技术领域
[0001] 本实用新型属于矿井废热利用技术领域，具体是涉及一种矿井废热土壤源混合式热泵系统。
背景技术
[0002] 我国矿区大部分位于北部地区，
气候寒冷。冬季需要供暖，夏季需要供冷，而且供暖期接近半年之久，冬季热负荷比较大，且矿区由于工作性质的原因，热
水负荷相对与一般建筑要大，传统的系统利用
煤、气或者
电能供暖、供热水，
能源消耗大，
费用高。
[0003] 煤矿开采过程中，矿井采区会产生大量废热，为了保证采区环境，传统矿区采用矿井通
风系统把矿区产生的废热吹出矿区，使这部分余热资源不被利用，而让其白白散失于外界环境，不仅造成了资源的浪费，而且造成了严重的热污染、粉尘污染和噪音污染。现在的矿井废热利用直接将井下废热收集后与地面热负荷进行热交换，夏季采区的热量仍然被浪费，冬季且只能供热，不能随着地面气温的变化适时调节供热。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于克服上述
现有技术中的不足，提供了一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其利用热泵技术，在保证采场工作面工作环境
温度适宜的同时，将矿井下低品位的
热能储存于地表，需要时再提取出来，减少了我国北方寒冷地区的传统矿区冬季长期供热造成的环境污染以及大规模的不可再生资源的消耗。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于，包括地表矿井废热利用回路、
地埋管换热器和深井废热收集回路，所述深井废热收集回路与地埋管换热器连接且深井废热收集回路用于回收井下废热并将井下废热传递给地埋管换热器，所述地埋管换热器和所述地表矿井废热利用回路连接且用于将地埋管换热器吸收和储存的
能量传递给所述地表矿井废热利用回路，所述深井废热收集回路包括高低压换热器和矿井
通风系统，所述高低压换热器设置在矿井通风系统的末端且用于吸收矿井通风系统中空气从采场区带来的井下废热，所述高低压换热器的冷
流体入口与地埋管换热器的第一流体出口相连通，所述高低压换热器的冷流体出口与埋管换热器的第一流体入口相连通，所述地埋管换热器的第二流体入口和出口均与地表矿井废热利用回路相连通。
[0006] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述地埋管换热器的第二流体出口与所述地表矿井废热利用回路之间设置有第五
循环泵、第六
阀门和三通换向阀，所述第五循环泵的出口与第六阀门的一端相连通，所述第六阀门的一端与三通换向阀的第一端口相连通，所述三通换向阀的第二端口和第三端口均与地表矿井废热利用回路相连通，所述第五循环泵的入口与地埋管换热器的第二流体出口相连通。
[0007] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述高低压换热器的冷流体入口与地埋管换热器的第一流体出口之间还设置有第一阀门和第一循环泵，所述第一阀门的一端通过管路与地埋管换热器的第一流体出口相连通，第一阀门的另一端与第一循环泵的入口相连通，所述第一循环泵的出口与高低压换热器的冷流体入口相连通。
[0008] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述地表矿井废热利用回路包括热泵机组和
制冷回路，所述热泵机组包括热泵机组
压缩机、热泵机组
蒸发器、热泵机组节流机构和热泵机组
冷凝器，所述热泵机组压缩机的出口与热泵机组
