基於基巖地質的地熱利用方法與流程
2023-06-20 20:45:26 4
本發明涉及地熱利用技術領域，具體涉及一種基於基巖地質的地熱利用方法。
背景技術：
隨著熱泵技術的日益成熟，在很多地方都得到了很好的利用，尤其在地熱資源富集區，通過開鑿地熱井提取地熱能為熱泵供能來實現生活環境供熱，其高效節能的優點凸顯無疑。只是，在一些特殊的地貌和環境下，地源熱泵系統的推廣應用中經常會出現一些差強人意的地方，導致系統運行不穩定。
在以基巖構造為主的地區，限於基巖的高硬度和低滲水性，地熱資源比較貧瘠，按照常規的工藝修築地熱井，往往會出現，只向下鑽進很短的深度就已經鑽穿地表的鬆散地層而到達基巖層的情況，這個地層位置水量較小，且水溫不高，無法滿足熱泵的需求；若繼續往下在基巖層中鑽進，一直達到緻密基巖下的基巖裂隙水層，可以得到滿足熱泵需求的較高溫度水體，但若在這樣情況下按常規方式建立起抽水和回灌地熱井群的話，其工作量和成本的耗費都非常高，沒有太大的現實意義。因此，尋找一種在基巖地質中提取地熱能並加以利用的方法，具有非常現實的意義。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供的一種基於基巖地質的地熱利用方法，利用循環介質與深層基巖的熱交換，提取基巖中的地熱能，有效確保熱泵的穩定運行，實現高效、廉價的利用基巖地質中地熱能的目的。
本發明提供的基於基巖地質的地熱利用方法，包括以下步驟：
1)在地表低凹處選擇鑽設地熱井的位置，從鬆散地層開始鑽地熱井孔，一開鑽進至基巖面以下一定深度後停止；選擇低凹的地勢可以降低地熱井的鑽進深度，減少施工量，同時在基巖面以下一定深度結束一開鑽進，能夠提高完井後的井身強度。
2)在一開鑽進完成的井孔中下一開套管，並在一開套管與井壁之間的環形空間澆築水泥漿，構建鞏固的一開井段。
3)在水泥漿凝固後，再用比一開套管內徑小10-20mm的鑽頭在基巖層中開始二開鑽進，至基巖裂隙水層，監測地層水溫，待水溫達到熱泵的利用要求後，再向下鑽進一定距離後停止；階梯狀分段鑽進，可以降低鑽進難度並提高成井率；井深到達要求深度以下，確保井底的水溫能夠充分滿足熱泵的利用要求。
4)在二開鑽進的井孔中下二開套管，並在二開套管與井壁之間的環形空間澆築水泥漿，構建鞏固的二開井段。
5)在套管內下採熱管，至水溫達到熱泵利用要求的深度，確保採熱管吸取的地下水體溫度達到熱泵的利用要求。
6)封井，使採熱管的上端伸出封井蓋，採熱管通過封井蓋懸掛在地熱井內，封閉井口建立密閉的地熱井，同時保證採熱管的採熱功能和懸掛可靠。
7)在採熱管的上埠焊接高溫出水管，在露出地表的一開套管圓周面上開孔，並在開孔上焊接低溫進水管，便於循環介質的出入。
8)在地熱井附近建設地熱利用系統，具體包括依次串聯的換熱裝置、熱泵和輸出裝置，其中：所述換熱裝置包括依次通過管道串聯成迴路的第一吸熱盤管、第二循環泵和第二供熱盤管，所述第一吸熱盤管與第一供熱盤管耦合組成換熱器；所述熱泵包括依次串聯成迴路的蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥，所述蒸發器由第二供熱盤管和第三供熱盤管分別與蒸發盤管耦合而成，所述冷凝器由第二吸熱盤管和第三吸熱盤管分別與冷凝盤管耦合而成；所述輸出裝置包括依次通過管道首尾相連的第三循環泵、第二吸熱盤管和利用終端；建立完善高效的地熱體用體系。
