增强封闭式中深层埋管换热系统的制作方法

本发明属于地热能设备技术领域，具体涉及一种增强封闭式中深层埋管换热系统。

背景技术：

随着传统化石能源的日益紧缺，人们对能源安全、气候变化的担忧与日俱增，地热能源也越来越得到关注和认可。在寒冷的北方地区，空气源和太阳能受当地气候环境影响极大，利用空气源和太阳能作为取暖热源是极不稳定的，而地热能作为一种绿色低碳、用之不竭的可再生能源越来越受到重视。其中，中深层地热能是热应用领域最具价值和潜力的来源，主要是指地下2-3km，温度在70-90℃甚至更高范围的地层中蕴含的热能资源。中深层地热能热源充足，可利用价值高，不会对环境造成污染，还能实现全天候全时段应用，具有绿色低碳、清洁安全、储量大、分布广、稳定性好等特点，并且本着不污染地下水资源的原则，我国封闭式中深层套管换热得到了很大的发展。中深层套管式地源热泵是通过一口中深层的井换热，通过地源热泵主机制热再提升，提供给建筑末端热能。但目前为止，由于普通封闭式中深层套管换热方式是的单井直井，故换热面积小，换热效率低；套管形式，故内管规格小；供回水温差小；所以整体换热量小。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种地源热泵竖直双S型埋地换热器[申请号：201120389804.7]，包括水平方向S型换热器、垂直方向S型换热器。水平方向S型换热器与垂直方向S型换热器呈相互垂直的空间布置状态。双S型埋地换热器放在事先打好的热交换井内，最后再埋上回填材料，便可与周围的土壤进行换热。

上述结构主要是通过两个呈S型的换热器来提高单井的换热效率，虽然比常规的单U型、双U型换热器换热效率有一定的提升，但是其实质上依然采用单井换热，故该方案依然存在着：换热面积小、换热效率低、供回水温差小、整体换热量小等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，提高埋管的换热面积的增强封闭式中深层埋管换热系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本增强封闭式中深层埋管换热系统，包括沿竖直方向设置且在水平方向错位设置的回水竖井和出水竖井，所述的回水竖井内穿设有内部设有载冷剂的回水垂直管，所述的出水竖井内穿设有出水垂直管，且所述的回水垂直管上端为回水端，所述的出水垂直管上端为出水端，所述的回水竖井下端设有至少一个水平设置的回水水平井，所述的出水竖井下端设有至少一个与回水水平井位于同一水平面的出水水平井，且所述的出水水平井和回水水平井相互平行且错位设置，所述的回水水平井内穿设有与回水垂直管相连通的回水水平横管，所述的出水水平井内穿设有与出水垂直管相连通的出水水平横管，且所述的回水水平横管和出水水平横管之间设有能将回水垂直管内的载冷剂经回水水平横管引流至出水水平横管直至出水垂直管的支管连通结构。

本发明的目的是充分利用水平横管和支管连通结构来增加埋管的换热面积，从而增加换热量。在地面下一定深度的高温地层中通过回水水平井将回水竖井相连，通过出水水平井将出水竖井相连，回水水平横管和出水水平横管以及支管连通结构分别将回水垂直管和出水垂直管连通，在高温地层中充分取热后通过出水垂直管将高温载冷剂送出至地面制取稳定热源。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的回水竖井下端自上向下依次设有若干回水水平井，每一个回水水平井等间距依次相互平行设置；所述的出水竖井下端自上向下依次设有若干分别和回水水平井一一对应设置的出水水平井，且每一个出水水平井等间距依次相互平行设置，且任意一个回水水平井和相对应的出水水平井位于同一水平面上。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的回水竖井和出水竖井深度相同，且所述的回水水平井分别依次设置在回水竖井下端2400～3000米处；所述的出水水平井分别依次设置在出水竖井下端2400～3000米处。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的支管连通结构包括若干分别设置在位于水平面上的回水水平横管和出水水平横管之间的水平支管，且所述的水平支管呈直管状或弯曲管状，每一个水平支管一端均和回水水平横管相连通，另一端均和出水水平横管相连通。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的水平支管分别依次等间距且相互平行设置，且所述的回水水平横管端部和出水水平横管端部均连接有水平支管。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的回水竖井和回水垂直管之间、出水竖井与出水垂直管之间、回水水平井和回水水平横管之间以及出水水平井和出水水平横管之间分别通过固井水泥相连。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的回水垂直管上端周向外侧设有第一保温层。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的第一保温层设置在回水垂直管由上端顶部向下延伸至600米范围内。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的出水垂直管上端至中部的周向外侧设有第二保温层。

在上述增强封闭式中深层埋管换热系统中，所述的第二保温层设置在出水垂直管由上端顶部向下延伸至2400米范围内。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、此系统对地下环境仅仅是取热不取水，对地下水环境无任何污染。2、此系统在高温地层采用水平横管和水平支管来增加埋管的换热面积这个方式，而且随着水平横管和水平支管的长度变化，埋管换热量可以成十倍或百倍的变化。系统换热量可以显著增加。3、通过对垂直埋管采取有效的保温措施，能防止系统热量损失，保证系统高效换热的稳定成果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的横向剖视图；

