技术领域
[0001] 本
发明涉及一种全封闭真空负压深层
地源热泵系统，属于地源热泵技术领域。
背景技术
[0002] 燃
煤锅炉房供暖系统主要是由燃煤锅炉18、一级循环管网16、换热站2、二级循环管网17、用户
散热器3构成，系统原理图如图2所示。现有燃煤锅炉房供暖逐步将被淘汰，由10吨及以下的供暖燃煤锅炉禁止投入使用已经扩大到35吨，绝大部分社区供暖锅炉房已经不能继续供暖，部分接入到市政供暖系统，也有部分面临没有热源接入的难题，由于燃煤锅炉房采用的是高温
循环水，采用普通的地源热泵系统或者
空气源热泵系统主要受到以下几个方面的限制一：普通的地源热泵系统产生的热水
温度满足不了原有供暖系统的温度要求，燃煤锅炉房高温一级热网管线采用的是高温热水90℃/70℃，浅层地源热泵的地源井循环温度是12℃/7℃，通
过热泵机组提温最高产生温度55℃的热水；二：如果采用二级管网当成一级管网使用，原有管线太细不能满足低温水大流量的循环要求，采用低温
水循环不能满足供暖需求，需要投入大量资金为管网系统进行改造；三：普通地源热泵系统造价太高，且在供暖锅炉房改造系统中场地受限没有施工空间。现有燃煤锅炉的替换均是老旧的小区，场地均硬化，绿化也全部完工成熟，如果破坏施工会造成巨大的浪费，需要破拆，还要重新栽种，道路，广场恢复成本高，最主要的是即便全部新建也没有施工空间，浅层地源热泵井的间距是4米一个，一个10万㎡的小区大约需要钻孔1500口。四：由于浅层水源井回灌问题一直没有得到有效的解决，
水源热泵机组供暖系统已经大部分被禁止投入使用。
发明内容
[0003] 根据以上
现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种全封闭真空负压深层地源热泵系统，在不改变现有燃煤锅炉供暖管线的
基础上，采用深层地源热泵系统直接替代燃煤热水锅炉作为冬季供暖的热源，以解决上述问题。
[0004] 本发明所述的全封闭真空负压深层地源热泵系统，包括深入到地下的深层地源热泵采水井和深层地源热泵回灌井，两者中下部通过若干横向的井道相连通，深层地源热泵采水井、深层地源热泵回灌井、横向的井道内铺设管道；深层地源热泵采水井的出口经电潜泵连接
板式换热器，所述的深层地源热泵采水井、板式换热器、深层地源热泵回灌井和横向的井道形成封闭水循环回路；板式换热器通过热源循环管网连接地源热泵机组，地源热泵机组通过一级循环管网连接换热站，换热站通过二级循环管网连接用户
散热器。
[0005] 利用电潜泵将深层地源热泵采水井的水提取到地面上，利用板式换热器与热泵机组进行换热，系统运行过程中回灌井与采水井会形成液位差，利用建立好的
地下水通道，尾水重新进入到采水井中，这样会形成一个循环系统。地源热泵机组将提取热量通过
压缩机转化到供
热管网中。深层地源热泵井的循环温度达到50℃/30℃，高温地源热泵机组出水90℃～100℃，如果
地热资源丰富，地源井提供的出水温度可以达到70℃左右，高温地源热泵机组出水甚至可以达到120℃，完全满足一级循环管网运行的要求。
[0006] 本系统主要是通过地源热泵机组将地源热泵采水井的热水温度提取出来，直接转
化成高温的热水通过原一级循环管网与换热站进行换热，提取温度后的地源采水井的尾水回灌到地源热泵回灌井中。系统运行过程中全程绝对密闭，真空负压回灌，回水井的井口压
力是负的，形成了一个大的吸力，完全解决了水源回灌问题。
[0007] 该类系统采水井和回水井施工过程中在井底腔体内可能会留有沙粒等杂质，经过多年的运营，循环管道内壁也会形成
铁锈，如果不通过板式换热器中间换热，水直接进入热泵机组内，沙粒或铁锈会磨损机组内部
铜管，或积留在机组内，影响机组使用效果和寿命。
[0008] 通过板式换热器，热泵机组的
蒸发器与板式换热器通过地
上管道
循环泵循环，此部分循环是带
正压的循环(运营水有压力，0.2Mpa)系统运行安全可靠，不会存在突然水泵停止，机组
蒸发器内缺水，导致蒸发器温度过低，冻烂铜管的情况。(热泵机组原理为压缩机通过转变冷媒(氟利昂)在蒸发器内蒸发，氟利昂在蒸发器内蒸发，会使蒸发器内温度非常低，有水流通过，蒸发会吸收水内的温度，否则没有水，