9)通過管道將高溫出水管、過濾器、第一供熱盤管、第一循環泵和低溫進水管依次串聯，組成地熱採集裝置；利用第一循環泵通過低溫進水管向地熱井內持續泵入循環介質到井底吸收地層熱量，依靠地熱井的封閉結構，循環介質注滿地熱井後，會攜帶地層的熱量從採熱管返出，經高溫出水管流入過濾器過濾後，在第一供熱盤管置換出熱量，為熱泵功能。
10)通過熱泵系統，將換熱裝置從地熱採集裝置中吸取的熱能傳遞輸出裝置加以利用。
通過上述步驟，利用地熱採集裝置中深長的採熱管，提取深入基巖地層的封閉地熱井中聚集的地熱能；熱泵通過換熱裝置獲得地熱採集裝置中的地熱能，並通過輸出裝置對其加以利用；整個過程穩定高效，且僅需要修築一口地熱井，成本較低。
進一步地，上述採熱管包括三丙聚乙烯材質的外管和不鏽鋼材質的內管，外管和內管之間設置有保溫層，有效防止採熱管中的高溫循環介質同地熱井上部的低溫介質發生熱交換，保持採熱管中循環介質的較高溫度。
進一步地，上述外管的內表面設置有紅外反射塗層，內管的外表面設置有吸熱塗層，保溫層為聚氨酯發泡層，提高採熱管的絕熱保溫效果。
進一步地，在上述第二循環泵和第二供熱盤管之間的管道上設置A閥門，第二供熱盤管和第一吸熱盤管之間的管道上設置B閥門；在第三循環泵和第二吸熱盤管之間的管道上設置C閥門，第二吸熱盤管和利用終端之間的管道上設置D閥門；在A閥門的進水端和所述B閥門的出水端之間並聯所述第三吸熱盤管，並在A閥門的進水端和第三吸熱盤管之間的管道上設置E閥門，在B閥門的出水端和第三吸熱盤管之間的管道上設置F閥門；在C閥門的進水端和所述D閥門的出水端之間並聯所述第三供熱盤管，並在C閥門的進水端和第三供熱盤管之間的管道上設置G閥門，在D閥門的出水端和第三供熱盤管之間的管道上設置H閥門；通過閥門的組合開閉，實現熱泵製冷和供熱工況的轉換。
進一步地，在上述過濾器的出水端和第一循環泵的出水端之間通過管道並聯一個冷卻塔，同時，在過濾器和第一供熱盤管之間的管道上設置I閥門，第一循環泵和低溫進口管之間設置J閥門；在冷卻塔和第一供熱盤管之間的管道上設置K閥門，在第一循環泵和冷卻塔之間設置L閥門；在供熱狀態下，通過開啟K閥門和L閥門，啟用冷卻塔為循環介質散熱。
進一步地，上述第一循環泵為高壓柱塞泵，泵壓高、流量大。
進一步地，並聯布置2至3個相同的高壓柱塞泵形成泵組，方便柱塞泵的維修和保養，並能在熱泵提高功率時，提供足夠的壓力和流量。
進一步地，上述過濾器為全封閉結構，在對井底返出的循環介質進行過濾時，減少循環介質的熱量散失。
根據上述技術方案，僅需修築一口地熱井，建設成本較低；利用地熱採集裝置中深長且絕熱保溫的採熱管，提取深入基巖地層的封閉地熱井中聚集的地熱能；熱泵通過換熱裝置獲得地熱採集裝置中的地熱能，並通過輸出裝置對其加以利用，供熱和製冷工況轉換時，加入冷卻塔為循環介質散熱，保持整個過程的穩定高效，實現高效、廉價的利用基巖地質中地熱能的目的。
附圖說明
圖1為本發明的結構原理示意圖；
圖2為本發明地熱井的結構示意圖；
圖3為本發明採熱管的結構示意圖。
附圖標記：1-地熱採集裝置；2-換熱裝置；3-熱泵；4-輸出裝置；
11-地熱井；111-一開套管；112-二開套管；113-採熱管；1131-外管；1132-內管；1133-保溫層；114-封井蓋；115-低溫進水管；116-高溫出水管；12-過濾器；13-換熱器；131-第一供熱盤管；132-第一吸熱盤管；14-第一循環泵；15-冷卻塔；16～19-I、J、K、L閥門；21-第二循環泵；22～25-A、B、E、F閥門；31-蒸發器；311-第二供熱盤管；312-第三供熱盤管；313-蒸發盤管；32-壓縮機；33-冷凝器；331-第二吸熱盤管；332-第三吸熱盤管；333-冷凝盤管；34-膨脹閥；41-利用終端；42-第三循環泵；43～46-C、D、G、H閥門
