技术领域
[0001] 本
发明属于
地源热泵领域，具体涉及一种中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置。
背景技术
[0002]
地热能作为一种绿色低
碳、用之不竭的
可再生能源越来越受到重视。中
深层地热能是热应用领域最具价值和潜
力的来源，主要是指地下2-3km，
温度在70-90℃甚至更高范围的
地层中蕴含的热能资源。中深层地热能热源充足，可利用价值高，不会对环境造成污染，还能实现全天候全时段应用，具有绿色低碳、清洁安全、储量大、分布广、
稳定性好等特点。
[0003] 就目前现状来看，对于中深地
热层的有效利用温度差较小，单井换热量只有350kW-450kW左右。通过实验测量及数值模拟发现，造成地热井换热量不足的主要原因是
循环水在向下流动的过程中，不断受热升温，水温与岩土层的温度趋近一致，由于温差不足无法进一步地热量交换，致使地源井管的热交换面积不能有效利用，导致单井热功率小，经济效益不高。另外，由于中深层地源井深度达到两千米以上，通过增大流量强化
对流的方式会使得水阻力大增，泵能耗大增，内外管耐压强度大增，其能效提升程度也有限。
[0004] 为了解决
现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案，例如，中国
专利文献公开了一种中深层地热能直接供热系统[
申请号：201710557919.4]：包括设置在地岩热换热孔中的地热能换热器，地热能换热器上部为保温段，下部为高温换热段，内部有输出中层管，所述地热能换热器注有换热介质，换热介质在所述高温换热段内与地下高温蓄热岩层进行换热，动力泵将换热介质通过输出中层管输送至用户末端进行供热，供热后换热介质返回地热能换热器，形成循环回路。
[0005] 上述方案虽然在一定程度上缓解了中深层地热能换热系统换热效率低的问题，但是该方案依然存在着：换热装置的结构稳定性差，单位体积循环介质的换热量小的问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，提高单位体积循环介质的换热量的中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置，包括具有相互连通的外
套管和内套管的垂直套管式地埋管，其特征在于，所述的垂直套管式地埋管的外套管通过
增压泵和制
冰桶相连，所述的制冰桶连接有
低温制冷结构，所述的制冰桶通
过冷冻水泵与
地源热泵机组的
蒸发器相连，所述的地源热泵机组的
蒸发器连接有
冷凝器，所述的垂直套管式地埋管的内套管分别连接有地源热泵机组的蒸发器和/或低温制冷结构的低温
制冷压缩机组相连，所述的高温地源热泵的蒸发器与冷凝器之间设有能使蒸发器与冷凝器完成内部循环的高温
制冷压缩机，且所述的冷凝器通过供暖热水泵输送至用户侧末端。
[0008] 本发明采用闭式循环系统，通过增压泵将制冰桶内的冰水混合物灌入中深层地源井中的垂直套管式地埋管，利用冰融化过程中
相变温度保持不变，使得循环介质与地源井之间
传热温差的平衡点
位置下移，进而提升了水在地源井内循环流动中携带的热量，更大程度地挖掘中深层地热的利用潜力。
[0009] 本发明装置工作时，由地源热泵机组的蒸发器产生的冷冻水经由冷冻水泵流入制冰桶，冲刷制冰桶内的结冰板，生成的冰水混合物通过增压泵注入中深层地源井内的垂直套管式地埋管进行热量交换。冰水混合物在增压泵的驱动下从外套管向下流动，到达竖直管的底部后，再由内管向上流出换热装置。在向下流动的过程中，冰在岩土及
地热水的传热作用下受热不断升温变为水。由于相变过程的温度保持不变，使得循环水与地热层之间的温度差在一定的深度范围内维持恒定。相比循环介质全为水的工况，温差的平衡点，即温差趋近于0℃，位置向下移动，进而提升了循环水在地源井内获得的热量。地热井的出水一部分流入制冷机组带走多余的热量，另一部分流入地源热泵机组的蒸发器进行下一次的循环。制冷机组的
冷却水通过冷却水泵接至地热井的出水，一同输送至地源热泵的蒸发器侧。高温地源热泵的蒸发器与冷凝器在高温制冷压缩机的作用下完成内部循环，冷凝器中产生的45℃/40℃热水通过供暖热水泵输送至用户侧末端。
[0010] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的低温制冷结构包括与制冰桶一端相连且用于输送载冷剂的载冷剂输送泵，所述的载冷剂输送泵通过低温制冷压缩机组和制冰桶另一端相连。低温制冷压缩机组通过载冷剂输送泵输送-10℃～-5℃载冷剂在制冰桶内产生冰。
