CN106403379A - 基于基岩地质的地热利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地热利用技术领域，具体涉及一种基于基岩地质的地热利用方法，利用地热采集装置中的采热管，提取深入基岩地层的封闭地热井中聚集的地热能，为由换热装置、热泵和输出装置串联组成的地面利用系统所用：热泵通过换热装置获得地热采集装置中的地热能，并通过输出装置对其加以利用，仅需在基岩地层中修筑一口地热井，就能保持整个地热利用过程的稳定高效，实现高效、廉价的利用基岩地质中地热能的目的。

Description

基于基岩地质的地热利用方法

技术领域

本发明涉及地热利用技术领域，具体涉及一种基于基岩地质的地热利用方法。

背景技术

随着热泵技术的日益成熟，在很多地方都得到了很好的利用，尤其在地热资源富集区，通过开凿地热井提取地热能为热泵供能来实现生活环境供热，其高效节能的优点凸显无疑。只是，在一些特殊的地貌和环境下，地源热泵系统的推广应用中经常会出现一些差强人意的地方，导致系统运行不稳定。

在以基岩构造为主的地区，限于基岩的高硬度和低渗水性，地热资源比较贫瘠，按照常规的工艺修筑地热井，往往会出现，只向下钻进很短的深度就已经钻穿地表的松散地层而到达基岩层的情况，这个地层位置水量较小，且水温不高，无法满足热泵的需求；若继续往下在基岩层中钻进，一直达到致密基岩下的基岩裂隙水层，可以得到满足热泵需求的较高温度水体，但若在这样情况下按常规方式建立起抽水和回灌地热井群的话，其工作量和成本的耗费都非常高，没有太大的现实意义。因此，寻找一种在基岩地质中提取地热能并加以利用的方法，具有非常现实的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供的一种基于基岩地质的地热利用方法，利用循环介质与深层基岩的热交换，提取基岩中的地热能，有效确保热泵的稳定运行，实现高效、廉价的利用基岩地质中地热能的目的。

本发明提供的基于基岩地质的地热利用方法，包括以下步骤：

1)在地表低凹处选择钻设地热井的位置，从松散地层开始钻地热井孔，一开钻进至基岩面以下一定深度后停止；选择低凹的地势可以降低地热井的钻进深度，减少施工量，同时在基岩面以下一定深度结束一开钻进，能够提高完井后的井身强度。

2)在一开钻进完成的井孔中下一开套管，并在一开套管与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆，构建巩固的一开井段。

3)在水泥浆凝固后，再用比一开套管内径小10-20mm的钻头在基岩层中开始二开钻进，至基岩裂隙水层，监测地层水温，待水温达到热泵的利用要求后，再向下钻进一定距离后停止；阶梯状分段钻进，可以降低钻进难度并提高成井率；井深到达要求深度以下，确保井底的水温能够充分满足热泵的利用要求。

4)在二开钻进的井孔中下二开套管，并在二开套管与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆，构建巩固的二开井段。

5)在套管内下采热管，至水温达到热泵利用要求的深度，确保采热管吸取的地下水体温度达到热泵的利用要求。

6)封井，使采热管的上端伸出封井盖，采热管通过封井盖悬挂在地热井内，封闭井口建立密闭的地热井，同时保证采热管的采热功能和悬挂可靠。

7)在采热管的上端口焊接高温出水管，在露出地表的一开套管圆周面上开孔，并在开孔上焊接低温进水管，便于循环介质的出入。

8)在地热井附近建设地热利用系统，具体包括依次串联的换热装置、热泵和输出装置，其中：所述换热装置包括依次通过管道串联成回路的第一吸热盘管、第二循环泵和第二供热盘管，所述第一吸热盘管与第一供热盘管耦合组成换热器；所述热泵包括依次串联成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述蒸发器由第二供热盘管和第三供热盘管分别与蒸发盘管耦合而成，所述冷凝器由第二吸热盘管和第三吸热盘管分别与冷凝盘管耦合而成；所述输出装置包括依次通过管道首尾相连的第三循环泵、第二吸热盘管和利用终端；建立完善高效的地热体用体系。