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
如圖1至圖3所示，本發明提供的基於基巖地質的地熱利用方法，利用循環介質與深層基巖的熱交換，提取基巖中的地熱能，有效確保熱泵3的穩定運行，並對通過輸出裝置加以利用，實現高效、廉價的利用基巖地質中地熱能的目的，具體方案如下：
參見圖2，在基巖地質環境的地表低凹處選擇鑽設地熱井11的位置，從鬆散地層開始鑽地熱井11的井孔，一開鑽進至基巖面以下5-10m的深度後停止；在一開鑽進完成的井孔中下一開套管111，並在一開套管111與井壁之間的環形空間澆築水泥漿，構建鞏固的一開井段，保證完井後的一開井身具有足夠的強度來承受懸掛在一開套管111上的採熱管113的重量。
在水泥漿凝固後，再用比一開套管111內徑小10-20mm的鑽頭在基巖層中開始二開鑽進，至基巖裂隙水層，監測地層水溫，待水溫達到熱泵的利用要求的50-70℃後，再向下鑽進5-10m的距離後停止；在二開鑽進的井孔中下二開套管112，並在二開套管112與井壁之間的環形空間澆築水泥漿，構建鞏固的二開井身，並確保井底的水溫能夠充分滿足熱泵2的利用要求。
在一開套管111和二開套管112的內腔下採熱管113，一直下到水溫達到具井底5-10m的深度為止；此時在一開套管111的上埠安裝封井蓋114封閉地熱井11，具體需要使採熱管113的上端伸出封井蓋114，並通過封井蓋114穩固的懸掛在地熱井11內；採熱管113由三丙聚乙烯材質的外管1131和不鏽鋼材質的內管1132套裝而成，外管1131和內管1132之間填充聚氨酯發泡層作為保溫層1133，並在外管1131的內表面設置紅外反射塗層，該紅外反射塗層是以熱固性樹脂材料為低溫成膜物質，以低熔點和低膨脹係數特製無鉛玻璃粘結劑為高溫粘結材料，經特殊工藝加工製備的一種具有紅外反射功能的，耐高溫、粘結性強且無毒無汙染的有機無機複合塗層，可以對聚氨酯發泡的保溫層1133進行紅外反射，降低聚氨酯發泡保溫層1133熱量的擴散，提高保溫效果；同時，由於內管1132直接接觸地熱井11中的水源，導致其外表面有較高的溫度，因此在內管1132的外表面設太陽能吸熱塗層，可以較好地吸收紅外線，從而在內井壁管1132的外表面形成一個聚熱層，降低內井壁管1132的熱量溢出，進一步提高了保溫效果，該太陽能吸熱塗層作為鋼的陽極氧化塗層，具有耐潮溼的特點，適用於集熱井內的使用環境。為了方便循環介質的出入，在採熱管113的上埠焊接高溫出水管116，在露出地表的一開套管111的圓周面上開孔，並在開孔上焊接低溫進水管115，低溫進水管115和高溫出水管116的接口設置為法蘭盤以方便管道的連接。
在地面上通過管道將高溫出水管116、過濾器12、第一供熱盤管131、第一循環泵14和低溫進水管115依次串聯起來，組成地熱採集裝置1；利用高壓柱塞泵的第一循環泵14通過低溫進水管115向地熱井11內持續泵入循環介質到井底吸收地層熱量，依靠地熱井11的封閉結構，循環介質注滿地熱井11後，會攜帶地層的熱量從絕熱保溫的採熱管113返出，經高溫出水管116流入全封閉結構的過濾器12過濾後，在第一供熱盤管131向換熱裝置2置換出熱量，為熱泵功能。為了方便第一循環泵14的維修和保養，並能在熱泵2提高功率時，提供足夠的壓力和流量，在第一循環泵14的進水口和出水口之間並聯1至2個相同的高壓柱塞泵形成泵組。