[0011] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的垂直套管式地埋管的内套管通过第一调节
阀和地源热泵机组的蒸发器相连，且所述的垂直套管式地埋管的内套管通过第二调节阀连接有冷却水泵，且所述的冷却水泵和低温制冷压缩机组相连,且所述的第一调节阀和第二调节阀相互并联。
[0012] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的低温制冷压缩机组连接有第三调节阀，且所述的第三调节阀连接在第一调节阀和地源热泵机组的蒸发器之间，且所述的第三调节阀和第二调节阀分别设置在第一调节阀两端。
[0013] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的冷冻水泵为冷冻螺旋水泵。
[0014] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的垂直套管式地埋管设置在中深层地源井内，所述的外套管上端敞口，下端封闭，所述的内套管两端分别敞口且所述的内套管下端和外套管下端相连通，所述的外套管和内套管同轴相互套接相连，所述的外套管位于内套管的周向外侧。
[0015] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的增压泵下端延伸至垂直套管式地埋管的外套管内且位于外套管和内套管之间。
[0016] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的增压泵为单螺杆增压泵。
[0017] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的用户侧末端为
风机盘管、地暖和
散热器中的任意一种或多种。
[0018] 在上述中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置中，所述的载冷剂为-5℃/0℃乙二醇。
[0019] 与现有的技术相比，本发明的优点在于：
[0020] 1、为了保证地下换热装置的结构稳定性，该装置将低温制冷系统、高温地源热泵系统及中深层地源井换热系统组合一个封闭的循环，在地源井内通过闭式循环系统为循环工质(水)提供热量，具有只取热不取水的特点。利用过程不影响
地下水位及地下水环境，能够有效保护
地热资源，消除地下水位下降和地面沉降的不利影响。换热器管内使用的循环水处于密闭状态，能使设备表面
腐蚀和杂质沉积的问题最小化。
[0021] 2、该系统利用了冰在相变吸热过程中温度不变的特点，将冰水混合物注入地源井中，提升了循环水在井内的换热量。冰水混合物由制冷机组与制冰桶采用冰片滑落式动态制冰，由于水一直处于流动状态，制冰桶内形成的冰片或冰晶被持续剥离结冰板,为继续结冰提供更优的传热特性。冰水混合物是由水溶液和冰晶粒子组成的泥浆状悬浊液，具有蓄冷能力大、流动性强、较快的供冷速率等特点。由于冰的
密度小于水，在冰变为水的过程中，体积不断减小，因此还能够提升单位体积循环介质的换热量，更大程度地挖掘中深层地热的利用潜力，尤其在北方地区的利用价值更高，在为用户供暖、供热水方面具有广阔的应用前景。
[0022] 3、低温制冷压缩机组的排热以冷却水为载体，经由冷却水泵输送至高温地源热泵机组的蒸发器，较高温度的循环水提高了地源热泵机组的性能系数，整个系统完成了
能量的
梯级利用。
附图说明
[0023] 图1是本发明的结构示意图；
[0024] 图中，垂直套管式地埋管1、外套管11、内套管12、第一调节阀13、第二调节阀14、冷却水泵15、第三调节阀16、增压泵2、制冰桶3、低温制冷结构4、低温制冷压缩机组41、载冷剂输送泵42、冷冻水泵5、地源热泵机组6、蒸发器61、冷凝器62、高温制冷压缩机7、供暖热水泵8、用户侧末端9。
具体实施方式
[0025] 如图1所示，本中深层地源井闭式循环换热量提升系统装置，包括具有相互连通的外套管11和内套管12的垂直套管式地埋管1，垂直套管式地埋管1的外套管11通过增压泵2和制冰桶3相连，优选地，这里的增压泵2可以为单螺杆增压泵，制冰桶3连接有低温制冷结构4，制冰桶3通过冷冻水泵5与地源热泵机组6的蒸发器61相连，优选地，这里的冷冻水泵5可以为冷冻螺旋水泵，地源热泵机组6的蒸发器61连接有冷凝器62，垂直套管式地埋管1的内套管12分别连接有地源热泵机组6的蒸发器61和/或低温制冷结构4的低温制冷压缩机组41相连，高温地源热泵的蒸发器61与冷凝器62之间设有能使蒸发器61与冷凝器62完成内部循环的高温制冷压缩机7，且冷凝器62通过供暖热水泵8输送至用户侧末端9，例如，用户侧末端9可以为风机盘管、地暖和
