一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法

一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法
【专利摘要】本发明涉及暖通空调行业地源热泵领域及生活热水供应【技术领域】，主要涉及一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法。包括表层覆盖层（1）、含水层（2）、强岩层基岩（3）、粘土球回填层（4）、砾石填料层（5）、水泥注浆层（6）、上层套管（7）、过滤管（8）、钢制套管（9）、裸井侧壁（10）、潜水泵（11）、板式换热器（12）、二次侧循环泵（13）、地源热泵机组（14）、用户侧循环泵（15）、用户末端（16）、分流阀门（17）、常规回灌井（18）及相关管道。其优点是：彻底解决了水源热泵回灌问题，解决了单井循环系统热贯通的问题。换热效率高，占地面积小、施工工期短、适用性强，系统成本低、寿命长。
【专利说明】一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及暖通空调行业地源热泵领域及生活热水供应【技术领域】，具体的说是一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法。
【背景技术】
[0002]近几年来，环境问题日益严峻，节能已经成为潮流，环保已经成为不可阻挡的趋势。在建筑节能领域中，地源热泵作为一种节能、环保、绿色的中央空调系统，越来越多的受到人们的重视。然而，众所周知，国内目前主要采用的是垂直埋管式地源热泵系统(GCHP)和水源热泵系统(GWHP)，垂直埋管系统因其初投资较高，制约了进一步推广与应用，水源热泵系统因其回灌难度大，对地质结构有潜在影响而发展受限。
[0003]国外在丘陵地区，地下岩层致密的区域采用一种单井循环系统(SCW)，换热效率高，钻孔数目少，有着独特的优势。然而，该系统也有着两方面局限，其一使用地域受限严重(只适宜在开孔即强岩层，如花岗岩、石英砂岩等地区及覆盖层不厚(30m以内)且覆盖层下为强岩层的地区)，其二存在垂直埋管地源热泵系统不存在的问题一热贯通。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是研制一种解决水源热泵回灌，成本低、寿命长、换热效率高的复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法。
[0005]本发明提供的一种复合式地源热泵系统，包括:表层覆盖层1、含水层2、强岩层基岩3、粘土球回填层4、砾石填料层5、水泥注浆层6、上层套管7、过滤管8、钢制套管9、裸井侧壁10、潜水泵11、板式换热器12、二次侧循环泵13、地源热泵机组14、用户侧循环泵15、用户末端16、分流阀门17、常规回灌井18及相关管道；在表层覆盖层1、含水层2、强岩层基岩3内2-3m的空间里依次向上设置所述钢制套管9、过滤管8、上层套管7，所述上层套管7与过滤管8及钢制套管9通过丝扣连接，在钢制套管9与强岩层基岩3间隙内设置有2-3m的水泥注浆层6，水泥注浆层6上部含水层2间隙内设置有砾石填料层5，在砾石填料层5上部表层覆盖层I间隙内设置有粘土球回填层4，直至地表；
所述裸井侧壁(10)为钻机在强岩层基岩(3)内钻孔形成的圆柱状型井壁，裸井侧壁
(10)位于钢制套管(9)以下，上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)、裸井侧壁(10)依次向下形成一个“T”型容器，所述潜水泵(11)设置在“T”型容器底部，所述常规回灌井(18)设置在表层覆盖层(I)、含水层(2)的空间里，强岩层基岩(3)之上；所述潜水泵(11)通过管道与板式换热器(12) —次侧进水端连接，板式换热器(12)的回水端通过回水管道连接一个三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端与分流阀门(17)—端连接，分流阀门(17)另一端通过管道接至常规回灌井(18);板式换热器(12)的二次侧依次与二次侧循环泵(13)、地源热泵机组(14)的地源侧通过管道连接后形成循环回路，所述地源热泵机组
