一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统，属于技术领域。


背景技术：

2.我国煤炭和铁矿等利用总量大，对地下矿产资源的开采不断，当储量开采完毕后，废弃的矿井越来越多。
3.废弃矿井井巷总里程长，平均深度深，井巷热量足，同时矿井关闭停止排水后，井巷井水会快速回弹淹没，形成了丰富的井巷井水资源。随着城市建设区域的扩大和新农村的建设的开展，为新的资源利用形式的实现创造了必要条件，废弃矿井的应用和治理需要进一步进行挖掘利用。


技术实现要素：

4.废弃矿井具有井巷长、地下空间大和埋设深的特点，使得井巷岩土及井水具有地热资源丰富和存储能量的优势，本发明结合热泵技术、充分利用废弃矿井有利条件，以井水为介质向废弃矿井地下岩土及井水提取和存储能量，用于向用能端提供冷水或热水。
5.本发明提供的一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统，采用如下的技术方案：一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统，包括：水源系统，所述水源系统用于提供冷源水和热源水，并且所述水源系统能够与地下岩土和井水进行冷热量交换；和能源站机房，所述能源站机房与所述水源系统通过管道连通，用于抽取所述冷源水或所述热源水，制取冷水或热水并输送至用能端；所述水源系统和所述能源站机房用于实现所述冷源水和所述热源水的循环；所述水源系统包括：矿井竖井，所述矿井竖井用于实现从地下水位表面抽水和排水；和新建水井，所述新建水井用于实现从深部井巷内抽水或排水。
6.通过采用上述技术方案，水源系统和能源站机房连通，将热源水和冷源水作为能源站机房的热量和冷量来源，充分利用废弃矿井的有利条件，以井水为介质向废弃矿井地下岩土提取和存储能量，为用能端提供冷水或热水；具有更高的效率和更低的建设成本，同时结合废弃矿井的治理工作，实现变废为宝的目的。
7.优选的，还包括：辅助散热系统，所述辅助散热系统用于使冷源水温度保持在设定范围之内。
8.通过采用上述技术方案，当冷源水的温度过高时，辅助散热系统开始按照散热的需求进行工作，使得进入能源站机房的冷源水温度保持在设定范围内。
9.优选的，所述矿井竖井内设置有第一抽水管和第一排水管；所述第一抽水管的一端设置有第一潜水泵，所述第一潜水泵位于所述矿井竖井水位之下；所述第一抽水管设置有第一阀门；所述第一排水管设置有第二阀门；所述第一排水管的一端与所述能源站机房
连通；所述新建水井与所述矿井竖井的间距为设定距离；所述新建水井内设置有第二抽水管和第二排水管，所述第二抽水管的一端设置有第二潜水泵，所述第二潜水泵位于所述新建水井水位之下；所述第二抽水管设置有第三阀门；所述第二排水管的一端与所述能源站机房连通；所述第二排水管设置有第四阀门；所述水源系统还包括：沉淀池，所述沉淀池用于沉淀和过滤所述冷源水和所述热源水内的杂质并替换所述冷源水和所述热源水；所述沉淀池设置有抽水管；所述抽水管设置有第五阀门；所述抽水管与所述第一抽水管的另一端连通；所述抽水管与所述第二抽水管的另一端连通。
10.通过采用上述技术方案，当能源站机房制取热水时，新建水井作为抽水井，矿井竖井作为排水井，第二潜水泵工作，第二阀门、第三阀门、第五阀门打开，通过新建水井抽取深部井巷较高温度的热源水，经过利用后通过矿井竖井排入地下水位表面附近，热源水由浅及深经过岩土和净水的逐步加热再循环到新建水井的吸入口，实现热源水温度最高的目的；当能量站制取冷水时，第一潜水泵工作，第一阀门、第四阀门和第五阀门开启，新建水井作为排水井，矿井竖井作为抽水井，通过矿井竖井从地下水位表面附近抽取较低温度的冷源水，经过利用后由新建水井排入深部井巷，冷源水由深到浅经过岩土和井水逐步降温后，再循环到地下水位表面附近的吸入口，实现冷源水温度最低的目的；为增大井水和岩土的换热量，新建水井与矿井竖井的距离需要大于设定距离，设定距离根据能源站机房的装机容量、管道的经济成本和现场的安装条件综合确定；通过设置沉淀池，保障本发明的稳定性。