散热器中的任意一种或多种。
[0026] 其中，本
实施例中的低温制冷结构4包括与制冰桶3一端相连且用于输送载冷剂的载冷剂输送泵42，载冷剂输送泵42通过低温制冷压缩机组41和制冰桶3另一端相连，其中，这里的载冷剂为-5℃/0℃乙二醇。
[0027] 优选地，这里的垂直套管式地埋管1的内套管12通过第一调节阀13和地源热泵机组6的蒸发器61相连，且垂直套管式地埋管1的内套管12通过第二调节阀14连接有冷却水泵15，且冷却水泵15和低温制冷压缩机组41相连,且第一调节阀13和第二调节阀14相互并联，这里的低温制冷压缩机组41连接有第三调节阀16，且第三调节阀16连接在第一调节阀13和地源热泵机组6的蒸发器61之间，且第三调节阀16和第二调节阀14分别设置在第一调节阀
13两端。
[0028] 其中，这里的垂直套管式地埋管1设置在中深层地源井内，外套管11上端敞口，下端封闭，内套管12两端分别敞口且内套管12下端和外套管11下端相连通，外套管11和内套管12同轴相互套接相连，外套管11位于内套管12的周向外侧。增压泵2下端延伸至垂直套管式地埋管1的外套管11内且位于外套管11和内套管12之间。
[0029] 本发明装置工作时，由地源热泵机组6的蒸发器61产生的冷冻水经由冷冻水泵5流入制冷桶3，冲刷制冰桶3内的结冰板，生成的冰水混合物通过单螺杆增压泵2注入中深层地源井内的垂直套管式地埋管1进行热量交换。冰水混合物在单螺杆增压泵2的驱动下从外套管11向下流动，到达竖直管的底部后，再由内套管12向上流出换热装置。在向下流动的过程中，冰在
土壤及地热水的传热作用下受热不断升温变为水。由于相变过程的温度保持不变，使得循环水与地热层之间的温度差在一定的深度范围内维持恒定。相比循环介质全为水的工况，温差的平衡点，即温差趋近于0℃位置向下移动，进而提升了循环水在地源井内获得的热量。地热井的出水一部分通过开启的第二调节阀14流入低温制冷压缩机组41带走多余的热量，另一部分通过开启的第一调节阀13流入地源热泵机组6的蒸发器61进行下一次的循环。
[0030] 其中，低温制冷压缩机组41通过乙二醇泵输送-5℃/0℃载冷剂，即乙二醇在制冷桶3内产生冰。低温制冷压缩机组41的冷却水通过冷却水泵15由开启的第三调节阀16接至地热井的出水，一同输送至地源热泵的蒸发器61侧。
[0031] 高温地源热泵的蒸发器61与冷凝器62在高温制冷压缩机7的作用下完成内部循环，冷凝器62中产生的45℃/40℃热水通过供暖热水泵8输送至用户侧末端9即风机盘管/地暖/散热器等。
[0032] 计算例：
[0033] 以循环介质为30％冰体积分数的冰水混合物为例，计算中深层地源井内的换热量。
[0034] Q全＝Q显+Q潜
[0035] ＝C水·m·ρ水·Δt+K·m·ρ冰·η
[0036] 式中：Q显——
显热得热量，kW；Q潜——
潜热得热量，kW；
[0037] C水——水
比热容，kJ/kg·℃；m——流量，m3/h；
[0038] ρ水——冰密度，kg/m3；K——冰的
液化潜热，kJ/kg；
[0039] ρ冰——冰密度，kg/m3；η——冰的体积分数，％；
[0040] 假设条件为循环流量35m3/h，地源井进出口温差为10℃。30％的冰水混合物经由地源井的换热量为显热396kW，潜热875kW，共计为1271kW。当循环介质全为水时的工况，经由地源井的换热量为409kW。因此，理想状况下采用该能量提升系统装置所获得的换热量为未采用时的3.1倍，换热量提升效果显著。
[0041] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
[0042] 尽管本文较多地使用了垂直套管式地埋管1、外套管11、内套管12、第一调节阀13、第二调节阀14、冷却水泵15、第三调节阀16、增压泵2、制冰桶3、低温制冷结构4、低温制冷压缩机组41、载冷剂输送泵42、冷冻水泵5、地源热泵机组6、蒸发器61、冷凝器62、高温制冷压缩机7、供暖热水泵8、用户侧末端9等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