(14)的负载侧依次与所述用户侧循环泵(15)、用户末端(16)通过管道连接后形成循环回路。[0006]所述含水层2厚度不超过50m,所述强岩层基岩3深入距离为IOOm?500m。
[0007]所述粘土球回填层4中粘土球的粒径为4-5cm，粘土球回填层4层厚为表层覆盖层I厚度，所述砾石填料层5采用直径5-10 mm的砾石填充，砾石填料层5填充厚度为含水层2层厚；所述水泥注浆层6的填充厚度为2-3m。
[0008]所述上层套管7、过滤管8、钢制套管9管径均为325mm。
[0009]所述潜水泵11与“T”型容器底部的距离为5m。
[0010]所述分流阀门17的开度为O-极限开度，极限开度为常规回灌井18的回灌量达到极限时分流阀门17对应的开度。
[0011]所述常规回灌井18与所述“T”型换热器的水平距离为30-60m。
[0012]所述“T”型容器可以并联设置多个，“T”型容器上部直径为325mm，高度不超过50m，“T”型容器下部直径为200mm，高度为100_500m。
[0013]本发明还提供了一种解决水源热泵回灌的方法，包括以下步骤:
a、采用水井钻机成孔，孔径为550?600mm，钻机首先穿透表层覆盖层I，之后进入到含水层2，揭穿含水层2后，钻机进入强岩层基岩3，进入强岩层基岩3深度为2?3m后停钻，在钻孔内向上依次设置钢制套管9、过滤管8及上层套管7，上层套管7与过滤管8及钢制套管9通过丝扣连接；
b、在钻孔与钢制套管9的间隙注入水泥浆，注入深度2?3m，凝固后形成水泥注浆层
6 ；
C、在水泥注浆层6凝固后，在水泥注浆层6上部安装砾石填料，砾石填料至含水层2顶部2-3m时结束，形成砾石填料层5，在砾石填料层5上方安装粘土球回填层4，至地表为止；
d、在完成以上工序后，再次架设钻机，在上层套管7、过滤管8及钢制套管9中间继续向下钻孔，钻孔孔径为200mm，钻孔深入强岩层基岩(3)距离为100-500m，钻孔完成后形成一个由上层套管7、过滤管8、钢制套管9及下部裸井侧壁10组成的“T”型容器。在距离“T”型容器30-60m的地方架设钻机，穿透表层覆盖层I，之后进入到含水层2钻取一 口常规回灌井18 ；
e、向“T”型容器注入清水，形成一个“T”型换热器，在“T”型换热器底部安装潜水泵11，通过管道将潜水泵11接至板式换热器12的一次侧，板式换热器12的二次侧依次与二次侧循环泵13、地源热泵机组14的地源侧连接后形成循环回路，所述地源热泵机组14的负载侧依次与所述用户侧循环泵15、用户末端16连接后形成循环回路，经过板式换热器12换热后的回水管道上设置三通，三通一端连接至“T”型换热器上部，三通另一端安装分流阀门17，分流阀门17通过管道与常规回灌井18相连。
[0014]所述“T”型换热器可以并联设置多个。
[0015]本发明提供的一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法，其优点是:
1、彻底解决了水源热泵回灌问题，可以做到100%回灌。
[0016]2、解决了单井循环系统热贯通的问题。
[0017]3、换热效率高，较常规地埋管式地源热泵效率高大大提高，一个“T”型换热器能提供的热量可达1500kW。
[0018]4、占地面积小、施工工期短、适用性强。
[0019]5、系统成本低、寿命长，寿命可达常规水源热泵水井寿命的10倍以上。【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为本发明一种复合式地源热泵系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，一种复合式地源热泵系统，包括:表层覆盖层1、含水层2、强岩层3、粘土球回填层4、砾石填料层5、水泥注浆层6、上层套管7、过滤管8、钢制套管9、裸井侧壁
10、潜水泵11、板式换热器12、二次侧循环泵13、地源热泵机组14、用户侧循环泵15、用户末端16、分流阀门17、常规回灌井18及相关管道；在表层覆盖层1、含水层2、强岩层基岩3内2-3m的空间里依次向上设置钢制套管9、过滤管8、上层套管7，上层套管7与过滤管8及钢制套管9通过丝扣连接，在钢制套管9与强岩层基岩3间隙内设置有水泥注浆层6，水泥注浆层6上部含水层2间隙内设置有砾石填料层5，在砾石填料层5上部表层覆盖层I间隙内设置有粘土球回填层4，直至地表；