9)通过管道将高温出水管、过滤器、第一供热盘管、第一循环泵和低温进水管依次串联，组成地热采集装置；利用第一循环泵通过低温进水管向地热井内持续泵入循环介质到井底吸收地层热量，依靠地热井的封闭结构，循环介质注满地热井后，会携带地层的热量从采热管返出，经高温出水管流入过滤器过滤后，在第一供热盘管置换出热量，为热泵功能。

10)通过热泵系统，将换热装置从地热采集装置中吸取的热能传递输出装置加以利用。

通过上述步骤，利用地热采集装置中深长的采热管，提取深入基岩地层的封闭地热井中聚集的地热能；热泵通过换热装置获得地热采集装置中的地热能，并通过输出装置对其加以利用；整个过程稳定高效，且仅需要修筑一口地热井，成本较低。

进一步地，上述采热管包括三丙聚乙烯材质的外管和不锈钢材质的内管，外管和内管之间设置有保温层，有效防止采热管中的高温循环介质同地热井上部的低温介质发生热交换，保持采热管中循环介质的较高温度。

进一步地，上述外管的内表面设置有红外反射涂层，内管的外表面设置有吸热涂层，保温层为聚氨酯发泡层，提高采热管的绝热保温效果。

进一步地，在上述第二循环泵和第二供热盘管之间的管道上设置A阀门，第二供热盘管和第一吸热盘管之间的管道上设置B阀门；在第三循环泵和第二吸热盘管之间的管道上设置C阀门，第二吸热盘管和利用终端之间的管道上设置D阀门；在A阀门的进水端和所述B阀门的出水端之间并联所述第三吸热盘管，并在A阀门的进水端和第三吸热盘管之间的管道上设置E阀门，在B阀门的出水端和第三吸热盘管之间的管道上设置F阀门；在C阀门的进水端和所述D阀门的出水端之间并联所述第三供热盘管，并在C阀门的进水端和第三供热盘管之间的管道上设置G阀门，在D阀门的出水端和第三供热盘管之间的管道上设置H阀门；通过阀门的组合开闭，实现热泵制冷和供热工况的转换。

进一步地，在上述过滤器的出水端和第一循环泵的出水端之间通过管道并联一个冷却塔，同时，在过滤器和第一供热盘管之间的管道上设置I阀门，第一循环泵和低温进口管之间设置J阀门；在冷却塔和第一供热盘管之间的管道上设置K阀门，在第一循环泵和冷却塔之间设置L阀门；在供热状态下，通过开启K阀门和L阀门，启用冷却塔为循环介质散热。

进一步地，上述第一循环泵为高压柱塞泵，泵压高、流量大。

进一步地，并联布置2至3个相同的高压柱塞泵形成泵组，方便柱塞泵的维修和保养，并能在热泵提高功率时，提供足够的压力和流量。

进一步地，上述过滤器为全封闭结构，在对井底返出的循环介质进行过滤时，减少循环介质的热量散失。

根据上述技术方案，仅需修筑一口地热井，建设成本较低；利用地热采集装置中深长且绝热保温的采热管，提取深入基岩地层的封闭地热井中聚集的地热能；热泵通过换热装置获得地热采集装置中的地热能，并通过输出装置对其加以利用，供热和制冷工况转换时，加入冷却塔为循环介质散热，保持整个过程的稳定高效，实现高效、廉价的利用基岩地质中地热能的目的。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明地热井的结构示意图；

