基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112629074A(43)申请公布日2021.04.09(21)申请号202110009002.7(22)申请日2021.01.05(71)申请人中国长江三峡集团有限公司地址100038北京市海淀区玉渊潭南路1号(72)发明人邵博　杨立明　(74)专利代理机构宜昌市三峡专利事务所42103代理人成钢(51)Int.Cl.F25B30/06(2006.01)F25B41/40(2021.01)F24T10/17(2018.01)权利要求1页说明书6页附图1页(54)发明名称基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法(57)摘要一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法，通过进水管和出水管连接同轴套管换热器和热泵，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联，通过同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器进行开闭及其连接的管路切换。本发明克服了原中深层地热不可持续发展和浅层地热衰减过快不能有效利用的问，具有结构简单，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高的特点。CN112629074ACN112629074A权　利　要　求　书1/1页1.一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：它包括第一浅层换热器（1）、第二浅层换热器（2）、同轴套管换热器（3）、热泵（4）和地表换热器（5）；所述同轴套管换热器（3）和热泵（4）之间由进水管（31）和出水管（32）连接，第一浅层换热器（1）、第二浅层换热器（2）分别与进水管（31）和出水管（32）并联，地表换热器（5）与第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）并联；所述同轴套管换热器（3）的上部外沿设置隔热层（33）。2.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述进水管（31）和出水管（32）上分别设置进水阀（34）和出水阀（35）。3.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述出水管（32）上设置一号循环泵（36），一号循环泵（36）位于热泵（4）和出水阀（35）之间。4.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述第一浅层换热器（1）的进出水管上分别设置第一组进出水阀（11）。5.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述第二浅层换热器（2）的进出水管上分别设置第二组进出水阀（21）。6.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述地表换热器（5）与第一浅层换热器（1）之间连接的进出水管上分别设置第三组进出水阀（51）。7.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述地表换热器（5）与第二浅层换热器（2）之间连接的进出水管上分别设置第四组进出水阀（52）。8.根据权利要求1所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，其特征是：所述第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）的出水管与二号循环泵（37）连接，二号循环泵（37）与地表换热器（5）连接。9.根据权利要求1~8任一项所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统的使用方法，其特征是，它包括如下步骤：S1,安装，同轴套管换热器（3）的下部位于地热地源的中深层，同轴套管换热器（3）上部的隔热层（33）位于大地浅层；S2,秋季时，关闭热泵（4），依次打开第一组进出水阀（11）、第二组进出水阀（21）、进水阀（34）、出水阀（35）和一号循环泵（36），同轴套管换热器（3）将中深层地热导入到第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2），第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）对大地浅层加热，以备冬季使用；S3,冬季前期，关闭进水阀（34）和出水阀（35），依次打开热泵（4）、第一组进出水阀（11）和第二组进出水阀（21），通过热泵（4）制热对并外供热，第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）换热；S4,冬季后期，关闭第一组进出水阀（11）和第二组进出水阀（21），依次打开进水阀（34）、出水阀（35）、一号循环泵（36）、第三组进出水阀（51）、第四组进出水阀（52）和二号循环泵（37），同轴套管换热器（3）将中深层地热携带到热泵（4）进行制热，地表换热器（5）将地表的低温携带到第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）中对大地浅层进行降温；S5,春季时，关闭整个系统；S6, 夏季时，依次关闭进水阀（34）、出水阀（35）、一号循环泵（36）、二号循环泵（37）、第三组进出水阀（51）和第四组进出水阀（52），依次打开第一组进出水阀（11）、第二组进出水阀（21）和热泵（4），第一浅层换热器（1）和第二浅层换热器（2）配合热泵进行制冷。