11.优选的，所述能源站机房包括：热泵机组，所述热泵机组设置有第三抽水管和第三排水管；所述第三抽水管设置有源水循环水泵；所述第三排水管设置有第六阀门；所述热泵机组通过所述第三抽水管与所述沉淀池连通；所述热泵机组通过所述第三排水管和所述第一排水管与所述矿井竖井连通；所述热泵机组通过所述第三排水管和所述第二排水管与所述新建水井连通；所述热泵机组还设置有第四抽水管和第四排水管；所述第四抽水管设置有用能端循环泵；所述热泵机组与所述第四抽水管的一端连通，所述第四抽水管的另一端与所述用能端连接；所述用能端与所述第四排水管的一端连通，所述第四排水管的另一端与所述热泵机组连通；和控制机构，所述控制机构与所述第一潜水泵、所述第二潜水泵、所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门、所述第五阀门、所述第六阀门、所述源水循环水泵、所述用能端循环泵和所述热泵机组均通信连接。
12.通过采用上述技术方案，能够制取冷水或热水，此时，第六阀门开启；当制取热水时，提取热源水中的热量释放到用能端的热水中；当制取冷水时，提取用能端冷水中的热量，释放至冷源水中。
13.优选的，所述热泵机组划分为一级热泵机组和二级热泵机组；所述一级热泵机组与所述二级热泵机组之间为梯级利用。
14.当热源水温度较高时，热源水的可利用温差大，通过采用上述技术方案，实现热源水的梯级利用，提高本发明的工作效率。
15.优选的，所述辅助散热系统为浅层水源水井、冷却塔或热泵热水器中的一种或多种。
16.通过采用上述技术方案，能够根据实际情况选择合适的辅助散热方式，保证进入热泵机组的冷源水温度正常。
17.优选的，所述浅层水源水井内设置有第五抽水管；所述第五抽水管的一端设置有第三潜水泵，所述第五抽水管的另一端与所述沉淀池连通；所述第三潜水泵与所述控制机构通信连接。
18.利用浅层岩土温度较低的特征，通过采用上述技术方案，控制机构控制第三潜水泵的工作状态，第三潜水泵承担井水向沉淀池流动的动力；浅层水源水井作为抽水井，能够取得较低温度的井水，向沉淀池抽入部分较低温度的井水，以降低沉淀池内冷源水的温度。
19.优选的，所述冷却塔设置有第五排水管和第六排水管；所述第五排水管设置有第七阀门，所述第七阀门与所述控制机构通信连接；所述冷却塔通过所述第五排水管和所述第三排水管与所述热泵机组连通；所述第六排水管与所述第二排水管连通。
20.通过采用上述技术方案，控制机构控制第七阀门的开启与关闭；当制取冷水时，排入深层井巷的水温高于设定值时，第七阀门打开，第六阀门关闭；冷却塔通过向室外空气散热，降低冷源水的温度，减少排入深层井巷的热量。
21.优选的，所述热泵热水器设置有第六抽水管；所述第六抽水管设置有循环泵，所述循环泵与所述控制机构通信连接；所述热泵热水器通过所述第六抽水管与所述沉淀池连通。
22.通过采用上述技术方案，控制机构控制循环泵的启动与暂停；热泵热水器通过吸取冷源水的热量，制取高温热水，并降低沉淀池内冷源水的温度。
23.优选的，所述控制机构为控制器。
24.综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：1、本发明对废弃矿井进行合理的应用和治理，结合热泵技术充分利用废弃矿井有利条件，以井水为介质向废弃矿井地下岩土及井水提取和存储能量，用于向用能端提供冷水或热水，能够提高一种效率高、建设成本低的清洁冷热源系统；2、本发明通过辅助散热系统，能够降低冷源水的温度，减少排入地下的热量，提高本发明的能效，节能环保；3、当热源水温度较高，热源水可利用温差大时，本发明能够实现热泵机组的梯级利用，充分利用热源水中的热量。
附图说明
25.图1是本技术实施例的结构示意图；图2为本技术中实施例2的结构示意图；图3为本技术中实施例3的结构示意图；图4是本技术实施例中热泵机组梯级利用的结构示意图。
26.附图标记说明：1、矿井竖井；2、第一潜水泵；3、第一抽水管；4、第一排水管；5、第二阀门；6、第一阀门；7、新建水井；8、第二潜水泵；9、第二抽水管；10、第二排水管；11、第四阀门；12、第三阀门；13、沉淀池；14、抽水管；15、第五阀门；16、热泵机组；17、第三抽水管；18、