图中，回水竖井1、出水竖井2、载冷剂3、回水垂直管4、回水端41、第一保温层42、出水垂直管5、出水端51、第二保温层52、回水水平井6、出水水平井7、回水水平横管8、出水水平横管9、支管连通结构10、水平支管101、固井水泥102。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-2所示，本增强封闭式中深层埋管换热系统，包括沿竖直方向设置且在水平方向错位设置的回水竖井1和出水竖井2，这里的回水竖井1和出水竖井2深度相同，应确保深度在3000 米以上，回水竖井1内穿设有内部设有载冷剂3的回水垂直管4，出水竖井2内穿设有出水垂直管5，且回水垂直管4上端为回水端41，出水垂直管5上端为出水端51，其中，回水竖井1下端自上向下依次设有若干回水水平井6，每一个回水水平井6等间距依次相互平行设置，为了采集中深层地热源，这里的回水水平井 6分别依次设置在回水竖井1下端2400～3000米处；例如，可以每隔200米进行设置，这样2400～3000米范围内设置4个回水水平井6。同样的，出水竖井2下端自上向下依次设有若干分别和回水水平井6一一对应设置的出水水平井7，且每一个出水水平井7等间距依次相互平行设置，且出水水平井7分别依次设置在出水竖井2下端2400～3000米处。且任意一个回水水平井6和相对应的出水水平井7位于同一水平面上，且位于同一水平面上的出水水平井7和回水水平井6相互平行且错位设置，回水水平井 6内穿设有与回水垂直管4相连通的回水水平横管8，出水水平井 7内穿设有与出水垂直管5相连通的出水水平横管9，且回水水平横管8和出水水平横管9之间设有能将回水垂直管4内的载冷剂 3经回水水平横管8引流至出水水平横管9直至出水垂直管5的支管连通结构10。

本发明的目的是充分利用回水水平横管8和出水水平横管9 以及支管连通结构10来增加埋管的换热面积，从而增加换热量。在地面下一定深度的高温地层中通过回水水平井6将回水竖井1 相连，通过出水水平井7将出水竖井2相连，回水水平横管8和出水水平横管9以及支管连通结构10分别将回水垂直管4和出水垂直管5连通，在高温地层中充分取热后通过出水垂直管5将高温载冷剂送出至地面制取稳定热源。

优选地，这里的支管连通结构10包括若干分别设置在位于水平面上的回水水平横管8和出水水平横管9之间的水平支管101，且水平支管101可以设置呈直管状，如图2所示，同时，每一个水平支管101一端均和回水水平横管8相连通，另一端均和出水水平横管9相连通；当然，为了提高换热面积和换热效率，这里的水平支管101也可以设置呈弯曲状，例如，S型管，弧形管等。为了提高换热的稳定性，这里的水平支管101分别依次等间距且相互平行设置，且回水水平横管8端部和出水水平横管9端部均连接有水平支管101。

进一步，这里的回水竖井1和回水垂直管4之间、出水竖井 2与出水垂直管5之间、回水水平井6和回水水平横管8之间以及出水水平井7和出水水平横管9之间分别通过固井水泥102相连，埋管与井之间用固井水泥102进行固井，固井水泥102导热系数较高能增加换热且有固井作用。

本实施例的原理在于：在地面下2400～3000米深的高温地层中通过回水水平井6、出水水平井7将回水竖井1和出水竖井2 相连，回水水平横管8、出水水平横管9和水平支管101将回水垂直管4和出水垂直管5相连，在高温地层中充分取热后通过出水垂直管5将高温载冷剂3送出至地面制取稳定热源。这一方法充分利用了回水水平横管8、出水水平横管9和水平支管101来增加埋管的换热面积，从而增加埋管换热量。回水端41的回水竖井1、出水端51的出水竖井2和回水水平井6以及出水水平井7 形成一个多层U字形井，一供一回形成封闭式系统环路，系统取热不取水对地下水资源无任何污染破坏作用；并且在开挖规格一定的条件下，相对套管换热系统，此系统的埋管管径大，则流量大、换热量大；

当回水垂直管4内载冷剂3到达高温岩土段2400～3000米深时，载冷剂3可分多层从回水水平横管8流入至水平支管101，再由相对应的出水水平横管9汇流入出水垂直管5内，这一措施能大大加强埋管与岩土体的接触面积，换热接触面不仅仅局限在一个平面上，此处已经上升为一个立体空间内。而且随着回水水平横管8、出水水平横管9和水平支管101的长度增加，埋管换热量可以成十倍或百倍的增加。

其中，这里的回水垂直管4上端周向外侧设有第一保温层42，第一保温层42设置在回水垂直管4由上端顶部向下延伸至600 米范围内。当25～35℃中低温的载冷剂3进入回水端41的回水垂直管4时，为了防止回水端41热量被中浅层岩土体吸收，防止系统热量散失，在0～600米深度对回水垂直管4用保温材料制成的第一保温层42进行保温.

更进一步地，这里的出水垂直管5上端至中部的周向外侧设有第二保温层52，优选，第二保温层52设置在出水垂直管5由上端顶部向下延伸至2400米范围内。当载冷剂3从回水水平横管 8经过水平支管101进入出水水平横管9时，载冷剂3汇总至出水垂直管5的出水端51，经过保温后的出水端51的出水垂直管5 将高温载冷剂3送至出水端51进入用户。载冷剂3在2400～3000 米深空间内换热制取到最高温热源95℃后，为减少系统高温热源热量损失，对出水端51的出水垂直管5从汇总处2400米深至地面0标高处用保温材料制成的第二保温层52采用全程保温措施。此种增强封闭式中深层埋管换热方式能做到超高效换热并且热量零损失的目的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了回水竖井1、出水竖井2、载冷剂3、回水垂直管4、回水端41、第一保温层42、出水垂直管5、出水端51、第二保温层52、回水水平井6、出水水平井7、回水水平横管8、出水水平横管9、支管连通结构10、水平支管101、固井水泥102等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。