蒸发器的工作介质入口相连通，所述热泵机组蒸发器的工作介质出口与热泵机组节流机构的入口相连通，所述热泵机组节流机构的出口与热泵机组冷凝器的工作介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器的工作介质出口与热泵机组压缩机的入口相连通；所述制冷回路包括制冷回路压缩机、制冷回路蒸发器、制冷回路节流装置、制冷回路冷凝器和冷负荷，所述制冷回路压缩机的出口与制冷回路蒸发器的工作介质入口相连通，所述制冷回路蒸发器的工作介质出口与制冷回路节流装置的入口相连通，所述制冷回路节流装置的出口与制冷回路冷凝器的工作介质入口相连通，所述制冷回路冷凝器的工作介质出口与制冷回路压缩机的入口相连通，所述冷负荷的一端与制冷回路蒸发器的负载介质入口相连通，所述冷负荷的另一端与制冷回路蒸发器的负载介质出口相连通；所述热泵机组蒸发器的负载介质出口与制冷回路冷凝器的负载介质入口相连通，所述热泵机组蒸发器的负载介质入口与制冷回路冷凝器的负载介质出口相连通，所述热泵机组冷凝器的负载介质出口地埋管换热器的第二流体入口相连通，所述热泵机组冷凝器的负载介质入口与地埋管换热器的第二流体出口相连通。
[0009] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述地表矿井废热利用回路还包括供暖回路，所述供暖回路包括第二循环泵、第二阀门、热负荷和第三阀门，所述第二循环泵的出口与第二阀门的一端相连通，所述第二阀门的另一端与热负荷的一端相连通，所述热负荷的另一端与第三阀门的一端相连通，所述第三阀门的另一端与热泵机组冷凝器的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器的负载介质出口与第二循环泵的入口相连通，所述热泵机组蒸发器的负载介质出口地埋管换热器的第二流体入口相连通，所述热泵机组蒸发器的负载介质入口与地埋管换热器的第二流体出口相连通。
[0010] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述地表矿井废热利用回路还包括生活热水回路，所述生活热水回路包括热水加热负荷、第三循环泵和第四阀门，所述第三循环泵的出口与第四阀门的一端相连通，所述第四阀门的另一端与热泵机组冷凝器的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器的负载介质出口与热水加热负荷的一端相连通，所述热水加热负荷的另一端与第三循环泵的入口相连通，所述热泵机组蒸发器的负载介质出口地埋管换热器的第二流体入口相连通，所述热泵机组蒸发器的负载介质入口与地埋管换热器的第二流体出口相连通。
[0011] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述热泵机组还包括
冷却塔，所述冷却塔出水口与热泵机组冷凝器的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器的负载介质出口与冷却塔进水口相连通。
[0012] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述热泵机组冷凝器的负载介质出口与冷却塔进水口之间设置有第四循环泵和第五阀门，所述第四循环泵的出口与第五阀门的一端相连通，所述第五阀门的另一端与冷却塔进水口相连通，所述第四循环泵的入口与热泵机组冷凝器的负载介质出口相连通。
[0013] 上述的一种矿井废热土壤源混合式热泵系统，其特征在于：所述冷负荷的一端与制冷回路蒸发器的负载介质入口之间还设置有第六循环泵和第七阀门，所述第六循环泵的出口与第七阀门的一端相连通，所述第七阀门的另一端与制冷回路蒸发器的负载介质入口相连通，所述冷负荷的一端与第六循环泵的入口相连通。
[0014] 本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
[0015] 1、本实用新型在地表矿井废热利用回路和深井废热收集回路之间设置有地埋管换热器能够将矿井下低品位的热能储存于地表，需要时再提取出来，减少了我国北方寒冷地区的传统矿区冬季长期供热造成的环境污染以及大规模的不可再生资源的消耗。
[0016] 2、本实用新型可以有效地将深井工作面的温度降至标准
工作温度，提高工作环境，加入供应热水系统，提高生活品质，减免了因改善矿工的生活和工作环境而额外花费的费用，具有很大的经济效益。
[0017] 3、本实用新型的系统利用深井废热提高了热量的利用率，同时系统冬夏皆可制取热水且可用于建筑室内末端的调节，供暖季可供热，非供暖季可制冷。