裸井侧壁(10)为钻机在强岩层基岩(3)内钻孔形成的圆柱状型井壁，裸井侧壁(10)位于钢制套管(9)以下，上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)、裸井侧壁(10)依次向下形成一个“T”型容器，所述潜水泵(11)设置在“T”型容器底部，所述常规回灌井(18)设置在表层覆盖层(I)、含水层(2)的空间里，强岩层基岩(3)之上；所述潜水泵(11)通过管道与板式换热器(12) —次侧进水端连接，板式换热器(12)的回水端通过回水管道连接一个三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端与分流阀门(17)—端连接，分流阀门(17)另一端通过管道接至常规回灌井(18);板式换热器(12)的二次侧依次与二次侧循环泵(13)、地源热泵机组(14)的地源侧通过管道连接后形成循环回路，所述地源热泵机组(14)的负载侧依次与所述用户侧循环泵(15)、用户末端(16)通过管道连接后形成循环回路。
[0022]本实施例中，“T”型容器可以并联设置多个，“T”型容器上部直径为325mm，高度不超过50m，“T”型容器下部直径为200mm，高度为100_500m。
[0023]本发明还提供了一种解决水源热泵回灌的方法，包括以下步骤:
a、采用水井钻机成孔，孔径为550?600mm，钻机首先穿透表层覆盖层I，之后进入到含水层2，揭穿含水层2后，钻机进入强岩层基岩3，进入强岩层基岩3深度为2?3m后停钻，在钻孔内向上依次设置钢制套管9、过滤管8及上层套管7，上层套管7与过滤管8及钢制套管9通过丝扣连接；
b、在钻孔与钢制套管9的间隙注入水泥浆，注入深度2?3m，凝固后形成水泥注浆层
6;水泥注浆层6确保钢制套管9嵌入强岩层基岩3 ；
C、在水泥注浆层6凝固后，在水泥注浆层6上部安装砾石填料，砾石填料至含水层2顶部2-3m时结束，形成砾石填料层5，在砾石填料层5上方安装粘土球回填层4，至地表为止；
d、在完成以上工序后，再次架设钻机，在上层套管7、过滤管8及钢制套管9中间继续向下钻孔，钻孔孔径200mm,钻孔深入强岩层基岩3为100-500m,钻孔完成后形成一个由上层套管7、过滤管8、钢制套管9及下部裸井侧壁10组成的“T”型容器。在距离“T”型容器30-60m的地方架设钻机，穿透表层覆盖层I，之后进入到含水层2钻取一 口常规回灌井18 ；
e、向“T”型容器注入清水，形成一个“T”型换热器，在“T”型换热器底部安装潜水泵11，通过管道将潜水泵11接至板式换热器12的一次侧，板式换热器12的二次侧依次与二次侧循环泵13、地源热泵机组14的地源侧连接后形成循环回路，所述地源热泵机组14的负载循环侧依次与所述用户侧循环泵15、用户末端16连接后形成循环回路，经过板式换热器12换热后的回水管道上设置三通，三通一端连接至“T”型换热器上部，三通另一端安装分流阀门17，分流阀门17通过管道与常规回灌井18相连。
[0024]本实施例中，“T”型换热器可以并联设置多个。
[0025]本实施例中:表层覆盖层I厚度为当地实际表层覆盖层厚度。含水层2厚度不超过50m。强岩层基岩3为石英砂岩、花岗岩、娃质灰岩、娃质胶结碌岩等致密的遇水不易坍塌的岩层。粘土球回填层4中粘土球的粒径为4-5cm，层厚为表层覆盖层厚度，采用粘土封堵，为常规水井用封堵材料及封堵方法。砾石填料层5采用直径5-10 _的砾石填充，填充厚度为含水层厚度。水泥注浆层6采用水泥注浆，厚度为2?3m，注浆凝固后钢制套管9嵌入强岩层基岩3。
[0026]上层套管7为钢管，Φ325mm，厚度8mm，底部与过滤管8通过丝扣连接。过滤管8为花管，采用Φ325的钢管，在其表面上钻凿圆形网眼或条形孔，呈梅花状排列，圆眼直径20mm，纵向眼距60mm，在滤水管外壁铺设若干垫筋，为0 6-0 8mm，然后包裹60目的尼龙网。钢制套管9为钢管，Φ325ι?πι,厚度8mm,上部与过滤管8通过丝扣连接。裸井侧壁10为钻孔形成的强岩层基岩3壁面，Φ200mm，裸井底部与钢制套管9的实际距离选择为400m。
[0027]潜水泵11:安装于强岩层基岩3钻孔内，距离强岩层基岩3钻孔底部5m。板式换热器12为常规换热器。二次侧循环泵13为清水泵。地源热泵机组14为换热机组。用户侧循环泵15为清水泵。用户末端16为风机盘管、地板辐射采暖盘管、新风机组中的一种。