图3为本发明采热管的结构示意图。

附图标记：1-地热采集装置；2-换热装置；3-热泵；4-输出装置；

11-地热井；111-一开套管；112-二开套管；113-采热管；1131-外管；1132-内管；1133-保温层；114-封井盖；115-低温进水管；116-高温出水管；12-过滤器；13-换热器；131-第一供热盘管；132-第一吸热盘管；14-第一循环泵；15-冷却塔；16～19-I、J、K、L阀门；21-第二循环泵；22～25-A、B、E、F阀门；31-蒸发器；311-第二供热盘管；312-第三供热盘管；313-蒸发盘管；32-压缩机；33-冷凝器；331-第二吸热盘管；332-第三吸热盘管；333-冷凝盘管；34-膨胀阀；41-利用终端；42-第三循环泵；43～46-C、D、G、H阀门

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明提供的基于基岩地质的地热利用方法，利用循环介质与深层基岩的热交换，提取基岩中的地热能，有效确保热泵3的稳定运行，并对通过输出装置加以利用，实现高效、廉价的利用基岩地质中地热能的目的，具体方案如下：

参见图2，在基岩地质环境的地表低凹处选择钻设地热井11的位置，从松散地层开始钻地热井11的井孔，一开钻进至基岩面以下5-10m的深度后停止；在一开钻进完成的井孔中下一开套管111，并在一开套管111与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆，构建巩固的一开井段，保证完井后的一开井身具有足够的强度来承受悬挂在一开套管111上的采热管113的重量。

在水泥浆凝固后，再用比一开套管111内径小10-20mm的钻头在基岩层中开始二开钻进，至基岩裂隙水层，监测地层水温，待水温达到热泵的利用要求的50-70℃后，再向下钻进5-10m的距离后停止；在二开钻进的井孔中下二开套管112，并在二开套管112与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆，构建巩固的二开井身，并确保井底的水温能够充分满足热泵2的利用要求。

在一开套管111和二开套管112的内腔下采热管113，一直下到水温达到具井底5-10m的深度为止；此时在一开套管111的上端口安装封井盖114封闭地热井11，具体需要使采热管113的上端伸出封井盖114，并通过封井盖114稳固的悬挂在地热井11内；采热管113由三丙聚乙烯材质的外管1131和不锈钢材质的内管1132套装而成，外管1131和内管1132之间填充聚氨酯发泡层作为保温层1133，并在外管1131的内表面设置红外反射涂层，该红外反射涂层是以热固性树脂材料为低温成膜物质，以低熔点和低膨胀系数特制无铅玻璃粘结剂为高温粘结材料，经特殊工艺加工制备的一种具有红外反射功能的，耐高温、粘结性强且无毒无污染的有机无机复合涂层，可以对聚氨酯发泡的保温层1133进行红外反射，降低聚氨酯发泡保温层1133热量的扩散，提高保温效果；同时，由于内管1132直接接触地热井11中的水源，导致其外表面有较高的温度，因此在内管1132的外表面设太阳能吸热涂层，可以较好地吸收红外线，从而在内井壁管1132的外表面形成一个聚热层，降低内井壁管1132的热量溢出，进一步提高了保温效果，该太阳能吸热涂层作为钢的阳极氧化涂层，具有耐潮湿的特点，适用于集热井内的使用环境。为了方便循环介质的出入，在采热管113的上端口焊接高温出水管116，在露出地表的一开套管111的圆周面上开孔，并在开孔上焊接低温进水管115，低温进水管115和高温出水管116的接口设置为法兰盘以方便管道的连接。

在地面上通过管道将高温出水管116、过滤器12、第一供热盘管131、第一循环泵14和低温进水管115依次串联起来，组成地热采集装置1；利用高压柱塞泵的第一循环泵14通过低温进水管115向地热井11内持续泵入循环介质到井底吸收地层热量，依靠地热井11的封闭结构，循环介质注满地热井11后，会携带地层的热量从绝热保温的采热管113返出，经高温出水管116流入全封闭结构的过滤器12过滤后，在第一供热盘管131向换热装置2置换出热量，为热泵功能。为了方便第一循环泵14的维修和保养，并能在热泵2提高功率时，提供足够的压力和流量，在第一循环泵14的进水口和出水口之间并联1至2个相同的高压柱塞泵形成泵组。