2CN112629074A说　明　书1/6页基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法技术领域[0001]本发明属于地热技术领域，涉及一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法。背景技术[0002]目前，对于开发地热能利用于冬季供热，常用的技术有两种：浅层地热源热泵技术；直接开采中深层地热水供热技术。但是这两种技术均存在一定的缺陷，有待解决。[0003]浅层地源热泵技术：浅层地热井占地面积大，应用受到限制；冬夏冷热负荷不平衡，系统能效衰减严重。[0004]直接开采中深层地热水供热技术：只有具有丰富地下热水资源的地区才能使用，应用受到限制；直接开采地下热水，回灌难度较大，造成地下水资源的浪费及污染，且长期抽取地下水，存在地质结构塌陷等风险，是一种不可持续发展的能源利用方式。目前各级政府主管部门已经开始禁止开采地下热水用于冬季供热。[0005]中深层地热的热量较为充沛具有不易衰减的特点，浅层地热在实际应用中往往地热衰减极快。发明内容[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法，结构简单，采用进水管和出水管连接同轴套管换热器和热泵，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联，同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器进行开闭及其连接的管路切换，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高。[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术是：一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，它包括第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器；所述同轴套管换热器和热泵之间由进水管和出水管连接，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联；所述同轴套管换热器的上部外沿设置隔热层。[0008]所述进水管和出水管上分别设置进水阀和出水阀。[0009]所述出水管上设置一号循环泵，一号循环泵位于热泵和出水阀之间。[0010]所述第一浅层换热器的进出水管上分别设置第一组进出水阀。[0011]所述第二浅层换热器的进出水管上分别设置第二组进出水阀。[0012]所述地表换热器与第一浅层换热器之间连接的进出水管上分别设置第三组进出水阀。[0013]所述地表换热器与第二浅层换热器之间连接的进出水管上分别设置第四组进出3CN112629074A说　明　书2/6页水阀。[0014]所述第一浅层换热器和第二浅层换热器的出水管与二号循环泵连接，二号循环泵与地表换热器连接。[0015]如上所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统的使用方法，它包括如下步骤：S1,安装，同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，同轴套管换热器上部的隔热层位于大地浅层；S2,秋季时，关闭热泵，依次打开第一组进出水阀、第二组进出水阀、进水阀、出水阀和一号循环泵，同轴套管换热器将中深层地热导入到第一浅层换热器和第二浅层换热器，第一浅层换热器和第二浅层换热器对大地浅层加热，以备冬季使用；S3,冬季前期，关闭进水阀和出水阀，依次打开热泵、第一组进出水阀和第二组进出水阀，通过热泵制热对并外供热，第一浅层换热器和第二浅层换热器换热；S4,冬季后期，关闭第一组进出水阀和第二组进出水阀，依次打开进水阀、出水阀、一号循环泵、第三组进出水阀、第四组进出水阀和二号循环泵，同轴套管换热器将中深层地热携带到热泵进行制热，地表换热器将地表的低温携带到第一浅层换热器和第二浅层换热器中对大地浅层进行降温；S5,春季时，关闭整个系统；S6, 夏季时，依次关闭进水阀、出水阀、一号循环泵、二号循环泵、第三组进出水阀和第四组进出水阀，依次打开第一组进出水阀、第二组进出水阀和热泵，第一浅层换热器和第二浅层换热器配合热泵进行制冷。[0016]一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，它包括第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器；同轴套管换热器和热泵之间由进水管和出水管连接，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联；同轴套管换热器的上部外沿设置隔热层。结构简单，通过进水管和出水管连接同轴套管换热器和热泵，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联，通过同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器进行开闭及其连接的管路切换，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高。