[0028]分流阀门17为电动可调式比例调节阀，平时阀门开度控制在10%以内，能大大延长换热器寿命，使寿命能达30年以上；通过调节分流阀门17的开度可以控制回灌量，当常规回灌井18达到最大回灌能力时分流阀门17会有一个对应的开度，此开度为极限开度，分流阀门17的开度在O?极限开度内。可以通过分次逐步调大分流阀门17的开度，观测回灌井18的水位，直至常规回灌井18的水位将溢未溢且又达到平衡时，此时对应的阀门开度为极限开度，此时能够确保100%回灌；在该系统出现热贯通的情况下调大分流阀门17的开度，可以使系统很快恢复正常，彻底解决热贯通。常规回灌井18为常规水井，内部Φ325的上层套管7及Φ325的过滤管8，用于分流的10%以内的水的回灌，距离“T”型换热器30?60mo
[0029]本发明提供的一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法的工作原理:潜水泵11从“T”型换热器底部抽水经过管路将水送往板式换热器12换热，经过换热后的水流经三通，一部分水回到“T”型换热器上部，在潜水泵11的抽吸作用下，水沿着“T”型换热器自上而下流动，在流动过程中不断与岩壁换热，到达底部后又被潜水泵11抽至板式换热器12换热，形成第一个循环，第一个循环回水上设置有三通。经过三通后的另一部分水经过分流阀门17送至常规回灌井18。由于分流作用，“T”型换热器上部水位下降，含水层2会通过过滤管8不停的补充水，补水的量与分流阀门17分流的水量平衡。板式换热器12的二次侧通过二次侧循环泵13将自一次侧的冷(热)量送至热泵机组14的地源侧进行循环换热，这是第二个循环，热泵机组14的另一侧即负载侧在用户侧循环泵15的作用下将冷(热)送往末端用户16，为用户提供冷热服务，这是第三个循环。经过三个循环，该新型复合地源热泵系统持续、稳定、高效的为用户提供冷热服务。[0030]本发明提供的一种复合式地源热泵系统及解决水源热泵回灌的方法的优点是:
1、彻底解决了水源热泵回灌问题，可以做到100%回灌。
[0031]2、解决了单井循环系统热贯通的问题。
[0032]3、换热效率高，较常规地埋管式地源热泵效率高大大提高，一个“T”型换热单元能提供的热量可达1500kW。
[0033]4、占地面积小、施工工期短、适用性强。
[0034]5、系统成本低、寿命长，寿命可达常规水源热泵水井寿命的10倍以上。
[0035]经过实践证明，该发明在某地源热泵综合试验平台经过多次试验，试验结果证明该发明应用效果良好，优势明显。
【权利要求】
1.一种复合式地源热泵系统，其特征在于:包括表层覆盖层(1)、含水层(2)、强岩层基岩(3)、粘土球回填层(4)、砾石填料层(5)、水泥注浆层(6)、上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)、裸井侧壁(10)、潜水泵(11)、板式换热器(12)、二次侧循环泵(13)、地源热泵机组(14)、用户侧循环泵(15)、用户末端(16)、分流阀门(17)、常规回灌井(18)及相关管道；在表层覆盖层(1)、含水层(2)、强岩层基岩(3)内2-3m的空间里依次向上设置所述钢制套管(9)、过滤管(8)、上层套管(7)，所述上层套管(7)与过滤管(8)及钢制套管(9)通过丝扣连接，在钢制套管(9)与强岩层基岩(3)间隙内设置有水泥注浆层(6)，水泥注浆层(6)上部含水层(2)间隙内设置有砾石填料层(5)，在砾石填料层(5)上部表层覆盖层(1)间隙内设置有粘土球回填层(4)，直至地表；所述裸井侧壁(10)为钻机在强岩层基岩(3)内钻孔形成的圆柱状型井壁，裸井侧壁(10)位于钢制套管(9)以下，上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)、裸井侧壁(10)依次向下形成一个“T”型容器，所述潜水泵(11)设置在“T”型容器底部，所述常规回灌井(18)设置在表层覆盖层(1)、含水层(2)的空间里，强岩层基岩(3)之上；所述潜水泵(11)通过管道与板式换热器(12) 一次侧进水端连接，板式换热器(12)的回水端通过回水管道连接一个三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端与分流阀门(17)—端连接，分流阀门(17)另一端通过管道接至常规回灌井(18);板式换热器(12)的二次侧依次与二次侧循环泵(13)、地源热泵机组(14)的地源侧通过管道连接后形成循环回路，所述地源热泵机组(14)的负载侧依次与所述用户侧循环泵(15)、用户末端(16)通过管道连接后形成循环回路。