第三排水管；19、第六阀门；20、源水循环水泵；21、用能端；22、第四抽水管；23、用能端循环泵；24、第四排水管；25、浅层水源水井；26、第三潜水泵；27、第五抽水管；28、热泵热水器；29、第六抽水管；30、循环泵；31、冷却塔；32、第五排水管；33、第七阀门；34、第六排水管；35、一级热泵机组；36、热泵机组抽水管；37、第一源水循环水泵；38、第七抽水管；39、第九阀门；40、第八阀门；41、第九抽水管；42、第一用能端循环泵；43、一级用能端；44、第九排水管；45、第八抽水管；46、第十阀门；47、第十抽水管；48、第十一阀门；49、第十排水管；50、第二用能端循环泵；51、第十一抽水管；52、二级用能端；53、第十一排水管；54、二级热泵机组。
具体实施方式
27.以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
28.本发明实施例公开一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统。
29.实施例1废弃矿井情况：废矿具有三眼废弃矿井，其中：1号废弃矿井深度为 250m，2号废弃矿井深度为 380m，3号废弃矿井深度为 620m。各废弃矿井由南向北布置在长度3.6km的区域，废弃矿井的深度逐渐增加，废弃矿井均径为 5.2 米。各废弃矿井之间两两由两条主井巷从井最底部相连，两条主井巷之间的距离为 20m-30m，主井巷间每隔100m-200m有支巷连通，主井巷四周具备支护结构，部分为 u 形钢槽结构，部分为锚杆支护。井巷顶面为拱形，底板和侧壁为矩形，宽 4m，高 3m-4m。其余井巷及采掘面由于缺乏支护存在崩塌。废弃矿井内水面离地面90米，废弃矿井水面附近水温为18℃，地下255m 井巷水温为21℃，地下615m 井巷水温为30℃。
30.如图1所示，一种基于废弃矿井的清洁冷热源系统包括水源系统和能源站机房；水源系统包括矿井竖井1、新建水井7和沉淀池13；能源站机房包括热泵机组16和控制机构；矿井竖井1选用1号废弃矿井，深度为250米；新建水井7设置深度为250米；可实现获得最高21℃的热源水和最低18℃的冷源水；矿井竖井1内竖直安装有第一抽水管3和第一排水管4；第一抽水管3的一端安装有第一潜水泵2，第一潜水泵2位于矿井竖井1水位之下；第一抽水管3安装有第一阀门6；第一排水管4安装有第二阀门5；新建水井7与矿井竖井1的间距为设定距离，设定距离根据能源站机房的装机容量、管道的经济成本和现场的安装条件综合确定；本实施例中，新建水井7与矿井竖井1的间距为200米；新建竖井深度为250m，新建水井7内安装有第二抽水管9和第二排水管10，第二抽水管9的一端设置有第二潜水泵8，第二潜水泵8位于新建水井7水位之下，第二潜水泵8的设置深度为110米；第二抽水管9安装有第三阀门12；第二排水管10安装有第四阀门11；沉淀池13用于沉淀和过滤冷源水和热源水内的杂质并存储冷源水和热源水；沉淀池13的容积为20m
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；沉淀池13安装有抽水管14和水位测量仪；抽水管14安装有第五阀门15；水位测量仪与控制机构通信连接，水位测量仪用于采集沉淀池13内的水位数据并传输至控制机构；热泵机组16安装有第三抽水管17、第三排水管18、第四抽水管22和第四排水管24；第三抽水管17安装有源水循环水泵20和第一温度传感器，第一温度传感器与控制机构通信
连接，第一温度传感器用于采集经第三抽水管17流向热泵机组16的冷源水或热源水的温度数据并传输至控制机构；第三排水管18安装有第六阀门19和第二温度传感器，第二温度传感器与控制机构通信连接，第二温度传感器用于采集经第三排水管18由热泵机组16流出冷源水或热源水的温度数据并传输至控制机构；第四抽水管22安装有用能端循环泵23；新建水井7的第二抽水管9的另一端与沉淀池13的抽水管14连通，沉淀池13与热泵机组16的第三抽水管17连通，热泵机组16的第三排水管18与矿井竖井1的第一排水管4连通；新建水井7、第二潜水泵8、第二抽水管9、抽水管14、沉淀池13、第三抽水管17、源水循环水泵20、热泵机组16、第三排水管18、第一排水管4和矿井竖井1组成热源水循环环路；矿井竖井1的第一抽水管3的另一端与沉淀池13的抽水管14连通，热泵机组16的第三排水管18与新建水井7的第二排水管10连通；矿井竖井1、第一潜水泵2、第一抽水管3、抽水管14、