[0018] 4、本实用新型的这种系统解决了传统矿区热的流失和利用率不高的问题以及严寒地区供暖季热量的紧缺，充分利用废热，节约不可再生资源，体现了可持续发展的
空调理念。
[0019] 下面通过
附图和
实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。
附图说明
[0020] 图1为本实用新型矿井废热土壤源混合式热泵系统的系统连接示意图。
[0021] 图2为本实用新型热泵机组与制冷回路的连接示意图。
[0022] 图3为本实用新型热泵机组与供暖回路的连接示意图。
[0023] 图4为本实用新型热泵机组与生活热水回路的连接示意图。
[0024] 图5为本实用新型热泵机组与地埋管换热器的连接示意图。
[0025] 附图标记说明:
[0026] 1—地埋管换热器； 1-1—第五循环泵； 1-2—第六阀门；
[0027] 1-3—三通换向阀； 2—高低压换热器； 3—矿井通风系统；
[0028] 3-1—风机 3-2—采场区 4—第一阀门；
[0029] 5—第一循环泵； 6—热泵机组；
[0030] 6-1—热泵机组压缩机； 6-2—热泵机组蒸发器；
[0031] 6-3—热泵机组节流机构； 6-4—热泵机组冷凝器；
[0032] 6-5—冷却塔； 6-6—第四循环泵； 6-7—第五阀门；7—制冷回路； 7-1—制冷回路压缩机；
[0033] 7-2—制冷回路蒸发器； 7-3—制冷回路节流装置；
[0034] 7-4—制冷回路冷凝器； 7-5—冷负荷；
[0035] 7-6—第六循环泵； 7-7—第七阀门； 8—供暖回路；
[0036] 8-1—第二循环泵； 8-2—第二阀门； 8-3—热负荷；
[0037] 8-4—第三阀门； 9—生活热水回路； 9-1—热水加热负荷；
[0038] 9-2—第三循环泵； 9-3—第四阀门。
具体实施方式
[0039] 如图1所示，本实用新型包括地表矿井废热利用回路、地埋管换热器 1和深井废热收集回路，所述深井废热收集回路与地埋管换热器1连接且深井废热收集回路用于回收井下废热并将井下废热传递给地埋管换热器 1，所述地埋管换热器1和所述地表矿井废热利用回路连接且用于将地埋管换热器1吸收和储存的能量传递给所述地表矿井废热利用回路，所述深井废热收集回路包括高低压换热器2和矿井通风系统3，所述高低压换热器2设置在矿井通风系统3的末端且用于吸收矿井通风系统3中空气从采场区带来的井下废热，所述高低压换热器2的冷流体入口与地埋管换热器 1的第一流体出口相连通，所述高低压换热器2的冷流体出口与埋管换热器1的第一流体入口相连通，所述地埋管换热器1的第二流体入口和出口均与地表矿井废热利用回路相连通。
[0040] 本实施例中矿井通风系统3主要用于为井下提供足够的新鲜空气和调节井下气候，其通过风机3-1将新鲜的空气吹向采场区3-2，空气将采场区3-2产生的废热沿着矿井通风系统3带到矿井通风系统3末端设置的高低压换热器2，在高低压换热器2中携带矿井余热的空气与高低压换热器 2中的冷流体进行热交换，高低压换热器2的冷流体再将吸收的热量传递给地埋管换热器1，地埋管换热器1能够将矿井下低品位的热能储存于地表，需要时再提取出来供应给地表矿井废热利用回路。使得矿井废热资源得到充分利用，减少了位于我国北方寒冷地区的传统矿区冬季长期供热造成的环境污染以及大规模的不可再生资源的消耗。
[0041] 如图1和图5所示，所述地埋管换热器1的第二流体出口与所述地表矿井废热利用回路之间设置有第五循环泵1-1、第六阀门1-2和三通换向阀1-3，所述第五循环泵1-1的出口与第六阀门1-2的一端相连通，所述第六阀门1-2的一端与三通换向阀1-3的第一端口相连通，所述三通换向阀 1-3的第二端口和第三端口均与地表矿井废热利用回路相连通，所述第五循环泵1-1的入口与地埋管换热器1的第二流体出口相连通。
[0042] 如图1所示，所述高低压换热器2的冷流体入口与地埋管换热器1的第一流体出口之间还设置有第一阀门4和第一循环泵5，所述第一阀门4 的一端通过管路与地埋管换热器1的第一流体出口相连通，第一阀门4的另一端与第一循环泵5的入口相连通，所述第一循环泵5的出口与高低压换热器2的冷流体入口相连通。