2.根椐权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述含水层(2)厚度不超过50m ;所述强岩层基岩(3)深入距离为1OOm~500m。
3.根椐权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述粘土球回填层(4)中粘土球的粒径为4-5cm，粘土球回填层(4)层厚为表层覆盖层(1)厚度，所述砾石填料层(5)采用直径5-10 mm的砾石填充，砾石填料层(5)填充厚度为含水层(2)层厚；所述水泥注浆层(6)的填充厚度为2-3m。
4.根椐权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)管径均为325mm。
5.根据权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述潜水泵(11)与T型容器底部的距离为5m。
6.根椐权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述分流阀门(17)的开度为O-极限开度，极限开度为常规回灌井(18)的回灌量达到极限时分流阀门17对应的开度。
7.根椐权利要求1所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述常规回灌井(18)与所述“T”型容器的水平距离为30-60m。
8.根椐权利要求7所述的一种复合式地源热泵系统，其特征在于:所述“T”型容器可以并联设置多个，“T”型容器上部直径为325mm，高度不超过50m，“T”型容器下部直径为200mm,高度为 100-500m。
9.一种解决水源热泵回灌的方法，其特征在于:包括以下步骤:a、采用水井钻机成孔，孔径为550~600mm，钻机首先穿透表层覆盖层(1 )，之后进入到含水层(2 )，揭穿含水层(2 )后，钻机进入强岩层基岩(3 )，进入强岩层基岩(3 )深度为2~3m后停钻，在钻孔内向上依次设置钢制套管(9)、过滤管(8)及上层套管(7)，上层套管(7)与过滤管(8)及钢制套管(9)通过丝扣连接；b、在钻孔与钢制套管(9)的间隙注入水泥浆，注入深度2~3m，凝固后形成水泥注浆层(6)；C、在水泥注浆层(6)凝固后，在水泥注浆层(6)上部安装砾石填料，砾石填料至含水层(2)顶部2-3m时结束，形成砾石填料层(5)，在砾石填料层(5)上方安装粘土球回填层(4)，至地表为止；d、在完成以上工序后，再次架设钻机，在上层套管(7)、过滤管(8)及钢制套管(9)中间继续向下钻孔，钻孔孔径为200mm，钻孔深入强岩层基岩(3)距离为100-500m，钻孔完成后形成一个由上层套管(7)、过滤管(8)、钢制套管(9)及下部裸井侧壁(10)组成的“T”型容器；在距离“T”型容器30-60m的地方架设钻机，穿透表层覆盖层1，之后进入到含水层2钻取一口常规回灌井(18);e、向“T”型容器注入清水，形成一个“T”型换热器，在“T”型换热器底部安装潜水泵(11)，通过管道将潜水泵(11)接至板式换热器(12)的一次侧，板式换热器(12)的二次侧依次与二次侧循环泵(13)、地源热泵机组(14)的地源侧连接后形成循环回路，所述地源热泵机组(14)负载侧依次与所述用户侧循环泵(15)、用户末端(16)通过管道连接后形成循环回路，经过板式换热器(12) 二次侧换热后的回水管道上设置三通，三通一端连接至T型换热器上部，三通另一端安装分流阀门(17)，分流阀门(17)通过管道与常规回灌井(18)相连。
10.根据权利要 求9所述的一种解决水源热泵回灌的方法，其特征在于:所述的“T”型换热器可以并联设置多个。
【文档编号】F25B30/06GK103940151SQ201410139688
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】李海峰, 高学军, 兰垒 申请人:中冶集团武汉勘察研究院有限公司