在修築地熱井11的同時，在地熱井11的附近選擇合適的位置設立地熱利用的其他幾個模塊系統，具體包括依次串聯的換熱裝置2、熱泵3和輸出裝置4。其中：換熱裝置3包括依次通過管道串聯成迴路的第一吸熱盤管132、第二循環泵21和第二供熱盤管332，該第一吸熱盤管132與第一供熱盤管131耦合組成換熱器13；熱泵3包括依次串聯成迴路的蒸發器31、壓縮機32、冷凝器33和膨脹閥34，該蒸發器由第二供熱盤管311和第三供熱盤管312分別與蒸發盤管313耦合而成，該冷凝器33由第二吸熱盤管331和第三吸熱盤管332分別與冷凝盤管333耦合而成；輸出裝置4包括依次通過管道首尾相連的第三循環泵42、第二吸熱盤管331和利用終端41；地熱採集裝置1通過換熱器13與換熱裝置2連接，建立完善高效的地熱體用體系，順利將地熱井11中的吸取的基巖地層中的地熱能轉移到地表，並通過利用終端41有效利用。利用終端41視不同的條件和需求，可以具體設置為空調系統的風機盤管、恆溫苗床的地埋管、地暖房間的地暖盤管、浴室的溫水蓬頭等等需要冷熱供應的終端設備。
為了方便的控制這個系統的運行，同時適應不同季節和環境對冷熱的需求，在第二循環泵21和第二供熱盤管311之間的管道上設置A閥門22，第二供熱盤管311和第一吸熱盤管132之間的管道上設置B閥門23；在第三循環泵42和第二吸熱盤管331之間的管道上設置C閥門43，第二吸熱盤管331和利用終端41之間的管道上設置D閥門44。之後在A閥門22的進水端和所述B閥門23的出水端之間並聯所述第三吸熱盤管332，並在A閥門22的進水端和第三吸熱盤管332之間的管道上設置E閥門24，在B閥門23的出水端和第三吸熱盤管332之間的管道上設置F閥門25；在C閥門43的進水端和所述D閥門44的出水端之間並聯所述第三供熱盤管312，並在C閥門43的進水端和第三供熱盤管312之間的管道上設置G閥門45，在D閥門44的出水端和第三供熱盤管312之間的管道上設置H閥門36。A閥門22、B閥門23、C閥門43和D閥門44打開，E閥門24、F閥門25、G閥門45和H閥門46關閉時，利用終端41供熱升溫；A閥門22、B閥門23、C閥門43和D閥門44關閉，E閥門24、F閥門25、G閥門45和H閥門46打開時，利用終端41吸熱降溫。
在利用終端41吸熱降溫時，地熱採集裝置1的功用從吸熱變為散熱，但即熱井11的散熱功能是很弱的，或則是根本無法通過地熱井11散熱，所以需要在地熱井11的位置並聯一個冷卻塔15，來完成在利用終端41吸熱狀態下地熱採集裝置1的散熱效果。具體過濾器12出水端和第一循環泵14的出水端之間通過管道並聯冷卻塔15；同時，還要在過濾器12和第一供熱盤管131之間的管道上設置I閥門16，在第一循環泵14和低溫進口管115之間設置J閥門17，通過關閉I閥門16和J閥門17，將地熱井11孤立停用；在冷卻塔15和第一供熱盤管131之間的管道上設置K閥門18，在第一循環泵14和冷卻塔15之間設置L閥門19，通過K閥門18和L閥門19的開啟和關閉，控制冷卻塔的啟用和停用。
綜上所述，本發明提供的基於基巖地質的地熱利用方法，僅需在基巖地層中修築一口地熱井11，就能保證熱泵3的穩定運行，建設成本較低；利用地熱採集裝置1中深長且絕熱保溫的採熱管113，提取深入基巖地層的封閉地熱井11中聚集的地熱能為地面的利用系統所用；熱泵3通過換熱裝置2獲得地熱採集裝置1中的地熱能，並通過輸出裝置4對其加以利用，供熱和製冷工況轉換時，加入冷卻塔15為循環介質散熱，保持整個過程的穩定高效，實現高效、廉價的利用基巖地質中地熱能的目的。
需要說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的範圍當中。