[0043] 如图1至图5所示，所述地表矿井废热利用回路包括热泵机组6和制冷回路7，所述热泵机组6包括热泵机组压缩机6-1、热泵机组蒸发器6-2、热泵机组节流机构6-3和热泵机组冷凝器6-4，所述热泵机组节流机构6-3 为膨胀阀，所述热泵机组压缩机6-1的出口与热泵机组蒸发器6-2的工作介质入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2的工作介质出口与热泵机组节流机构6-3的入口相连通，所述热泵机组节流机构6-3的出口与热泵机组冷凝器6-4的工作介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器6-4的工作介质出口与热泵机组压缩机6-1的入口相连通；
[0044] 所述制冷回路7包括制冷回路压缩机7-1、制冷回路蒸发器7-2、制冷回路节流装置7-3、制冷回路冷凝器7-4和冷负荷7-5，所述制冷回路节流装置7-3为膨胀阀，所述制冷回路压缩机7-1的出口与制冷回路蒸发器7-2 的工作介质入口相连通，所述制冷回路蒸发器7-2的工作介质出口与制冷回路节流装置7-3的入口相连通，所述制冷回路节流装置7-3的出口与制冷回路冷凝器7-4的工作介质入口相连通，所述制冷回路冷凝器7-4的工作介质出口与制冷回路压缩机7-1的入口相连通，所述冷负荷7-5的一端与制冷回路蒸发器7-2的负载介质入口相连通，所述冷负荷7-5的另一端与制冷回路蒸发器7-2的负载介质出口相连通；
[0045] 所述热泵机组蒸发器6-2的负载介质出口与制冷回路冷凝器7-4的负载介质入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2的负载介质入口与制冷回路冷凝器7-4的负载介质出口相连通，所述热泵机组冷凝器6-4的负载介质出口地埋管换热器1的第二流体入口相连通，所述热泵机组冷凝器6-4的负载介质入口与地埋管换热器1的第二流体出口相连通。
[0046] 如图1和图3所示，所述地表矿井废热利用回路还包括供暖回路8，所述供暖回路8包括第二循环泵8-1、第二阀门8-2、热负荷8-3和第三阀门8-4，所述第二循环泵8-1的出口与第二阀门8-2的一端相连通，所述第二阀门8-2的另一端与热负荷8-3的一端相连通，所述热负荷8-3的另一端与第三阀门8-4的一端相连通，所述第三阀门8-4的另一端与热泵机组冷凝器6-4的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器6-4的负载介质出口与第二循环泵8-1的入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2的负载介质出口地埋管换热器1的第二流体入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2 的负载介质入口与地埋管换热器1的第二流体出口相连通。
[0047] 如图1和图4所示，所述地表矿井废热利用回路还包括生活热水回路 9，所述生活热水回路9包括热水加热负荷9-1、第三循环泵9-2和第四阀门9-3，所述第三循环泵9-2的出口与第四阀门9-3的一端相连通，所述第四阀门9-3的另一端与热泵机组冷凝器6-4的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器6-4的负载介质出口与热水加热负荷9-1的一端相连通，所述热水加热负荷9-1的另一端与第三循环泵9-2的入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2的负载介质出口地埋管换热器1的第二流体入口相连通，所述热泵机组蒸发器6-2的负载介质入口与地埋管换热器1的第二流体出口相连通。
[0048] 如图1所示，所述热泵机组6还包括冷却塔6-5，所述冷却塔6-5出水口与热泵机组冷凝器6-4的负载介质入口相连通，所述热泵机组冷凝器 6-4的负载介质出口与冷却塔6-5进水口相连通。
