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CN112344599A - 一种中低温增强型地热复合热泵系统 - Google Patents

一种中低温增强型地热复合热泵系统 Download PDF

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CN112344599A
CN112344599A CN202011277591.9A CN202011277591A CN112344599A CN 112344599 A CN112344599 A CN 112344599A CN 202011277591 A CN202011277591 A CN 202011277591A CN 112344599 A CN112344599 A CN 112344599A
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CN
China
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heat
heat exchanger
transfer medium
plate heat
heat transfer
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Application number
CN202011277591.9A
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于子望
吴少华
康建国
张延军
郭亮亮
杨天睿
闫潮辉
冶晓琪
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Jilin University
Original Assignee
Jilin University
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Abstract

本发明公开了一种中低温增强型地热复合热泵系统,该系统包括地下EGS热交换装置、板式热交换器组、高压装置和末端加热装置。其中的EGS装置部分包括:循环泵、注入井、热储层和生产井;板式热交换器组主要由板式热交换群组成;高压装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀;末端加热装置根据热量使用采取不同设备。本系统主要由循环泵将传热介质由循环泵压入注入目标深度,使用增产技术建立热储层,通过新建裂缝或者裂缝网络钻探生产井,传热介质由生产井排出后经由地面板式热交换器组将热量传递至高压装置,热量由蒸发器和压缩机通过冷凝器传递至末端加热装置。本系统具有换热效率高,持续性强,运行耗能低,可靠性好等特点。

Description

一种中低温增强型地热复合热泵系统
技术领域
本发明涉及热交换系统领域,特别是涉及一种中低温增强型地热复合热泵系统。
背景技术
传统的三大能源——煤炭、石油和天然气,随着开采工艺和使用需求的不断提高,剩余储量不断减少,因此采用新型能源来代替传统三大能源是未来的重要选择。而地热能则是在当前技术条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源,其能量主要来自于太阳的热辐射与地球阶梯增温。采集利用地热能为建筑物供暖,比常规的供暖技术节能50%到60%,运行费用降低约30%到40%。
传统的地源热泵主要采用埋地竖直或者水平管道作为热源,循环水通过管壁与周围土壤进行热量交换,换热面积小,换热效率较低,可靠性较低。因此,需要一种新型的增强型复合热泵提高对地热能的换热效率,实现对地热能的持续高效利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种中低温增强型地热复合热泵系统,以实现提高对地热能的换热效率。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种中低温增强型地热复合热泵系统,所述热泵系统包括:地下EGS热交换装置、板式热交换器组、高压装置和末端加热装置;
所述地下EGS热交换装置的输出端口和输入端口分别与板式热交换器组的热侧入口和热侧出口连通,所述地下EGS热交换装置用于将已经获取地热能的传热介质压入所述板式热交换器组;