在修筑地热井11的同时，在地热井11的附近选择合适的位置设立地热利用的其他几个模块系统，具体包括依次串联的换热装置2、热泵3和输出装置4。其中：换热装置3包括依次通过管道串联成回路的第一吸热盘管132、第二循环泵21和第二供热盘管332，该第一吸热盘管132与第一供热盘管131耦合组成换热器13；热泵3包括依次串联成回路的蒸发器31、压缩机32、冷凝器33和膨胀阀34，该蒸发器由第二供热盘管311和第三供热盘管312分别与蒸发盘管313耦合而成，该冷凝器33由第二吸热盘管331和第三吸热盘管332分别与冷凝盘管333耦合而成；输出装置4包括依次通过管道首尾相连的第三循环泵42、第二吸热盘管331和利用终端41；地热采集装置1通过换热器13与换热装置2连接，建立完善高效的地热体用体系，顺利将地热井11中的吸取的基岩地层中的地热能转移到地表，并通过利用终端41有效利用。利用终端41视不同的条件和需求，可以具体设置为空调系统的风机盘管、恒温苗床的地埋管、地暖房间的地暖盘管、浴室的温水蓬头等等需要冷热供应的终端设备。

为了方便的控制这个系统的运行，同时适应不同季节和环境对冷热的需求，在第二循环泵21和第二供热盘管311之间的管道上设置A阀门22，第二供热盘管311和第一吸热盘管132之间的管道上设置B阀门23；在第三循环泵42和第二吸热盘管331之间的管道上设置C阀门43，第二吸热盘管331和利用终端41之间的管道上设置D阀门44。之后在A阀门22的进水端和所述B阀门23的出水端之间并联所述第三吸热盘管332，并在A阀门22的进水端和第三吸热盘管332之间的管道上设置E阀门24，在B阀门23的出水端和第三吸热盘管332之间的管道上设置F阀门25；在C阀门43的进水端和所述D阀门44的出水端之间并联所述第三供热盘管312，并在C阀门43的进水端和第三供热盘管312之间的管道上设置G阀门45，在D阀门44的出水端和第三供热盘管312之间的管道上设置H阀门36。A阀门22、B阀门23、C阀门43和D阀门44打开，E阀门24、F阀门25、G阀门45和H阀门46关闭时，利用终端41供热升温；A阀门22、B阀门23、C阀门43和D阀门44关闭，E阀门24、F阀门25、G阀门45和H阀门46打开时，利用终端41吸热降温。

在利用终端41吸热降温时，地热采集装置1的功用从吸热变为散热，但即热井11的散热功能是很弱的，或则是根本无法通过地热井11散热，所以需要在地热井11的位置并联一个冷却塔15，来完成在利用终端41吸热状态下地热采集装置1的散热效果。具体过滤器12出水端和第一循环泵14的出水端之间通过管道并联冷却塔15；同时，还要在过滤器12和第一供热盘管131之间的管道上设置I阀门16，在第一循环泵14和低温进口管115之间设置J阀门17，通过关闭I阀门16和J阀门17，将地热井11孤立停用；在冷却塔15和第一供热盘管131之间的管道上设置K阀门18，在第一循环泵14和冷却塔15之间设置L阀门19，通过K阀门18和L阀门19的开启和关闭，控制冷却塔的启用和停用。

综上所述，本发明提供的基于基岩地质的地热利用方法，仅需在基岩地层中修筑一口地热井11，就能保证热泵3的稳定运行，建设成本较低；利用地热采集装置1中深长且绝热保温的采热管113，提取深入基岩地层的封闭地热井11中聚集的地热能为地面的利用系统所用；热泵3通过换热装置2获得地热采集装置1中的地热能，并通过输出装置4对其加以利用，供热和制冷工况转换时，加入冷却塔15为循环介质散热，保持整个过程的稳定高效，实现高效、廉价的利用基岩地质中地热能的目的。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于基岩地质的地热利用方法，利用循环介质与深层基岩的热交换，提取基岩中的地热能，确保热泵的稳定运行，其特征在于,包括以下步骤：