[0049] 如图1所示，所述热泵机组冷凝器6-4的负载介质出口与冷却塔6-5 进水口之间设置有第四循环泵6-6和第五阀门6-7，所述第四循环泵6-6 的出口与第五阀门6-7的一端相连通，所述第五阀门6-7的另一端与冷却塔6-5进水口相连通，所述第四循环泵6-6的入口与热泵机组冷凝器6-4 的负载介质出口相连通。
[0050] 如图1所示，所述冷负荷7-5的一端与制冷回路蒸发器7-2的负载介质入口之间还设置有第六循环泵7-6和第七阀门7-7，所述第六循环泵7-6 的出口与第七阀门7-7的一端相连通，所述第七阀门7-7的另一端与制冷回路蒸发器7-2的负载介质入口相连通，所述冷负荷7-5的一端与第六循环泵7-6的入口相连通。
[0051] 本实用新型的工作原理为：该系统为地表矿井废热利用回路提供制冷的工作流程：打开第七阀门7-7和第六循环泵7-6，冷负荷7-5与制冷回路蒸发器7-2的负载介质端连接形成第一闭合环路，制冷回路压缩机7-1、制冷回路蒸发器7-2、制冷回路节流装置7-3和制冷回路冷凝器7-4的工作介质端依次连接形成第二闭合环路，制冷回路冷凝器7-4的负载介质端与热泵机组蒸发器6-2的负载介质端连接形成第三闭合环路，第一闭合环路将冷负荷7-5出的热量传递给第二闭合环路，第二闭合环路有将热量传递给第三闭合环路，第三闭合环路在将这部热量通
过热泵机组6传递给地埋管换热器1，地埋管换热器1将这部分热量储存至地表土壤中。
[0052] 该系统为地表矿井废热利用回路供热的工作流程：开启第一阀门4和第一循环泵5，高低压换热器2将从矿井通风系统3吸收的热量传递给地埋管换热器1，地埋管换热器1在将这部分热量转动给热泵机组6，热泵机组6再将这部分热量转化后传递给热水加热负荷9-
1和或热负荷8-3。
[0053] 在非供暖季，可能出现矿井降温负荷较大的情况，此时降温系统排热量超过地表土壤的蓄热能
力，可以开启冷却塔6-5辅助
散热，保证热泵机组6的安全高效运行。此时，启冷却塔6-5辅助散热工作流程：开启第四循环泵6-6和第五阀门6-7，使启冷却塔6-5与热泵机组冷凝侧进行热交换，达到降温效果，并调节第五阀门6-7、第六阀门1-2的开启度来调节蓄热与冷却塔6-5辅助散热的流量。
[0054] 在供暖季，深井下系统的工作流程与非供暖季相同。地面上开启第二循环泵8-1、第二阀门8-2和第三阀门8-4，形成环路，与热泵机组6的冷凝测换热，来向住宅区供热。开启第三循环泵9-2和第四阀门9-3形成环路，与热泵机组6的冷凝器侧换热，用来向住宅区供热水。开启第五循环泵1-1、第六阀门1-2和三通换向阀1-3，使得热泵机组6的蒸发侧与地埋管换热器1的形成环路，用来提取非供暖季储存于地表的热量。其余阀门及泵关闭。至此，非供暖季储存于地表的热量通过上述环路传递至住宅区。
[0055] 供暖季深井冷负荷减小，此时热泵系统主要满足于矿区住宅的生活热水和生活供暖需要。根据矿区住宅的供热负荷及热水负荷量的需要，深井通风环路的全部或部分热量通过热泵机组用于地面供热系统，并由地埋管换热器提取非供暖季储存于地表的热量实施冬季住宅的供热热泵循环。
[0056] 热泵机组蒸发器载冷剂采用乙二醇水溶液，冷凝器侧循环介质为水，热泵机组设置于地面上。系统通过阀门的切换可实现井下常年降温，地面夏供冷、冬供热、常年供热水等功能。
[0057] 利用热泵技术，将矿井下低品位的热能储存于地表，需要时提取出来。减少了我国北方寒冷地区的传统矿区冬季长期供热造成的环境污染以及大规模的不可再生资源的消耗，这一系统使用期间，系统的运行费用远远低于使用传统供热设备的
燃料使用费用及设备保养维修费用，极大地节约了供热成本，同时，这一系统可以有效地将深井工作面的温度降至标准工作温度，提高工作环境，加入供应热水系统，提高生活品质，减免了因改善矿工的生活和工作环境而额外花费的费用，具有很大的经济效益。这种系统改善了传统矿区井下高温热害问题以及热的循环利用问题，充分利用了
地热能，体现了可持续发展的空调理念。
[0058] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
