50~500米，进一步优选在100~200米，通常确保换热后的空气温度在40~50℃。在这样的深度下，仅靠排风管11的抽拔作用不足以实现空气的流动，因此根据管桩1，包括输入管桩101和输出管桩102的深度，设置鼓风机12和\或抽风机10，以驱动空气的流动。与水循环的方案相比，驱动空气流动的方案能耗较低。

优选的方案如图1中，在输出管桩102与换热管网6之间设有空气源热泵7，空气源热泵7的空气换热器74密封的位于输出管桩102与换热管网6之间的管道内；由此结构，利用换热管网6进行换热，热风的利用效率较高。有利于降低空气源热泵7的能耗，或者以较小功率的空气源热泵7生产更多的热水，热水温度在60~65℃，热水通过管路输送到构建物内的取暖管网进行取暖。

或者另一可选的方案如图3中，在排风管11设有空气源热泵7，空气源热泵7的空气换热器74密封的位于排风管11内。该方案先利用换热后的热风与构建物8进行换热，然后再利用空气源热泵7生产热水，由于空气的流速较高，通常达到13~20米/秒，经过换热管网6换热后的热风，温度依然高于大气温度，该热风作为空气源热泵7的热源，仍能够在一定程度上降低空气源热泵7的能耗，由于经过换热管网6的换热，构建物8的内部温度有所上升，在不太冷的时段，能够暂停空气源热泵7的启用。通过缩短空气源热泵7的运行时间来降低能耗和延长设备的使用寿命。

优选的方案如图1、3中，所述的换热管网6安装在构建物8内，换热管网6内设有至少一根竖直的换热管。换热管也作为热风的通道。本例中采用了多根竖直的换热管，以提高换热效率。在多根竖直的换热管两端用水平管连通。

优选的方案如图1、3中，在换热管网6内还设有至少一根横向的换热管。在横向的换热管上设有阀门，用于调节换热的温度。

优选的方案如图4中，所述的空气源热泵7中，压缩机71的高压端通过管路与水换热器75连接，水换热器75通过管路与膨胀阀72连接，膨胀阀72通过管路与空气换热器74连接，空气换热器74通过管路与气液分离器73连接，气液分离器73通过管路与压缩机71的低压端连接。压缩机71将工作介质压缩成液态后输入到水换热器75内，压缩过程中释放的热量将水换热器75内的水加热至50~65℃。换热后的工作介质经过膨胀阀72，转换为气态，气态的工作介质在空气换热器74内被充分蒸发成气体，蒸发过程中吸收经过换热腔室4的热风中的热量，经过气液分离器73送入压缩机71内再次进行压缩，如此循环，实现热能的利用。

如图1~4中，一种制造地底换热腔室方法，包括以下步骤：

s1、在地面5以下通过管桩注入水泥砂浆形成顶盖层2和底垫层3；

水泥砂浆从管桩的侧面注入，管桩的端头封堵，根据地形结构和深度的不同，注浆压力为5~50mpa，管桩的打入深度在地面以下10~1900米处。本例中优选采用的注浆深度为100米~200米左右的位置，注浆压力为30mpa，顶盖层2与底垫层3的高度差为5~20米之间。优选的方案中，所述的水泥砂浆为缓凝水泥砂浆，初凝时间大于24h。本例中优选采用初凝时间大于72h的水泥砂浆。由此方案，避免水泥砂浆过早凝结，从而影响顶盖层2和底垫层3的横向扩展范围。为避免出现注浆裂隙垂直发展的问题，优选的方案，顶盖层2和底垫层3采用多次分层注浆的方式。优选的方案，采用先上端注浆然后下端注浆，注浆压力逐步增大，形成竖向截面为类三角形盘状结构的顶盖层2或底垫层3；

或者先下端注浆然后上端注浆，注浆压力逐步增大，形成竖向截面为类倒三角形盘状结构的顶盖层2或底垫层3；

又或者先上、下两端，然后再中间注浆的方式，形成竖向截面为类菱形盘状结构的顶盖层2或底垫层3；

优选的方案中，所述的水泥砂浆包括按重量份计以下组分：硅酸盐矿物粉体30~40份，火山灰活性粉体10~20份，无水硫铝酸盐矿物粉体5~10份、氧化硅颗粒35~55份、萘磺酸盐甲醛缩合物0.5~1.5份、缓凝剂0.2~0.5份、保水剂0.1~0.4份。