所述板式热交换器组的冷侧出口和冷侧入口分别与所述高压装置的循环管路入口和出口连通,所述板式热交换器组用于将板式热交换器组中的传热介质的热量传递至所述高压装置的循环管路中的制冷剂;
所述高压装置的冷凝器的冷侧出口和冷侧入口分别与末端加热装置的入口和出口连通,用于将制冷剂中的热量传输至末端加热装置。
可选地,所述地下EGS热交换装置包括循环泵、注入井、热储层和生产井;
所述热储层设置在所述注入井和所述生产井之间,所述注入井通过隔热导管与热储层的裂隙网通道连通,所述注入井通过隔热导管将传热介质传输至所述热储层的裂隙网通道,所述传热介质通过所述裂隙网通道流入所述生产井;
所述传热介质流经所述裂隙网通道的过程中吸收热储层的热量,成为已经获取地热能的传热介质;
所述循环泵的入口通过隔热导管与生产井连接,所述循环泵的出口作为EGS热交换装置的输出端口,通过隔热导管与所述板式热交换器组的热侧入口连通,所述板式热交换器组的热侧出口通过隔热导管与注入井连通,所述循环泵用于将生产井中已经获取地热能的传热介质传输至板式热交换器组。
可选地,所述板式热交换器组包括多个板式热交换器;
多个板式热交换器中的第1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口分别作为所述板式热交换器组的热侧入口和冷侧入口;
多个板式热交换器中的第N个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别作为所述板式热交换器组的热侧出口和冷侧出口;
多个板式热交换器中的第n个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别与第n+1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口连通;其中,n=1,2,…,N-1,N表示板式热交换器组中板式热交换器的数量。
可选地,所述高压装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀;
所述冷凝器的热侧端为所述高压装置的输入管路,所述冷凝器的冷侧端为所述高压装置的输出管路;
所述蒸发器的输入端与所述板式热交换器的冷侧出口连接,所述蒸发器的输出端与所述压缩机的输入端连接;
所述压缩机的输出端与所述冷凝器的热侧入口连接;
所述冷凝器的热侧出口与所述节流阀的输入端连接;
所述节流阀的输出端与所述板式热交换器的冷侧入口连接。
可选地,所述循环泵为环保电动循环泵。
可选地,所述生产井和所述注入井均设置有温度检测器,用于检测所述传热介质的温度。
可选地,所述生产井的数量为2个,所述注入井的数量为1个,所述生产井关于所述注入井对称设置。
可选地,所述传热介质为水。
可选地,所述制冷剂采用环保型制冷剂。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种中低温增强型地热复合热泵系统,该系统包括地下EGS热交换装置,板式热交换器组,高压装置和末端加热装置。本系统主要由地下EGS热交换装置将传热介质压入注入目标深度,使用增产技术建立热储层,通过新建裂缝或者裂缝网络钻探生产井,传热介质由生产井排出后经由板式热交换器组将热量传导至高压装置,热量由高压装置传输至末端加热装置。实现了对地热能的高效利用,具有换热效率高、持续性强、运行耗能低、可靠性好等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的中低温增强型地热复合热泵系统的工作原理图。
符号说明:
1—注入井,2—生产井,3—热储层,4—循环泵,5—板式热交换器组,6—蒸发器,7—压缩机,8—冷凝器,9—节流阀,10—末端加热装置,11—地下EGS热交换装置,12—高压装置,13—传热介质,14—制冷剂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种中低温增强型地热复合热泵系统,以实现提高对地热能的换热效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种中低温增强型地热复合热泵系统,热泵系统包括:地下EGS热交换装置11、板式热交换器组5、高压装置12和末端加热装置10;地下EGS热交换装置11的输出端口和输入端口分别与板式热交换器组5的热侧入口和热侧出口连通,地下EGS热交换装置11用于将已经获取地热能的传热介质13压入板式热交换器组5;板式热交换器组5的冷侧出口和冷侧入口分别与高压装置12的循环管路入口和出口连通,板式热交换器组5用于将板式热交换器组5中的传热介质13的热量传递至高压装置12的循环管路中的制冷剂14;高压装置12的冷凝器8的冷侧出口和冷侧入口分别与末端加热装置10的入口和出口连通,用于将制冷剂14中的热量传输至末端加热装置10。