沉淀池13、第三抽水管17、热泵机组16、第三排水管18、第二排水管10和新建水井7组成冷源水循环环路；热泵机组16通过第四抽水管22和第四排水管24与用能端21连通；控制机构与第一潜水泵2、第二潜水泵8、第一阀门6、第二阀门5、第三阀门12、第四阀门11、第五阀门15、第六阀门19、源水循环水泵20、用能端循环泵23和热泵机组16均通信连接；源水循环水泵20采用变频模式工作，控制结构根据接收到的第一温度传感器和第二温度传感器采集的数据，确定源水循环水泵20的工作频率；控制机构根据接收到的水位测量仪采集的水位数据，控制第一潜水泵2和第二潜水泵8的工作状态；当水位数据低于预设值时，控制机构控制第一潜水泵2或第二潜水泵8启动；本实施例的工作方式如下：当制取热水时，新建水井7作为抽水井，矿井竖井1作为排水井；抽取热源水时，控制机构控制第二阀门5、第三阀门12、第五阀门15和第六阀门19开启，用能端循环泵23和源水循环水泵20启动；当沉淀池13内的水位低于预设值时，控制机构控制第二潜水泵8启动，热源水在第二潜水泵8的作用下，通过第二抽水管9和抽水管14流向沉淀池13，在沉淀池13中沉淀和过滤掉热源水中的杂质；在源水循环水泵20的作用下，沉淀和过滤后的热源水通过第三抽水管17流向热泵机组16，热泵机组16提取热源水中的热量；用能端21的热水在用能端循环泵23的作用下，通过第四抽水管22流向热泵机组16，热泵机组16利用提取的热量对热水进行加热并通过第四排水管24输送至用能端21；热源水的热量被热泵机组16提取后，通过第三排水管18和第一排水管4将热源水排至矿井竖井1，热源水由浅到深经岩土和井水逐步加热再循环至新建水井7，开始下一轮循环。
31.当制取冷水时，矿井竖井1作为抽水井，新建水井7作为排水井；控制机构控制第一阀门6、第四阀门11、第五阀门15和第六阀门19开启，源水循环水泵20和用能端循环泵23启动；当沉淀池13内的水位低于设定值时，控制机构控制第一潜水泵2启动，冷源水在第一潜水泵2的作用下，通过第一抽水管3和抽水管14流向沉淀池13，在沉淀池13中沉淀和过滤掉冷源水中的杂质；在源水循环水泵20的作用下，沉淀和过滤后的冷源水通过第三抽水管17流向热泵机组16；用能端21的冷水在用能端循环泵23的作用下流向热泵机组16，热泵机组16吸取冷水中的热量并将热量释放至冷源水中；升温后的冷源水通过第三排水管18和第二排水管10流至新建水井7，冷源水由深到浅经过岩土和井水逐步降温后，再循环到地下水位表面附近，开始下一轮循环。
32.本实施例中，控制机构为plc控制器；plc控制器与第一潜水泵2、第二潜水泵8、第一阀门6、第二阀门5、第三阀门12、第四阀门11、第五阀门15、第六阀门19、用能端循环泵23、热泵机组16、水位测量仪、第一温度传感器和第二温度传感器均分别通过信号线连接；第一潜水泵2和第二潜水泵8的直径为250mm；热泵机组16数量为3。
33.实施例2本实施例与实施例1 的不同之处在于：还包括辅助散热系统；矿井竖井1选用3号废弃矿井，深度为620m，新建水井7的深度为620m，新建水井7和矿井竖井1的间距为300m；沉淀池13的容积为30m
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；辅助散热系统包括浅层水源水井25和热泵热水器28；浅层水源水井25的深度为200m，浅层水源水井25内安装有第五抽水管27；第五抽水管27的一端连接有第三潜水泵26，第三潜水泵26与plc控制器通信连接，当plc控制器接收到的水位数据低于设定值时，plc控制器控制第三潜水泵26启动；热泵热水器28安装有第六抽水管29；第六抽水管29安装有循环泵30，循环泵30与plc控制器通信连接；浅层水源水井25通过第五抽水管27与沉淀池13连通；热泵热水器28通过第六抽水管29与沉淀池13连通；当制取冷水时，当进入热泵机组16的冷源水温度高于设定值时，plc控制器控制第三潜水泵26启动，在第三潜水泵26的作用下，浅层水源水井25内的井水通过第五抽水管27进入沉淀池13，降低沉淀池13内冷源水的温度，使进入热泵机组16的冷源水保持在设定范围内；plc控制器控制循环泵30启动，抽取沉淀池13内的冷源水，热泵热水器28吸取冷源水的热量用于制取高温热水，降低冷源水的温度后，将冷源水流回沉淀池13。