过冷水结
冰，铜管冻烂。吸收热量后的冷媒温度变高在
冷凝器内冷凝放热，放出的热量被用户侧的水循环带走。)板式换热器地下换热侧水泵(即电潜泵)是放在地下的，一般情况会在地下120米左右，地下存在不可控因素，安全性不如地上。因此板式换热器将深层地源水与热泵系统的循环水分成两套系统，存在故障时会有一个缓冲期，防止热泵系统损坏，大大提高了系统的安全性。
[0009] 地下侧循环利用的是真空负压循环，而热泵机组循环标准工况为正压循环。板式换热器将深层地源水与热泵系统的循环水分成两套循环系统，保证系统的正常运行。
[0010] 采用两套或两级循环水循环，可以使用两个较低杨程的水泵。热泵机组在循环过程中经常会因为室内温度达到供暖标准压缩机停止运营的情况，为达到节能的目的，压缩机运营停止后，热泵机组的循环水泵会一同停止运营。当温度降低后，压缩机启动，循环水泵也会同时启动。在热泵机组的循环水泵停止运营后，同时地下提水泵也会降低
频率运营，达到节能目的，降低运行
费用。
[0011] 所述的深层地源热泵采水井和深层地源热泵回灌井深入到地下1900m。
[0012] 优选的，所述横向的井道中部通过腔体相连通。设计的主要原因有两个，第一、增大系统的换热面积，腔体里面会积存部分水，腔体里面的水会和腔体更多的
接触面积进行换热。当循环水流通过的时候会带走更多的热量。第二、造腔会节省成本与提高钻井的成功率，如果不造腔，两口井的管道相连接可以做到，但是施工难度太大，成功率小，费用高昂。腔体就是通过钻井工艺在设定交汇处造一个比较大的空间，然后对腔体进行护壁，当对接完成后形成一个完全封闭的囊体。
[0013] 优选的，所述横向的井道包括水平段井、中部定向段井和底部定向段井。采用水平段、两处定向段，主要是增加换热面积，具体深度没有要求，但是深度越深越好。
地温梯度一般为3～5℃(下降100米地温升高3～5℃)，但是为了保证良好的换热效率，三个横向的井道的直线距离与垂直距离均需要大于100米。
[0014] 优选的，所述的水平段井深1300m，中部定向段井深1500m，底部定向段井深1900m。
[0015] 优选的，所述的水平段井横向水平布置，中部定向段井和底部定向段井向下倾斜布置。通过这样的布置，可以使得三个横向井道之间的距离尽可能的大，可以起到更好的换热效果。
[0016] 优选的，所述的电潜泵与板式换热器之间设有除砂器，除砂器过滤掉系统中的沙子等颗粒状的杂质。除砂器带有
阀门、
温度计、压力表，便于系统观察。
[0017] 优选的，所述的深层地源热泵采水井、深层地源热泵回灌井地下0～1000m的管道外设有保温材料。1000米以上的地温比较偏低，如果不进行保温，会导致水在循环过程中散失大量热量。保温材料的材质可以为聚
氨酯发泡材料，保温层厚度5cm。
[0018] 优选的，所述的深层地源热泵采水井、深层地源热泵回灌井地下1000m处的管道外设有止水圈。止水圈设置
位置可以在管道外的保温材料的末端，一共设置三处，三处均紧贴管道、井壁，相互间隔10米。目的主要是减少管道外壁上部下降的凉水与下部的高温水热量传递。
[0019] 本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
[0020] 本发明所述的全封闭真空负压深层地源热泵系统，可以在全国大部分地区均可实现燃煤热水锅炉的替代，不会受到因为地址构造原因导致的浅层地源热泵系统成井困难造价高的问题。此系统是目前本领域最简单的燃煤热水锅炉替代方案，投资最少，经济运行费用最低，采用此方案运行，年运行成本约比空气源热泵、浅层地源热泵节省30％的费用。
[0021] 此系统可以应用于全国任何地区，运行过程不受到地下水的影响，系统实现的是循环水的密闭循环，不会对地下水造成污染。整个地源侧系统循环在完全密闭的管路循环中进行，通过合理井位与井深结构设计，建立好地下水通道可以持续实现系统的循环利用。