地下EGS热交换装置11包括循环泵4、注入井1、热储层3和生产井2。
热储层3是由水力压裂技术产生的裂缝和裂缝网工程,设置在注入井1和生产井2之间,注入井1通过隔热导管与热储层3的裂隙网通道连通,注入井1通过隔热导管将传热介质13传输至热储层3的裂隙网通道,传热介质13通过裂隙网通道流入生产井2。
热储层3可以但不限于为人工热储层3。热储层3采用水力压裂技术,在前期通过钻探在地下热储层3内形成水平方向的注入井1,通过井筒向热储层3挤注压裂液,如水等。当压裂液的速度超过热储层3的吸收能力时,会在热储层3上形成很高的压力,当这种压力超过热储层3岩石的破裂压力时,热储层3将被压开并产生长、宽、高不等的裂缝。只要不停地向热储层3中挤注压裂液,裂缝就会在井壁周围形成大致对称的裂隙网。为了保持裂隙处于张开的状态,接着向热储层3挤入带有支撑剂(如固体石英颗粒等)的携砂液,携砂液进入裂缝之后,既可以使裂缝向前延伸,也可以支撑已经压开的裂隙使其不闭合。最后采用钻探技术在裂隙网范围内生成两条生产井2。其主要作用在于连接注入井1与生产井2,在注入井1和生产井2之间形成通道,同时实现地热能从地下热储层3到水的转移。
传热介质13流经裂隙网通道的过程中吸收热储层3的热量,成为已经获取地热能的传热介质13。
循环泵4的入口通过隔热导管与生产井2连接,循环泵4的出口作为EGS热交换装置的输出端口,通过隔热导管与板式热交换器组5的热侧入口连通,板式热交换器组5的热侧出口通过隔热导管与注入井1连通,循环泵4用于将生产井2中已经获取地热能的传热介质13传输至板式热交换器组5。
循环泵4采用目前市场上应用较为广泛成熟的环保的电动热泵,通过隔热导管连接生产井2和板式热交换器组5。主要作用是通过高压作用将生产井2中已经获取地热能的传热介质13压入地面板式热交换器组5,实现热量传递以后将降温后的传热介质13再次压入注入井1。
EGS中的电泵可以但不限于采用电动发动机。
注入井1通过隔热导管将传热介质13传输至地下热储层3,为热储层3内的能量交换提供传热介质13。传热介质13为水等。
注入井1中采用水力压裂技术,采用常规凝胶支撑剂压裂生成,有效长度更长,导流能力更强,导流可持续性更强,承受地层应力更大的裂缝。
生产井2通过地下热储层3中的裂隙网与注入井1连接,通过隔热导管与地面板式热交换器组5连接,主要在于储存来自地下热储层3中已经吸收热量的水,通过地面循环泵4将热水泵送至地面在换热器组内进行热量交换。
注入井1和生产井2的井壁采用隔热性能较好,强度较高,抗腐蚀性的材料。
在地下EGS热交换装置11工作时,热储层3注入井1中的常温水通过裂隙网进入生产井2,在通过裂隙网的同时,常温水在裂隙网中通过与热储层3中含热岩石的接触吸收岩石中的热量并升温,升温后进入生产井2。裂隙网的作用在于将水从注入井1通过热储层3传输至生产井2的过程中,增大水与含热岩层的接触时间与接触面积,提高换热效率。
由于地下EGS热交换装置11采用水力压裂技术在储热层产生裂隙网,传热介质13与裂隙网构成的储热层的接触面积较大,可以产生更多的热能,并且水力压裂产生的裂缝关于注入井1和生产井2周围对称,所以设置了两口生产井2关于注入井1对称。所有的井都是水平的。对于注入井1和生产井2之间的传热介质13,我们直接采用水这一传热介质13。注入水与热储层3之间进行热量交换。
由于在地下EGS热交换装置11中,传热介质13经过裂隙网时与岩层接触,造成生产井2中的水热量增加的同时,携带着岩层中的盐分,如果直接与加热系统相通,会造成加热系统的管道腐蚀。除此之外,由于地下EGS热交换装置11的采热深度在地下2千米左右,由于地层阶梯增温,生产井2出水温度较高,相比于传统的地源热泵系统,本发明的热泵系统吸收的热量更高,换热效果更好。
地下EGS热交换装置11还包括地面以外的管道。
地面板式热交换器组5是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装形成的一种高效换热器,各种板片之间进行热量交换,具有换热效率高,热损失小,结构紧凑轻巧,使用寿命长的特点。