34.实施例3本实施例与其他实施例的不同之处在于：辅助散热系统为冷却塔31。
35.冷却塔31安装有第五排水管32和第六排水管34；第五排水管32安装有第七阀门33，第七阀门33与plc控制器通信连接；第五排水管32与第三排水管18连通，冷源水先流经连通端再流经第六阀门19；第六排水管34与第二排水管10连通；当流出热泵机组16的冷源水温度高于设定值时，plc控制器控制第七阀门33开启、第六阀门19关闭，冷源水流入冷却塔31，冷却塔31通过向室外空气散热，降低冷源水的温度，降温后的冷源水经第六排水管34和第二排水管10排出，减少排入地下的热量。
36.实施例4本实施例与其他实施例的不同之处在于：热泵机组16划分为一级热泵机组35和二级热泵机组54；一级热泵机组35与二级热泵机组54之间为梯级利用。
37.一级热泵机组35安装有第七抽水管38、第八抽水管45、第九抽水管41和第九排水管44；第七抽水管38安装有第八阀门40和第九阀门39，第七抽水管38连接有热泵机组抽水管36，连接端位于第八阀门40和第九阀门39之间；热泵机组抽水管36安装有第一源水循环水泵37；第八抽水管45安装有第十阀门46；第九抽水管41安装有第一用能端循环泵42；二级热泵机组54安装有第十抽水管47、第十排水管49、第十一抽水管51和第十一排水管53；第十抽水管47安装有第十一阀门48，第十一排水管53安装有第二用能端循环泵50；
一级热泵机组35通过第九抽水管41和第九排水管44连通有一级用能端43；二级热泵机组54通过第十一抽水管51和第十一排水管53连通有二级用能端52；热泵机组抽水管36与沉淀池13连通；第七抽水管38与第十抽水管47连通，连通端位于二级热泵机组54与第十一阀门48之间；第八抽水管45与第十抽水管47连通，连通处位于一级热泵机组35与第十阀门46之间；第八抽水管45与第十排水管49连通；第十一排水管53与第一排水管4连通；第十一排水管53与第二排水管10连通；第八阀门40、第九阀门39、第十阀门46、第十一阀门48、第一用能端循环泵42、第二用能端循环泵50和第一源水循环水泵37均分别与控制机构通信连接。
38.当热源水温度较高时，热源水可利用温差大，热泵机组16可以梯级利用；当制取热水时，控制机构控制第八阀门40和第十一阀门48开启，第一源水循环水泵37、第一用能端循环泵42和第二用能端循环泵50启动；在第一源水循环水泵37的作用下，热源水通过热泵机组抽水管36和第七抽水管38流入一级热泵机组35，一级热泵机组35提取热源水的热量并释放至一级用能端43；此时，热源水仍然可以利用，热源水通过第八抽水管45和第十抽水管47流入二级热泵机组54，二级热泵机组54提取热源水中的热量并释放至二级用能端52；被利用完的热源水通过第十一排水管53和第一排水管4流向矿井竖井1、流至地下水位表面附近。
39.当制取冷水时，控制机构控制第八阀门40、第九阀门39和第十阀门46开启、第十一阀门48关闭，第一源水循环水泵37、第一用能端循环泵42和第二用能端循环泵50启动；沉淀池13中的冷源水在第一源水循环水泵37的作用下，通过热泵机组抽水管36和第七抽水管38流向一级热泵机组35，热泵机组16吸取用能端21冷水的热量释放至冷源水中，冷源水通过第八抽水管45、第十一排水管53和第二排水管10流向新建水井7；沉淀池13中的冷源水在第一源水循环水泵37的作用下，通过热泵机组抽水管36、第七抽水管38和第十抽水管47流向二级热泵机组54，二级热泵机组54吸取二级用能端52中冷水的热量释放至冷源水，冷源水通过第十排水管49和第二排水管10流向新建水井7。
40.本实施例中，控制机构为plc控制器，plc控制器通过信号线与第八阀门40、第九阀门39、第十阀门46、第十一阀门48、第一用能端循环泵42、第二用能端循环泵50和第一源水循环水泵37连接；热泵机组16数量为6，其中，3组为一级热泵机组35，3组为二级热泵机组54。
41.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
42.以上为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。