1)在地表低凹处选择钻设地热井的位置，从松散地层开始钻地热井孔，一开钻进至基岩面以下一定深度后停止；

2)在一开钻进完成的井孔中下一开套管，并在一开套管与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆；

3)在水泥浆凝固后，再用比一开套管内径小10-20mm的钻头在基岩层中开始二开钻进，至基岩裂隙水层，监测地层水温，待水温达到热泵的利用要求后，再向下钻进一定距离后停止；

4)在二开钻进的井孔中下二开套管，并在二开套管与井壁之间的环形空间浇筑水泥浆；

5)在套管内下采热管，至水温达到热泵利用要求的深度；

6)封井，使采热管的上端伸出封井盖，采热管通过封井盖悬挂在地热井内；

7)在采热管的上端口焊接高温出水管，在露出地表的一开套管圆周面上开孔，并在开孔上焊接低温进水管；

8)在地热井附近建设地热利用系统，具体包括依次串联的换热装置、热泵和输出装置，其中

所述换热装置包括依次通过管道串联成回路的第一吸热盘管、第二循环泵和第二供热盘管，所述第一吸热盘管与第一供热盘管耦合组成换热器；

所述热泵包括依次串联成回路的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述蒸发器由第二供热盘管和第三供热盘管分别与蒸发盘管耦合而成，所述冷凝器由第二吸热盘管和第三吸热盘管分别与冷凝盘管耦合而成；

所述输出装置包括依次通过管道首尾相连的第三循环泵、第二吸热盘管和利用终端；

9)通过管道将高温出水管、过滤器、第一供热盘管、第一循环泵和低温进水管依次串联，组成地热采集装置；

10)通过热泵系统，将换热装置从地热采集装置中吸取的热能传递到输出装置加以利用。

2.根据权利要求1所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，

所述采热管包括三丙聚乙烯材质的外管和不锈钢材质的内管，所述外管和内管之间设置有保温层。

3.根据权利要求2所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，

所述外管的内表面设置有红外反射涂层，所述内管的外表面设置有吸热涂层，所述保温层为聚氨酯发泡层。

4.根据权利要求1所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，步骤4)中，在所述第二循环泵和第二供热盘管之间的管道上设置A阀门，所述第二供热盘管和第一吸热盘管之间的管道上设置B阀门；所述第三循环泵和第二吸热盘管之间的管道上设置C阀门，所述第二吸热盘管和利用终端之间的管道上设置D阀门；所述A阀门的进水端和所述B阀门的出水端之间并联所述第三吸热盘管，并在A阀门的进水端和第三吸热盘管之间的管道上设置E阀门，在B阀门的出水端和第三吸热盘管之间的管道上设置F阀门；所述C阀门的进水端和所述D阀门的出水端之间并联所述第三供热盘管，并在C阀门的进水端和第三供热盘管之间的管道上设置G阀门，在D阀门的出水端和第三供热盘管之间的管道上设置H阀门。

5.根据权利要求4所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，还包括冷却塔，所述冷却塔通过管道并联在所述过滤器的出水端和第一循环泵的出水端之间，并在过滤器和第一供热盘管之间的管道上设置I阀门，第一循环泵和低温进口管之间设置J阀门；在冷却塔和第一供热盘管之间的管道上设置K阀门，在第一循环泵和冷却塔之间设置L阀门。

6.根据权利要求1所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，

所述第一循环泵为高压柱塞泵。

7.根据权利要求6所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，

并联布置2至3个相同的高压柱塞泵形成泵组。

8.根据权利要求1所述的基于基岩地质的地热利用方法，其特征在于，

所述过滤器为全封闭结构。