[0017]在优选的方案中，进水管和出水管上分别设置进水阀和出水阀。结构简单，使用时，当进水管和出水管上的进水阀和出水阀打开后与同轴套管换热器和热泵形成回路。[0018]在优选的方案中，出水管上设置一号循环泵，一号循环泵位于热泵和出水阀之间。结构简单，使用时，当一号循环泵开启后，同轴套管换热器和热泵之间的回路形成循环回路。[0019]在优选的方案中，第一浅层换热器的进出水管上分别设置第一组进出水阀。结构简单，使用时，当热泵关闭、第一组进出水阀打开后，第一浅层换热器与同轴套管换热器之间形成回路。[0020]在优选的方案中，第二浅层换热器的进出水管上分别设置第二组进出水阀。结构4CN112629074A说　明　书3/6页简单，使用时，当热泵关闭、第二组进出水阀打开后，第二浅层换热器与同轴套管换热器之间形成回路。[0021]在优选的方案中，地表换热器与第一浅层换热器之间连接的进出水管上分别设置第三组进出水阀。结构简单，使用时，当第一组进出水阀关闭、第三组进出水阀打开后，第一浅层换热器与地表换热器之间形成回路。[0022]在优选的方案中，地表换热器与第二浅层换热器之间连接的进出水管上分别设置第四组进出水阀。结构简单，使用时，当第二组进出水阀关闭、第四组进出水阀打开后，第二浅层换热器与地表换热器之间形成回路。[0023]在优选的方案中，第一浅层换热器和第二浅层换热器的出水管与二号循环泵连接，二号循环泵与地表换热器连接。结构简单，使用时，当二号循环泵打开后，第一浅层换热器与地表换热器之间形成循环回路，或者第二浅层换热器与地表换热器之间形成循环回路。[0024]在优选的方案中，如上基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统的使用方法，它包括如下步骤：S1,安装，同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，同轴套管换热器上部的隔热层位于大地浅层；S2,秋季时，关闭热泵，依次打开第一组进出水阀、第二组进出水阀、进水阀、出水阀和一号循环泵，同轴套管换热器将中深层地热导入到第一浅层换热器和第二浅层换热器，第一浅层换热器和第二浅层换热器对大地浅层加热，以备冬季使用；S3,冬季前期，关闭进水阀和出水阀，依次打开热泵、第一组进出水阀和第二组进出水阀，通过热泵制热对并外供热，第一浅层换热器和第二浅层换热器换热；S4,冬季后期，关闭第一组进出水阀和第二组进出水阀，依次打开进水阀、出水阀、一号循环泵、第三组进出水阀、第四组进出水阀和二号循环泵，同轴套管换热器将中深层地热携带到热泵进行制热，地表换热器将地表的低温携带到第一浅层换热器和第二浅层换热器中对大地浅层进行降温；S5,春季时，关闭整个系统；S6, 夏季时，依次关闭进水阀、出水阀、一号循环泵、二号循环泵、第三组进出水阀和第四组进出水阀，依次打开第一组进出水阀、第二组进出水阀和热泵，第一浅层换热器和第二浅层换热器配合热泵进行制冷。该方法利用中深层地热不易衰减和浅层地热衰减极快的特性，结合各季节综合利用地热，利用效率高；减小中深层地热的使用时间，增加中深层地热的地热恢复时间，有利于中深层地热恢复；利用中深层地热对浅层地热加热，增加了浅层地热的热量储备，进而便于冬季前期利用浅层地热取暖；冬季后期利用地表的低温特性，利用地表换热器将低温传导到浅层换热器进而吸收大地浅层的热量，便于夏季利用热泵降温制冷。[0025]一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法，它包括第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地表换热器，通过进水管和出水管连接同轴套管换热器和热泵，第一浅层换热器、第二浅层换热器分别与进水管和出水管并联，地表换热器与第一浅层换热器和第二浅层换热器并联，通过同轴套管换热器的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器、第二浅层换热器、同轴套管换热器、热泵和地5CN112629074A说　明　书4/6页表换热器进行开闭及其连接的管路切换。本发明克服了原中深层地热不可持续发展和浅层地热衰减过快不能有效利用的问题，具有结构简单，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高的特点。附图说明[0026]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的结构示意图。[0027]图2为本发明的使用状态图。[0028]图中：第一浅层换热器1，第一组进出水阀11，第二浅层换热器2，第二组进出水阀21，同轴套管换热器3，进水管31，出水管32，隔热层33，进水阀34，出水阀35，一号循环泵36，二号循环泵37，热泵4，地表换热器5，第三组进出水阀51，第四组进出水阀52。具体实施方式[0029]如图1~图2中，一种基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统，它包括第一浅层换热器1、第二浅层换热器2、同轴套管换热器3、热泵4和地表换热器5；所述同轴套管换热器3和热泵4之间由进水管31和出水管32连接，第一浅层换热器1、第二浅层换热器2分别与进水管31和出水管32并联，地表换热器5与第一浅层换热器1和第二浅层换热器2并联；所述同轴套管换热器3的上部外沿设置隔热层33。