或者硅酸盐矿物粉体30~40份，火山灰活性粉体10~20份，无水硫铝酸盐矿物粉体5~10份、氧化铝陶瓷颗粒35~55份、萘磺酸盐甲醛缩合物0.5~1.5份、缓凝剂0.2~0.5份、保水剂0.1~0.4份。该方案的成本较高，但是抗压强度和导热性能更佳。

上述的方案中，缓凝剂优选采用糖钙或木质素磺酸盐，保水剂优选采用纤维素醚。

进一步优选的方案中，所述的水泥砂浆还包括以重量份计以下组分：铁砂30~80份作为骨料。由此方案，进一步提高水泥砂浆的导热性能。

s2、在顶盖层2与底垫层3之间压裂形成换热腔室4；

优选的方案中，压裂采用清水压裂或支撑剂压裂。压裂压力小于步骤s1中的注浆压力。

进一步优选的方案中，在压裂过程中，根据压力损失状况，分段注入水泥砂浆或支撑剂。即根据压力损失情况，当采用清水压裂时，分段注入水泥砂浆或支撑剂，以封堵远端裂隙。当采用支撑剂压裂时，分段注入水泥砂浆以封堵远端裂隙。支撑剂采用石英砂、铁砂、玻璃球或铝矾土陶瓷颗粒中的一种或多种与水形成的浆液。

通过以上步骤在地底形成换热腔室。

优选的方案中，所述的管桩为多个，各个管桩之间形成的换热腔室4互相连通。

优选的方案中，位于互相连通的换热腔室4边缘的管桩，分别为输入管桩101和输出管桩102，输入管桩101与输出管桩102之间的管桩1封闭。优选的，采用水泥灌浆的方式将输入管桩101与输出管桩102之间的管桩1封闭成为封闭管桩103，此处的灌浆水泥采用凝结速度较快的水泥，凝结速度高于前述的水泥砂浆，由此结构，延长了换热路径，并且增强热能腔室4的支撑强度。

更详细的施工步骤如下：

1、地形选择，目标地形为丘陵地带，地底200米处为花岗岩为主，混杂砂岩的地质条件。

2、以钻井设备打入管桩1，在地底200米处，以10~30mpa多次多层注入水泥砂浆形成竖向截面大致为正三角形盘状结构的顶盖层2；

3、待顶盖层2经过10d凝固后，在地底约210米处，以10~30mpa多次多层注浆形成竖向截面大致为倒三角形盘状结构的底垫层3；

4、待底垫层3经过10d凝固后，以15~25mpa，在地底约205米处，以支撑剂压裂形成热能腔室4，压裂压力为15~25mpa。形成热能腔室4时，最好一次成型，避免多次压裂使裂隙的扩张范围超出顶盖层2和底垫层3的覆盖范围。若一次成型失败，以1~6mpa压力注入凝结速度较快的水泥，凝结速度高于前述的水泥砂浆。初凝后，在失败热能腔室4的附近高度位置再次进行压裂施工操作。直至形成满意的热能腔室4。

5、优选的，如图2中所示，在热能腔室4外围半径30米处再次成型热能腔室4，使两个热能腔室4边缘部分交叉并连通，在压裂过程中，之前的管桩1需持续进行保压辅助压裂施工。

6、持续形成新的热能腔室4并互相连通，随着热能腔室4的逐步增加，热能腔室4成型施工的风险大幅增加，通常互相连通的热能腔室4不要超过5个。

7、从管桩1测试各个热能腔室4之间的连通状态，测试无误后，将中间的管桩1灌浆封堵成为封闭管桩103，灌浆过程中，采用凝结速度较快的水泥浆，采用1~6mpa的灌浆压力，施工过程中要避免水泥浆将封闭管桩103所在的热能腔室4封堵。

8、留下两个边缘的管桩1，分别作为输入管桩101和输出管桩102，其中输入管桩101接入高压风机进行鼓风，输出管桩102与构建物的换热管网6连通，经过换热后，从构建物的顶部抽风机直接排出到大气中。经测试，室外温度为3℃，室内温度为10℃条件下，输入管桩101输入风的温度为4℃，输出管桩102输出风速为13~20米/秒，输出风的温度为30℃，地底部分换热效果较为理想，具有实用价值。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。