所述板式热交换器组包括多个板式热交换器。多个板式热交换器中的第1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口分别作为所述板式热交换器组5的热侧入口和冷侧入口;多个板式热交换器中的第N个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别作为所述板式热交换器组5的热侧出口和冷侧出口;多个板式热交换器中的第n个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别与第n+1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口连通;其中,n=1,2,…,N-1,N表示板式热交换器组5中板式热交换器的数量。
其作用在于将从地下EGS热交换装置11中导出的热量传导至高压装置12的同时,避免携带来自地下热储层3中的电离子进入高压装置12对设备产生慢性腐蚀作用。换热器组与地下EGS热交换装置11之间通过注入井1和生产井2中隔热导管和导管中的水实现能量交换,再通过换热片将水中的热量导入高压装置12中的制冷剂14。换热器组与高压装置12之间通过隔热导管与高压装置12的节流阀9与蒸发器6连接,将来自地下EGS热交换装置11中的热量转移至高压装置12中。
高压装置12包括蒸发器6、压缩机7、冷凝器8和节流阀9。
冷凝器8的热侧端为高压装置12的输入管路,冷凝器8的冷侧端为高压装置12的输出管路;冷凝器8将热量通过热交换传导至末端加热装置10的同时高压蒸汽转换为高压液态。
蒸发器6的输入端与板式热交换器的冷侧出口连接,蒸发器6的输出端与压缩机7的输入端连接;制冷剂14经由高温热源后在蒸发器6内气化为低压蒸汽。
压缩机7的输出端与冷凝器8的热侧入口连接;低压蒸汽经由压缩机7转换为高压蒸汽。
冷凝器8的热侧出口与节流阀9的输入端连接;
节流阀9的输出端与板式热交换器的冷侧入口连接。
蒸发器6将来自地面板式热交换器组5的高温气液混合物分离开来,将含有热量的气态制冷剂通过导管传输至压缩机7。再由压缩机7将高温低压的气态制冷剂转化为高温高压制冷剂气体,最后通过导管将气体导入冷凝器8,冷凝器8将高温高压的制冷剂气体转化为液态制冷剂的同时,将其中的热量传输至末端加热装置10。节流阀9负责控制整个高压装置12内制冷剂14的循环状态,同时将节流为低温低压液态制冷剂14。在高压装置12中,蒸发器6、压缩机7、冷凝器8和节流阀9通过隔热导管连接成一个闭合的环状系统,主要通过制冷剂14的循环实现热量的传递。
末端加热装置10通过高压装置12中的冷凝器8接收高压装置12中的热量,其热量可以用于供暖系统。末端加热装置10即为建筑物供暖设备。
高压装置12热泵中的制冷剂14采用R134a,R410A,R407C,R404A,R507,R23,R508A,R508B等等高温环保型制冷剂14。
本发明的中低温增强型地热复合热泵系统的工作过程为:
首先将注入井1注入目标深度,通过增产技术(如热力,化学或者水力)建立热储层3,然后通过微震或声发射仪器检测裂缝的扩展规律。采用常规胶凝支撑剂钻探生产井2,热储层3的注入井1和生产井2都是水平的。裂隙网络形成后,打开循环泵4,在循环泵4的作用下,注入井1中的水通过裂隙网络,吸收热储层3中的热量后进入生产井2,将热储层3中的热量传导至地面,经由板式热交换群,水中的热量经由热交换后输送至热交换器另一端的制冷剂14中,在蒸发器6的作用下,制冷剂14由高压液态转换为低温液态转换为低压蒸汽,再经由压缩机7的作用下,制冷剂14由低压蒸汽转换为高压蒸汽,高压蒸汽在冷凝器8的作用下再次进行热交换将热量输送至末端加热装置10,与此同时,高压蒸汽转换为低温液态。
处于地面的注入井1和生产井2输送管道之间的循环泵4应根据注入水的温度,地源温度对循环系统内的水的流速进行调节,以期实现对地源热能的最大效率的有效利用。
由于地下EGS热交换装置11内的人工热储层3处于地下2千米左右,根据30摄氏度每千米的平均地层温度变化,可得预计温度变化为60摄氏度,板式热交换群应能够承受相对应深度的热储层3对水温产生的温度变化。
本系统主要由循环泵4将传热介质13由循环泵4压入注入目标深度,使用增产技术建立热储层3,通过新建裂缝或者裂缝网络钻探生产井2。传热介质13由生产井2排出后经由地面板式热交换器组5将热量传递至高压装置12。热量由蒸发器6和压缩机7通过冷凝器8传递至末端加热装置10。地下EGS热交换装置11由水作为传热介质13在生产井2和注入井1以及热储层3之间实现循环利用。高压装置12内的制冷剂14在传导热量的同时在液态和气态之间转换实现循环利用。本系统具有换热效率高,持续性强,运行耗能低,可靠性好等特点。