结构简单，通过进水管31和出水管32连接同轴套管换热器3和热泵4，第一浅层换热器1、第二浅层换热器2分别与进水管31和出水管32并联，地表换热器5与第一浅层换热器1和第二浅层换热器2并联，通过同轴套管换热器3的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器1、第二浅层换热器2、同轴套管换热器3、热泵4和地表换热器5进行开闭及其连接的管路切换，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高。[0030]优选的方案中，所述进水管31和出水管32上分别设置进水阀34和出水阀35。结构简单，使用时，当进水管31和出水管32上的进水阀34和出水阀35打开后与同轴套管换热器3和热泵4形成回路。[0031]优选的方案中，所述出水管32上设置一号循环泵36，一号循环泵36位于热泵4和出水阀35之间。结构简单，使用时，当一号循环泵36开启后，同轴套管换热器3和热泵4之间的回路形成循环回路。[0032]优选的方案中，所述第一浅层换热器1的进出水管上分别设置第一组进出水阀11。结构简单，使用时，当热泵4关闭、第一组进出水阀11打开后，第一浅层换热器1与同轴套管换热器3之间形成回路。[0033]优选的方案中，所述第二浅层换热器2的进出水管上分别设置第二组进出水阀21。结构简单，使用时，当热泵4关闭、第二组进出水阀21打开后，第二浅层换热器2与同轴套管换热器3之间形成回路。[0034]优选的方案中，所述地表换热器5与第一浅层换热器1之间连接的进出水管上分别设置第三组进出水阀51。结构简单，使用时，当第一组进出水阀11关闭、第三组进出水阀516CN112629074A说　明　书5/6页打开后，第一浅层换热器1与地表换热器5之间形成回路。[0035]优选的方案中，所述地表换热器5与第二浅层换热器2之间连接的进出水管上分别设置第四组进出水阀52。结构简单，使用时，当第二组进出水阀21关闭、第四组进出水阀52打开后，第二浅层换热器2与地表换热器5之间形成回路。[0036]优选的方案中，所述第一浅层换热器1和第二浅层换热器2的出水管与二号循环泵37连接，二号循环泵37与地表换热器5连接。结构简单，使用时，当二号循环泵37打开后，第一浅层换热器1与地表换热器5之间形成循环回路，或者第二浅层换热器2与地表换热器5之间形成循环回路。[0037]优选的方案中，如上所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统的使用方法，它包括如下步骤：S1,安装，同轴套管换热器3的下部位于地热地源的中深层，同轴套管换热器3上部的隔热层33位于大地浅层；S2,秋季时，关闭热泵4，依次打开第一组进出水阀11、第二组进出水阀21、进水阀34、出水阀35和一号循环泵36，同轴套管换热器3将中深层地热导入到第一浅层换热器1和第二浅层换热器2，第一浅层换热器1和第二浅层换热器2对大地浅层加热，以备冬季使用；S3,冬季前期，关闭进水阀34和出水阀35，依次打开热泵4、第一组进出水阀11和第二组进出水阀21，通过热泵4制热对并外供热，第一浅层换热器1和第二浅层换热器2换热；S4,冬季后期，关闭第一组进出水阀11和第二组进出水阀21，依次打开进水阀34、出水阀35、一号循环泵36、第三组进出水阀51、第四组进出水阀52和二号循环泵37，同轴套管换热器3将中深层地热携带到热泵4进行制热，地表换热器5将地表的低温携带到第一浅层换热器1和第二浅层换热器2中对大地浅层进行降温；S5,春季时，关闭整个系统；S6, 夏季时，依次关闭进水阀34、出水阀35、一号循环泵36、二号循环泵37、第三组进出水阀51和第四组进出水阀52，依次打开第一组进出水阀11、第二组进出水阀21和热泵4，第一浅层换热器1和第二浅层换热器2配合热泵进行制冷。该方法利用中深层地热不易衰减和浅层地热衰减极快的特性，结合各季节综合利用地热，利用效率高。[0038]如上所述的基于中深层地热的浅层地热地源热泵系统及方法，安装使用时，进水管31和出水管32连接同轴套管换热器3和热泵4，第一浅层换热器1、第二浅层换热器2分别与进水管31和出水管32并联，地表换热器5与第一浅层换热器1和第二浅层换热器2并联，同轴套管换热器3的下部位于地热地源的中深层，上部位于大地浅层，对第一浅层换热器1、第二浅层换热器2、同轴套管换热器3、热泵4和地表换热器5进行开闭及其连接的管路切换，利用中深层地热对浅层地热加热用于冬季前期取暖，冬季后期取暖吸收浅层地热便于夏季热泵降温制冷，综合利用效率高。[0039]使用时，当进水管31和出水管32上的进水阀34和出水阀35打开后与同轴套管换热器3和热泵4形成回路。[0040]使用时，当一号循环泵36开启后，同轴套管换热器3和热泵4之间的回路形成循环回路。[0041]使用时，当热泵4关闭、第一组进出水阀11打开后，第一浅层换热器1与同轴套管换热器3之间形成回路。7CN112629074A说　明　书6/6页[0042]使用时，当热泵4关闭、第二组进出水阀21打开后，第二浅层换热器2与同轴套管换热器3之间形成回路。[0043]使用时，当第一组进出水阀11关闭、第三组进出水阀51打开后，第一浅层换热器1与地表换热器5之间形成回路。[0044]使用时，当第二组进出水阀21关闭、第四组进出水阀52打开后，第二浅层换热器2与地表换热器5之间形成回路。[0045]使用时，当二号循环泵37打开后，第一浅层换热器1与地表换热器5之间形成循环回路，或者第二浅层换热器2与地表换热器5之间形成循环回路。[0046]上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。8CN112629074A说　明　书　附　图1/1页图1图29