[0022] 采用深层地源热泵只需要两口井，一口地源热泵采水井，一口地源热泵回水井。深层地源热泵的地面井口间距在500米--1000米之间即可满足，井口布置灵活，施工恢复面积小。
[0023] 本发明：一、通过建立地下水通道实现水路的循环，真正做到了只取热，不取水；
[0024] 二、可以产生高温的热水，完全满足一级循环管网运行的要求；
[0025] 三、真空负压回灌能实现地源热泵采水井尾水的全部回灌，完全解决了水源回灌问题；
[0026] 四、可以直接替代燃煤热水锅炉，不用对原有供暖系统进行改造，而采用目前本行业的其他方式均需要对系统进行改造；
[0027] 五、采用较少数量的深层地源热泵井即可满足地源热泵机组的运行要求，打井场地施工过程中300㎡，施工完成后占地面积仅约20平方米。
附图说明
[0028] 图1是本发明的结构示意图；
[0029] 图2是燃煤锅炉供暖系统的结构示意图。
[0030] 图中：1、地源热泵机组；2、换热站；3、用户散热器；4、板式换热器；5、除砂器；6、深层地源热泵采水井；7、深层地源热泵回灌井；8、电潜泵；9、保温材料；10、腔体；11、水平段井；12、中部定向段井；13、底部定向段井；14、止水圈；15、热源循环管网；16、一级循环管网；17、二级循环管网；18、燃煤锅炉。
具体实施方式
[0031] 下面结合
实施例对本发明做进一步描述：
[0032] 如图1所示，本发明所述的全封闭真空负压深层地源热泵系统，包括深入到地下的深层地源热泵采水井6和深层地源热泵回灌井7，两者中下部通过若干横向的井道相连通，深层地源热泵采水井6、深层地源热泵回灌井7、横向的井道内铺设管道；深层地源热泵采水井6的出口经电潜泵8连接板式换热器4，所述的深层地源热泵采水井6、板式换热器4、深层地源热泵回灌井7和横向的井道形成封闭水循环回路；板式换热器4通过热源循环管网15连接地源热泵机组1(热泵机组采用意大利Turboden)，地源热泵机组1通过一级循环管网16连接换热站2，换热站2通过二级循环管网17连接用户散热器3。
[0033] 深层地源热泵采水井6和深层地源热泵回灌井7深入到地下1900m。采水井与回灌井间距约500米。
[0034] 横向的井道中部通过腔体10相连通。在交汇处进行造腔，实现采水井与回灌井的连通。
[0035] 横向的井道包括水平段井11、中部定向段井12和底部定向段井13。
[0036] 水平段井11深1300m，中部定向段井12深1500m，底部定向段井13深1900m。
[0037] 水平段井11横向水平布置，中部定向段井12和底部定向段井13向下倾斜布置。
[0038] 地源热泵采水井6、地源热泵回水井7井管结构：井深0m～1000m(泵室段/垂直井)，下入
钢级J55级Φ339.7×9.65mm无缝石油
套管，总长1000.3m，顶端高出地面0.30m；0-300m井段
水泥固井(水泥返至地面)；
[0039] 井深1000m～1900m段，其中：1000～1500m下入钢级J55级Φ339.7×9.65mm无缝石油套管，长500m；1500m～终孔(定向段13)下Φ177.8*8.05mm无缝石油套管；中部定向段井12在1500m处开窗钻进下Φ177.8*8.05mm无缝石油套管，与回水井联通，水平段井11在1300米处开窗钻进下Φ140*7.72mm无缝石油套管。水平段井11采用Φ140管径主要是为了三个联通段(水平段井11、中部定向段井12和底部定向段井13)的水流尽量平衡，如果水平段井
11采用的管径过大会造成
短路，导致最底部定向段井13没有水流。
[0040] 电潜泵8与板式换热器4之间设有除砂器5。除砂器5带有阀门、温度计、压力表，便于系统观察。
[0041] 深层地源热泵采水井6、深层地源热泵回灌井7地下0～1000m的管道外设有保温材料9。保温材料9的材质为聚氨酯发泡材料，保温层厚度5cm。
[0042] 深层地源热泵采水井6、深层地源热泵回灌井7地下1000m处的管道外设有止水圈14。止水圈14设置位置在管道外的保温材料9的末端，一共设置三处，三处均紧贴管道、井壁，相互间隔10米。