基于上述工作过程,本发明的中低温增强型地热复合热泵系统具有以下效果:
相较于使用传统能源的锅炉供暖系统,本发明的新型的增强型地热复合热泵系统在使用过程中的运行成本较低,无污染,设备使用周期长,维护成本较低,同时能量来源高,使用效果较好,在地热能充足的地区可以充分发挥其优势。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述热泵系统包括:地下EGS热交换装置、板式热交换器组、高压装置和末端加热装置;
所述地下EGS热交换装置的输出端口和输入端口分别与板式热交换器组的热侧入口和热侧出口连通,所述地下EGS热交换装置用于使传热介质吸收地热能并且将已经获取地热能的传热介质压入所述板式热交换器组;
所述板式热交换器组的冷侧出口和冷侧入口分别与所述高压装置的循环管路入口和出口连通,所述板式热交换器组用于将板式热交换器组中的传热介质的热量传递至所述高压装置的循环管路中的制冷剂;
所述高压装置的冷凝器的冷侧出口和冷侧入口分别与末端加热装置的入口和出口连通,用于将制冷剂中的热量传输至末端加热装置。
2.根据权利要求1所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述地下EGS热交换装置包括循环泵、注入井、热储层和生产井;
所述热储层设置在所述注入井和所述生产井之间,所述注入井通过隔热导管与热储层的裂隙网通道连通,所述注入井通过隔热导管将传热介质传输至所述热储层的裂隙网通道,所述传热介质通过所述裂隙网通道流入所述生产井;
所述传热介质流经所述裂隙网通道的过程中吸收热储层的热量,成为已经获取地热能的传热介质;
所述循环泵的入口通过隔热导管与生产井连接,所述循环泵的出口作为EGS热交换装置的输出端口,通过隔热导管与所述板式热交换器组的热侧入口连通,所述板式热交换器组的热侧出口通过隔热导管与注入井连通,所述循环泵用于将生产井中已经获取地热能的传热介质传输至板式热交换器组。
3.根据权利要求1所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述板式热交换器组包括多个板式热交换器;
多个板式热交换器中的第1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口分别作为所述板式热交换器组的热侧入口和冷侧入口;
多个板式热交换器中的第N个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别作为所述板式热交换器组的热侧出口和冷侧出口;
多个板式热交换器中的第n个板式热交换器的热侧出口和冷侧出口分别与第n+1个板式热交换器的热侧入口和冷侧入口连通;其中,n=1,2,…,N-1,N表示板式热交换器组中板式热交换器的数量。
4.根据权利要求1所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述高压装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀;
所述冷凝器的热侧端为所述高压装置的输入管路,所述冷凝器的冷侧端为所述高压装置的输出管路;
所述蒸发器的输入端与所述板式热交换器的冷侧出口连接,所述蒸发器的输出端与所述压缩机的输入端连接;
所述压缩机的输出端与所述冷凝器的热侧入口连接;
所述冷凝器的热侧出口与所述节流阀的输入端连接;
所述节流阀的输出端与所述板式热交换器的冷侧入口连接。
5.根据权利要求2所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述循环泵为环保电动循环泵。
6.根据权利要求2所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述生产井和所述注入井均设置有温度检测器,用于检测所述传热介质的温度。
7.根据权利要求2所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述生产井的数量为2个,所述注入井的数量为1个,所述生产井关于所述注入井对称设置。
8.根据权利要求1所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述传热介质为水。
9.根据权利要求1所述的中低温增强型地热复合热泵系统,其特征在于,所述制冷剂采用环保型制冷剂。
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